实验室里“跑”高铁 精确“问诊”高铁路基
浙大发明入选“2017年度中国高等学校十大科技进展”
我国的“复兴号”高铁运行时速350公里，世界最快；高铁运营里程超过2.2万公里，世界最长。中国高铁跑出了世界之最，也“跑”到了前沿的、未知的科学问题面前：重达数十吨的车厢飞驰而过时，高铁路基经受着怎样的考验？如何准确描述、应对列车对路基的考验，对高铁的稳健与安全来说至关重要。
浙江大学紫金港校区的建工试验大厅里，“驻扎”着一台全世界独一无二的实验装置：它能准确模拟全国各地高铁运行的情况，最高时速可达360公里，帮助科学家洞悉高铁路基的沉降规律，探索沉降控制与修复的方法。12月26日，教育部公布2017年度“中国高等学校十大科技进展”，这项边学成教授领衔的陈云敏院士团队发明的“高速铁路列车运行动力效应试验系统”入选。
高铁时代的科学问题
我国高铁最密集分布的东南沿海地区，大部分属于软土地基，是沉降最易发生的地段。“列车要平稳运行，路基的沉降必须控制在15毫米范围之内。”边学成告诉记者，这一沉降控制精度，远远高于高速公路，甚至飞机场沉降要求。“如果沉降过大，小则发生车身颠簸，影响舒适度，大则有可能引发列车安全问题。”我国的每条铁路线上，每周定时会有监测列车驶过，测试搜集路基的“健康”数据；有经验的列车司机也能感知沉降引起的车辆异常晃动。
路基沉降的重要原因是列车运行产生的荷载。“从前的路基沉降控制理论与技术，都是以低速列车为研究对象的，但是现在情况变了，时速350公里的高铁时代已经来了。”边学成介绍，当高铁速度接近或超过路基土体的波动传播速度时，列车运行产生的振动会发生共振式的放大，称之为铁路上的马赫效应。
科学家意识到，高铁路基的沉降机理和控制方法不能套用传统。“必须建立新的研究方法和研究手段，才能应对新的科学问题。”陈云敏说。
发明“假车真路”
欧美的高铁建设早于中国，那里的科学家也意识到了路基中的科学问题，也试图在实验室模拟出高铁运行的“路况”。目前，以美国铁路联合会交通技术中心（TTCI）和中国铁道科学研究院为代表的研究机构，都采用了环形线路做列车运行实验，即让一列真正的列车沿着环形线路运行，开展相关实验。由于受到曲率半径的限制，车速最高能达到200公里，难以达到现有高铁的实际运行速度。另一种广泛采用的实验手段是定点循环加载，但它明显的局限是无法再现列车连续移动时产生的动力效应。
在一次讨论中，陈云敏和边学成灵光一现：要模拟轮子连续驶过路基的过程，不是非要用跑动的轮子，可以在‘不动’的轨枕上做文章。也就是说，轮子是动的，但支撑铁轨的轨枕是不动的，而且荷载正是通过铁轨传给路基的，模拟车轮移动的问题，可以转化为模拟对轨枕加载的问题！
装置的设计难题变得迎刃而解，基于这一思路，团队在世界上首次提出并设计了高速铁路全比尺动力试验创新装置。
试验大厅里，记者看到了这个高大的实验装置。从铁路线上运来的轨道板叠放在一边，等待被吊装后进行试验。装置底部是高达8米的路基，路基之上是轨枕和铁轨，这些全部来自于全国各条铁路线，唯独铁轨之上的“列车”不是“车”，而是8个动力激振器。 “这些激振器每秒最快能起降30次，像‘弹钢琴’一样快速地此起彼伏，把车轮驶过铁轨的连续过程模拟出来，最高能够模拟轮轴荷载达20吨的列车以360公里的时速驶过铁轨。”边学成说。
课题组形象地将这一试验装置称为“假车真路”。投入使用时，先建成与现场条件相同的路基，再由激振器模拟不同速度的列车反复驶过的情况。现实中长达10年的高速列车荷载，这套试验装置“弹”一个月“钢琴”就能交出数据。科研团队还配套研制了降雨模拟装置和地下水位升降控制装置，模拟在暴雨和地下水变动等更加复杂条件。
2018“档期”已满
自2008年中国第一条高铁-京津城际高铁建成运营以来，我国的高铁运营里程已达2.2万公里，远超于世界上其他国家。第一批高铁已经进入维护阶段。研究团队正与全国多家铁路单位开展着合作研究，实验室里累积着来自全国各条铁路的数据，相关理论和技术则“输出”到许多铁路线上。明年，试验装置的工作“档期”已经排满了。
国际土力学与岩土工程协会（ISSMGE）交通技术委员会(TC202)专门派专家到浙大考察装置后评价，这项装置以世界上独一无二的创新实验手段，实现了真实列车运行对路基的加载，非常适合于解决高速铁路中的岩土工程问题。装置目前“持有”国家发明专利11项，美国发明专利2项。
资料显示，科学家通过这套试验装置，揭示了高铁路基内部动应力放大效应及沿深度衰减规律，循环累计沉降规律和产生过大沉降的机理。据此提出了路基循环累积沉降评价、控制和修复方法，并成功应用于软土地基上的10余项高铁和地铁工程。边学成介绍，高铁路基的维修，通常在凌晨的铁路运行“天窗期”进行，团队成员经常会在这一时段出现在铁路线上，与高铁维护技术人员一起工作，实现了繁忙高铁线路的不停运沉降修复。
（科学撰稿人 周炜）