王树国，王 璞，赵 磊，徐 旸

(中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081)

轨道结构直接与高速运营的列车相接触，其服役状态直接影响列车的运营安全。从轨道结构形式来看，高速铁路分为有砟轨道和无砟轨道2大类。以法国、西班牙等为代表的国家通常采用有砟轨道结构。法国高速铁路TGV的试验速度达到了574.8 km/h，是目前世界上高速铁路最高试验速度的保持者。有砟轨道具有造价低廉、施工简单、弹性良好、易于维修等优点。但有砟轨道在服役过程中会发生自然劣化问题，为保持有砟轨道的几何状态和弹性，需不断进行养护维修工作(捣固和清筛作业)，占用大量的人工及维修天窗时间，而高速铁路列车运行速度快，追踪时间短，频繁的养护维修作业难以适应高速铁路的运营需求。此外，高速列车所引起的列车风荷载，也会引起道砟飞溅等问题，加大了有砟轨道维修的难度。

我国是世界上高速铁路在建及运营里程最长的国家，以我国、德国、日本为代表的国家更倾向于在高速铁路中采用无砟轨道结构。无砟轨道具有整体性强、稳定性好、轨道几何形位易于保持、轨道变形小、维修工作量少等优点，但是工程投资费用高，现场施工繁杂且技术要求高，轮轨噪声大，对环境影响突出。此外，无砟轨道多铺设于桥梁基础之上，在温度荷载作用下，无砟轨道与下部基础会发生显著的相互作用，一旦出现问题维修极为困难。

尽管我国在高速铁路领域取得了举世瞩目的成就，但从技术体系角度而言，高速铁路在我国的发展仍处于起步阶段，养护维修尚未形成完备的体系，设计理论也不尽成熟。由于我国高速铁路工程建设规模大、速度快，早期的基础研究及试验研究存在着一定的不足，因此设计、建设及养护维修标准研究有待进一步完善。现有的基础设施监测及伤损修复技术明显不能满足实际运营的要求，缺乏系统的安全信息管理及报警、预测、决策等手段，高速列车的运行不可避免地存在着一定的安全隐患，一旦出现事故如失稳、脱轨，将造成重大的经济损失并危及人身安全。完善高速铁路轨道系统，发展健康监测与运营维护技术，对于确保铁路运营安全及提高运营效益具有重要意义。

1 研究现状与发展趋势

1.1 有砟轨道结构

有砟轨道主要由一定级配的碎石道砟构成，散体碎石道床在列车循环荷载作用下会发生自然的劣化，是有砟轨道结构的薄弱环节。从世界高速铁路的建设里程、运营情况及发展趋势来看，在大力发展无砟轨道的同时也在不断发展有砟轨道，有砟轨道结构以其突出的优点日益受到世界各国的重视与广泛应用。在高速有砟轨道结构中，道床状态的劣化及维修与高速列车作用下所产生的道砟飞溅是制约高速铁路有砟道床技术应用的关键技术瓶颈，也是今后研究工作的重点。

在有砟道床的力学特性及劣化机理方面：澳大利亚Indraratna等[1-3]等进行了一系列道砟试验，如三轴试验、道砟-轨枕箱体模型试验，较为全面地研究了道砟的力学性能和劣化机理，以及有砟道床的垂向累积沉降及侧向流变特性，发现提高道砟集料的抗剪强度能有效地减少有砟道床的沉降及侧向变形，通过对比劣化道砟与新道砟物理力学特性差异，发现劣化道砟由于尖角的破裂和消失，相对于新道砟导致了较大的轨枕沉降。Huang等[4-5]基于三维重建技术建立道砟离散元模型，研究了列车速度、路基支承刚度、轨枕失效、沥青厚度等因素对铁路沥青道床沉降变形的影响，并基于欧拉梁模型以及温克尔地基梁模型对沥青混凝土上有砟轨道的动力传递规律进行了分析。Qian，Tutumluer等[6-7]通过室内三轴试验等手段研究了土工格栅对道床沉降规律的影响，并认为设置土工格栅能显著减缓道床的累积沉降。近年来，在高速铁路联合基金的资助下，我国学者[8-12]对高速铁路散体道床的劣化机理进行了较为系统的研究，并基于离散元数值仿真模型，对捣固作业对散体道床状态的影响规律进行了初步研究。

在高速列车作用下的道砟飞溅及防控方法方面：高速铁路有砟轨道在列车运营过程中，在空气动力和车轨动力共同作用下，道砟颗粒会发生飞离道床并击打列车转向架、车轮及钢轨踏面的飞溅现象，直接影响列车的安全运营。因此，道砟飞溅是高速铁路有砟轨道亟待解决的关键问题之一。目前国内外在该方面研究相对匮乏，是世界高速铁路有砟轨道结构进一步发展的关键技术瓶颈。

国外高速铁路发展较早，在道砟飞溅机理研究和工程防治方面积累了一定经验。Paradot等[13]进行全尺寸的风洞试验，对列车底部几何形状进行了精确模拟，研究模拟240 km/h速度列车产生的风荷载下道砟颗粒的移动、飞起过程，并分析了法国TGV与德国ICE-3两种车型底部结构下道砟飞溅过程的区别。Premoli等[14]通过对意大利高速铁路有砟道床表面风速进行现场测试，得到高速列车风作用下有砟道床表面的流场特性，应用现场测试数据建立等比例室内风洞试验模型和CFD数值仿真模型，通过改变道床结构参数，研究道砟飞溅现象的影响因素。Luo等[15]利用有限元分析法模拟高速铁路有砟轨道道床结构，研究在模拟高速列车荷载作用下道床结构的振动响应，监测道床结构内5个样本点处的振动加速度，当其大于道砟颗粒重力加速度时即认为发生道砟飞溅，得到道床结构易发生道砟飞溅区域。Kaltenbach等[16]进行轨道结构室内试验，通过圆球滚动产生的冲击力模拟轨道结构振动，研究轨道结构振动对道砟飞溅的影响。

针对高速铁路道砟飞溅问题，国内进行了一系列探索与研究。中国铁道科学研究院集团有限公司郄录朝等[17]根据有砟轨道结构特点，建立动车组和有砟轨道车-线多孔介质动态空气动力学分析模型，研究列车底部至道床顶面之间的空气流动特性，并通过京沪高速铁路黄河大桥风压测试和道砟飞溅监测研究列车底部空气动力学效应，结果表明道床表面所受负压随列车速度提高而增大，在列车时速达到350 km时，试验区段未发生道砟飞溅。在国家自然科学基金委青年基金的资助下，北京交通大学高亮、井国庆和铁科院曾树谷[18]对中欧高速铁路有砟轨道道床参数进行了比较与分析，主要包括道砟材质和道床断面尺寸，以及飞砟防治措施等方面。比较结果表明，部分标准内容中欧略有差异，对于中欧不同的道砟试样采样和测试方法需要进一步通过试验研究进行分析，并对高速铁路有砟轨道设计提出了建议。

1.2 无砟轨道结构

国外高速铁路无砟轨道应用较为广泛的国家主要有日本和德国。由于国情不同，日本新干线主要采用单元板式无砟轨道，结构形式相对统一，结构组成为钢轨、弹性扣件、预制轨道板、CA砂浆充填层、混凝土底座、限位凸台等。德国由于研发体制不同，无砟轨道结构形式相对较多，近40年来研发了100多种无砟轨道结构，其中以Rheda型无砟轨道的发展历程最具代表性，经历了Rheda原型、Rheda型、Rheda-Berlin型、Rheda2000型等，但结构主要包括预制混凝土轨枕、现浇混凝土道床板、混凝土支承层(路基上)或带限位机构的混凝土底座(桥上)等。

2006年以来，在总结我国无砟轨道前期研究成果和消化吸收引进技术的基础上，高速铁路无砟轨道技术再创新研究在无砟轨道设计理论和方法、结构及接口设计、工程材料技术、制造及施工工艺、装备等方面取得了一系列研究成果。针对我国铁路的运营条件、地域条件，相继研发了CRTSⅠ型、CRTSⅡ型板式、CRTSⅢ型板式以及双块式无砟轨道系统[19]，形成了无砟轨道设计、制造、施工、检测等成套技术，并在我国高速铁路建设中全面推广应用。

无砟轨道结构与长大桥梁、高架站的结构相互作用，关系复杂且受多重荷载作用，综合了无缝线路、无缝道岔、无砟轨道等技术要点，与其下部基础结合还衍生出一系列的技术难点。此外，无砟轨道一旦出现问题难以修复，会对列车运营造成显著影响。因此，无砟轨道与复杂下部基础的适应性问题、检测与监测技术、快速维修更换技术是今后研究的重点。

在无砟轨道与超大跨桥梁适应性研究方面：我国已经建成的大跨度铁路桥梁多采用明桥面或有砟轨道，大跨度铁路桥梁如果采用无砟轨道，单线恒载减少30～60 kN/m，可降低桥梁用钢量，提高大桥跨越能力。另一方面，我国幅员辽阔，江河湖泊众多，通航要求越来越高，桥位资源越来越紧张，桥梁跨度必然不断增加，同时伴随无砟轨道应用范围不断扩展，为保证轨道结构的一致性，避免频繁过渡带来的几何不连续及刚度差异，大跨度桥上铺设无砟轨道也将成为必然趋势。

相比较普通桥梁，超千米铁路大桥跨度大，刚度相对偏小，对风、温度等环境荷载以及车辆荷载的作用更为敏感，使得桥上轨道几何形位控制更加困难。到目前为止，无砟轨道在国内外高速铁路大跨度钢桥特别是超千米大桥的应用仍属空白。

国内外学者针对大跨钢桥用无砟轨道这一难题相继开展了研究。李永乐等[20]对大跨度钢桁梁斜拉桥无砟轨道桥面竖向静力刚度特性进行了研究。卫星等[21]通过动力性能试验研究验证了纵连板式无砟轨道在大跨度桥上的动力适用性。陈小平等[22]得到了大跨度连续梁桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道在不同位置松开扣件进行改道、垫板等维护作业对无缝钢轨、底座板、剪力齿槽、桥梁固定支座等部件纵向力的影响。曲村等[23]对高速铁路长大桥梁CRTSⅠ型板式无砟轨道的无缝线路力学特性进行分析，提出了选择无砟轨道无缝线路设计参数的建议。崔丽红等[24]对长大混凝土桥梁无砟轨道温度跨度进行了研究，对比分析了无砟轨道与有砟轨道的轨道结构形式以及梁轨相互作用机理。总体来看，既有研究尚未直接涉及超千米大桥无砟轨道问题。

在无砟轨道快速更新技术方面：安全与速度是高速铁路2大重要指标，在天窗时间点内完成无砟轨道快速更新，同时保证更新结构强度快速达到要求，这2点是确保高速铁路安全与速度2大指标的关键。

对于目前我国高速铁路无砟轨道出现的病害和伤损，我国学者在伤损机理、修复材料及轨道维修和快速更新方面进行了探索性研究。高亮等[25]基于有限元理论，研究了温升和持续高温荷载作用下，宽、窄接缝分别破损对无缝线路受力和变形的影响。倪跃峰等[26]对无砟轨道抬板维修解除轨道板间的纵向连接时两侧相邻轨道板的植筋锚固处理进行了计算。王继军[27]针对板式无砟轨道结构锚固销钉限位技术提出了2种销钉设计方案，并进行了单个销钉静态承载能力、疲劳承载能力以及实尺模型销钉承载能力进行了试验研究。姜子清等[28]对CRTSⅡ型板式无砟轨道砂浆层伤损进行了调研，针对不同的伤损提出了伤损判定标准及检查方案，并给出了修复方法及注意事项。吴绍利等[29]针对板式无砟轨道的砂浆离缝问题，提出了合适的快速维修工艺。王涛等[30-31]对不锯轨更换桥上的CRTSⅠ型轨道板进行了详细研究与论述。郑新国等[32]针对沉降无砟轨道结构注浆抬升用材料、装备和工艺进行了系统研究。陈一脉[33]针对CRTSⅡ型无砟轨道路基大幅值沉降维修方式的不足，提出了抬板法维修方案，对抬板支护材料属性、支护块几何尺寸、垫块方式进行了讨论，并且针对提出的支护方案建立动力学模型，探讨了维修后的行车限制速度。

1.3 轨道服役状态、安全监测与健康管理

高速铁路轨道结构是整个高速铁路系统的关键组成部分之一。在运营过程中，由于承受高速列车与基础设施相互作用产生的载荷和外界环境影响，轨道结构状态将产生变化，演变到一定程度也会形成轨道病害。轨道病害主要分为2类：①沿线路的轨道平顺性方面的病害，如钢轨波磨、轨道几何不平顺和基础沉降引起轨面长波不平顺等；②与轨道部件伤损和失效有关的病害，包括钢轨伤损、扣件失效等。轨道病害直接影响轮轨作用力和车辆动态响应，如不及时发现和处理，不仅影响列车行车安全、旅客舒适性、车线设备的寿命和运营维护成本，还会影响铁路运输组织秩序，甚至引起列车脱轨事故。轨道病害的产生难以避免，但轨道病害的发生和发展过程必须能够检测、发现和控制。

1)高速铁路维修技术与维修体制

随着计算机和科学技术的快速发展，人工智能已广泛应用于铁路线路基础设施的养护维修。国外铁路重视重载铁路状态检测技术和预测评估技术在线路养护维修中的应用，建立了基于状态修(Condition-based Maintenance,CBM)的维修模式。状态修是通过定期或连续对线路设备状态进行检测和诊断分析，预测或及时发现可能的线路病害，主动避免某些病害发生或根据不同状态采取相应维修方案，从而实现维修时间少，维修速度快，维修费用低，并提高维修准确性和线路设备可靠性。国外铁路推行“管、检、修”分离模式，可实现检查与维修的异体监督，提高维修的专业性与机械化水平;采用专业化大型养路机械进行维修作业，提高维修质量与维修效率。如日本高速铁路为“管、检、修”严格分离模式，日本铁路公司只负责设备管理、发包、检查和验收，检测与维修作业均外包。欧洲高速铁路为“管、检、修” 部分分离模式，大部分大修和部分计划修业务委托外包。

我国已建立了系统的线路设备检测方法，目前实行周期修与基于质量状态评估的状态修相结合的维修管理体制，根据线路结构状态和各线实际开展单项修理，提高了维修的针对性，更加经济合理。随着信息化技术的应用，国内已开发了系统的线路设备管理系统，可实现线路基础设施的智能化管理，已建立了铁路工务管理信息系统(PWMIS)，以GIS为平台，应用智能技术，可最大限度实现数据与信息资源共享，实现信息获取、组织管理、实施计划、指挥调控等功能，实现对铁路工务设施的有效管理，提高速铁路路信息化水平。初步形成了基于PHM的大跨度桥梁智能养护维修技术，实现大跨度铁路桥梁的关键构件服役状态的智能化监测和健康管理。

在维修组织方面，国内已全面推行“检、养、修”分开的模式，采用集中修、机械修、天窗修和异体专业检查方式，提高了线路检查和维修质量，大大减少作业处所，提高了安全生产管理水平。维修组织模式主要有工务、电务和供电综合维修和专业维修模式2种，生产一体化管理可实现统一组织架构、统一天窗安排、统一生产计划、统一组织、统一应急处置，提高天窗利用率和维修作业效率。

在维修技术方面，国内已形成了成熟的大型养路机械的研发与生产能力，采用专业化大型养路机械进行大修与综合维修作业。通过引进技术、联合设计、合作生产、自主研发等方式，掌握了大型养路机械的制造技术及核心技术，完善了生产组织，大幅度提高了大型养路机械的制造水平。同时国内已研发了系列线路基础设施维修加固新材料与新方法，研制了碳纤维板桥梁加固、高分子树脂锚注材料、自流平混凝土、热塑性弹性体、新型重载道岔等新材料与新产品，研发了体外预应力桥梁加固，“裂缝修补+锚杆+粘贴碳纤维布”、“内嵌H型钢拱架+锚杆”、“高强波纹板+锚杆”等隧道衬砌裂纹加固的新方法和新工艺，建立了成套的铁路线路基础设施维修与加固技术体系。

2)高速铁路轨道检测与监测技术

在信息技术智能化的背景下，国外发达国家率先提出将信息智能技术应用于道路监测、检测及养护维修方面，从而使监控数据及时得到采集、反馈、共享、会诊，使道路智能化系统实现安全健康监控和预测作用。日本的UTMS提出了一种基于红外线感应器和光信标传感器的信息采集和处理系统，可以建立智能化道路监控系统；法国在网络传输中，通过实时监测系统的数据特性，建立系统功能强大的数据库系统，形成统一管理平台，为实时智能监控系统提供实时、可靠、安全、高效的数据传输服务。随着计算机和科学技术的快速发展，人工智能也开始在各类交通基础设施的监测检测和病害识别方面发挥作用。

在智能化监控技术方面，我国尚处于起步成长阶段，与国外发达国家还存在一定的差距。目前，我国正大力发展智能化监测、检测技术。基于高速铁路长期服役能力保障的需求，我国铁路针对轨道、钢轨、路基、重点桥隧、环境灾害等基础设施安全风险重点项目，研究提出了高速铁路工务设备检测监测体系网络化、智能化总体框架，提出我国高速铁路检测监测体系总体技术条件以及工务设备运营维护综合数据中心架构；开展了高速铁路无砟轨道的实时健康监测和全生命期安全评估技术研究。

在移动检测技术研究和设备开发领域，铁科院研制了CRH5J-0501(原0号)，CRH380BJ-0301(原CRH380B-002)，CRH380AJ-0201(原CRH380A-001)，CRH380AJ-0202，CRH380AJ-0203等高速综合检测列车和CRH2A-2010，CRH2C-2061，CRH2C-2068，CRH2C-2150等过渡综合检测列车。综合检测列车最高检测速度达到400 km/h，集成了轨道、接触网、轮轨动力学、通信和信号检测系统和具有时空同步、环境视频、检测数据综合显示的综合处理系统，按固定周期对高速铁路轨道、接触网、通信、信号等基础设施状态进行等速检测，采集和评估基础设施状态。经长期研究，中国铁道科学研究院已获得高速铁路无砟轨道不平顺谱和车辆动力响应谱、车辆响应和轨道不平顺关联关系模型、高速铁路动车组动力学模型等重要研究成果，使我国移动设备检测技术居于世界前列。

在铁路轨道的安全监测与健康管理领域，今后研究的发展趋势主要包括：从宏观角度针对轨道结构系统的“高速铁路轨道结构病害诊断及安全评估方法研究”，从细观角度针对钢轨结构的“导波在钢轨无损检测中应用的理论研究与系统实现”，针对无砟轨道在长期服役条件下的“病害修复条件下的高速铁路无砟轨道服役性能演变与评估研究”以及针对轨下基础的“高速铁路轨下多层复合结构隐蔽性病害感知理论与状态控制方法研究”等几个方面。

就轨道的安全监测及检测技术而言，声波发射和超声导波技术是近年来新兴的无损检测技术，具有检测面广、检测距离长、检测精度高等优点，已逐步应用于桥梁构建、管道等缺损检测。声发射技术是基于捕捉裂纹产生或发展所释放出的能量，而超声导波是基于捕捉导波在介质传递中遇到缺损时反馈回的波形具有的差异性，因此，声发射检测裂纹时具有被动性，超声导波检测裂纹具有主动性。

Kaule于20世纪50年代首次提出了基于磁致伸缩效应的无损检测技术，其研究对象是检测钢索的断股和腐蚀。另外，他还进行了长距离管道导波检测的可行性研究、各种科学和工程领域中导波的传播、长管检测和机械状态监测研究，对无缝钢管的检测取得了较好效果。国内对于该方法的研究近几年才刚起步，对磁致伸缩传感器在无损检测中应用的理论基础作了论述，分别建立了基于磁致伸缩效应在管道中激励和接收纵向导波模型，设计了应用于圆管的激励纵向导波的磁致伸缩传感器，自行开发了大功率智能磁致伸缩检测仪。通过激励不同频率的信号，对不同管径和长度管材进行了大量试验，得出了适用于检测的最佳频率。

2 存在的问题

2.1 高速铁路有砟轨道结构

在高速铁路散体道床的劣化及道床养护维修方面，目前国内外对高速铁路有砟轨道劣化机理的研究较少。要对有砟道床的力学特性及劣化机理进行系统的研究还存在以下主要难点：

1)高速铁路道砟颗粒及其力学状态的模拟。道砟颗粒大小不一、形状各异，道砟颗粒间受力变形机理非常复杂，目前国内外对于有砟道床的模拟多基于宏观方法，基于微观离散单元方法时对道砟多采用圆球体或者椭圆球体进行模拟，考虑较为粗糙，与实际偏差较大。

2)复杂环境条件下高速铁路有砟道床劣化演变规律。在列车循环荷载作用以及酸雨、泥浆、温度场等外界复杂环境因素长期耦合作用下，散体道砟材料力学特性会发生劣化演变，导致有砟道床失效、破坏。因此，对于长期运营过程中复杂环境作用下高速铁路有砟道床劣化演变规律的研究具有重要价值。

3)捣固维修作业对散体道床力学状态的作用机理。捣固机械在插捣过程中，多个金属捣镐会以一定自振频率与散体碎石道床发生作用，使道砟向轨枕底部流动，涉及散体力学、多体动力学等多个学科。

在高速列车作用下的道砟飞溅及防治方法方面：目前国内外对高速铁路道砟飞溅机理研究相对较少，特别是在列车风与道砟作用机理、高速有砟道床断面优化等方面的研究相当匮乏。难点主要表现在以下方面：

1)高速列车作用下道砟飞溅的形成机理。传统研究方法成本高、危险性大，具不可逆性，结果难于观测与统计，导致不能对道砟飞溅的产生原因、影响因素、防治手段等问题进行深入、细致、系统的研究。

2)轨道结构对道砟飞溅的影响规律。道砟飞溅现象是由轨枕、道砟和列车风载相互影响，结构复杂的体系相互作用所导致，同时还受到道砟颗粒物理特性、道床属性、列车线性等综合因素影响，故有必要将轨枕、道砟、列车风进行耦合分析。

3)多场荷载耦合作用下道砟飞溅的发生机理。在极端气候条件下列车底部冰雪掉落所形成的击打、高速列车经过桥梁时梁体所产生的振动会与高速列车风和列车振动形成多场耦合荷载，从而引起更为复杂的道砟飞溅现象。

2.2 高速铁路无砟轨道结构

在无砟轨道与超大跨桥梁适应性研究方面：

1)无缝线路-无砟轨道-超大跨桥梁间相互作用及变形协调问题。当桥梁跨度增加时，无砟轨道及钢轨纵向温度力，无缝线路钢轨伸缩力、挠曲力、断轨力均较大。如何合理设计以达到无缝线路-无砟轨道-超大跨桥梁受力平衡、变形协调，是需要解决的关键科学问题之一。

2)超大跨桥上高速行车运营安全性及控制指标问题。桥梁抖振、车辆气动荷载及车轨桥相互作用关系三者共同影响下的高速列车运营安全性问题及平顺性控制标准是超大跨桥上铺设无砟轨道时需要解决的另一个关键科学问题。

3)超大跨桥上无砟轨道层间黏结安全及无砟轨道稳定性问题。在往复温升温降荷载、温度梯度荷载以及车辆动荷载下进行桥面与无砟轨道、无砟轨道各层黏结及限位合理设计，是在超大跨桥上铺设无砟轨道时需要解决的又一关键科学问题。

4)超大跨桥梁徐变下无砟轨道及轨面几何形位保持与养护维修技术难题。超大跨度桥上无砟轨道的应用必须有相应的养护维修技术支持，并且配合相应的超大调整量扣件，确保长期服役过程中超大跨度桥上无砟轨道轨面平顺性满足高速行车要求。

在无砟轨道快速更新技术方面：

1)固化速度快，刚度匹配性好，耐久性好的替代材料研制。需要研发的修复材料力学特性要与原有材料的性能一致，并且修复材料与连接结构部件的黏结性能也要与原材料性能相当。同时要便于施工，固化速度快以及具有较好的耐久性。

2)快速更新施工机具和机械。无砟轨道维护的天窗时间短，对轨道部件的更换速度提出了较高要求。如何在相对狭小的空间进行快速更换对施工机具和机械提出了较高的要求。

3)无砟轨道快速更新施工工艺。轨道部件更换速度与质量是运输秩序与安全的重要保障。在无砟轨道结构中，有长钢轨、道岔、轨道板和充填层4种大部件，其更换工艺较为复杂。针对不同的更新部件和施工要求，应采用不同的施工工艺。

4)无砟轨道更新效果检测与评估。无砟轨道更新过程导致的无砟轨道状态的改变需要进行合理监控。检测内容应当体现出无砟轨道的状态的改变对于未维修的结构以及无砟轨道、无缝线路系统的影响。

2.3 高速铁路轨道服役状态安全监测与健康管理

铁路轨道服役状态的安全监测与健康管理方面所存在的问题，从宏观轨道结构系统到细观轨道结构部件主要包括如下5个方面：

1)高速铁路轨道结构病害诊断及安全评估方法有待完善。轨道病害直接影响轮轨作用力和车辆动态响应，如不及时发现和处理，将进一步加剧恶化，不仅会影响列车行车安全、旅客舒适性、车线设备的寿命和运营维护成本，还会影响铁路运输组织秩序，甚至引起列车脱轨事故。轨道病害的产生难以避免，但目前尚缺乏合理的轨道结构病害诊断及评估方法，致使轨道病害的发生和发展得不到有效的检测、发现和控制。

2)导波在钢轨无损检测中应用的理论研究与系统实现有待深入。铁路钢轨是承载车轮传递荷载并引导车轮走行的设备，其内在质量完好是保证列车运行安全的重要保证。钢轨主要的安全隐患为裂纹及折断，这些裂纹可能在钢轨的任意位置出现，比如顶部、侧面或底部。预知和检测出道岔尖轨和心轨出现裂纹甚至钢轨折断是目前铁路工务部门尚未解决的技术难题，该难题一直困扰着工务部门。由于道岔尖轨和心轨没有扣件扣压，一旦折断，引导列车运行的功能丧失，极易发生列车脱轨事故。如果尖轨和心轨折断发生在高速铁路正线，则事故是灾难性的。铁路工务部门采用超声波检测技术对钢轨轨身和焊接接头进行检测较为普遍，但目前国内外尚未有能实时监测道岔尖轨裂纹和折断的设备和方法，因此，钢轨尤其是道岔区域的钢轨裂纹检测与监测是目前急需解决的难题。

3)病害修复后高速铁路无砟轨道服役性能演变规律尚不明确。无砟轨道结构在病害修复后其力学性能会受到修补材料、多场荷载等因素的影响，会导致修补后无砟轨道的服役性能及劣化演化规律与原有结构呈现出一定的差异。尽管目前我国学者在无砟轨道出现的病害和伤损机理方面做了一定的研究，尤其是铁科院等科研单位也在修复材料开发方面做了大量工作，但病害修复后高速铁路无砟轨道服役性能演变规律尚有待进一步研究。

4)高速铁路轨下多层复合结构隐蔽性病害感知理论与状态控制方法有待研究。建立现代化的工务设备检养修技术是在高速度、高密度行车条件下保障轨道结构正常服役和列车持久、平稳、安全运行的必由之路。当前对高速铁路轨下多层复合结构(包括无砟道床与路基基床、隧道底板、桥面板在内的特有层状复合结构)隐蔽性伤损及病害的感知与状态控制存在着病害特征参数识别不清、层间状态与整体性能关系不明、结构技术状态分级不细、修复策略与时机不当、二次修复精准性不够等问题，不仅制约着工务设备运维的快速性、持久性和经济性，更给列车安全运行带来巨大威胁。

5)高速长钢轨锁定轨温检测方法及在线检测方案的研究。无缝线路受热胀冷缩规律的影响，其内部储存了相当惊人的纵向温度应力，导致线路实际锁定轨温低于设计锁定轨温。热胀冷缩规律变化产生的温度应力一旦超过无缝线路设计时锁定轨温所对应承载的温度应力，会使线路运行存在极大的隐患。在昼夜温差较大的季节，在局部区域增大的应力峰和牵制力一旦释放，会引发严重的“胀轨跑道”，导致翻车和人身伤亡事故。及时掌握线路受力状态和实际锁定轨温的变化规律，对铁路工务部门指导线路的维修及确保无缝线路的运营安全具有十分重要的意义。目前测定锁定轨温的方法需要拆除扣件，因此会在一定程度上影响无缝线路稳定性，需要研发一种无需对钢轨表面预处理，无需解除扣件的精准的无缝线路温度应力检测技术。

3 研究方向与建议

3.1 高速列车作用下的道砟飞溅机理及防治措施研究

预期目标：揭示高速列车作用下道砟飞溅的形成机理；明确冰雪击打及复杂线路条件多场荷载耦合作用下道砟飞溅的发生机理；明确轨道结构对道砟飞溅的影响规律；提出能防治道砟飞溅的轨道结构形式及设计参数。

科学问题：①高速列车作用下道砟飞溅形成机理；②轨道结构对道砟飞溅的影响规律；③多场荷载耦合作用下道砟飞溅发生机理。

研究内容：①高速列车作用下道砟飞溅的形成机理；②严寒地区冰雪击打条件下道床颗粒的飞溅机理；③桥上高速有砟轨道多场荷载耦合作用下道砟的飞溅发生机理；④道砟飞溅的防治措施及轨道结构设计参数优化。

3.2 高速铁路特殊区段轨道刚度的演化机理与规律

预期目标：探明轨道刚度匹配对高速铁路特殊区段高速行车品质的影响机制；揭示轨道刚度对高速铁路特殊区段结构服役性能的影响机理；掌握长期运营条件下高速铁路特殊区段轨道刚度的动态演化规律;研发高速铁路特殊区段轨道刚度多维高效检测设备；提出高速铁路特殊区段轨道刚度评价方法；指导高速铁路特殊区段轨道病害养护维修。

科学问题：①高速铁路特殊区段轨道刚度的合理匹配；②高速铁路特殊区段轨道刚度的科学评价；③高速铁路特殊区段轨道刚度的演化机理。

研究内容：①针对高速道岔区、路桥、桥隧等过渡段、减振轨道等特殊区段，建立考虑材料及几何非线性特性的特殊区段轨道静/动刚度多维分析模型，提出高速铁路特殊区段轨道刚度的合理匹配原则；②研究轨道刚度匹配对特殊区段轨道结构动力特性的影响机制，形成高速铁路特殊区段轨道刚度评价指标、评估技术；③研究特殊区段轨道刚度与轨道结构伤损病害的关联关系，揭示长期运营条件下高速铁路特殊区段轨道刚度的动态演化规律，为高速铁路特殊区段轨道刚度合理匹配、养护维修提供理论基础及技术支撑。

3.3 高速铁路轨下多层复合结构隐蔽性病害感知理论与状态控制方法研究

预期目标：形成轨下多层复合结构典型伤损及病害检测技术条件；提出轨下结构状态智能评估方法和状态修指标体系；研发典型病害的精准引导快速修复技术；构建高速铁路轨下结构伤损与病害的现代化检养修理论与技术体系。

科学问题：①高速铁路轨下结构隐蔽性伤损及病害多源感知机理；②高速铁路轨下结构局部状态与行车品质间映射关系；③高速铁路轨下结构多层非均匀介质中的多目标多尺度损伤及病害反演理论。

研究内容：①高速铁路轨下结构隐蔽性伤损及病害多源感知机理；②高速铁路轨下结构局部状态与行车品质间映射关系；③高速铁路轨下结构状态评估和智能决策理论；④高速铁路轨下结构精准修复方法；⑤高速铁路列车安全运营全生命周期状态评估理论和预测方法。

3.4 病害修复后高速铁路无砟轨道服役性能演变与评估

预期目标：明确无砟轨道病害修复后服役性能演化规律；实现修复后体系与原结构等强的目标，形成高速铁路无砟轨道结构服役安全保障技术。

科学问题：①修复材料与本体材料的属性差异描述和修复体传力路径；②轨道不平顺及结构损伤条件下轮轨系统动态安全性以及使用寿命预测技术；③高速铁路无砟轨道修复体材料性能退化模型和无砟轨道结构服役性能的演变规律。

研究内容：①无砟轨道修复材料与本体材料的属性差异描述和修复体传力路径；②多因素作用下修复无砟轨道结构动力可靠度评估模型与方法；③轨道不平顺及结构损伤条件下轮轨系统动态安全性以及使用寿命预测技术；④无砟轨道修复体材料性能退化模型和无砟轨道结构服役性能的演变规律；⑤轨道结构损伤和异常状态的监测、识别技术及预警机制；⑥无砟轨道智能型自修复方法与自修复材料。

3.5 导波在钢轨无损检测中应用的理论研究与系统实现

预期目标：从理论上论述采用导波进行裂纹检测和监测的可能性；开发基于导波原理的钢轨传感器和软硬件系统，在实验室进行功能验证。

科学问题：①导波在非对称结构中的理论分析；②钢轨轨头要走行列车车轮，轨头顶面及内侧面不能设置传感器，如何对轨头处缺陷进行检测，如何在理论和实践上找到答案；③如何提高检测精度，使得当缺陷或裂纹面积占钢轨截面积的比例达到5%时能被成功检出。

研究内容：①开展理论研究，确定道岔钢轨中导波的频散特性，以获取道岔钢轨中导波的相速度频散曲线和群速度频散曲线；②建立仿真模型，对导波在道岔钢轨中的传播及其与钢轨缺陷的作用进行仿真，分析不同频率导波的能量在道岔钢轨各个部分的分布，以确定适合轨底缺陷检测的导波频率；③进行道岔钢轨导波检测系统以及梳状导波传感器研发设计；④研发钢轨裂纹监测系统，在室内外进行试验，验证导波对道岔钢轨轨底各种缺陷的检测灵敏度，为优化检测系统提供依据。

3.6 无缝线路锁定轨温检测方法及在线检测关键技术研究

预期目标：研发在线、全线覆盖、精准的无缝线路温度应力检测技术，无需对钢轨表面预处理，无需线路停运；建立无缝线路锁定轨温检测的机理模型；构建“无缝线路在线锁定轨温检测方法”的科学体系和应用方案。

科学问题：①无缝线路稳定受力的物理模型和线路稳定性计算的数学模型；②无缝线路全域稳定性和局域稳定性的机理研究；③无缝线路实际锁定轨温检测的机理模型。

研究内容：①无缝线路受热胀冷缩影响实际锁定轨温的变化规律；②建立无缝线路稳定性评估条件和判据；③无缝线路温度应力精准检测的智能决策理论及技术；④无缝线路实际锁定轨温检测方法及在线实施方案；⑤锁定轨温在线检测技术。

4 结语

本文对我国近年来在高速铁路有砟轨道、无砟轨道、轨道服役状态监测与健康管理方面所开展的研究工作和取得的研究成果进行了系统的梳理和介绍，结合我国高速铁路在实际运营过程中出现的问题，指出目前高速铁路轨道系统及运营维护方面研究的欠缺及存在的问题，对未来需要开展的研究工作及主要的科学问题提出了一系列建议。主要包括：高速列车作用下的道砟飞溅机理及防治措施；高速铁路特殊区段轨道刚度的演化机理与规律;高速铁路轨下多层复合结构隐蔽性病害感知理论与状态控制方法;病害修复后高速铁路无砟轨道服役性能演变与评估;导波在钢轨无损检测中应用的理论研究与系统实现;无缝线路锁定轨温检测方法及在线检测关键技术研究。