鐵路橋隧檢測監(jiān)測體系框架研究

馮乾寬，王石磊，齊法琳，高巖，宋國華

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081；2.中國國家鐵路集團有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測中心，北京 100081）

0 引言

近年來，隨著高速鐵路大規(guī)模建設(shè)，鐵路橋隧里程與占比逐步提升。截至2020年底，我國鐵路營業(yè)里程14.5萬km，其中高鐵里程3.5萬km。據(jù)統(tǒng)計，當前全路隧道約16 800余座，規(guī)模達1.96萬km，近10年投入運營的隧道規(guī)模占總隧道數(shù)量的64%，近20年投入運營隧道占比約81%［1］。隨著經(jīng)濟與技術(shù)的高速發(fā)展，我國隧道數(shù)量呈現(xiàn)井噴式發(fā)展。

我國鐵路沿線氣候、地質(zhì)、水文條件多變，橋隧工程面臨著腐蝕、凍融等多因素組合的復(fù)雜服役環(huán)境；另一方面由于各建設(shè)時期標準不同，以及施工質(zhì)量的不確定性，導(dǎo)致鐵路運營隧道存在多種類型缺陷及病害。這些缺陷或病害空間分布突出、隱蔽性強，大部分性能指標演化周期長，個別存在突發(fā)性、安全風險高等特點［2-3］。

橋隧結(jié)構(gòu)病害具有一定的發(fā)展過程［4］，采用相關(guān)儀器設(shè)備開展周期性檢測，合理評定結(jié)構(gòu)狀態(tài)，科學指導(dǎo)結(jié)構(gòu)養(yǎng)護維修，對我國鐵路長期發(fā)展和安全運營具有重要意義［5-6］。

因此，有必要總結(jié)我國鐵路橋隧檢測監(jiān)測經(jīng)驗，分析橋隧服役特征，優(yōu)化檢測監(jiān)測制度，完善狀態(tài)評價標準，構(gòu)建與我國鐵路橋隧規(guī)模相適應(yīng)的、科學高效的檢測監(jiān)測體系，以確保及時識別鐵路運輸安全風險，客觀把握橋隧結(jié)構(gòu)性能演變規(guī)律，合理指導(dǎo)橋隧精準養(yǎng)修。

1 鐵路橋隧檢測監(jiān)測制度分析

1.1 檢測類別、頻次、劣化評價指標

Q/CR405—2018《鐵路橋隧建筑物劣化評定》對橋隧檢測的類別、頻次、劣化評價指標進行規(guī)定。橋涵評價指標包括混凝土梁劣化、鋼梁劣化、支座劣化、墩臺及基礎(chǔ)劣化、涵洞劣化、附屬設(shè)施及周邊環(huán)境等，評價指標分布見圖1。隧道評價指標包括拱墻襯砌劣化、隧底結(jié)構(gòu)劣化、防排水劣化、防災(zāi)疏散救援設(shè)施劣化、洞口及附屬設(shè)施劣化等，評價指標分布見圖2。

圖1 橋涵病害評價指標分布

圖2 隧道病害評價指標分布

1.2 存在的問題

在總結(jié)橋隧現(xiàn)行檢測監(jiān)測制度的基礎(chǔ)上，對各鐵路局集團公司進行走訪調(diào)研，梳理我國鐵路橋隧檢測監(jiān)測存在的問題。

1.2.1 橋隧檢測監(jiān)測制度有待進一步優(yōu)化完善

TG/GW 114—2011《高速鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則（試行）》對橋隧檢查、檢定制度進行了規(guī)定，近10年實踐經(jīng)驗表明，尚需結(jié)合我國高速鐵路運營特點、橋隧規(guī)模、狀態(tài)發(fā)展規(guī)律對橋隧檢查制度進一步優(yōu)化完善，明確各類別檢查范圍、人員要求、數(shù)據(jù)及結(jié)果形式，優(yōu)化橋隧各檢查類別檢查周期，保持檢查制度的合理性、科學性。

1.2.2 檢測監(jiān)測技術(shù)及裝備與鐵路橋隧規(guī)模不匹配

當前我國鐵路橋隧狀態(tài)獲取仍主要以人工接觸性檢查為主，先進檢測技術(shù)及裝備普及率較低，伴隨人力成本的攀升以及鐵路局集團公司逐步市場化轉(zhuǎn)型，鐵路局集團公司面臨著不斷降低生產(chǎn)成本與提高養(yǎng)修效率的壓力，該矛盾將日益突出。檢測技術(shù)及裝備智能化是解決矛盾的關(guān)鍵是未來的發(fā)展趨勢［7-8］。

1.2.3 狀態(tài)評價標準及數(shù)據(jù)融合運用發(fā)展空間大

伴隨鐵路大跨度橋梁規(guī)模的增加及服役時間的延伸，部分關(guān)鍵構(gòu)件（如索結(jié)構(gòu)）及重點部位（高強螺栓連接）問題將逐漸暴露，當前針對上述部位的狀態(tài)評價標準尚待建立；特殊結(jié)構(gòu)橋梁在開通前大多開展靜動載檢定試驗，但目前仍缺乏匹配的技術(shù)規(guī)范；我國鐵路大跨度橋梁典型結(jié)構(gòu)在建設(shè)、運營期間建立了監(jiān)測系統(tǒng)，開展大跨度橋檢定-監(jiān)測-軌檢多元數(shù)據(jù)的融合分析，指導(dǎo)同類橋梁狀態(tài)評定及開展精準養(yǎng)修需要深化研究；伴隨隧道攝像、激光、雷達三位一體檢測技術(shù)的逐步成熟，如何建立表觀狀態(tài)-幾何變形-內(nèi)部狀態(tài)多元信息運營隧道綜合狀態(tài)評估標準及數(shù)據(jù)融合運用分析技術(shù)，需進一步深化研究［9-10］。

1.2.4 信息化程度不高，專業(yè)化融合分析軟件缺失

當前橋隧狀態(tài)檢查以人工抵近目視為主，工務(wù)安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)橋隧子模塊，具備一定的橋梁檢測數(shù)據(jù)融合能力，主要體現(xiàn)在劣化等級、圖片、少量描述性文字等信息。上述信息部分通過手持終端采集，大多仍采用現(xiàn)場紙質(zhì)記錄、人工錄入的方式進行匯集，橋梁檢測質(zhì)量仍較大程度上依賴檢查人員自身專業(yè)素質(zhì)，完整性、客觀性尚難以統(tǒng)一。橋隧狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、信息化標準尚未建立，檢測結(jié)果缺乏實時性、時效性，數(shù)據(jù)分析管理不到位，智能化程度低。當前橋隧檢測數(shù)據(jù)主要服務(wù)維修生產(chǎn)，表征結(jié)構(gòu)性缺陷或病害的數(shù)據(jù)亟需專業(yè)化融合分析軟件，譬如集成隧道表觀狀態(tài)、幾何變形、襯砌內(nèi)部狀況開展隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)綜合診斷的多元數(shù)據(jù)3D融合分析軟件。

2 橋隧檢測監(jiān)測體系

結(jié)合我國鐵路橋隧規(guī)模、設(shè)備狀態(tài)發(fā)展規(guī)律、現(xiàn)行制度存在的問題，開展了鐵路橋隧檢測監(jiān)測體系規(guī)劃研究，提出橋隧檢測監(jiān)測體系框架，針對常規(guī)跨度橋梁、特殊結(jié)構(gòu)橋梁、隧道研究了相應(yīng)的檢測監(jiān)測技術(shù)體系。

2.1 橋隧檢測監(jiān)測體系框架

鐵路橋隧檢測監(jiān)測對象由常規(guī)跨度橋梁、特殊結(jié)構(gòu)橋梁、隧道組成。檢測監(jiān)測體系由檢測監(jiān)測制度、檢測監(jiān)測技術(shù)裝備、數(shù)據(jù)管理與分析3部分組成，檢測監(jiān)測體系框架布局見圖3。

圖3 橋隧檢測監(jiān)測體系框架布局

2.2 橋隧檢測監(jiān)測制度

綜合比較國內(nèi)外橋隧檢測監(jiān)測制度，結(jié)合我國鐵路橋隧規(guī)模及特點，建議鐵路橋隧檢測監(jiān)測制度貫徹全生命周期理念，主要由驗收檢測、日常巡查、周期檢查、臨時檢查、專項檢測、重點監(jiān)測等6個類別組成，各環(huán)節(jié)在全生命周期的布局見表1。不同類別的檢測監(jiān)測對象、頻次、作業(yè)需求、數(shù)據(jù)準確性、人員（機構(gòu)）等屬性存在較大不同，具體見表2。

表1 鐵路橋隧全生命周期檢測監(jiān)測制度劃分

表2 不同檢測監(jiān)測類別屬性

2.3 常規(guī)跨度橋梁檢測技術(shù)體系

常規(guī)跨度橋梁狀態(tài)評定依據(jù)Q/CR 405—2018《鐵路橋隧建筑物劣化評定》開展。常規(guī)跨度橋梁檢測數(shù)據(jù)主要來源于日常巡查和周期檢查產(chǎn)生的圖片、文字信息，通過建立鐵路常用跨度橋梁精準檢測信息模型，面向精準養(yǎng)修和結(jié)構(gòu)安全的橋梁檢測數(shù)據(jù)多層復(fù)用，構(gòu)建常規(guī)跨度橋梁檢測技術(shù)體系。檢測技術(shù)體系針對維修生產(chǎn)類與結(jié)構(gòu)安全類的檢測數(shù)據(jù)分別建立應(yīng)用管理策略。體系建立主要環(huán)節(jié)包括：檢測指標梳理歸類、檢測指標量化參數(shù)模型建立、圖形交互式檢測數(shù)據(jù)信息采集模塊開發(fā)、結(jié)構(gòu)性病害檢測數(shù)據(jù)信息化平臺架構(gòu)等。

2.3.1 檢測指標梳理歸類

針對鐵路常用跨度橋梁，圍繞梁體、支座、橋墩及基礎(chǔ)、橋面附屬設(shè)施、防落梁措施等檢測對象，對檢測指標進行梳理分類，按各指標的評定等級及對結(jié)構(gòu)安全的影響進行歸類，遴選影響結(jié)構(gòu)安全的指標。

2.3.2 檢測指標量化參數(shù)模型建立研究

對影響結(jié)構(gòu)安全的檢測指標建立量化參數(shù)模型是實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)信息化的基礎(chǔ)。對各類型常用跨度橋梁，圍繞檢測結(jié)果定位參數(shù)、量化指標、展示基圖（模型）建立各檢測指標的量化參數(shù)模型。

2.3.3 圖形交互式檢測數(shù)據(jù)信息采集模塊

針對量化型指標，基于輕量化模型或平面CAD技術(shù)，研究開發(fā)基于定位參數(shù)的檢測數(shù)據(jù)圖形化交互技術(shù)。

2.3.4 結(jié)構(gòu)性病害檢測數(shù)據(jù)信息化平臺架構(gòu)研究

針對量化型指標，協(xié)調(diào)與現(xiàn)有高速鐵路綜合維修生產(chǎn)一體化系統(tǒng)、工務(wù)8M系統(tǒng)銜接關(guān)系，形成維修生產(chǎn)與結(jié)構(gòu)安全檢測數(shù)據(jù)分類管理應(yīng)用的機制。

常規(guī)跨度橋梁檢測技術(shù)體系布局見圖4。

圖4 鐵路常規(guī)跨度橋梁檢測技術(shù)體系布局

2.4 特殊結(jié)構(gòu)橋梁檢測監(jiān)測技術(shù)體系

針對鐵路特殊結(jié)構(gòu)橋梁，一方面突出驗收檢測的作用，橋梁靜動載檢定結(jié)果作為竣工及后期養(yǎng)護的基礎(chǔ)資料，同時組織設(shè)計單位在檢測監(jiān)測制度的整體框架下編制橋梁養(yǎng)護指導(dǎo)手冊，作為運維期開展檢測監(jiān)測活動的技術(shù)指導(dǎo)文件。

《大跨度橋梁運營狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)條件》（2019年送審）規(guī)定了宜開展監(jiān)測的橋梁類別、監(jiān)測內(nèi)容。特殊結(jié)構(gòu)大跨度橋梁長期監(jiān)測踐行全生命周期理念，融合InSAR、GNSS區(qū)域橋梁群空間形變監(jiān)測、地面智能傳感、BIM技術(shù)、人工智能等技術(shù)，構(gòu)建面向運維、服務(wù)運輸安全的時空多維鐵路橋梁監(jiān)測系統(tǒng)（見圖5）。

圖5 鐵路特殊結(jié)構(gòu)大跨度橋梁檢測監(jiān)測系統(tǒng)布局

建設(shè)期或運維期建立長期監(jiān)測系統(tǒng)的特殊結(jié)構(gòu)大跨度橋梁，踐行健康管理理念，構(gòu)建故障預(yù)測與健康管理（PHM）系統(tǒng)，PHM系統(tǒng)包含運營性能智能檢測監(jiān)測體系和基于運營性能的健康管理2個層面［11］。運營性能智能檢測監(jiān)測體系包含運營性能指標體系、智能檢測監(jiān)測技術(shù)（如智能人工巡檢、無損檢測和健康監(jiān)測）、性能評價與狀態(tài)預(yù)測（包含數(shù)據(jù)挖掘、性能演化研究與服役狀態(tài)預(yù)測）。運營性能健康管理依托PHM系統(tǒng)平臺，融合了運營性能評價、病害庫系統(tǒng)和智能養(yǎng)修技術(shù)，通過運營經(jīng)驗、檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)分析等建立大橋典型部位病害庫系統(tǒng)，指導(dǎo)大橋智能養(yǎng)修，實現(xiàn)健康管理。特殊結(jié)構(gòu)大跨度橋梁PHM系統(tǒng)技術(shù)體系布局見圖6。

圖6 特殊結(jié)構(gòu)大跨度橋梁PHM系統(tǒng)布局

2.5 隧道檢測監(jiān)測技術(shù)體系

鑒于當前隧道檢測技術(shù)及裝備特點，綜合考慮不同技術(shù)的發(fā)展趨勢，構(gòu)建由“車載式快速綜合檢測車”+“原位及地面移動精確檢測”組成的、與我國鐵路隧道規(guī)模相匹配的隧道檢測技術(shù)體系。服務(wù)于隧道周期檢查和專項檢測（見圖7）。

圖7 隧道檢測技術(shù)體系布局

車載式快速綜合檢測車覆蓋襯砌表觀、隧道內(nèi)部、隧道徑向及沉降幾何形態(tài)等內(nèi)容，考慮各檢測技術(shù)適應(yīng)速度，車載式快速綜合檢測車運用速度宜為30～50 km/h，原位及地面移動精確檢測旨在通過無損及地面移動檢測技術(shù)對快速檢測揭露的潛在缺陷病害進行精確定位、探測、評估，另外對快速檢測難以周期性覆蓋的隧道，各管轄單位依此作為主要手段開展周期性檢測。

對于復(fù)雜地質(zhì)隧道，當檢查發(fā)現(xiàn)病害發(fā)展較快、發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害可能影響行車安全時，需布置監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)控、預(yù)報預(yù)警。隧道監(jiān)測對象由隧道本體、軌道、山體等組成，隧道本體包含地表沉降、拱頂下沉、凈空變化和隧底變形等必測項目以及圍巖位移、圍巖壓力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、縱向位移、裂縫張開量、錨桿軸力、孔隙水壓力等選測項目，高風險區(qū)段尚需對山體位移、地下水、地表降水等項目開展監(jiān)測。鐵路隧道監(jiān)測布局見圖8。

圖8 鐵路隧道監(jiān)測布局

3 結(jié)論

總結(jié)我國鐵路橋隧規(guī)模、設(shè)備狀態(tài)發(fā)展規(guī)律、現(xiàn)行制度存在問題的基礎(chǔ)上，開展鐵路橋隧檢測監(jiān)測體系規(guī)劃研究，提出基于全生命周期理念的鐵路橋隧檢測監(jiān)測制度。主要由驗收檢測、日常巡查、周期檢查、臨時檢查、專項檢測、重點監(jiān)測等6個類別組成，不同類別的檢測監(jiān)測對象、頻次、作業(yè)需求、數(shù)據(jù)準確性、人員（機構(gòu)）等屬性存在較大不同。

常規(guī)跨度橋梁檢測技術(shù)體系基于精準檢測信息模型建立，實現(xiàn)面向精準養(yǎng)修和結(jié)構(gòu)安全的橋梁檢測數(shù)據(jù)多層復(fù)用。

特殊結(jié)構(gòu)橋梁檢測技術(shù)體系，突出驗收檢測作用，組織單位編制橋梁養(yǎng)護指導(dǎo)手冊，作為運維期開展檢測監(jiān)測活動的技術(shù)指導(dǎo)文件。

隧道檢測技術(shù)體系由“車載式快速綜合檢測車”+“原位及地面移動精確檢測”組成，服務(wù)于隧道周期檢查和專項檢測。