高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)三級(jí)警報(bào)閾值及其處置策略研究

楊長衛(wèi)， 童心豪， 連 靜， 何華武， 高芒芒

(1. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 科學(xué)技術(shù)研究院，四川 成都 610031；2. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031； 3. 中鐵科學(xué)研究院有限公司設(shè)計(jì)院工程經(jīng)濟(jì)所，四川 成都 610032；4. 中國工程院, 北京 100088； 5. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 研發(fā)中心， 北京 100081)

地震具有發(fā)生概率小、危害大的特點(diǎn)，容易對(duì)正在行駛的高速列車在極短時(shí)間內(nèi)造成重大人員傷亡，世界各國高鐵線路十分重視對(duì)地震的監(jiān)測預(yù)警及處置[1-5]，以達(dá)到防止或減輕地震災(zāi)害對(duì)鐵路運(yùn)輸安全的危害的目的。在地震的監(jiān)測—預(yù)警—處置的全過程中，預(yù)警閾值的設(shè)置直接關(guān)系到前期的預(yù)警及后期的處置，若警報(bào)閾值設(shè)置偏小，則會(huì)干擾列車的正常運(yùn)營；若警報(bào)設(shè)置偏大，則會(huì)增大地震時(shí)列車脫軌的風(fēng)險(xiǎn)?；诖?，合理設(shè)定警報(bào)閾值至關(guān)重要，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。根據(jù)前期調(diào)研結(jié)果可知[6-7]，日本新干線地震監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的警報(bào)閾值采用一檔，當(dāng)檢測到的地震動(dòng)峰值加速度a≥40 gal時(shí)，采用接觸網(wǎng)停電觸發(fā)列車緊急制動(dòng)。法國地中海線地震監(jiān)測系統(tǒng)的警報(bào)閾值采用兩檔，即檢測到的地震動(dòng)峰值加速度在40～65 gal時(shí)，限速170 km/h；a≥65 gal時(shí)，停車；中國臺(tái)灣高速鐵路地震監(jiān)測系統(tǒng)的警報(bào)閾值采用三檔，即當(dāng)檢測到加速度值是5～40 gal時(shí)，人工采取應(yīng)變措施；40～120 gal ，ATC自動(dòng)控制列車停車；當(dāng)加速度值超過120 gal，增加斷電控車。然而，我國大陸地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、地理環(huán)境復(fù)雜多樣，與日本、法國、美國及中國臺(tái)灣存在較大的差異，其研究成果不能夠直接應(yīng)用，需要開展更為深入的優(yōu)化研究工作。截至目前，針對(duì)閾值設(shè)置方面，中國鐵道科學(xué)研究院、西南交通大學(xué)等專家學(xué)者開展了大量研究工作[8-16]，主要集中在仿真計(jì)算，缺少室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場實(shí)測的驗(yàn)證，大大限制了研究成果的應(yīng)用。

基于此，本文以CRH380BL動(dòng)車組，60 kg/m鋼軌及典型的高速鐵路線路雙線混凝土簡支箱梁、無砟軌道路基及有砟軌道路基為對(duì)象，構(gòu)建相似體系，設(shè)計(jì)完成列車-無砟軌道-橋梁縮尺模型、列車-無砟軌道-路基縮尺模型及列車-有砟軌道-路基縮尺模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，建立高速鐵路列車-無砟軌道橋梁/無砟軌道路基/有砟軌道路基空間耦合動(dòng)力學(xué)模型，通過試驗(yàn)結(jié)果對(duì)數(shù)值仿真分析方法的正確性進(jìn)行驗(yàn)證，通過參數(shù)規(guī)律性研究來探討地震動(dòng)強(qiáng)度、列車運(yùn)行速度等因素對(duì)高速列車正常運(yùn)行的影響，進(jìn)而提出高鐵地震預(yù)警規(guī)范中警報(bào)閾值的優(yōu)化建議。

1 概述

列車-軌道-無砟軌道橋梁振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)采用振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣測試(見圖1)，具體振動(dòng)臺(tái)參數(shù)和模型的相似參數(shù)見文獻(xiàn)[3]。列車-軌道-無砟軌道路基及列車-軌道-有砟軌道路基振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)采用單臺(tái)面實(shí)施，振動(dòng)臺(tái)為三向六自由度，臺(tái)面尺寸為6 m×6 m，最大載重為42 t；試驗(yàn)以模型長度L、土體重度γ和時(shí)間t為控制量，黏聚力的相似常數(shù)為10-1，內(nèi)摩擦角的相似常數(shù)為1，動(dòng)彈性模量的相似常數(shù)為10-1，頻率的相似常數(shù)為100.5，時(shí)間的相似常數(shù)為10-0.5。鑒于篇幅，本文對(duì)三組振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的具體細(xì)節(jié)不予闡述。

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

在列車-軌道-橋梁振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，采用跨?×3.2 m。在列車-無砟/有砟軌道-路基振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭校Ｐ烷L5 m、寬3.5 m、斜坡坡率為1∶1.5，基床表層厚約0.27 m，模型制作中土體采用分層夯實(shí)、實(shí)時(shí)檢測的方法，確保夯實(shí)效果，以K30作為控制指標(biāo)。在三組振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中，機(jī)車車體、轉(zhuǎn)向架、車輪、輪軸等構(gòu)件的材料和尺寸均依據(jù)京滬高速鐵路上運(yùn)行的CRH380BL高速動(dòng)車組進(jìn)行制作，具體的大型振動(dòng)臺(tái)模型詳見圖2～圖4。

1.2 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)測點(diǎn)布置

為充分揭示地震過程中，橋梁、路基、車體等關(guān)鍵構(gòu)件的地震響應(yīng)，本次測試在三組振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭校O(shè)置了加速度、位移、應(yīng)變及土壓力監(jiān)測點(diǎn)，具體布設(shè)情況見圖5～圖7，圖中A表示加速度傳感器，D表示激光位移計(jì)，L表示拉線位移計(jì)，T表示土壓力傳感器，應(yīng)變計(jì)位于每副輪對(duì)的左、右軌腰上、下、垂直平面，監(jiān)測內(nèi)容和位置見表1，轉(zhuǎn)向架上的加速度測點(diǎn)軸視圖和輪對(duì)上的激光位移計(jì)測點(diǎn)軸視圖見圖8、圖9。在地震過程中，輪軌相互作用屬于高頻監(jiān)測的技術(shù)范疇，為清晰展示脫軌過程，本次試驗(yàn)采用雙目成像高頻數(shù)字化攝像測量系統(tǒng)，具體見圖10。

表1 傳感器布置位置及監(jiān)測內(nèi)容

項(xiàng)目列車-無砟軌道-橋梁列車-無砟軌道-路基列車-有砟軌道-路基監(jiān)測內(nèi)容加速度、位移、應(yīng)變加速度、位移、應(yīng)變、土壓力加速度、位移、應(yīng)變、土壓力監(jiān)測位置橋墩、橋面、車廂底部、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)、軌枕、軌道板、臺(tái)面土內(nèi)、坡頂、車廂底部、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)、軌枕、軌道板、臺(tái)面土內(nèi)、坡頂、車廂底部、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)、軌枕、道床、臺(tái)面

1.3 輪軌力的標(biāo)定

在模型試驗(yàn)中，鋼軌和車輪均按照相似體系縮尺，由于外界存在諸多不確定性因素的影響，直接測試輪軌作用力存在一定困難，需要通過標(biāo)定進(jìn)行統(tǒng)一考慮?；诖?，本次模型試驗(yàn)中，按照文獻(xiàn)[17]的要求，搭建應(yīng)變測試橋路，每組測試需要粘貼192個(gè)應(yīng)變片。本文僅給出無砟軌道橋梁、路基模型中1號(hào)車輪左輪的標(biāo)定結(jié)果，見圖11。

分析圖11可知，隨著加載質(zhì)量的逐漸增大，水平上、下表面及垂直方向的微應(yīng)變均具有較好的線性相關(guān)性。在無砟軌道橋梁模型中，加載重量250 N時(shí)水平上、下表面微應(yīng)變曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，后續(xù)微應(yīng)變的增長速度逐漸增大，可能與鋼材自身的應(yīng)力-應(yīng)變特性有關(guān)。根據(jù)先期開展的列車-無砟軌道-橋梁振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果，地震過程中產(chǎn)生的最大垂向力小于220 N，因此，在后續(xù)路基試驗(yàn)的標(biāo)定過程中，加載重量最大值小于220 N。

1.4 地震動(dòng)輸入

為更全面模擬堅(jiān)硬、軟弱這兩種不同場地類別對(duì)高速列車地震安全運(yùn)行速度閾值的影響，課題組前期建立了地震波數(shù)據(jù)庫，其中：ALS地震波(針對(duì)堅(jiān)硬場地)、CHY004地震波(針對(duì)軟弱場地)、安評(píng)波是鐵路、公路結(jié)構(gòu)抗震抗震設(shè)計(jì)及開展結(jié)構(gòu)安全性驗(yàn)算的重要依據(jù)?；诖?，本次試驗(yàn)選取ALS地震波、安評(píng)地震波及CHY004地震波作為輸入地震波。地震波波形和地震動(dòng)強(qiáng)度對(duì)列車運(yùn)行安全具有直接影響，本試驗(yàn)通過輸入不同地震強(qiáng)度的ALS地震波、安評(píng)地震波、CHY004地震波進(jìn)行考慮。在測試前，需要對(duì)上述地震波采取歸一化處理，涵蓋了30，40，50，60 gal，…，直至脫軌，三種地震波試驗(yàn)用的波形圖見圖12～圖14。值得注意的是安評(píng)波、CHY004波包含EW、V方向，ALS波包含NS、EW、V方向，且在每一組地震波施加前均施加60 s的白噪聲，以測試模型的固有頻率。

2 列車脫軌現(xiàn)象

為清晰展示地震作用下列車由脫軌系數(shù)超標(biāo)至輪軌分離的脫軌現(xiàn)象，在試驗(yàn)過程中采用了1 000 Hz的采樣頻率對(duì)輪軌接觸力進(jìn)行測試，采用高分辨率視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)輪軌相對(duì)位置進(jìn)行測試，累計(jì)開展了239組振動(dòng)臺(tái)測試工況。同時(shí)，對(duì)于發(fā)生列車脫軌的加載工況，均開展4次的重復(fù)性試驗(yàn)，以驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。脫軌系數(shù)主要基于前述的標(biāo)定曲線和實(shí)測的鋼軌應(yīng)變獲得。列車-無砟軌道-橋梁、列車-無砟軌道-路基及列車-有砟軌道-路基振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的具體試驗(yàn)結(jié)果見表2和圖15。值得注意的是在地震過程中，橋梁、路基、軌道等結(jié)構(gòu)物均未發(fā)生破壞，充分驗(yàn)證了鐵路工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的合理性。

表2 不同類型地震波作用下列車脫軌的加速度峰值 gal

注：此次分析采用脫軌系數(shù)≤0.8作為判定標(biāo)準(zhǔn)。

綜合分析表2和圖15可知，不論是橋梁還是路基結(jié)構(gòu)，CHY004地震波首先出現(xiàn)脫軌系數(shù)超標(biāo)至輪軌分離的現(xiàn)象，ALS地震波次之，安評(píng)地震波最后，出現(xiàn)上述現(xiàn)象可能是由于CHY004地震波的卓越頻帶與車輛的自振頻率相近，通過共振作用誘發(fā)車體產(chǎn)生較大的晃動(dòng)，減弱車體與軌道結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)一致性，進(jìn)而促使輪、軌之間發(fā)生分離。對(duì)于ALS地震波與CHY004地震波來說，前者較后者增加了沿線路走向方向的地震波，進(jìn)而造成后者脫軌閾值略高于后者。

3 地震作用下高速列車運(yùn)行安全性分析

上述大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)中，列車處于靜止?fàn)顟B(tài)。為更進(jìn)一步的研究高速運(yùn)行狀態(tài)下的列車地震安全，本文基于列車-無砟軌道橋梁大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，建立了?shù)值仿真分析模型，施加相同地震波，賦予相同材料參數(shù)等，在橋墩、橋面及車體上選取代表性測點(diǎn)(A4、A10、A14、A17)進(jìn)行對(duì)比研究[3]，結(jié)果表明：水平、豎向峰值加速度的最小誤差均小于10%，滿足計(jì)算精度要求，進(jìn)而驗(yàn)證了數(shù)值仿真分析方法的正確性[1-16]。在此基礎(chǔ)上，本文基于原型尺寸建立了高速鐵路列車-無砟軌道多跨簡支梁、無砟軌道路基、過渡段空間耦合動(dòng)力學(xué)模型，輸入安評(píng)、ALS及CHY004地震波的原波，16輛編組的高速列車以140、160、180、200、220、250、275、300、325、350 km/h的速度運(yùn)行，軌道譜采用實(shí)測的不平順譜[18]，累計(jì)計(jì)算630個(gè)工況，具體計(jì)算結(jié)果見表3和表4，其中：PGA為地震動(dòng)峰值加速度；脫軌系數(shù)、減載率、橫向輪軌力、車體振動(dòng)加速度、斯佩林指標(biāo)均采用規(guī)范要求限值。本文僅列舉橋梁仿真分析模型，見圖16、圖17。

綜合分析表3和表4可知，地震動(dòng)加速度對(duì)舒適度指標(biāo)影響最為敏感，行車安全性指標(biāo)次之。從行車安全性指標(biāo)來看，脫軌系數(shù)控制的速度閾值對(duì)地震動(dòng)加速度變化最為敏感，呈反比例關(guān)系，橫向輪軌力和減載率控制的速度閾值基本不變。從舒適度指標(biāo)來看，車體加速度受輸入地震動(dòng)加速度的影響最為敏感，呈反比例關(guān)系，舒適度指標(biāo)次之。綜合考慮行車安全性指標(biāo)和行車舒適性指標(biāo)，在相同地震動(dòng)加速度下線路的允許最大運(yùn)行速度表現(xiàn)出無砟軌道路基>過渡段>32 m簡支梁橋，出現(xiàn)上述現(xiàn)象主要是由于橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)地面輸入加速度具有放大效應(yīng)，而過渡段自身結(jié)構(gòu)存在的剛度差造成車輛通過時(shí)的車體響應(yīng)明顯大于路基區(qū)段。因此，高鐵地震預(yù)警閾值主要取決于線路中的橋梁結(jié)構(gòu)。對(duì)于行駛速度為200 km/h以上的高速鐵路來講，在PGA=40 gal時(shí)，車體的垂向加速度超出限值，需要降速至160 km/h；當(dāng)PGA=80 gal時(shí)，行車速度需要降140 km/h以下；當(dāng)PGA=120 gal時(shí)，舒適度的各項(xiàng)指標(biāo)所允許的速度閾值普遍小于140 km/h。基于前期對(duì)日本、中國臺(tái)灣的調(diào)研結(jié)果和國內(nèi)外研究成果可知[1-16]，在地震動(dòng)峰值加速度a≥120 gal時(shí)會(huì)對(duì)鐵路沿線的接觸網(wǎng)等其他結(jié)構(gòu)設(shè)施產(chǎn)生損壞，誘發(fā)次生災(zāi)害。

表3 基于安全性指標(biāo)的不同類型結(jié)構(gòu)所允許的最大運(yùn)行速度 km/h

注：P0為靜軸重。

表4 基于行車舒適性指標(biāo)的不同類型結(jié)構(gòu)所允許的最大運(yùn)行速度 km/h

4 結(jié)論

本文基于相似理論設(shè)計(jì)完成了設(shè)計(jì)完成列車-無砟軌道-橋梁縮尺模型、列車-無砟軌道-路基縮尺模型及列車-有砟軌道-路基縮尺模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，通過開展高速鐵路列車-無砟軌道-橋梁、高速鐵路列車-無砟軌道-路基及高速鐵路列車-有砟軌道-軌路基的動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，提出了地震作用下高速列車安全運(yùn)行速度閾值，具體結(jié)論如下：

(1) 試驗(yàn)結(jié)果表明，不論是橋梁還是路基結(jié)構(gòu)，CHY004地震波首先出現(xiàn)脫軌系數(shù)超標(biāo)至輪軌分離的現(xiàn)象，ALS地震波次之，安評(píng)地震波最后。

(2) 地震動(dòng)加速度對(duì)舒適度指標(biāo)影響最為敏感，行車安全性指標(biāo)次之。在相同地震動(dòng)加速度下線路的允許最大運(yùn)行速度表現(xiàn)出無砟軌道路基>過渡段>32 m簡支梁橋。從行車安全性指標(biāo)來看，脫軌系數(shù)控制的速度閾值對(duì)地震動(dòng)加速度變化最為敏感，呈反比例關(guān)系，橫向輪軌力和減載率控制的速度閾值基本不變。從行車舒適度指標(biāo)來看，車體加速度受輸入地震動(dòng)加速度的影響最為敏感，呈反比例關(guān)系，舒適度指標(biāo)次之。

(3) 基于文獻(xiàn)[19]中對(duì)地震預(yù)警系統(tǒng)的警報(bào)閾值的相關(guān)規(guī)定，建議高鐵地震預(yù)警系統(tǒng)警報(bào)閾值分三級(jí)設(shè)置，即當(dāng)40 gal≤預(yù)測或計(jì)測的峰值地震動(dòng)加速度a<80 gal時(shí)，限速160 km/h，以偏安全考慮；當(dāng)80 gal≤a<120 gal時(shí)，緊急停車；當(dāng)a≥120 gal時(shí)，緊急停車并接觸網(wǎng)斷電。