“把脉”黄土让高铁安全飞驰
本报记者 张梅
从西安出发的高铁，要驶过很长一段黄土地区。高铁能够在这段黄土地区安全行驶，凝结了无数科研人员和建设者的心血。其中，西北大学、中国铁路设计集团有限公司以及中铁十七局集团等多家单位历时近20年联合攻关，攻克了高铁建设过程中的隧道塌方、黄土路基振陷、桥梁桩基深部黄土湿陷及边坡失稳等灾害的重大科学难题，建立了我国黄土灾害防控技术标准体系。
在大面积湿陷性黄土地区建造高铁属世界难题。黄土结构疏松，在一定压力下受水浸湿，受振振陷，土结构会迅速被破坏，强度急剧降低，尤其是在大面积湿陷性黄土山区建造高铁，往往被灾害包围：隧道变形塌方、湿陷振陷沉降、滑坡变形侧挤……
但是，高铁建设又对沉降和侧移控制要求极高，需要达到毫米级标准。“高铁要安全行驶，路基沉降需小于15毫米，侧向位移需小于5毫米。纵观这些黄土灾害，前兆隐蔽、机理复杂、感知和防控难度极大。”课题组负责人、西北大学地质系王家鼎教授介绍说。
如何在高铁建设中抵御灾害侵袭，是该领域亟待解决的重大科学难题。为此，在郑西高铁立项之初，西北大学地质系就承担了重大科研项目“湿陷性黄土地基的动力特性与设计参数试验研究”，之后又在大西高铁和山西中南部重载铁路建设中，与多家设计、施工单位组成产学研用团队，开始对这些难题开展攻关。
在路基建设中，团队解决了铁路路基因机车振动而产生沉降的关键性科学难题，创立了机车长时间振动引起黄土路基振陷理论、评价方法和工程标准，建立了土体受机车振动变化的动力学模型，提出了高铁路基抗振陷的一系列技术体系。
在桥梁建设中，团队发明了一种深部黄土湿陷感知系统，揭示了湿陷过程中地层结构变化和土层侧向位移的机理，创建了岩桥（古土壤层）滞后塌陷理论，形成了黄土地区桥梁建设灾害防控的智能化设计关键技术体系。
与此同时，团队首次提出地震和降雨诱发黄土滑坡的新机理，发现了机车振动对降雨在黄土中入渗有加速的作用，揭示了边坡在机车振动和降水联合作用下促松、促裂、促渗和促滑机理。在此基础上，团队自主开发了三维可视化的软件，实现了滑坡边界的圈定和要素的识别，构建了铁路边坡失稳防控的最优化设计标准，成功解决了铁路沿线长距离灾害隐蔽迹象快速感知识别的重大科学难题。
近20年持续不断的科技攻关，团队突破了时速250公里以上的高铁“毫米级变形”无砟轨道和“30吨轴重”重载铁路建造中黄土灾害感知防控的理论、设计及施工等一系列关键技术难题，建立了黄土灾害防控技术标准体系。如今，湿陷性黄土地区高速铁路建设成套关键技术已经被成功应用于郑西高铁、大西高铁、宝兰高铁以及山西中南部重载铁路等。团队的黄土灾害防控技术体系作为其中重要的部分，成为高铁安全行驶在黄土地区的重要保障，为未来铁路系统黄土地质灾害防治奠定了良好的基础。
随着高铁成为我国“走出去”的重要名片，团队的研究成果还在巴基斯坦轻轨、匈塞高铁等高铁建设中全面应用。“我们还将继续加大研究力度，为我国及丝绸之路经济带铁路沿线地质灾害的防治作贡献，打造黄土地区高铁防灾减灾的中国品牌。”王家鼎表示。
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