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浙大高铁路基研究成果入选中国高校年度十大科技进展

2017-12-26 14:18  |   浙江新闻客户端  |   记者 曾福泉



教育部26日公布了2017年度“中国高等学校十大科技进展”,浙江大学边学成教授牵头的陈云敏院士团队的成果——高速铁路列车运行动力效应试验系统入选。

“中国高等学校十大科技进展”的评选自1998年开展以来,至今已20届,对提升高等学校科技的整体水平、增强高校的科技创新能力发挥了积极作用,并产生了较大的社会影响,赢得了较高的声誉。浙大的“脑机融合的混合智能理论与方法”“肝癌肝移植新型分子分层体系研究”等重大创新成果也曾入选往届“中国高等学校十大科技进展”。

在今年9月,钱塘江大桥建成通车80周年之际,茅以升科技教育基金会第26届颁奖大会上,中国科学院院士、浙大岩土工程研究所所长陈云敏教授即介绍了高速铁路列车运行动力效应试验系统这一成果:他们不仅提出了科学评估高铁和地铁沉降状况的理论和技术方法,还揭示了沉降发生的各种原因,提出控制办法。如今,成果已应用于京沪、沪宁和沪杭高铁及杭州、宁波等城市地铁的建设和维护。

近十年来,我国高铁迅猛发展,运营里程不仅高居世界第一,更超过其余各国里程总合。这些高速铁路许多都建设在我国东部沿海地区的软土地基上,轨道路基因此面临沉降这一难题。对于东部许多城市的地铁来说,同样有这个问题。

轨道沉降会带来哪些麻烦?形象地说,这种不均匀的沉降会让轨道变得不平顺,“坑坑洼洼”,甚至引起轨道结构的损坏。列车在这样的轨道上行驶,乘坐舒适性降低、脱轨风险增大,甚至不得不限制车速。20世纪末,在我国还没有高铁时,陈云敏即获得机会在北欧国家参与高铁路基沉降研究,他发现列车一旦达到某个较高的速度,在沉降轨道上引发的振动就成倍增长。对于地铁来说,沉降也会引发轨道开裂和渗漏等问题。总之,沉降会损害轨道交通工程的品质,减少其服役寿命。

当前轨道交通的设计要求,对沉降已有严格的控制标准,根据轨道类型的不同,沉降应被控制在15毫米或50毫米之内。近年来,许多轨道交通工程发生了远高于标准的沉降,维护和修复成本高昂。“传统的岩土工程方法和技术主要研究的是静力作用下的沉降,高速列车长期运行带来的累积沉降问题是个难题。”陈云敏说。


陈云敏院士(资料图)


陈云敏团队对高铁路基沉降的研究从我国高铁事业起步之初就开始了。经过长期钻研,他们成功提出了一套车辆—轨道—路基耦合动力分析理论,从而能细致地刻画列车运行引发路基沉降的种种复杂效应。比如,列车高速行驶的速度效应对轨道路基的影响;一班接着一班的列车反复驶过,对路基沉降的循环累积效应;地铁盾构施工造成的扰动效应等——这些因素都已经从模糊的概念,变为定量的分析。在此基础上,科研团队又进一步提出了控制和修复路基沉降的方法。

在浙大建工学院的实验大厅,记者看到了这套由陈云敏团队自主研发的高速铁路全比尺动力试验创新装置。映入眼帘的是高达数米的路基,路基之上是轨枕、铁轨,铁轨之上,不是列车,而是8个动力激振器。实际上,铁轨也是分为8截互不相连的。“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”,该装置获得了国家发明专利11项,美国发明专利2项。


由陈云敏团队自主研发的高速铁路全比尺动力试验创新装置


这套实验装置在浙大投入使用以来,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驶过的情况。现实中长达数年的列车载荷带来的路基沉降,靠实验室中的“假车”,能在几个星期就能完成模拟试验。科研团队还不时向路基注水,模拟在雨雪和地下水升降等更加复杂条件,实现可控条件下路基沉降试验。

近年来,这些路基沉降研究的最新成果已经应用在许多地方,取得经济效益1亿多元。路基沉降修复最大抬升量达45毫米,经验证2年后期沉降小于1.5毫米,解决了高铁沉降的不停运修复难题。在杭州地铁湘湖站坍塌重建工作中,科研团队的技术不仅解决了灾后遇难人员搜寻,而且提出的技术成功使重建车站近4年的沉降控制在2毫米内。

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