呂宋 魏少偉 靳昊 蔡德鉤 楊軼科

1.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； 2.北京鐵科特種工程技術(shù)有限公司， 北京 100081

中國(guó)普速鐵路線路設(shè)備修理分為維修和大修。線路設(shè)備維修是根據(jù)線路設(shè)備變化規(guī)律，維持列車(chē)以規(guī)定速度安全和不間斷地運(yùn)行而對(duì)線路進(jìn)行的日常維護(hù)和小規(guī)模修理。線路設(shè)備大修是為全面恢復(fù)和提高線路設(shè)備固有可靠度而對(duì)線路進(jìn)行的大規(guī)模修理。根據(jù)線路設(shè)備各部件狀態(tài)變化規(guī)律的不同，普速鐵路線路設(shè)備大修可分為鋼軌大修、道岔大修、軌枕大修、道床大修、線路中修、扣件大修、道口大修及其他大修［1］。線路設(shè)備損耗規(guī)律具有周期性特征，是線路大修的主要依據(jù)。普速鐵路線路設(shè)備大修以周期修為主，貫徹運(yùn)營(yíng)條件匹配、軌道結(jié)構(gòu)等強(qiáng)、修理周期合理、線路質(zhì)量均衡的原則。鋼軌疲勞、軌道結(jié)構(gòu)及其他部件傷損、道床失去彈性是線路大修的重要依據(jù)［2］。

中國(guó)高速鐵路線路設(shè)備維修主要解決單點(diǎn)或局部病害問(wèn)題，基本任務(wù)是保持線路設(shè)備狀態(tài)完好，保證列車(chē)能以規(guī)定的速度安全、平穩(wěn)、舒適和不間斷地運(yùn)行，并盡量延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命［3-4］。針對(duì)高速鐵路線路設(shè)備維修，通過(guò)開(kāi)展科研課題研究以及維護(hù)技術(shù)應(yīng)用，中國(guó)積累了大量經(jīng)驗(yàn)，編制了TG/GW 115—2012《高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則（試行）》、TG/GW 116—2013《高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則（試行）》等標(biāo)準(zhǔn)，形成了無(wú)砟軌道抬升糾偏、上拱整治等軌道線形保持技術(shù)，無(wú)砟軌道離縫修補(bǔ)、寬窄接縫傷損整治等耐久性提升技術(shù)、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件快速更換技術(shù)等，逐步形成了安全高效成熟的維修施工工藝。高速鐵路線路設(shè)備大修主要解決成區(qū)段連續(xù)病害，需成區(qū)段加固或更新改造。針對(duì)高速鐵路線路設(shè)備大修，中國(guó)已開(kāi)展部分大修技術(shù)研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，如武廣高速鐵路成區(qū)段換軌、滬蓉鐵路合寧段有砟道床清篩、秦沈客運(yùn)專線成區(qū)段砂漿層修復(fù)等工作，但尚未建立線路設(shè)備大修標(biāo)準(zhǔn)。

中國(guó)高速鐵路2008 年開(kāi)通運(yùn)營(yíng)。隨著服役時(shí)間延長(zhǎng)，受復(fù)雜運(yùn)營(yíng)條件、氣候環(huán)境、地質(zhì)條件等多重因素影響，高速鐵路線路設(shè)備個(gè)別區(qū)段已出現(xiàn)小范圍連續(xù)傷損或失效問(wèn)題。日本、德國(guó)、法國(guó)等依據(jù)自身線路特點(diǎn)與施工條件建立了相應(yīng)的大修機(jī)制。日本根據(jù)鋼軌磨耗、道床臟污率、道砟磨損率等明確了鋼軌、有砟道床大修時(shí)機(jī)。德國(guó)根據(jù)鋼軌服役狀態(tài)明確了鋼軌使用壽命。法國(guó)高速鐵路鋼軌、道床大修采用狀態(tài)修，根據(jù)軌道狀態(tài)評(píng)估結(jié)果開(kāi)展大修。中國(guó)高速鐵路大修剛剛起步，對(duì)線路設(shè)備服役狀態(tài)發(fā)展規(guī)律、線路設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)研究不足，線路設(shè)備大修內(nèi)容、時(shí)機(jī)、實(shí)施方案、質(zhì)量驗(yàn)收等尚不明確，無(wú)法為成區(qū)段高速鐵路線路設(shè)備大修提供支撐。

本文從國(guó)內(nèi)外高速鐵路大修管理機(jī)制、實(shí)施技術(shù)方案及應(yīng)用等方面開(kāi)展調(diào)研分析，總結(jié)了高速鐵路線路設(shè)備大修現(xiàn)狀，并對(duì)大修技術(shù)發(fā)展進(jìn)行展望，為中國(guó)高速鐵路線路設(shè)備大修管理體系建立與關(guān)鍵技術(shù)研究提供參考。

1 國(guó)外高速鐵路線路設(shè)備大修現(xiàn)狀

1.1 日本

日本針對(duì)新干線建立了以運(yùn)營(yíng)單位為主，專業(yè)修理外包第三方的修理機(jī)制。前者主要負(fù)責(zé)安全措施管理、設(shè)備性能狀態(tài)評(píng)價(jià)、設(shè)備投資計(jì)劃管理、檢查驗(yàn)收等；后者主要負(fù)責(zé)具體施工作業(yè)。日本新干線修理的突出特點(diǎn)是管理與施工嚴(yán)格分開(kāi)。

日本高速鐵路工務(wù)設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命為100 年，全面大修周期為50 年，大修工期為10 年。目前已經(jīng)開(kāi)始大修的高速鐵路為東海道新干線（1964 年開(kāi)通），于2013 年開(kāi)始實(shí)施大修，計(jì)劃2023 年3 月完工，工程概算總費(fèi)用約7 308 億日元。線路設(shè)備大修綜合考慮鋼軌磨耗、道床臟污率、道砟磨損率等指標(biāo)進(jìn)行狀態(tài)修。東海道新干線以有砟軌道結(jié)構(gòu)為主，大修內(nèi)容主要為鋼軌大修和有砟道床大修。

1.1.1 鋼軌

日本鋼軌大修考慮磨耗情況采用狀態(tài)修，鋼軌使用壽命在通過(guò)總質(zhì)量8 億噸以上。有砟軌道、無(wú)砟軌道折算使用壽命分別約為15、35年。

鋼軌檢測(cè)評(píng)估方面，JR 九州鐵路公司、JR 北海道鐵路公司、JR 東日本鐵路公司等單位分別研發(fā)了新型鋼軌探傷裝置，可同時(shí)探測(cè)橫向裂紋和水平裂紋，探測(cè)速度為1 m/s，探傷軟件可處理超聲波探測(cè)資料并在終端顯示鋼軌傷損狀態(tài)。JR 東日本鐵路公司研制了鋼軌監(jiān)測(cè)裝置，安裝在運(yùn)營(yíng)車(chē)輛底部，采用線性傳感照相機(jī)和剖面照相機(jī)對(duì)鋼軌狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，利用大量鋼軌圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)估。JR 北海道鐵路公司于2017 年引進(jìn)新型鋼軌探傷車(chē)，搭載攝像裝置與激光位移傳感器可連續(xù)攝取軌頭頂面圖像，并可分析鋼軌表面波磨變化情況。

換軌施工方面，首先將焊軌基地生產(chǎn)的200 m 軌條在現(xiàn)場(chǎng)用電弧焊焊接成長(zhǎng)軌，再使用換軌小車(chē)退出舊鋼軌，換上新鋼軌。接頭焊接打磨后用磁粉探測(cè)儀探測(cè)鋼軌表面?zhèn)麚p，用小型超聲波探傷儀探測(cè)鋼軌內(nèi)部傷損。線路開(kāi)通后即可恢復(fù)正常速度。東鐵工業(yè)株式會(huì)社研發(fā)了新干線換軌大型機(jī)械系統(tǒng)，該機(jī)械系統(tǒng)為12 輛編組（1 輛軌道牽引車(chē) + 1 輛鋼軌加固車(chē) +7 輛鋼軌運(yùn)輸車(chē) + 1 輛后部運(yùn)輸車(chē) + 1 輛鋼軌裝卸車(chē) +1 輛焊軌打磨車(chē)），全長(zhǎng)230 m。該機(jī)械系統(tǒng)一次可裝運(yùn)長(zhǎng)150 m 鋼軌20 根，采用大電流閃光焊工藝焊接，單個(gè)接頭焊接用時(shí)約6 min。

1.1.2 有砟道床

日本路基區(qū)段有砟軌道大修周期為平均20 年一次，是以累計(jì)通過(guò)總質(zhì)量為指標(biāo)。有砟道床劣化狀態(tài)檢查周期為每年一次，根據(jù)道床臟污率、道砟磨損率檢查結(jié)果，按照輕重緩急的原則編制大修計(jì)劃。

對(duì)于有砟軌道的綜合檢測(cè)工作，日本鐵路采用檢測(cè)車(chē)進(jìn)行巡檢。目前廣泛應(yīng)用的軌道綜合檢測(cè)列車(chē)主要有東海道、山陽(yáng)新干線上的“黃醫(yī)生”和東北—上越新干線上的East-i兩種。2017年9月JR西日本鐵路公司從意大利MERMEC 公司引進(jìn)了一種歐洲高速鐵路廣泛使用的軌道部件綜合檢測(cè)車(chē)，可對(duì)鋼軌、扣件、軌枕、有砟道床等軌道部件狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。

道床大修作業(yè)采用清篩回填車(chē)、搗固車(chē)、動(dòng)力穩(wěn)定車(chē)等大型養(yǎng)路機(jī)械，利用每天夜間維修作業(yè)天窗實(shí)施。具體施工內(nèi)容包括換砟、搗固、道砟整形和動(dòng)力穩(wěn)定作業(yè)。利用清篩回填車(chē)中的大功率真空泵軟管將舊道砟從道床中抽送到清篩器，一邊將篩除的粉化細(xì)粒分離出來(lái)，一邊往舊道砟中摻入一定比例的新道砟，自動(dòng)進(jìn)行篩分和級(jí)配，然后將滿足級(jí)配要求的道砟回填道床。采用普拉塞公司的三枕?yè)v固車(chē)進(jìn)行道砟搗固作業(yè)，作業(yè)過(guò)程中利用自帶的軌道檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行線路位置校核，確保搗固后的線路質(zhì)量和精度。利用道砟整形機(jī)鏟除多余道砟，填平凹處，一次使道床形成規(guī)整梯形。采用加碼配重的動(dòng)力穩(wěn)定車(chē)在整形后的線路上通過(guò)，使道床狀態(tài)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，確保不會(huì)出現(xiàn)軌枕負(fù)彎矩或者空吊，符合車(chē)線耦合動(dòng)力響應(yīng)的要求。施工結(jié)束后，直線地段直接恢復(fù)常速，曲線地段24 h內(nèi)限速230 km/h，24 h后恢復(fù)常速。

1.2 德國(guó)

德國(guó)鐵路路網(wǎng)公司實(shí)施設(shè)備的管理、檢查、修理分離制度。路網(wǎng)設(shè)備管理部門(mén)負(fù)責(zé)管理，路網(wǎng)維護(hù)部門(mén)負(fù)責(zé)檢查養(yǎng)護(hù)，路網(wǎng)修理部門(mén)負(fù)責(zé)修理。根據(jù)軌道實(shí)際狀態(tài)制定修理計(jì)劃，實(shí)行日常保養(yǎng)、預(yù)防性計(jì)劃維修、緊急補(bǔ)修的管理制度。

德國(guó)1991年開(kāi)通兩條高速鐵路：漢諾威—維爾茨堡（長(zhǎng)327 km）和曼海姆—斯圖加特（長(zhǎng)99 km）。德國(guó)鐵路路網(wǎng)公司從2019 年開(kāi)始對(duì)兩條高速鐵路進(jìn)行大修，總投入約8.25億歐元。線路設(shè)備大修的主要內(nèi)容包括更換鋼軌、道砟。路網(wǎng)公司制定了2019—2023年分段大修計(jì)劃（圖1），將大修對(duì)運(yùn)輸?shù)挠绊懡抵磷畹汀?/p>

圖1 2019—2023年分段大修計(jì)劃

1.2.1 鋼軌

德國(guó)高速鐵路初期采用UIC60 斷面鋼軌，材質(zhì)為UIC900A 熱軋鋼軌，強(qiáng)度級(jí)別為880 MPa。運(yùn)輸繁忙線路鋼軌使用壽命為累計(jì)通過(guò)總質(zhì)量10 億噸以上，小半徑曲線段鋼軌使用壽命為累計(jì)通過(guò)總質(zhì)量7億 ～ 10億噸。

漢諾威—維爾茨堡高速鐵路大修工程預(yù)計(jì)換軌532 km，曼海姆—斯圖加特高速鐵路大修工程預(yù)計(jì)換軌190 km。2019 年6—8 月底在完全封閉的情況下使用軌道更新列車(chē)對(duì)漢諾威—維爾茨堡高速鐵路軌枕和鋼軌進(jìn)行了更換。舊鋼軌切割成一定尺寸，由幾臺(tái)龍門(mén)起重機(jī)持續(xù)移除舊鋼軌，并供應(yīng)新軌枕。

1.2.2 有砟道床

德國(guó)高速鐵路以無(wú)砟軌道為主，目前尚未開(kāi)展相關(guān)大修作業(yè)。針對(duì)有砟道床開(kāi)展更換道砟作業(yè)并對(duì)道砟加以回收利用。漢諾威—維爾茨堡高速鐵路在完全封閉的情況下，使用大型機(jī)械回收利用了101 km道砟。施工前制定回收測(cè)試計(jì)劃，在每臺(tái)機(jī)械上采集、檢查和評(píng)估超過(guò)70 個(gè)道砟回收樣品，保證道砟回收利用的質(zhì)量。道砟更新完成后，更換混凝土軌枕和鋼軌。

1.3 法國(guó)

法國(guó)鐵路自1976 年以來(lái)，修理采用總局、地區(qū)局和基層維修段三級(jí)管理制度。總局負(fù)責(zé)高速鐵路和既有鐵路的養(yǎng)護(hù)維修管理工作，地區(qū)局負(fù)責(zé)下屬綜合維修段的管理工作，基層維修段包括若干工區(qū)，工區(qū)下設(shè)班組。法國(guó)高速鐵路修理包括經(jīng)常性保養(yǎng)、臨時(shí)補(bǔ)修和綜合性維修，采用管理、檢查、修理部分分離制度。經(jīng)常性保養(yǎng)和臨時(shí)補(bǔ)修由綜合維修段負(fù)責(zé)，綜合性維修外包給線路維修公司。經(jīng)常性保養(yǎng)主要是給道岔、伸縮調(diào)節(jié)器涂油等工作。綜合維修段的工區(qū)、工班主要負(fù)責(zé)線路、橋梁、隧道的巡視、檢查及軌道局部病害的修補(bǔ)。綜合性維修包括線路搗固、鋼軌打磨、道床清篩、更換軌枕和道岔等。經(jīng)常性保養(yǎng)一般在白天進(jìn)行，綜合性維修一般在夜間進(jìn)行。

法國(guó)高速鐵路以有砟軌道為主。依據(jù)軌道質(zhì)量狀態(tài)分目標(biāo)、警告、干預(yù)、限速四級(jí)管理。法國(guó)第一條高速鐵路（巴黎—里昂）經(jīng)過(guò)15 年運(yùn)營(yíng)后開(kāi)始進(jìn)行大修。大修內(nèi)容包括道床大修、道岔更換等，約10 年完成。

1.3.1 鋼軌

法國(guó)高速鐵路鋼軌的大修采用狀態(tài)修模式，使用壽命在35 年左右。法國(guó)高速鐵路（Train à Grande Vitesse，TGV）東南線1983 年開(kāi)通，采用強(qiáng)度等級(jí)700 MPa 的熱軋珠光體鋼軌。大修換軌的主要原因是鋼軌磨耗量達(dá)到限值。

對(duì)于鋼軌檢測(cè)，高速鐵路運(yùn)營(yíng)初期會(huì)定期做超聲波檢測(cè)。若運(yùn)量大幅上升，檢測(cè)周期由1 年改為6 個(gè)月，每15 d 對(duì)軌道檢測(cè)1 次。采用車(chē)載軌道檢測(cè)設(shè)備以300 km/h 運(yùn)行速度檢測(cè)。車(chē)載軌道檢測(cè)設(shè)備采用2 個(gè)攝像機(jī)記錄鋼軌表面的實(shí)際狀態(tài)。鋼軌表面的缺陷和不平順程度由計(jì)算機(jī)自動(dòng)劃分等級(jí)，并找出軌面缺陷和不平順?biāo)诘攸c(diǎn)。

1.3.2 道岔

法國(guó)道岔主要因?yàn)檐壖麚p而更換。第一代道岔在服役15年后因木岔枕使用壽命到限、可動(dòng)心軌轍叉?zhèn)麚p等原因更換下線。

道岔檢測(cè)主要使用機(jī)械或激光傳感器掃描鋼軌的軌頭廓形，使用分析軟件中的車(chē)輪廓形尺測(cè)得接觸點(diǎn)坐標(biāo)，判斷車(chē)輛能否安全通過(guò)。對(duì)道岔直向?qū)к墶⑥H叉的鋼軌件進(jìn)行磨耗管理?；跉v史積累的定量數(shù)據(jù)可以預(yù)測(cè)鋼軌的剩余壽命，便于工務(wù)部門(mén)開(kāi)展修理工作。

道岔更換主要是65 號(hào)、46 號(hào)、15.3 號(hào)可動(dòng)心軌道岔。65 號(hào)道岔長(zhǎng)220 m，質(zhì)量240 t，在搬運(yùn)和鋪設(shè)時(shí)需分成5 段。道岔更換以機(jī)械化為主，新道岔先在線路旁的臨時(shí)場(chǎng)地組裝好，采用橋式吊車(chē)或雙起重臂吊車(chē)快速移動(dòng)。橋式吊車(chē)有18 個(gè)龍門(mén)吊，自身帶有動(dòng)力，雙起重臂吊車(chē)需要占用所有軌道。

1.3.3 有砟道床

法國(guó)北部高速鐵路建成較晚，道床使用優(yōu)質(zhì)道砟，壽命預(yù)期在23 ～ 25 年。為確保道床更換時(shí)機(jī)合理，使用TIMON計(jì)算機(jī)系統(tǒng)協(xié)助修理人員作決策。

道床大修平均工作效率為700 m/d（含更換道岔區(qū)部分道砟）。道砟更換深度為枕下35 cm，主要在春、秋季進(jìn)行。更換道砟時(shí)設(shè)定鄰線列車(chē)運(yùn)行速度限值。道床大修列車(chē)長(zhǎng)約576 m，由6臺(tái)機(jī)車(chē)牽引。其中關(guān)鍵設(shè)備是道砟清篩機(jī)，橫向挖掘?qū)挾葹? m。該列車(chē)中的自卸式貨車(chē)，每臺(tái)裝載石砟40 m3，可將臟污道砟運(yùn)輸?shù)教幚淼攸c(diǎn)。道砟大修更換使用的其他設(shè)備還包括3臺(tái)搗固機(jī)，2臺(tái)動(dòng)力穩(wěn)定車(chē)，2臺(tái)道床整形車(chē)和1 臺(tái)新道砟列車(chē)。道床大修更換時(shí)每天作業(yè)約4 h，當(dāng)日施工完成后限速80 km/h 運(yùn)行；第二天進(jìn)行搗固作業(yè)，開(kāi)通后限速170 km/h 運(yùn)行；第三天進(jìn)行搗固+整理作業(yè)后，恢復(fù)常速運(yùn)行。法國(guó)高速鐵路在大修后因采用優(yōu)質(zhì)道砟并采取較高技術(shù)規(guī)范來(lái)配備軌道部件，限速?gòu)?70 km/h提高到300 km/h，線路性能良好。

2 中國(guó)高速鐵路線路設(shè)備大修現(xiàn)狀

目前中國(guó)高速鐵路線路設(shè)備缺少大修相關(guān)的技術(shù)條件，鋼軌、扣件、道岔、有砟道床等尚無(wú)相關(guān)大修標(biāo)準(zhǔn)。初步開(kāi)展了高速鐵路鋼軌大修周期、扣件失效標(biāo)準(zhǔn)、道岔使用壽命、有砟道床清篩時(shí)機(jī)等研究，并開(kāi)展了部分大修技術(shù)研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

2.1 鋼軌

結(jié)合鋼軌服役現(xiàn)狀，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱鐵科院）從理論層面分析了鋼軌磨耗、銹蝕、疲勞等因素對(duì)鋼軌使用壽命的影響，明確了高速鐵路鋼軌的大修周期應(yīng)大于普速鐵路，初步提出高速鐵路鋼軌大修周期為通過(guò)總質(zhì)量10 億噸或使用時(shí)間35 年［5］。韋樹(shù)軍［6］分析了60 kg/m 鋼軌受力情況，采用日本鐵路研究機(jī)構(gòu)的應(yīng)力-壽命（S-N）試驗(yàn)曲線，根據(jù)Miner 組合法則進(jìn)行鋼軌疲勞壽命的估算。劉亮等［7］利用斷裂力學(xué)理論建立高速鐵路鋼軌剩余壽命（從鋼軌裂紋出現(xiàn)到最終斷裂）的預(yù)測(cè)模型，估算了高速鐵路鋼軌的剩余壽命，認(rèn)為相同運(yùn)營(yíng)條件下U71Mn鋼軌剩余壽命比PD3鋼軌長(zhǎng)。劉豐收［8］通過(guò)對(duì)京津城際鐵路、武廣客運(yùn)專線、京滬高速鐵路、秦沈客運(yùn)專線等多條線路鋼軌磨耗情況的長(zhǎng)期跟蹤觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)直線段鋼軌垂直磨耗量和磨耗速度均較小，而小半徑曲線地段鋼軌側(cè)磨嚴(yán)重，已影響到鋼軌使用壽命。周宇等［9］將車(chē)輪通過(guò)引起的疲勞裂紋萌生和磨耗發(fā)展過(guò)程相結(jié)合，建立考慮磨耗的鋼軌疲勞裂紋萌生壽命預(yù)測(cè)方法。許玉德等［10］采用疲勞壽命預(yù)測(cè)軟件，建立腐蝕傷損在役鋼軌剩余壽命分析模型，分析底部腐蝕量、縱向腐蝕長(zhǎng)度、軸重、表面粗糙度等因素對(duì)腐蝕鋼軌剩余壽命的影響。

鋼軌焊接技術(shù)方面，大部分鐵路局僅進(jìn)行過(guò)以插入焊為主的局部換軌。長(zhǎng)軌車(chē)將鋼軌運(yùn)輸至施工地點(diǎn)，在一個(gè)天窗將500 m 鋼軌換上并進(jìn)行鎖定焊。焊軌車(chē)自2008 年在各鐵路局使用，采用焊軌車(chē) + 焊接熱處理車(chē)的組合模式提高了接頭焊接質(zhì)量，但在施工效率、人員機(jī)具調(diào)度等方面仍存在優(yōu)化空間。鐵科院針對(duì)大列換軌特殊需求，開(kāi)發(fā)了UN200 型固定式閃光焊機(jī)及配套的感應(yīng)熱處理裝置，在換軌列車(chē)有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了雙焊機(jī)并行工作，即雙軌并行焊接，并在焊縫不移動(dòng)、僅焊接設(shè)備移動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)了焊接接頭的熱處理，大幅提升了高速鐵路換軌效率。配合移動(dòng)式閃光焊機(jī)，一個(gè)天窗內(nèi)可更換1 km鋼軌。

換軌施工技術(shù)方面，相關(guān)學(xué)者結(jié)合工程實(shí)踐開(kāi)展了研究。張杰等［11］結(jié)合滬寧城際鐵路長(zhǎng)軌更換施工實(shí)踐，總結(jié)了運(yùn)營(yíng)條件下高速鐵路無(wú)砟軌道長(zhǎng)軌更換施工技術(shù)。王仕攀等［12］模擬計(jì)算了500 m 長(zhǎng)軌列車(chē)通過(guò)曲線段時(shí)長(zhǎng)軌與每節(jié)運(yùn)載車(chē)的相互作用力，針對(duì)松8留1、松6 留1、松4 留1 三種扣件拆除方式，分別建立了單節(jié)運(yùn)載車(chē)、鋼軌、扣件、軌枕相互作用的有限元模型，計(jì)算了扣件應(yīng)力分布，論證了高速鐵路大修換軌前采用松8 留1 扣件拆除方式是安全的。王安民［13］提出了換軌一體化施工項(xiàng)目集成管理的總體思路，形成不同線路條件下?lián)Q軌一體化施工方法，重點(diǎn)闡述了換軌一體化施工項(xiàng)目安全風(fēng)險(xiǎn)管理辦法。

中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱廣州局）應(yīng)用一體化換軌技術(shù)于2019—2020 年先后三次在京廣高速鐵路、廣深港高速鐵路正線成段更換29.5 km 傷損軌。通過(guò)組合長(zhǎng)軌車(chē)、車(chē)載焊機(jī)、換軌車(chē)和移動(dòng)氣壓焊軌車(chē)（圖2）在單個(gè)天窗內(nèi)完成一個(gè)單元軌節(jié)的卸軌卸料、換軌換料、收軌收料、焊軌放散等多工序作業(yè)，將以往需要3 個(gè)以上天窗完成的作業(yè)在1 個(gè)天窗內(nèi)完成，滿足高速鐵路工完料清、人走場(chǎng)清、安全正點(diǎn)的施工要求，為高速鐵路換軌大修提供了一種可行換軌作業(yè)模式［14］。

圖2 移動(dòng)氣壓焊軌車(chē)

2.2 扣件

鐵科院通過(guò)仿真分析和室內(nèi)試驗(yàn)確定了扣件彈條扣壓力的失效標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合彈條彈程、直徑與彈條扣壓力的關(guān)系，給出不同類型彈條彈程和直徑的失效限值，確定無(wú)砟軌道、有砟軌道彈性墊板靜剛度限值分別為60、120 kN/mm［5］。凡艷麗等［15］對(duì)高速鐵路客運(yùn)專線V型彈條扣件系統(tǒng)用橡膠墊板PR5進(jìn)行了加速老化試驗(yàn)，結(jié)合阿倫尼烏斯方程建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)其老化壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，得出25 ℃時(shí)橡膠墊板RP5的老化壽命為10.5 年。向俊等［16］以WJ-7 型扣件為研究對(duì)象，分析不同車(chē)輪多邊形磨耗階數(shù)、曲線半徑和車(chē)速下扣件彈條力學(xué)特征，得出車(chē)輪多邊形磨耗階數(shù)提高、曲線半徑減小和車(chē)速提高均會(huì)降低彈條疲勞壽命，其中曲線半徑影響更顯著。

中國(guó)高速鐵路還未進(jìn)行過(guò)扣件大修，僅在部分線路長(zhǎng)區(qū)段更換過(guò)零部件。2014—2017 年武廣高速鐵路和京滬高速鐵路工務(wù)部門(mén)對(duì)W300-1 型扣件彈條進(jìn)行過(guò)集中整治更換；2018—2019 年廣州局對(duì)廣深港高速鐵路獅子洋隧道內(nèi)銹蝕嚴(yán)重扣件進(jìn)行了集中更換。

2.3 道岔

從道岔安全性角度考慮，鐵科院確定了尖軌和心軌的失效標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行使用壽命預(yù)測(cè)，建議直尖軌和長(zhǎng)心軌的預(yù)期使用壽命定為20 年或累計(jì)通過(guò)總質(zhì)量4 億噸，側(cè)順向進(jìn)岔時(shí)曲尖軌預(yù)期使用壽命為累計(jì)通過(guò)總質(zhì)量0.5億噸以上，側(cè)逆向進(jìn)岔時(shí)曲尖軌、短心軌和叉跟尖軌的預(yù)期使用壽命為累計(jì)通過(guò)總質(zhì)量1.0億噸［5］以上。

道岔鋼軌磨耗是影響使用壽命的關(guān)鍵因素。關(guān)于道岔鋼軌磨耗主要采用仿真計(jì)算或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法。徐井芒［17］以尖軌典型斷面為例，通過(guò)仿真計(jì)算分析了不同通過(guò)總質(zhì)量下道岔鋼軌廓形改變情況。王璞［18］采用MiniProf 鋼軌廓形測(cè)試設(shè)備，對(duì)轉(zhuǎn)轍器區(qū)特征斷面尖軌和基本軌的型面及磨耗情況進(jìn)行了長(zhǎng)期跟蹤測(cè)試，探究了高速鐵路道岔鋼軌磨耗分布和發(fā)展規(guī)律。

相關(guān)學(xué)者開(kāi)展了道岔更換施工工藝研究。宋國(guó)亮［19］以京滬高速鐵路揚(yáng)州線路所2號(hào)道岔直尖軌現(xiàn)場(chǎng)更換為例，介紹了吊裝、運(yùn)輸和更換施工技術(shù)。徐其瑞等［20］對(duì)高速鐵路道岔大部件更換的施工組織進(jìn)行調(diào)研，提出一種適合于高速鐵路道岔大部件快速更換的作業(yè)方法——本線縱移快速置換法。該方法克服了既有方法作業(yè)效率低、線路占用多、影響范圍大的缺點(diǎn)。

目前中國(guó)高速鐵路道岔服役狀態(tài)整體良好，僅京哈鐵路秦沈段高速18 號(hào)、38 號(hào)道岔部件失效問(wèn)題突出，道岔結(jié)構(gòu)安全余量小，養(yǎng)護(hù)維修備品備件困難。2020 年中國(guó)鐵路沈陽(yáng)局集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱沈陽(yáng)局）與鐵科院采用道岔狀態(tài)評(píng)定評(píng)分法，對(duì)秦沈段正線道岔幾何狀態(tài)和結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行分析。根據(jù)道岔狀態(tài)實(shí)際得分與評(píng)估原則，結(jié)合沈陽(yáng)局養(yǎng)修條件，最終決定結(jié)合車(chē)站改造規(guī)劃將原專線系列18號(hào)、38號(hào)道岔均改造為客專線（08）016 號(hào)道岔（有砟軌道時(shí)速350 km 18號(hào)道岔）。

2.4 有砟道床

中國(guó)高速鐵路有砟道床大修周期、判定依據(jù)等尚缺乏科學(xué)有效的指標(biāo)。部分學(xué)者提出有砟道床狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)，從而提出清篩、搗固的合理時(shí)機(jī)。

鐵科院建議線路開(kāi)通初期每1.0 ～ 1.5 年對(duì)道床搗固1 次，開(kāi)通4 年道床穩(wěn)定后，可按照線路累計(jì)通過(guò)總質(zhì)量并結(jié)合設(shè)備實(shí)際狀況、線路條件、運(yùn)輸條件、自然條件等，對(duì)大型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)周期適當(dāng)調(diào)整，建議道床臟污率達(dá)到25% ～ 30%時(shí)進(jìn)行清篩［5］。郄錄朝等［21］明確了道床體積臟污率與質(zhì)量臟污率相關(guān)性，通過(guò)道砟滲透性能試驗(yàn)，提出了基于道床質(zhì)量臟污率的道床臟污程度及清篩時(shí)機(jī)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。徐旸［22］在國(guó)外主流道床臟污評(píng)估指標(biāo)FI（Fouling Index）、PVC（Percentage Void Contamination）、VCI（Void Contamination Index）等指標(biāo)的基礎(chǔ)上，提出綜合考慮了不同臟污材質(zhì)影響規(guī)律的PFI（Porous Fouling Index），并通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)PFI與VCI的準(zhǔn)確性進(jìn)行了對(duì)比。

道床服役狀態(tài)檢測(cè)方面，綜合軌道剛度檢測(cè)、道床路基狀態(tài)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)和軌道幾何狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果，可準(zhǔn)確分析和評(píng)估道床板結(jié)程度、路基承載能力。道床臟污一般通過(guò)測(cè)試道床質(zhì)量臟污率來(lái)評(píng)價(jià)，道床臟污的檢測(cè)主要采用人工篩分。該方法速度慢、效率低，只能以點(diǎn)帶面。此外，道床質(zhì)量臟污率與體積臟污率、密實(shí)度及道砟重度具有復(fù)雜的相關(guān)性，僅以道床質(zhì)量臟污率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)難以準(zhǔn)確判斷道床臟污狀態(tài)。采用紅外測(cè)溫成像技術(shù)檢測(cè)鐵路道砟質(zhì)量是無(wú)損檢測(cè)的一種新方法。該方法利用清潔道砟與臟污道砟的傳熱特性差異進(jìn)行檢測(cè)，但僅能反映道床表面道砟臟污程度［23］。高密度電法的工作原理與常規(guī)電阻率法大體相同，利用巖（礦）石電阻率的差異進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)量時(shí)需將全部電極（幾十至上百根）置于觀測(cè)剖面的各測(cè)點(diǎn)上，難以滿足現(xiàn)場(chǎng)快速、無(wú)損檢測(cè)需求。探地雷達(dá)作為一種快速、精確、無(wú)損的檢測(cè)方法，已廣泛應(yīng)用于鐵路路基、道床檢測(cè)，適用于對(duì)病害的檢測(cè)定位，側(cè)重于定性檢測(cè)而非定量評(píng)價(jià)。

中國(guó)高速鐵路有砟軌道線路開(kāi)通時(shí)間較短，道床狀態(tài)總體保持良好，極個(gè)別區(qū)段出現(xiàn)了道床臟污、板結(jié)等病害，但由于缺乏高速鐵路有砟道床大修的檢測(cè)手段、判定依據(jù)及管理機(jī)制，僅初步開(kāi)展了滬蓉鐵路合寧段道床清篩工作。

2.5 無(wú)砟道床

中國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道的耐久性和穩(wěn)定性整體良好，多以局部小范圍傷損修補(bǔ)為主。許玉德等［24］將一種全新的基于不確定條件下的理論引入到無(wú)砟軌道混凝土整體道床的檢測(cè)和大修中，以結(jié)構(gòu)在剩余壽命周期內(nèi)的費(fèi)用最少為目標(biāo)，利用費(fèi)用函數(shù)的遞推法求得整體道床的最優(yōu)檢測(cè)間隔和大修臨界值。

目前中國(guó)無(wú)砟道床主要針對(duì)砂漿層成區(qū)段傷損進(jìn)行大修。秦沈客運(yùn)專線K496.412橋上CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道充填層砂漿大量傷損，2016 年7—10 月采用邊緣砂漿層鑿除+植筋+澆筑修補(bǔ)砂漿的方法對(duì)284塊傷損砂漿層進(jìn)行了修復(fù)。

基于上述高速鐵路線路設(shè)備大修現(xiàn)狀，結(jié)合普速鐵路線路設(shè)備大修成果，初步提出了高速鐵路線路設(shè)備大修內(nèi)容及大修方式。高速鐵路線路設(shè)備大修內(nèi)容可包括鋼軌大修、扣件大修、道岔大修、軌枕大修、道床大修（有砟道床與無(wú)砟道床）、線路中修等。高速鐵路線路設(shè)備大修建議采用周期修與狀態(tài)修相結(jié)合的方式。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

1）日本建立了以運(yùn)營(yíng)單位為主，專業(yè)修理外包第三方的修理體制。鋼軌大修根據(jù)磨耗情況確定，一般為累計(jì)通過(guò)總質(zhì)量8 億噸以上，有砟道床大修根據(jù)道床臟污率、道砟磨損率檢查結(jié)果確定，平均20年一次。

2）德國(guó)鐵路路網(wǎng)公司實(shí)施管理、檢查、修理分離制度，實(shí)行日常保養(yǎng)、預(yù)防性計(jì)劃維修、緊急補(bǔ)修的管理制度。運(yùn)輸繁忙線路鋼軌使用壽命為累計(jì)通過(guò)總質(zhì)量10億噸以上，小半徑曲線段鋼軌使用壽命為累計(jì)通過(guò)總質(zhì)量7億 ～ 10億噸。

3）法國(guó)鐵路養(yǎng)修工作實(shí)行總局、地區(qū)局和基層維修段三級(jí)管理，采用管理、檢查、修理部分分離模式。依據(jù)軌道質(zhì)量狀態(tài)分目標(biāo)、警告、干預(yù)、限速四級(jí)管理。鋼軌、有砟道床大修采用狀態(tài)修模式，鋼軌使用壽命在35年左右，有砟道床壽命預(yù)期在23 ～ 25年。

4）中國(guó)初步明確了高速鐵路線路設(shè)備大修內(nèi)容，開(kāi)展了高速鐵路鋼軌大修周期、扣件失效標(biāo)準(zhǔn)、道岔使用壽命、有砟道床清篩時(shí)機(jī)等研究，建議線路設(shè)備大修采用周期修與狀態(tài)修相結(jié)合的方式。中國(guó)尚未形成較成熟的線路設(shè)備大修技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)體系。

5）日本、德國(guó)、法國(guó)等針對(duì)高速鐵路線路設(shè)備主要開(kāi)展了鋼軌大修、有砟道床大修等作業(yè)，尚未開(kāi)展無(wú)砟道床相關(guān)大修作業(yè)。中國(guó)初步開(kāi)展了京廣高速鐵路換軌、京哈鐵路換岔、秦沈客運(yùn)專線砂漿層修復(fù)等大修技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

3.2 展望

基于中國(guó)高速鐵路線路設(shè)備大修需求，需開(kāi)展大修管理機(jī)制與技術(shù)體系系統(tǒng)研究，為高速鐵路線路設(shè)備大修提供技術(shù)支撐。構(gòu)建大修理論體系、形成大修關(guān)鍵技術(shù)、建立大修管理模式是高速鐵路線路設(shè)備大修發(fā)展方向，可從以下四方面開(kāi)展研究：

1）持續(xù)跟蹤高速鐵路線路設(shè)備服役性能，掌握更長(zhǎng)時(shí)間維度鋼軌、道岔、有砟道床線路設(shè)備劣化發(fā)展規(guī)律，提出鋼軌磨耗、道岔傷損、有砟道床劣化等服役狀態(tài)預(yù)測(cè)方法，為線路設(shè)備大修時(shí)機(jī)確定提供支撐。

2）研發(fā)高效率高精度線路設(shè)備檢測(cè)裝備，實(shí)現(xiàn)鋼軌、扣件、道岔、有砟道床、無(wú)砟道床等部件狀態(tài)的快速準(zhǔn)確測(cè)定，全面掌握線路設(shè)備服役狀態(tài)。建立完善的服役狀態(tài)檢測(cè)評(píng)估體系，為線路大修提供決策支持，為大修工程驗(yàn)收提供依據(jù)。

3）研發(fā)以換軌、清篩為代表的大型養(yǎng)路機(jī)械，向更高作業(yè)效率、更廣作業(yè)范圍、更高作業(yè)精度方向發(fā)展，形成高效率、低成本、精細(xì)化的大修施工方案，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)迫切需求。

4）建立高速鐵路線路設(shè)備周期修和狀態(tài)修相結(jié)合的大修機(jī)制，明確大修全過(guò)程控制標(biāo)準(zhǔn)與管理流程，形成高速鐵路線路設(shè)備檢測(cè)、評(píng)估、設(shè)計(jì)、實(shí)施、驗(yàn)收全鏈條大修管理模式，為高速鐵路線路設(shè)備大修提供依據(jù)。