浙江大學(xué)紫金港校區(qū)的建工試驗(yàn)大廳里，“駐扎”著一臺(tái)全世界獨(dú)一無(wú)二的實(shí)驗(yàn)裝置：它能準(zhǔn)確模擬全國(guó)各地高鐵運(yùn)行的情況，最高時(shí)速可達(dá)360公里，幫助科學(xué)家洞悉高鐵路基的沉降規(guī)律，探索沉降控制與修復(fù)的方法。

12月26日，教育部公布2017年度“中國(guó)高等學(xué)校十大科技進(jìn)展”，這項(xiàng)邊學(xué)成教授領(lǐng)銜、陳云敏院士團(tuán)隊(duì)發(fā)明的“高速鐵路列車運(yùn)行動(dòng)力效應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)”入選。

科學(xué)家發(fā)明“假車真路”

我國(guó)高鐵最密集分布的東南沿海地區(qū)，大部分屬于軟土地基，是沉降最易發(fā)生的地段。

“列車要平穩(wěn)運(yùn)行，路基的沉降必須控制在15毫米范圍之內(nèi)?！边厡W(xué)成說(shuō)，這一沉降控制精度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高速公路，甚至飛機(jī)場(chǎng)沉降要求。“如果沉降過(guò)大，小則發(fā)生車身顛簸，影響舒適度，大則有可能引發(fā)列車安全問(wèn)題?！?/p>

路基沉降的重要原因是列車運(yùn)行產(chǎn)生的荷載。“從前的路基沉降控制理論與技術(shù)，都是以低速列車為研究對(duì)象的，但是現(xiàn)在情況變了，時(shí)速350公里的高鐵時(shí)代已經(jīng)來(lái)了?！边厡W(xué)成介紹，當(dāng)高鐵速度接近或超過(guò)路基土體的波動(dòng)傳播速度時(shí)，列車運(yùn)行產(chǎn)生的震動(dòng)會(huì)發(fā)生共振式的放大，稱之為鐵路上的馬赫效應(yīng)。

科學(xué)家意識(shí)到，高鐵路基的沉降機(jī)理和控制方法不能套用傳統(tǒng)。

目前，以美國(guó)鐵路聯(lián)合會(huì)交通技術(shù)中心(TTCI)和中國(guó)鐵道科學(xué)研究院為代表的研究機(jī)構(gòu)，都采用了環(huán)形線路做列車運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，即讓一列真正的列車沿著環(huán)形線路運(yùn)行，開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。由于受到曲率半徑的限制，車速最高能達(dá)到200公里，難以達(dá)到現(xiàn)有高鐵的實(shí)際運(yùn)行速度。另一種廣泛采用的實(shí)驗(yàn)手段是定點(diǎn)循環(huán)加載，但它明顯的局限是無(wú)法再現(xiàn)列車連續(xù)移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)力效應(yīng)。

在一次討論中，陳云敏和邊學(xué)成靈光一現(xiàn)：要模擬輪子連續(xù)駛過(guò)路基的過(guò)程，不是非要用跑動(dòng)的輪子，可以在“不動(dòng)”的軌枕上做文章。也就是說(shuō)，輪子是動(dòng)的，但支撐鐵軌的軌枕是不動(dòng)的，而且荷載正是通過(guò)鐵軌傳給路基的，模擬車輪移動(dòng)的問(wèn)題，可以轉(zhuǎn)化為模擬對(duì)軌枕加載的問(wèn)題！

裝置的設(shè)計(jì)難題變得迎刃而解，基于這一思路，團(tuán)隊(duì)在世界上首次提出并設(shè)計(jì)了高速鐵路全比尺動(dòng)力試驗(yàn)創(chuàng)新裝置。

它2018年的檔期已滿

試驗(yàn)大廳里，記者看到了這個(gè)高大的實(shí)驗(yàn)裝置。裝置底部是高達(dá)8米的路基，路基之上是軌枕和鐵軌，這些全部來(lái)自于全國(guó)各條鐵路線，唯獨(dú)鐵軌之上的“列車”不是“車”，而是8個(gè)動(dòng)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(guò)鐵軌的連續(xù)過(guò)程模擬出來(lái)，最高能夠模擬輪軸荷載達(dá)20噸的列車以360公里的時(shí)速駛過(guò)鐵軌?！边厡W(xué)成說(shuō)。

課題組形象地將這一試驗(yàn)裝置稱為“假車真路”。投入使用時(shí)，先建成與現(xiàn)場(chǎng)條件相同的路基，再由激振器模擬不同速度的列車反復(fù)駛過(guò)的情況?，F(xiàn)實(shí)中長(zhǎng)達(dá)10年的高速列車荷載，這套試驗(yàn)裝置“彈”一個(gè)月“鋼琴”就能交出數(shù)據(jù)?？蒲袌F(tuán)隊(duì)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(dòng)等更加復(fù)雜條件。裝置目前“持有”國(guó)家發(fā)明專利11項(xiàng)，美國(guó)發(fā)明專利2項(xiàng)。

自2008年中國(guó)第一條高鐵京津城際高鐵建成運(yùn)營(yíng)以來(lái)，第一批高鐵已經(jīng)進(jìn)入維護(hù)階段。研究團(tuán)隊(duì)正與全國(guó)多家鐵路單位開展著合作研究，實(shí)驗(yàn)室里累積著來(lái)自全國(guó)各條鐵路的數(shù)據(jù)，相關(guān)理論和技術(shù)則“輸出”到許多鐵路線上。明年，試驗(yàn)裝置的工作“檔期”已經(jīng)排滿了。

資料顯示，科學(xué)家通過(guò)這套試驗(yàn)裝置，揭示了高鐵路基內(nèi)部動(dòng)應(yīng)力放大效應(yīng)及沿深度衰減規(guī)律，循環(huán)累計(jì)沉降規(guī)律和產(chǎn)生過(guò)大沉降的機(jī)理。據(jù)此提出了路基循環(huán)累積沉降評(píng)價(jià)、控制和修復(fù)方法，并成功應(yīng)用于軟土地基上的10余項(xiàng)高鐵和地鐵工程。

邊學(xué)成介紹，高鐵路基的維修，通常在凌晨的鐵路運(yùn)行“天窗期”進(jìn)行，他和他的團(tuán)隊(duì)成員經(jīng)常會(huì)在這一時(shí)段出現(xiàn)在鐵路線上，與高鐵維護(hù)技術(shù)人員一起，在繁忙高鐵線路不停運(yùn)的情況下進(jìn)行沉降修復(fù)。

通訊員 周煒 本報(bào)記者 章咪佳