浙江大學(xué)紫金港校區(qū)的建工試驗大廳里，“駐扎”著一臺全世界獨一無二的實驗裝置：它能準確模擬全國各地高鐵運行的情況，最高時速可達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“中國高等學(xué)校十大科技進展”，這項邊學(xué)成教授領(lǐng)銜、陳云敏院士團隊發(fā)明的“高速鐵路列車運行動力效應(yīng)試驗系統(tǒng)”入選。

科學(xué)家發(fā)明“假車真路”

我國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，這一沉降控制精度，遠遠高于高速公路，甚至飛機場沉降要求。“如果沉降過大，小則發(fā)生車身顛簸，影響舒適度，大則有可能引發(fā)列車安全問題?！?/p>

路基沉降的重要原因是列車運行產(chǎn)生的荷載?！皬那暗穆坊两悼刂评碚撆c技術(shù)，都是以低速列車為研究對象的，但是現(xiàn)在情況變了，時速350公里的高鐵時代已經(jīng)來了?！边厡W(xué)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(chǎn)生的震動會發(fā)生共振式的放大，稱之為鐵路上的馬赫效應(yīng)。

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

目前，以美國鐵路聯(lián)合會交通技術(shù)中心(TTCI)和中國鐵道科學(xué)研究院為代表的研究機構(gòu)，都采用了環(huán)形線路做列車運行實驗，即讓一列真正的列車沿著環(huán)形線路運行，開展相關(guān)實驗。由于受到曲率半徑的限制，車速最高能達到200公里，難以達到現(xiàn)有高鐵的實際運行速度。另一種廣泛采用的實驗手段是定點循環(huán)加載，但它明顯的局限是無法再現(xiàn)列車連續(xù)移動時產(chǎn)生的動力效應(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(zhuǎn)化為模擬對軌枕加載的問題！

裝置的設(shè)計難題變得迎刃而解，基于這一思路，團隊在世界上首次提出并設(shè)計了高速鐵路全比尺動力試驗創(chuàng)新裝置。

它2018年的檔期已滿

試驗大廳里，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，這些全部來自于全國各條鐵路線，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(xù)過程模擬出來，最高能夠模擬輪軸荷載達20噸的列車以360公里的時速駛過鐵軌?！边厡W(xué)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(xiàn)場條件相同的路基，再由激振器模擬不同速度的列車反復(fù)駛過的情況?，F(xiàn)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(shù)據(jù)?？蒲袌F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(fù)雜條件。裝置目前“持有”國家發(fā)明專利11項，美國發(fā)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(jīng)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，實驗室里累積著來自全國各條鐵路的數(shù)據(jù)，相關(guān)理論和技術(shù)則“輸出”到許多鐵路線上。明年，試驗裝置的工作“檔期”已經(jīng)排滿了。

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

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

通訊員 周煒 本報記者 章咪佳