能“跑高鐵”的實驗室可助力路基沉降規律研究

中國高鐵跑出了世界之最，也“跑”到了前沿的、未知的科學問題面前——重達數十噸的車廂飛馳而過時，高鐵路基經受著怎樣的考驗？如何准確描述、應對列車對路基的考驗，對高鐵的穩健與安全來說至關重要。

浙江大學紫金港校區的建工試驗大廳裡，“駐扎”著一台全世界獨一無二的實驗裝置：它能准確模擬全國各地高鐵運行的情況，最高時速可達360公裡，幫助科學家洞悉高鐵路基的沉降規律，探索沉降控制與修復的方法。

12月26日，教育部公布2017年度“中國高等學校十大科技進展”，這項邊學成教授領銜、陳雲敏院士團隊發明的“高速鐵路列車運行動力效應試驗系統”入選。

科學家發明“假車真路”

我國高鐵最密集分布的東南沿海地區，大部分屬於軟土地基，是沉降最易發生的地段。

“列車要平穩運行，路基的沉降必須控制在15毫米范圍之內。”邊學成說，這一沉降控制精度，遠遠高於高速公路，甚至飛機場沉降要求。“如果沉降過大，小則發生車身顛簸，影響舒適度，大則有可能引發列車安全問題。”

路基沉降的重要原因是列車運行產生的荷載。“從前的路基沉降控制理論與技術，都是以低速列車為研究對象的，但是現在情況變了，時速350公裡的高鐵時代已經來了。”邊學成介紹，當高鐵速度接近或超過路基土體的波動傳播速度時，列車運行產生的震動會發生共振式的放大，稱之為鐵路上的馬赫效應。

科學家意識到，高鐵路基的沉降機理和控制方法不能套用傳統。

目前，以美國鐵路聯合會交通技術中心（TTCI）和中國鐵道科學研究院為代表的研究機構，都採用了環形線路做列車運行實驗，即讓一列真正的列車沿著環形線路運行，開展相關實驗。由於受到曲率半徑的限制，車速最高能達到200公裡，難以達到現有高鐵的實際運行速度。另一種廣泛採用的實驗手段是定點循環加載，但它明顯的局限是無法再現列車連續移動時產生的動力效應。

在一次討論中，陳雲敏和邊學成靈光一現：要模擬輪子連續駛過路基的過程，不是非要用跑動的輪子，可以在“不動”的軌枕上做文章。也就是說，輪子是動的，但支撐鐵軌的軌枕是不動的，而且荷載正是通過鐵軌傳給路基的，模擬車輪移動的問題，可以轉化為模擬對軌枕加載的問題！

裝置的設計難題變得迎刃而解，基於這一思路，團隊在世界上首次提出並設計了高速鐵路全比尺動力試驗創新裝置。

它2018年的檔期已滿

試驗大廳裡，記者看到了這個高大的實驗裝置。裝置底部是高達8米的路基，路基之上是軌枕和鐵軌，這些全部來自於全國各條鐵路線，唯獨鐵軌之上的“列車”不是“車”，而是8個動力激振器。

“這些激振器每秒最快能起降30次，像‘彈鋼琴’一樣快速地此起彼伏，把車輪駛過鐵軌的連續過程模擬出來，最高能夠模擬輪軸荷載達20噸的列車以360公裡的時速駛過鐵軌。”邊學成說。

課題組形象地將這一試驗裝置稱為“假車真路”。投入使用時，先建成與現場條件相同的路基，再由激振器模擬不同速度的列車反復駛過的情況。現實中長達10年的高速列車荷載，這套試驗裝置“彈”一個月“鋼琴”就能交出數據。科研團隊還配套研制了降雨模擬裝置和地下水位升降控制裝置，模擬在暴雨和地下水變動等更加復雜條件。裝置目前“持有”國家發明專利11項，美國發明專利2項。

自2008年中國第一條高鐵京津城際高鐵建成運營以來，第一批高鐵已經進入維護階段。研究團隊正與全國多家鐵路單位開展著合作研究，實驗室裡累積著來自全國各條鐵路的數據，相關理論和技術則“輸出”到許多鐵路線上。明年，試驗裝置的工作“檔期”已經排滿了。

資料顯示，科學家通過這套試驗裝置，揭示了高鐵路基內部動應力放大效應及沿深度衰減規律，循環累計沉降規律和產生過大沉降的機理。據此提出了路基循環累積沉降評價、控制和修復方法，並成功應用於軟土地基上的10余項高鐵和地鐵工程。

邊學成介紹，高鐵路基的維修，通常在凌晨的鐵路運行“天窗期”進行，他和他的團隊成員經常會在這一時段出現在鐵路線上，與高鐵維護技術人員一起，在繁忙高鐵線路不停運的情況下進行沉降修復。（通訊員 周煒 記者 章咪佳）