王樹國(guó)，王 璞，趙 磊，徐 旸

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

軌道結(jié)構(gòu)直接與高速運(yùn)營(yíng)的列車相接觸，其服役狀態(tài)直接影響列車的運(yùn)營(yíng)安全。從軌道結(jié)構(gòu)形式來(lái)看，高速鐵路分為有砟軌道和無(wú)砟軌道2大類。以法國(guó)、西班牙等為代表的國(guó)家通常采用有砟軌道結(jié)構(gòu)。法國(guó)高速鐵路TGV的試驗(yàn)速度達(dá)到了574.8 km/h，是目前世界上高速鐵路最高試驗(yàn)速度的保持者。有砟軌道具有造價(jià)低廉、施工簡(jiǎn)單、彈性良好、易于維修等優(yōu)點(diǎn)。但有砟軌道在服役過(guò)程中會(huì)發(fā)生自然劣化問(wèn)題，為保持有砟軌道的幾何狀態(tài)和彈性，需不斷進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修工作(搗固和清篩作業(yè))，占用大量的人工及維修天窗時(shí)間，而高速鐵路列車運(yùn)行速度快，追蹤時(shí)間短，頻繁的養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)難以適應(yīng)高速鐵路的運(yùn)營(yíng)需求。此外，高速列車所引起的列車風(fēng)荷載，也會(huì)引起道砟飛濺等問(wèn)題，加大了有砟軌道維修的難度。

我國(guó)是世界上高速鐵路在建及運(yùn)營(yíng)里程最長(zhǎng)的國(guó)家，以我國(guó)、德國(guó)、日本為代表的國(guó)家更傾向于在高速鐵路中采用無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)。無(wú)砟軌道具有整體性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、軌道幾何形位易于保持、軌道變形小、維修工作量少等優(yōu)點(diǎn)，但是工程投資費(fèi)用高，現(xiàn)場(chǎng)施工繁雜且技術(shù)要求高，輪軌噪聲大，對(duì)環(huán)境影響突出。此外，無(wú)砟軌道多鋪設(shè)于橋梁基礎(chǔ)之上，在溫度荷載作用下，無(wú)砟軌道與下部基礎(chǔ)會(huì)發(fā)生顯著的相互作用，一旦出現(xiàn)問(wèn)題維修極為困難。

盡管我國(guó)在高速鐵路領(lǐng)域取得了舉世矚目的成就，但從技術(shù)體系角度而言，高速鐵路在我國(guó)的發(fā)展仍處于起步階段，養(yǎng)護(hù)維修尚未形成完備的體系，設(shè)計(jì)理論也不盡成熟。由于我國(guó)高速鐵路工程建設(shè)規(guī)模大、速度快，早期的基礎(chǔ)研究及試驗(yàn)研究存在著一定的不足，因此設(shè)計(jì)、建設(shè)及養(yǎng)護(hù)維修標(biāo)準(zhǔn)研究有待進(jìn)一步完善?，F(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)及傷損修復(fù)技術(shù)明顯不能滿足實(shí)際運(yùn)營(yíng)的要求，缺乏系統(tǒng)的安全信息管理及報(bào)警、預(yù)測(cè)、決策等手段，高速列車的運(yùn)行不可避免地存在著一定的安全隱患，一旦出現(xiàn)事故如失穩(wěn)、脫軌，將造成重大的經(jīng)濟(jì)損失并危及人身安全。完善高速鐵路軌道系統(tǒng)，發(fā)展健康監(jiān)測(cè)與運(yùn)營(yíng)維護(hù)技術(shù)，對(duì)于確保鐵路運(yùn)營(yíng)安全及提高運(yùn)營(yíng)效益具有重要意義。

1 研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

1.1 有砟軌道結(jié)構(gòu)

有砟軌道主要由一定級(jí)配的碎石道砟構(gòu)成，散體碎石道床在列車循環(huán)荷載作用下會(huì)發(fā)生自然的劣化，是有砟軌道結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。從世界高速鐵路的建設(shè)里程、運(yùn)營(yíng)情況及發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，在大力發(fā)展無(wú)砟軌道的同時(shí)也在不斷發(fā)展有砟軌道，有砟軌道結(jié)構(gòu)以其突出的優(yōu)點(diǎn)日益受到世界各國(guó)的重視與廣泛應(yīng)用。在高速有砟軌道結(jié)構(gòu)中，道床狀態(tài)的劣化及維修與高速列車作用下所產(chǎn)生的道砟飛濺是制約高速鐵路有砟道床技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，也是今后研究工作的重點(diǎn)。

在有砟道床的力學(xué)特性及劣化機(jī)理方面：澳大利亞Indraratna等[1-3]等進(jìn)行了一系列道砟試驗(yàn)，如三軸試驗(yàn)、道砟-軌枕箱體模型試驗(yàn)，較為全面地研究了道砟的力學(xué)性能和劣化機(jī)理，以及有砟道床的垂向累積沉降及側(cè)向流變特性，發(fā)現(xiàn)提高道砟集料的抗剪強(qiáng)度能有效地減少有砟道床的沉降及側(cè)向變形，通過(guò)對(duì)比劣化道砟與新道砟物理力學(xué)特性差異，發(fā)現(xiàn)劣化道砟由于尖角的破裂和消失，相對(duì)于新道砟導(dǎo)致了較大的軌枕沉降。Huang等[4-5]基于三維重建技術(shù)建立道砟離散元模型，研究了列車速度、路基支承剛度、軌枕失效、瀝青厚度等因素對(duì)鐵路瀝青道床沉降變形的影響，并基于歐拉梁模型以及溫克爾地基梁模型對(duì)瀝青混凝土上有砟軌道的動(dòng)力傳遞規(guī)律進(jìn)行了分析。Qian，Tutumluer等[6-7]通過(guò)室內(nèi)三軸試驗(yàn)等手段研究了土工格柵對(duì)道床沉降規(guī)律的影響，并認(rèn)為設(shè)置土工格柵能顯著減緩道床的累積沉降。近年來(lái)，在高速鐵路聯(lián)合基金的資助下，我國(guó)學(xué)者[8-12]對(duì)高速鐵路散體道床的劣化機(jī)理進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，并基于離散元數(shù)值仿真模型，對(duì)搗固作業(yè)對(duì)散體道床狀態(tài)的影響規(guī)律進(jìn)行了初步研究。

在高速列車作用下的道砟飛濺及防控方法方面：高速鐵路有砟軌道在列車運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，在空氣動(dòng)力和車軌動(dòng)力共同作用下，道砟顆粒會(huì)發(fā)生飛離道床并擊打列車轉(zhuǎn)向架、車輪及鋼軌踏面的飛濺現(xiàn)象，直接影響列車的安全運(yùn)營(yíng)。因此，道砟飛濺是高速鐵路有砟軌道亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。目前國(guó)內(nèi)外在該方面研究相對(duì)匱乏，是世界高速鐵路有砟軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

國(guó)外高速鐵路發(fā)展較早，在道砟飛濺機(jī)理研究和工程防治方面積累了一定經(jīng)驗(yàn)。Paradot等[13]進(jìn)行全尺寸的風(fēng)洞試驗(yàn)，對(duì)列車底部幾何形狀進(jìn)行了精確模擬，研究模擬240 km/h速度列車產(chǎn)生的風(fēng)荷載下道砟顆粒的移動(dòng)、飛起過(guò)程，并分析了法國(guó)TGV與德國(guó)ICE-3兩種車型底部結(jié)構(gòu)下道砟飛濺過(guò)程的區(qū)別。Premoli等[14]通過(guò)對(duì)意大利高速鐵路有砟道床表面風(fēng)速進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得到高速列車風(fēng)作用下有砟道床表面的流場(chǎng)特性，應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)建立等比例室內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃虲FD數(shù)值仿真模型，通過(guò)改變道床結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究道砟飛濺現(xiàn)象的影響因素。Luo等[15]利用有限元分析法模擬高速鐵路有砟軌道道床結(jié)構(gòu)，研究在模擬高速列車荷載作用下道床結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，監(jiān)測(cè)道床結(jié)構(gòu)內(nèi)5個(gè)樣本點(diǎn)處的振動(dòng)加速度，當(dāng)其大于道砟顆粒重力加速度時(shí)即認(rèn)為發(fā)生道砟飛濺，得到道床結(jié)構(gòu)易發(fā)生道砟飛濺區(qū)域。Kaltenbach等[16]進(jìn)行軌道結(jié)構(gòu)室內(nèi)試驗(yàn)，通過(guò)圓球滾動(dòng)產(chǎn)生的沖擊力模擬軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)，研究軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)對(duì)道砟飛濺的影響。

針對(duì)高速鐵路道砟飛濺問(wèn)題，國(guó)內(nèi)進(jìn)行了一系列探索與研究。中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司郄錄朝等[17]根據(jù)有砟軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立動(dòng)車組和有砟軌道車-線多孔介質(zhì)動(dòng)態(tài)空氣動(dòng)力學(xué)分析模型，研究列車底部至道床頂面之間的空氣流動(dòng)特性，并通過(guò)京滬高速鐵路黃河大橋風(fēng)壓測(cè)試和道砟飛濺監(jiān)測(cè)研究列車底部空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，結(jié)果表明道床表面所受負(fù)壓隨列車速度提高而增大，在列車時(shí)速達(dá)到350 km時(shí)，試驗(yàn)區(qū)段未發(fā)生道砟飛濺。在國(guó)家自然科學(xué)基金委青年基金的資助下，北京交通大學(xué)高亮、井國(guó)慶和鐵科院曾樹谷[18]對(duì)中歐高速鐵路有砟軌道道床參數(shù)進(jìn)行了比較與分析，主要包括道砟材質(zhì)和道床斷面尺寸，以及飛砟防治措施等方面。比較結(jié)果表明，部分標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容中歐略有差異，對(duì)于中歐不同的道砟試樣采樣和測(cè)試方法需要進(jìn)一步通過(guò)試驗(yàn)研究進(jìn)行分析，并對(duì)高速鐵路有砟軌道設(shè)計(jì)提出了建議。

1.2 無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)

國(guó)外高速鐵路無(wú)砟軌道應(yīng)用較為廣泛的國(guó)家主要有日本和德國(guó)。由于國(guó)情不同，日本新干線主要采用單元板式無(wú)砟軌道，結(jié)構(gòu)形式相對(duì)統(tǒng)一，結(jié)構(gòu)組成為鋼軌、彈性扣件、預(yù)制軌道板、CA砂漿充填層、混凝土底座、限位凸臺(tái)等。德國(guó)由于研發(fā)體制不同，無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式相對(duì)較多，近40年來(lái)研發(fā)了100多種無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，其中以Rheda型無(wú)砟軌道的發(fā)展歷程最具代表性，經(jīng)歷了Rheda原型、Rheda型、Rheda-Berlin型、Rheda2000型等，但結(jié)構(gòu)主要包括預(yù)制混凝土軌枕、現(xiàn)澆混凝土道床板、混凝土支承層(路基上)或帶限位機(jī)構(gòu)的混凝土底座(橋上)等。

2006年以來(lái)，在總結(jié)我國(guó)無(wú)砟軌道前期研究成果和消化吸收引進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，高速鐵路無(wú)砟軌道技術(shù)再創(chuàng)新研究在無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)理論和方法、結(jié)構(gòu)及接口設(shè)計(jì)、工程材料技術(shù)、制造及施工工藝、裝備等方面取得了一系列研究成果。針對(duì)我國(guó)鐵路的運(yùn)營(yíng)條件、地域條件，相繼研發(fā)了CRTSⅠ型、CRTSⅡ型板式、CRTSⅢ型板式以及雙塊式無(wú)砟軌道系統(tǒng)[19]，形成了無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)、制造、施工、檢測(cè)等成套技術(shù)，并在我國(guó)高速鐵路建設(shè)中全面推廣應(yīng)用。

無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)與長(zhǎng)大橋梁、高架站的結(jié)構(gòu)相互作用，關(guān)系復(fù)雜且受多重荷載作用，綜合了無(wú)縫線路、無(wú)縫道岔、無(wú)砟軌道等技術(shù)要點(diǎn)，與其下部基礎(chǔ)結(jié)合還衍生出一系列的技術(shù)難點(diǎn)。此外，無(wú)砟軌道一旦出現(xiàn)問(wèn)題難以修復(fù)，會(huì)對(duì)列車運(yùn)營(yíng)造成顯著影響。因此，無(wú)砟軌道與復(fù)雜下部基礎(chǔ)的適應(yīng)性問(wèn)題、檢測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)、快速維修更換技術(shù)是今后研究的重點(diǎn)。

在無(wú)砟軌道與超大跨橋梁適應(yīng)性研究方面：我國(guó)已經(jīng)建成的大跨度鐵路橋梁多采用明橋面或有砟軌道，大跨度鐵路橋梁如果采用無(wú)砟軌道，單線恒載減少30～60 kN/m，可降低橋梁用鋼量，提高大橋跨越能力。另一方面，我國(guó)幅員遼闊，江河湖泊眾多，通航要求越來(lái)越高，橋位資源越來(lái)越緊張，橋梁跨度必然不斷增加，同時(shí)伴隨無(wú)砟軌道應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，為保證軌道結(jié)構(gòu)的一致性，避免頻繁過(guò)渡帶來(lái)的幾何不連續(xù)及剛度差異，大跨度橋上鋪設(shè)無(wú)砟軌道也將成為必然趨勢(shì)。

相比較普通橋梁，超千米鐵路大橋跨度大，剛度相對(duì)偏小，對(duì)風(fēng)、溫度等環(huán)境荷載以及車輛荷載的作用更為敏感，使得橋上軌道幾何形位控制更加困難。到目前為止，無(wú)砟軌道在國(guó)內(nèi)外高速鐵路大跨度鋼橋特別是超千米大橋的應(yīng)用仍屬空白。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)大跨鋼橋用無(wú)砟軌道這一難題相繼開展了研究。李永樂等[20]對(duì)大跨度鋼桁梁斜拉橋無(wú)砟軌道橋面豎向靜力剛度特性進(jìn)行了研究。衛(wèi)星等[21]通過(guò)動(dòng)力性能試驗(yàn)研究驗(yàn)證了縱連板式無(wú)砟軌道在大跨度橋上的動(dòng)力適用性。陳小平等[22]得到了大跨度連續(xù)梁橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道在不同位置松開扣件進(jìn)行改道、墊板等維護(hù)作業(yè)對(duì)無(wú)縫鋼軌、底座板、剪力齒槽、橋梁固定支座等部件縱向力的影響。曲村等[23]對(duì)高速鐵路長(zhǎng)大橋梁CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道的無(wú)縫線路力學(xué)特性進(jìn)行分析，提出了選擇無(wú)砟軌道無(wú)縫線路設(shè)計(jì)參數(shù)的建議。崔麗紅等[24]對(duì)長(zhǎng)大混凝土橋梁無(wú)砟軌道溫度跨度進(jìn)行了研究，對(duì)比分析了無(wú)砟軌道與有砟軌道的軌道結(jié)構(gòu)形式以及梁軌相互作用機(jī)理?？傮w來(lái)看，既有研究尚未直接涉及超千米大橋無(wú)砟軌道問(wèn)題。

在無(wú)砟軌道快速更新技術(shù)方面：安全與速度是高速鐵路2大重要指標(biāo)，在天窗時(shí)間點(diǎn)內(nèi)完成無(wú)砟軌道快速更新，同時(shí)保證更新結(jié)構(gòu)強(qiáng)度快速達(dá)到要求，這2點(diǎn)是確保高速鐵路安全與速度2大指標(biāo)的關(guān)鍵。

對(duì)于目前我國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道出現(xiàn)的病害和傷損，我國(guó)學(xué)者在傷損機(jī)理、修復(fù)材料及軌道維修和快速更新方面進(jìn)行了探索性研究。高亮等[25]基于有限元理論，研究了溫升和持續(xù)高溫荷載作用下，寬、窄接縫分別破損對(duì)無(wú)縫線路受力和變形的影響。倪躍峰等[26]對(duì)無(wú)砟軌道抬板維修解除軌道板間的縱向連接時(shí)兩側(cè)相鄰軌道板的植筋錨固處理進(jìn)行了計(jì)算。王繼軍[27]針對(duì)板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)錨固銷釘限位技術(shù)提出了2種銷釘設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了單個(gè)銷釘靜態(tài)承載能力、疲勞承載能力以及實(shí)尺模型銷釘承載能力進(jìn)行了試驗(yàn)研究。姜子清等[28]對(duì)CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道砂漿層傷損進(jìn)行了調(diào)研，針對(duì)不同的傷損提出了傷損判定標(biāo)準(zhǔn)及檢查方案，并給出了修復(fù)方法及注意事項(xiàng)。吳紹利等[29]針對(duì)板式無(wú)砟軌道的砂漿離縫問(wèn)題，提出了合適的快速維修工藝。王濤等[30-31]對(duì)不鋸軌更換橋上的CRTSⅠ型軌道板進(jìn)行了詳細(xì)研究與論述。鄭新國(guó)等[32]針對(duì)沉降無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)注漿抬升用材料、裝備和工藝進(jìn)行了系統(tǒng)研究。陳一脈[33]針對(duì)CRTSⅡ型無(wú)砟軌道路基大幅值沉降維修方式的不足，提出了抬板法維修方案，對(duì)抬板支護(hù)材料屬性、支護(hù)塊幾何尺寸、墊塊方式進(jìn)行了討論，并且針對(duì)提出的支護(hù)方案建立動(dòng)力學(xué)模型，探討了維修后的行車限制速度。

1.3 軌道服役狀態(tài)、安全監(jiān)測(cè)與健康管理

高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)是整個(gè)高速鐵路系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分之一。在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，由于承受高速列車與基礎(chǔ)設(shè)施相互作用產(chǎn)生的載荷和外界環(huán)境影響，軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)將產(chǎn)生變化，演變到一定程度也會(huì)形成軌道病害。軌道病害主要分為2類：①沿線路的軌道平順性方面的病害，如鋼軌波磨、軌道幾何不平順和基礎(chǔ)沉降引起軌面長(zhǎng)波不平順等；②與軌道部件傷損和失效有關(guān)的病害，包括鋼軌傷損、扣件失效等。軌道病害直接影響輪軌作用力和車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，不僅影響列車行車安全、旅客舒適性、車線設(shè)備的壽命和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，還會(huì)影響鐵路運(yùn)輸組織秩序，甚至引起列車脫軌事故。軌道病害的產(chǎn)生難以避免，但軌道病害的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程必須能夠檢測(cè)、發(fā)現(xiàn)和控制。

1)高速鐵路維修技術(shù)與維修體制

隨著計(jì)算機(jī)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人工智能已廣泛應(yīng)用于鐵路線路基礎(chǔ)設(shè)施的養(yǎng)護(hù)維修。國(guó)外鐵路重視重載鐵路狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)和預(yù)測(cè)評(píng)估技術(shù)在線路養(yǎng)護(hù)維修中的應(yīng)用，建立了基于狀態(tài)修(Condition-based Maintenance,CBM)的維修模式。狀態(tài)修是通過(guò)定期或連續(xù)對(duì)線路設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和診斷分析，預(yù)測(cè)或及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能的線路病害，主動(dòng)避免某些病害發(fā)生或根據(jù)不同狀態(tài)采取相應(yīng)維修方案，從而實(shí)現(xiàn)維修時(shí)間少，維修速度快，維修費(fèi)用低，并提高維修準(zhǔn)確性和線路設(shè)備可靠性。國(guó)外鐵路推行“管、檢、修”分離模式，可實(shí)現(xiàn)檢查與維修的異體監(jiān)督，提高維修的專業(yè)性與機(jī)械化水平;采用專業(yè)化大型養(yǎng)路機(jī)械進(jìn)行維修作業(yè)，提高維修質(zhì)量與維修效率。如日本高速鐵路為“管、檢、修”嚴(yán)格分離模式，日本鐵路公司只負(fù)責(zé)設(shè)備管理、發(fā)包、檢查和驗(yàn)收，檢測(cè)與維修作業(yè)均外包。歐洲高速鐵路為“管、檢、修” 部分分離模式，大部分大修和部分計(jì)劃修業(yè)務(wù)委托外包。

我國(guó)已建立了系統(tǒng)的線路設(shè)備檢測(cè)方法，目前實(shí)行周期修與基于質(zhì)量狀態(tài)評(píng)估的狀態(tài)修相結(jié)合的維修管理體制，根據(jù)線路結(jié)構(gòu)狀態(tài)和各線實(shí)際開展單項(xiàng)修理，提高了維修的針對(duì)性，更加經(jīng)濟(jì)合理。隨著信息化技術(shù)的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)已開發(fā)了系統(tǒng)的線路設(shè)備管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)線路基礎(chǔ)設(shè)施的智能化管理，已建立了鐵路工務(wù)管理信息系統(tǒng)(PWMIS)，以GIS為平臺(tái)，應(yīng)用智能技術(shù)，可最大限度實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與信息資源共享，實(shí)現(xiàn)信息獲取、組織管理、實(shí)施計(jì)劃、指揮調(diào)控等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路工務(wù)設(shè)施的有效管理，提高速鐵路路信息化水平。初步形成了基于PHM的大跨度橋梁智能養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大跨度鐵路橋梁的關(guān)鍵構(gòu)件服役狀態(tài)的智能化監(jiān)測(cè)和健康管理。

在維修組織方面，國(guó)內(nèi)已全面推行“檢、養(yǎng)、修”分開的模式，采用集中修、機(jī)械修、天窗修和異體專業(yè)檢查方式，提高了線路檢查和維修質(zhì)量，大大減少作業(yè)處所，提高了安全生產(chǎn)管理水平。維修組織模式主要有工務(wù)、電務(wù)和供電綜合維修和專業(yè)維修模式2種，生產(chǎn)一體化管理可實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一組織架構(gòu)、統(tǒng)一天窗安排、統(tǒng)一生產(chǎn)計(jì)劃、統(tǒng)一組織、統(tǒng)一應(yīng)急處置，提高天窗利用率和維修作業(yè)效率。

在維修技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)已形成了成熟的大型養(yǎng)路機(jī)械的研發(fā)與生產(chǎn)能力，采用專業(yè)化大型養(yǎng)路機(jī)械進(jìn)行大修與綜合維修作業(yè)。通過(guò)引進(jìn)技術(shù)、聯(lián)合設(shè)計(jì)、合作生產(chǎn)、自主研發(fā)等方式，掌握了大型養(yǎng)路機(jī)械的制造技術(shù)及核心技術(shù)，完善了生產(chǎn)組織，大幅度提高了大型養(yǎng)路機(jī)械的制造水平。同時(shí)國(guó)內(nèi)已研發(fā)了系列線路基礎(chǔ)設(shè)施維修加固新材料與新方法，研制了碳纖維板橋梁加固、高分子樹脂錨注材料、自流平混凝土、熱塑性彈性體、新型重載道岔等新材料與新產(chǎn)品，研發(fā)了體外預(yù)應(yīng)力橋梁加固，“裂縫修補(bǔ)+錨桿+粘貼碳纖維布”、“內(nèi)嵌H型鋼拱架+錨桿”、“高強(qiáng)波紋板+錨桿”等隧道襯砌裂紋加固的新方法和新工藝，建立了成套的鐵路線路基礎(chǔ)設(shè)施維修與加固技術(shù)體系。

2)高速鐵路軌道檢測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)

在信息技術(shù)智能化的背景下，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家率先提出將信息智能技術(shù)應(yīng)用于道路監(jiān)測(cè)、檢測(cè)及養(yǎng)護(hù)維修方面，從而使監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及時(shí)得到采集、反饋、共享、會(huì)診，使道路智能化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全健康監(jiān)控和預(yù)測(cè)作用。日本的UTMS提出了一種基于紅外線感應(yīng)器和光信標(biāo)傳感器的信息采集和處理系統(tǒng)，可以建立智能化道路監(jiān)控系統(tǒng)；法國(guó)在網(wǎng)絡(luò)傳輸中，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)特性，建立系統(tǒng)功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，形成統(tǒng)一管理平臺(tái)，為實(shí)時(shí)智能監(jiān)控系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)、可靠、安全、高效的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。隨著計(jì)算機(jī)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人工智能也開始在各類交通基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測(cè)檢測(cè)和病害識(shí)別方面發(fā)揮作用。

在智能化監(jiān)控技術(shù)方面，我國(guó)尚處于起步成長(zhǎng)階段，與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家還存在一定的差距。目前，我國(guó)正大力發(fā)展智能化監(jiān)測(cè)、檢測(cè)技術(shù)?；诟咚勹F路長(zhǎng)期服役能力保障的需求，我國(guó)鐵路針對(duì)軌道、鋼軌、路基、重點(diǎn)橋隧、環(huán)境災(zāi)害等基礎(chǔ)設(shè)施安全風(fēng)險(xiǎn)重點(diǎn)項(xiàng)目，研究提出了高速鐵路工務(wù)設(shè)備檢測(cè)監(jiān)測(cè)體系網(wǎng)絡(luò)化、智能化總體框架，提出我國(guó)高速鐵路檢測(cè)監(jiān)測(cè)體系總體技術(shù)條件以及工務(wù)設(shè)備運(yùn)營(yíng)維護(hù)綜合數(shù)據(jù)中心架構(gòu)；開展了高速鐵路無(wú)砟軌道的實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)和全生命期安全評(píng)估技術(shù)研究。

在移動(dòng)檢測(cè)技術(shù)研究和設(shè)備開發(fā)領(lǐng)域，鐵科院研制了CRH5J-0501(原0號(hào))，CRH380BJ-0301(原CRH380B-002)，CRH380AJ-0201(原CRH380A-001)，CRH380AJ-0202，CRH380AJ-0203等高速綜合檢測(cè)列車和CRH2A-2010，CRH2C-2061，CRH2C-2068，CRH2C-2150等過(guò)渡綜合檢測(cè)列車。綜合檢測(cè)列車最高檢測(cè)速度達(dá)到400 km/h，集成了軌道、接觸網(wǎng)、輪軌動(dòng)力學(xué)、通信和信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)和具有時(shí)空同步、環(huán)境視頻、檢測(cè)數(shù)據(jù)綜合顯示的綜合處理系統(tǒng)，按固定周期對(duì)高速鐵路軌道、接觸網(wǎng)、通信、信號(hào)等基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)進(jìn)行等速檢測(cè)，采集和評(píng)估基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)。經(jīng)長(zhǎng)期研究，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院已獲得高速鐵路無(wú)砟軌道不平順譜和車輛動(dòng)力響應(yīng)譜、車輛響應(yīng)和軌道不平順關(guān)聯(lián)關(guān)系模型、高速鐵路動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)模型等重要研究成果，使我國(guó)移動(dòng)設(shè)備檢測(cè)技術(shù)居于世界前列。

在鐵路軌道的安全監(jiān)測(cè)與健康管理領(lǐng)域，今后研究的發(fā)展趨勢(shì)主要包括：從宏觀角度針對(duì)軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的“高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)病害診斷及安全評(píng)估方法研究”，從細(xì)觀角度針對(duì)鋼軌結(jié)構(gòu)的“導(dǎo)波在鋼軌無(wú)損檢測(cè)中應(yīng)用的理論研究與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)”，針對(duì)無(wú)砟軌道在長(zhǎng)期服役條件下的“病害修復(fù)條件下的高速鐵路無(wú)砟軌道服役性能演變與評(píng)估研究”以及針對(duì)軌下基礎(chǔ)的“高速鐵路軌下多層復(fù)合結(jié)構(gòu)隱蔽性病害感知理論與狀態(tài)控制方法研究”等幾個(gè)方面。

就軌道的安全監(jiān)測(cè)及檢測(cè)技術(shù)而言，聲波發(fā)射和超聲導(dǎo)波技術(shù)是近年來(lái)新興的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，具有檢測(cè)面廣、檢測(cè)距離長(zhǎng)、檢測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，已逐步應(yīng)用于橋梁構(gòu)建、管道等缺損檢測(cè)。聲發(fā)射技術(shù)是基于捕捉裂紋產(chǎn)生或發(fā)展所釋放出的能量，而超聲導(dǎo)波是基于捕捉導(dǎo)波在介質(zhì)傳遞中遇到缺損時(shí)反饋回的波形具有的差異性，因此，聲發(fā)射檢測(cè)裂紋時(shí)具有被動(dòng)性，超聲導(dǎo)波檢測(cè)裂紋具有主動(dòng)性。

Kaule于20世紀(jì)50年代首次提出了基于磁致伸縮效應(yīng)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，其研究對(duì)象是檢測(cè)鋼索的斷股和腐蝕。另外，他還進(jìn)行了長(zhǎng)距離管道導(dǎo)波檢測(cè)的可行性研究、各種科學(xué)和工程領(lǐng)域中導(dǎo)波的傳播、長(zhǎng)管檢測(cè)和機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究，對(duì)無(wú)縫鋼管的檢測(cè)取得了較好效果。國(guó)內(nèi)對(duì)于該方法的研究近幾年才剛起步，對(duì)磁致伸縮傳感器在無(wú)損檢測(cè)中應(yīng)用的理論基礎(chǔ)作了論述，分別建立了基于磁致伸縮效應(yīng)在管道中激勵(lì)和接收縱向?qū)РＰ?，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于圓管的激勵(lì)縱向?qū)Рǖ拇胖律炜s傳感器，自行開發(fā)了大功率智能磁致伸縮檢測(cè)儀。通過(guò)激勵(lì)不同頻率的信號(hào)，對(duì)不同管徑和長(zhǎng)度管材進(jìn)行了大量試驗(yàn)，得出了適用于檢測(cè)的最佳頻率。

2 存在的問(wèn)題

2.1 高速鐵路有砟軌道結(jié)構(gòu)

在高速鐵路散體道床的劣化及道床養(yǎng)護(hù)維修方面，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)高速鐵路有砟軌道劣化機(jī)理的研究較少。要對(duì)有砟道床的力學(xué)特性及劣化機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)的研究還存在以下主要難點(diǎn)：

1)高速鐵路道砟顆粒及其力學(xué)狀態(tài)的模擬。道砟顆粒大小不一、形狀各異，道砟顆粒間受力變形機(jī)理非常復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于有砟道床的模擬多基于宏觀方法，基于微觀離散單元方法時(shí)對(duì)道砟多采用圓球體或者橢圓球體進(jìn)行模擬，考慮較為粗糙，與實(shí)際偏差較大。

2)復(fù)雜環(huán)境條件下高速鐵路有砟道床劣化演變規(guī)律。在列車循環(huán)荷載作用以及酸雨、泥漿、溫度場(chǎng)等外界復(fù)雜環(huán)境因素長(zhǎng)期耦合作用下，散體道砟材料力學(xué)特性會(huì)發(fā)生劣化演變，導(dǎo)致有砟道床失效、破壞。因此，對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中復(fù)雜環(huán)境作用下高速鐵路有砟道床劣化演變規(guī)律的研究具有重要價(jià)值。

3)搗固維修作業(yè)對(duì)散體道床力學(xué)狀態(tài)的作用機(jī)理。搗固機(jī)械在插搗過(guò)程中，多個(gè)金屬搗鎬會(huì)以一定自振頻率與散體碎石道床發(fā)生作用，使道砟向軌枕底部流動(dòng)，涉及散體力學(xué)、多體動(dòng)力學(xué)等多個(gè)學(xué)科。

在高速列車作用下的道砟飛濺及防治方法方面：目前國(guó)內(nèi)外對(duì)高速鐵路道砟飛濺機(jī)理研究相對(duì)較少，特別是在列車風(fēng)與道砟作用機(jī)理、高速有砟道床斷面優(yōu)化等方面的研究相當(dāng)匱乏。難點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下方面：

1)高速列車作用下道砟飛濺的形成機(jī)理。傳統(tǒng)研究方法成本高、危險(xiǎn)性大，具不可逆性，結(jié)果難于觀測(cè)與統(tǒng)計(jì)，導(dǎo)致不能對(duì)道砟飛濺的產(chǎn)生原因、影響因素、防治手段等問(wèn)題進(jìn)行深入、細(xì)致、系統(tǒng)的研究。

2)軌道結(jié)構(gòu)對(duì)道砟飛濺的影響規(guī)律。道砟飛濺現(xiàn)象是由軌枕、道砟和列車風(fēng)載相互影響，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的體系相互作用所導(dǎo)致，同時(shí)還受到道砟顆粒物理特性、道床屬性、列車線性等綜合因素影響，故有必要將軌枕、道砟、列車風(fēng)進(jìn)行耦合分析。

3)多場(chǎng)荷載耦合作用下道砟飛濺的發(fā)生機(jī)理。在極端氣候條件下列車底部冰雪掉落所形成的擊打、高速列車經(jīng)過(guò)橋梁時(shí)梁體所產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)與高速列車風(fēng)和列車振動(dòng)形成多場(chǎng)耦合荷載，從而引起更為復(fù)雜的道砟飛濺現(xiàn)象。

2.2 高速鐵路無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)

在無(wú)砟軌道與超大跨橋梁適應(yīng)性研究方面：

1)無(wú)縫線路-無(wú)砟軌道-超大跨橋梁間相互作用及變形協(xié)調(diào)問(wèn)題。當(dāng)橋梁跨度增加時(shí)，無(wú)砟軌道及鋼軌縱向溫度力，無(wú)縫線路鋼軌伸縮力、撓曲力、斷軌力均較大。如何合理設(shè)計(jì)以達(dá)到無(wú)縫線路-無(wú)砟軌道-超大跨橋梁受力平衡、變形協(xié)調(diào)，是需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。

2)超大跨橋上高速行車運(yùn)營(yíng)安全性及控制指標(biāo)問(wèn)題。橋梁抖振、車輛氣動(dòng)荷載及車軌橋相互作用關(guān)系三者共同影響下的高速列車運(yùn)營(yíng)安全性問(wèn)題及平順性控制標(biāo)準(zhǔn)是超大跨橋上鋪設(shè)無(wú)砟軌道時(shí)需要解決的另一個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

3)超大跨橋上無(wú)砟軌道層間黏結(jié)安全及無(wú)砟軌道穩(wěn)定性問(wèn)題。在往復(fù)溫升溫降荷載、溫度梯度荷載以及車輛動(dòng)荷載下進(jìn)行橋面與無(wú)砟軌道、無(wú)砟軌道各層黏結(jié)及限位合理設(shè)計(jì)，是在超大跨橋上鋪設(shè)無(wú)砟軌道時(shí)需要解決的又一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

4)超大跨橋梁徐變下無(wú)砟軌道及軌面幾何形位保持與養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)難題。超大跨度橋上無(wú)砟軌道的應(yīng)用必須有相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)支持，并且配合相應(yīng)的超大調(diào)整量扣件，確保長(zhǎng)期服役過(guò)程中超大跨度橋上無(wú)砟軌道軌面平順性滿足高速行車要求。

在無(wú)砟軌道快速更新技術(shù)方面：

1)固化速度快，剛度匹配性好，耐久性好的替代材料研制。需要研發(fā)的修復(fù)材料力學(xué)特性要與原有材料的性能一致，并且修復(fù)材料與連接結(jié)構(gòu)部件的黏結(jié)性能也要與原材料性能相當(dāng)。同時(shí)要便于施工，固化速度快以及具有較好的耐久性。

2)快速更新施工機(jī)具和機(jī)械。無(wú)砟軌道維護(hù)的天窗時(shí)間短，對(duì)軌道部件的更換速度提出了較高要求。如何在相對(duì)狹小的空間進(jìn)行快速更換對(duì)施工機(jī)具和機(jī)械提出了較高的要求。

3)無(wú)砟軌道快速更新施工工藝。軌道部件更換速度與質(zhì)量是運(yùn)輸秩序與安全的重要保障。在無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)中，有長(zhǎng)鋼軌、道岔、軌道板和充填層4種大部件，其更換工藝較為復(fù)雜。針對(duì)不同的更新部件和施工要求，應(yīng)采用不同的施工工藝。

4)無(wú)砟軌道更新效果檢測(cè)與評(píng)估。無(wú)砟軌道更新過(guò)程導(dǎo)致的無(wú)砟軌道狀態(tài)的改變需要進(jìn)行合理監(jiān)控。檢測(cè)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)出無(wú)砟軌道的狀態(tài)的改變對(duì)于未維修的結(jié)構(gòu)以及無(wú)砟軌道、無(wú)縫線路系統(tǒng)的影響。

2.3 高速鐵路軌道服役狀態(tài)安全監(jiān)測(cè)與健康管理

鐵路軌道服役狀態(tài)的安全監(jiān)測(cè)與健康管理方面所存在的問(wèn)題，從宏觀軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)到細(xì)觀軌道結(jié)構(gòu)部件主要包括如下5個(gè)方面：

1)高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)病害診斷及安全評(píng)估方法有待完善。軌道病害直接影響輪軌作用力和車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，將進(jìn)一步加劇惡化，不僅會(huì)影響列車行車安全、旅客舒適性、車線設(shè)備的壽命和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，還會(huì)影響鐵路運(yùn)輸組織秩序，甚至引起列車脫軌事故。軌道病害的產(chǎn)生難以避免，但目前尚缺乏合理的軌道結(jié)構(gòu)病害診斷及評(píng)估方法，致使軌道病害的發(fā)生和發(fā)展得不到有效的檢測(cè)、發(fā)現(xiàn)和控制。

2)導(dǎo)波在鋼軌無(wú)損檢測(cè)中應(yīng)用的理論研究與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有待深入。鐵路鋼軌是承載車輪傳遞荷載并引導(dǎo)車輪走行的設(shè)備，其內(nèi)在質(zhì)量完好是保證列車運(yùn)行安全的重要保證。鋼軌主要的安全隱患為裂紋及折斷，這些裂紋可能在鋼軌的任意位置出現(xiàn)，比如頂部、側(cè)面或底部。預(yù)知和檢測(cè)出道岔尖軌和心軌出現(xiàn)裂紋甚至鋼軌折斷是目前鐵路工務(wù)部門尚未解決的技術(shù)難題，該難題一直困擾著工務(wù)部門。由于道岔尖軌和心軌沒有扣件扣壓，一旦折斷，引導(dǎo)列車運(yùn)行的功能喪失，極易發(fā)生列車脫軌事故。如果尖軌和心軌折斷發(fā)生在高速鐵路正線，則事故是災(zāi)難性的。鐵路工務(wù)部門采用超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)鋼軌軌身和焊接接頭進(jìn)行檢測(cè)較為普遍，但目前國(guó)內(nèi)外尚未有能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)道岔尖軌裂紋和折斷的設(shè)備和方法，因此，鋼軌尤其是道岔區(qū)域的鋼軌裂紋檢測(cè)與監(jiān)測(cè)是目前急需解決的難題。

3)病害修復(fù)后高速鐵路無(wú)砟軌道服役性能演變規(guī)律尚不明確。無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)在病害修復(fù)后其力學(xué)性能會(huì)受到修補(bǔ)材料、多場(chǎng)荷載等因素的影響，會(huì)導(dǎo)致修補(bǔ)后無(wú)砟軌道的服役性能及劣化演化規(guī)律與原有結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出一定的差異。盡管目前我國(guó)學(xué)者在無(wú)砟軌道出現(xiàn)的病害和傷損機(jī)理方面做了一定的研究，尤其是鐵科院等科研單位也在修復(fù)材料開發(fā)方面做了大量工作，但病害修復(fù)后高速鐵路無(wú)砟軌道服役性能演變規(guī)律尚有待進(jìn)一步研究。

4)高速鐵路軌下多層復(fù)合結(jié)構(gòu)隱蔽性病害感知理論與狀態(tài)控制方法有待研究。建立現(xiàn)代化的工務(wù)設(shè)備檢養(yǎng)修技術(shù)是在高速度、高密度行車條件下保障軌道結(jié)構(gòu)正常服役和列車持久、平穩(wěn)、安全運(yùn)行的必由之路。當(dāng)前對(duì)高速鐵路軌下多層復(fù)合結(jié)構(gòu)(包括無(wú)砟道床與路基基床、隧道底板、橋面板在內(nèi)的特有層狀復(fù)合結(jié)構(gòu))隱蔽性傷損及病害的感知與狀態(tài)控制存在著病害特征參數(shù)識(shí)別不清、層間狀態(tài)與整體性能關(guān)系不明、結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)分級(jí)不細(xì)、修復(fù)策略與時(shí)機(jī)不當(dāng)、二次修復(fù)精準(zhǔn)性不夠等問(wèn)題，不僅制約著工務(wù)設(shè)備運(yùn)維的快速性、持久性和經(jīng)濟(jì)性，更給列車安全運(yùn)行帶來(lái)巨大威脅。

5)高速長(zhǎng)鋼軌鎖定軌溫檢測(cè)方法及在線檢測(cè)方案的研究。無(wú)縫線路受熱脹冷縮規(guī)律的影響，其內(nèi)部?jī)?chǔ)存了相當(dāng)驚人的縱向溫度應(yīng)力，導(dǎo)致線路實(shí)際鎖定軌溫低于設(shè)計(jì)鎖定軌溫。熱脹冷縮規(guī)律變化產(chǎn)生的溫度應(yīng)力一旦超過(guò)無(wú)縫線路設(shè)計(jì)時(shí)鎖定軌溫所對(duì)應(yīng)承載的溫度應(yīng)力，會(huì)使線路運(yùn)行存在極大的隱患。在晝夜溫差較大的季節(jié)，在局部區(qū)域增大的應(yīng)力峰和牽制力一旦釋放，會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的“脹軌跑道”，導(dǎo)致翻車和人身傷亡事故。及時(shí)掌握線路受力狀態(tài)和實(shí)際鎖定軌溫的變化規(guī)律，對(duì)鐵路工務(wù)部門指導(dǎo)線路的維修及確保無(wú)縫線路的運(yùn)營(yíng)安全具有十分重要的意義。目前測(cè)定鎖定軌溫的方法需要拆除扣件，因此會(huì)在一定程度上影響無(wú)縫線路穩(wěn)定性，需要研發(fā)一種無(wú)需對(duì)鋼軌表面預(yù)處理，無(wú)需解除扣件的精準(zhǔn)的無(wú)縫線路溫度應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)。

3 研究方向與建議

3.1 高速列車作用下的道砟飛濺機(jī)理及防治措施研究

預(yù)期目標(biāo)：揭示高速列車作用下道砟飛濺的形成機(jī)理；明確冰雪擊打及復(fù)雜線路條件多場(chǎng)荷載耦合作用下道砟飛濺的發(fā)生機(jī)理；明確軌道結(jié)構(gòu)對(duì)道砟飛濺的影響規(guī)律；提出能防治道砟飛濺的軌道結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計(jì)參數(shù)。

科學(xué)問(wèn)題：①高速列車作用下道砟飛濺形成機(jī)理；②軌道結(jié)構(gòu)對(duì)道砟飛濺的影響規(guī)律；③多場(chǎng)荷載耦合作用下道砟飛濺發(fā)生機(jī)理。

研究?jī)?nèi)容：①高速列車作用下道砟飛濺的形成機(jī)理；②嚴(yán)寒地區(qū)冰雪擊打條件下道床顆粒的飛濺機(jī)理；③橋上高速有砟軌道多場(chǎng)荷載耦合作用下道砟的飛濺發(fā)生機(jī)理；④道砟飛濺的防治措施及軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化。

3.2 高速鐵路特殊區(qū)段軌道剛度的演化機(jī)理與規(guī)律

預(yù)期目標(biāo)：探明軌道剛度匹配對(duì)高速鐵路特殊區(qū)段高速行車品質(zhì)的影響機(jī)制；揭示軌道剛度對(duì)高速鐵路特殊區(qū)段結(jié)構(gòu)服役性能的影響機(jī)理；掌握長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)條件下高速鐵路特殊區(qū)段軌道剛度的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律;研發(fā)高速鐵路特殊區(qū)段軌道剛度多維高效檢測(cè)設(shè)備；提出高速鐵路特殊區(qū)段軌道剛度評(píng)價(jià)方法；指導(dǎo)高速鐵路特殊區(qū)段軌道病害養(yǎng)護(hù)維修。

科學(xué)問(wèn)題：①高速鐵路特殊區(qū)段軌道剛度的合理匹配；②高速鐵路特殊區(qū)段軌道剛度的科學(xué)評(píng)價(jià)；③高速鐵路特殊區(qū)段軌道剛度的演化機(jī)理。

研究?jī)?nèi)容：①針對(duì)高速道岔區(qū)、路橋、橋隧等過(guò)渡段、減振軌道等特殊區(qū)段，建立考慮材料及幾何非線性特性的特殊區(qū)段軌道靜/動(dòng)剛度多維分析模型，提出高速鐵路特殊區(qū)段軌道剛度的合理匹配原則；②研究軌道剛度匹配對(duì)特殊區(qū)段軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響機(jī)制，形成高速鐵路特殊區(qū)段軌道剛度評(píng)價(jià)指標(biāo)、評(píng)估技術(shù)；③研究特殊區(qū)段軌道剛度與軌道結(jié)構(gòu)傷損病害的關(guān)聯(lián)關(guān)系，揭示長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)條件下高速鐵路特殊區(qū)段軌道剛度的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，為高速鐵路特殊區(qū)段軌道剛度合理匹配、養(yǎng)護(hù)維修提供理論基礎(chǔ)及技術(shù)支撐。

3.3 高速鐵路軌下多層復(fù)合結(jié)構(gòu)隱蔽性病害感知理論與狀態(tài)控制方法研究

預(yù)期目標(biāo)：形成軌下多層復(fù)合結(jié)構(gòu)典型傷損及病害檢測(cè)技術(shù)條件；提出軌下結(jié)構(gòu)狀態(tài)智能評(píng)估方法和狀態(tài)修指標(biāo)體系；研發(fā)典型病害的精準(zhǔn)引導(dǎo)快速修復(fù)技術(shù)；構(gòu)建高速鐵路軌下結(jié)構(gòu)傷損與病害的現(xiàn)代化檢養(yǎng)修理論與技術(shù)體系。

科學(xué)問(wèn)題：①高速鐵路軌下結(jié)構(gòu)隱蔽性傷損及病害多源感知機(jī)理；②高速鐵路軌下結(jié)構(gòu)局部狀態(tài)與行車品質(zhì)間映射關(guān)系；③高速鐵路軌下結(jié)構(gòu)多層非均勻介質(zhì)中的多目標(biāo)多尺度損傷及病害反演理論。

研究?jī)?nèi)容：①高速鐵路軌下結(jié)構(gòu)隱蔽性傷損及病害多源感知機(jī)理；②高速鐵路軌下結(jié)構(gòu)局部狀態(tài)與行車品質(zhì)間映射關(guān)系；③高速鐵路軌下結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估和智能決策理論；④高速鐵路軌下結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)修復(fù)方法；⑤高速鐵路列車安全運(yùn)營(yíng)全生命周期狀態(tài)評(píng)估理論和預(yù)測(cè)方法。

3.4 病害修復(fù)后高速鐵路無(wú)砟軌道服役性能演變與評(píng)估

預(yù)期目標(biāo)：明確無(wú)砟軌道病害修復(fù)后服役性能演化規(guī)律；實(shí)現(xiàn)修復(fù)后體系與原結(jié)構(gòu)等強(qiáng)的目標(biāo)，形成高速鐵路無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)服役安全保障技術(shù)。

科學(xué)問(wèn)題：①修復(fù)材料與本體材料的屬性差異描述和修復(fù)體傳力路徑；②軌道不平順及結(jié)構(gòu)損傷條件下輪軌系統(tǒng)動(dòng)態(tài)安全性以及使用壽命預(yù)測(cè)技術(shù)；③高速鐵路無(wú)砟軌道修復(fù)體材料性能退化模型和無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)服役性能的演變規(guī)律。

研究?jī)?nèi)容：①無(wú)砟軌道修復(fù)材料與本體材料的屬性差異描述和修復(fù)體傳力路徑；②多因素作用下修復(fù)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力可靠度評(píng)估模型與方法；③軌道不平順及結(jié)構(gòu)損傷條件下輪軌系統(tǒng)動(dòng)態(tài)安全性以及使用壽命預(yù)測(cè)技術(shù)；④無(wú)砟軌道修復(fù)體材料性能退化模型和無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)服役性能的演變規(guī)律；⑤軌道結(jié)構(gòu)損傷和異常狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、識(shí)別技術(shù)及預(yù)警機(jī)制；⑥無(wú)砟軌道智能型自修復(fù)方法與自修復(fù)材料。

3.5 導(dǎo)波在鋼軌無(wú)損檢測(cè)中應(yīng)用的理論研究與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

預(yù)期目標(biāo)：從理論上論述采用導(dǎo)波進(jìn)行裂紋檢測(cè)和監(jiān)測(cè)的可能性；開發(fā)基于導(dǎo)波原理的鋼軌傳感器和軟硬件系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行功能驗(yàn)證。

科學(xué)問(wèn)題：①導(dǎo)波在非對(duì)稱結(jié)構(gòu)中的理論分析；②鋼軌軌頭要走行列車車輪，軌頭頂面及內(nèi)側(cè)面不能設(shè)置傳感器，如何對(duì)軌頭處缺陷進(jìn)行檢測(cè)，如何在理論和實(shí)踐上找到答案；③如何提高檢測(cè)精度，使得當(dāng)缺陷或裂紋面積占鋼軌截面積的比例達(dá)到5%時(shí)能被成功檢出。

研究?jī)?nèi)容：①開展理論研究，確定道岔鋼軌中導(dǎo)波的頻散特性，以獲取道岔鋼軌中導(dǎo)波的相速度頻散曲線和群速度頻散曲線；②建立仿真模型，對(duì)導(dǎo)波在道岔鋼軌中的傳播及其與鋼軌缺陷的作用進(jìn)行仿真，分析不同頻率導(dǎo)波的能量在道岔鋼軌各個(gè)部分的分布，以確定適合軌底缺陷檢測(cè)的導(dǎo)波頻率；③進(jìn)行道岔鋼軌導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)以及梳狀導(dǎo)波傳感器研發(fā)設(shè)計(jì)；④研發(fā)鋼軌裂紋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在室內(nèi)外進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證導(dǎo)波對(duì)道岔鋼軌軌底各種缺陷的檢測(cè)靈敏度，為優(yōu)化檢測(cè)系統(tǒng)提供依據(jù)。

3.6 無(wú)縫線路鎖定軌溫檢測(cè)方法及在線檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究

預(yù)期目標(biāo)：研發(fā)在線、全線覆蓋、精準(zhǔn)的無(wú)縫線路溫度應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)，無(wú)需對(duì)鋼軌表面預(yù)處理，無(wú)需線路停運(yùn)；建立無(wú)縫線路鎖定軌溫檢測(cè)的機(jī)理模型；構(gòu)建“無(wú)縫線路在線鎖定軌溫檢測(cè)方法”的科學(xué)體系和應(yīng)用方案。

科學(xué)問(wèn)題：①無(wú)縫線路穩(wěn)定受力的物理模型和線路穩(wěn)定性計(jì)算的數(shù)學(xué)模型；②無(wú)縫線路全域穩(wěn)定性和局域穩(wěn)定性的機(jī)理研究；③無(wú)縫線路實(shí)際鎖定軌溫檢測(cè)的機(jī)理模型。

研究?jī)?nèi)容：①無(wú)縫線路受熱脹冷縮影響實(shí)際鎖定軌溫的變化規(guī)律；②建立無(wú)縫線路穩(wěn)定性評(píng)估條件和判據(jù)；③無(wú)縫線路溫度應(yīng)力精準(zhǔn)檢測(cè)的智能決策理論及技術(shù)；④無(wú)縫線路實(shí)際鎖定軌溫檢測(cè)方法及在線實(shí)施方案；⑤鎖定軌溫在線檢測(cè)技術(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)我國(guó)近年來(lái)在高速鐵路有砟軌道、無(wú)砟軌道、軌道服役狀態(tài)監(jiān)測(cè)與健康管理方面所開展的研究工作和取得的研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)的梳理和介紹，結(jié)合我國(guó)高速鐵路在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，指出目前高速鐵路軌道系統(tǒng)及運(yùn)營(yíng)維護(hù)方面研究的欠缺及存在的問(wèn)題，對(duì)未來(lái)需要開展的研究工作及主要的科學(xué)問(wèn)題提出了一系列建議。主要包括：高速列車作用下的道砟飛濺機(jī)理及防治措施；高速鐵路特殊區(qū)段軌道剛度的演化機(jī)理與規(guī)律;高速鐵路軌下多層復(fù)合結(jié)構(gòu)隱蔽性病害感知理論與狀態(tài)控制方法;病害修復(fù)后高速鐵路無(wú)砟軌道服役性能演變與評(píng)估;導(dǎo)波在鋼軌無(wú)損檢測(cè)中應(yīng)用的理論研究與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn);無(wú)縫線路鎖定軌溫檢測(cè)方法及在線檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究。