高速铁路地震预警系统三级警报阈值及其处置策略研究

杨长卫， 童心豪， 连 静， 何华武， 高芒芒

(1. 中铁二院工程集团有限责任公司 科学技术研究院，四川 成都 610031；2. 西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031； 3. 中铁科学研究院有限公司设计院工程经济所，四川 成都 610032；4. 中国工程院, 北京 100088； 5. 中国铁道科学研究院集团有限公司 研发中心， 北京 100081)

地震具有发生概率小、危害大的特点，容易对正在行驶的高速列车在极短时间内造成重大人员伤亡，世界各国高铁线路十分重视对地震的监测预警及处置[1-5]，以达到防止或减轻地震灾害对铁路运输安全的危害的目的。在地震的监测—预警—处置的全过程中，预警阈值的设置直接关系到前期的预警及后期的处置，若警报阈值设置偏小，则会干扰列车的正常运营；若警报设置偏大，则会增大地震时列车脱轨的风险。基于此，合理设定警报阈值至关重要，具有重要的现实意义。根据前期调研结果可知[6-7]，日本新干线地震监测报警系统的警报阈值采用一档，当检测到的地震动峰值加速度a≥40 gal时，采用接触网停电触发列车紧急制动。法国地中海线地震监测系统的警报阈值采用两档，即检测到的地震动峰值加速度在40～65 gal时，限速170 km/h；a≥65 gal时，停车；中国台湾高速铁路地震监测系统的警报阈值采用三档，即当检测到加速度值是5～40 gal时，人工采取应变措施；40～120 gal ，ATC自动控制列车停车；当加速度值超过120 gal，增加断电控车。然而，我国大陆地区的地质构造、地理环境复杂多样，与日本、法国、美国及中国台湾存在较大的差异，其研究成果不能够直接应用，需要开展更为深入的优化研究工作。截至目前，针对阈值设置方面，中国铁道科学研究院、西南交通大学等专家学者开展了大量研究工作[8-16]，主要集中在仿真计算，缺少室内试验及现场实测的验证，大大限制了研究成果的应用。

基于此，本文以CRH380BL动车组，60 kg/m钢轨及典型的高速铁路线路双线混凝土简支箱梁、无砟轨道路基及有砟轨道路基为对象，构建相似体系，设计完成列车-无砟轨道-桥梁缩尺模型、列车-无砟轨道-路基缩尺模型及列车-有砟轨道-路基缩尺模型的振动台试验，建立高速铁路列车-无砟轨道桥梁/无砟轨道路基/有砟轨道路基空间耦合动力学模型，通过试验结果对数值仿真分析方法的正确性进行验证，通过参数规律性研究来探讨地震动强度、列车运行速度等因素对高速列车正常运行的影响，进而提出高铁地震预警规范中警报阈值的优化建议。

1 概述

列车-轨道-无砟轨道桥梁振动台试验采用振动台台阵测试(见图1)，具体振动台参数和模型的相似参数见文献[3]。列车-轨道-无砟轨道路基及列车-轨道-有砟轨道路基振动台试验采用单台面实施，振动台为三向六自由度，台面尺寸为6 m×6 m，最大载重为42 t；试验以模型长度L、土体重度γ和时间t为控制量，黏聚力的相似常数为10-1，内摩擦角的相似常数为1，动弹性模量的相似常数为10-1，频率的相似常数为100.5，时间的相似常数为10-0.5。鉴于篇幅，本文对三组振动台试验的具体细节不予阐述。

1.1 试验模型设计

在列车-轨道-桥梁振动台试验模型中，采用跨径3×3.2 m。在列车-无砟/有砟轨道-路基振动台试验模型中，模型长5 m、宽3.5 m、斜坡坡率为1∶1.5，基床表层厚约0.27 m，模型制作中土体采用分层夯实、实时检测的方法，确保夯实效果，以K30作为控制指标。在三组振动台试验中，机车车体、转向架、车轮、轮轴等构件的材料和尺寸均依据京沪高速铁路上运行的CRH380BL高速动车组进行制作，具体的大型振动台模型详见图2～图4。

1.2 振动台试验测点布置

为充分揭示地震过程中，桥梁、路基、车体等关键构件的地震响应，本次测试在三组振动台试验模型中，设置了加速度、位移、应变及土压力监测点，具体布设情况见图5～图7，图中A表示加速度传感器，D表示激光位移计，L表示拉线位移计，T表示土压力传感器，应变计位于每副轮对的左、右轨腰上、下、垂直平面，监测内容和位置见表1，转向架上的加速度测点轴视图和轮对上的激光位移计测点轴视图见图8、图9。在地震过程中，轮轨相互作用属于高频监测的技术范畴，为清晰展示脱轨过程，本次试验采用双目成像高频数字化摄像测量系统，具体见图10。

表1 传感器布置位置及监测内容

项目列车-无砟轨道-桥梁列车-无砟轨道-路基列车-有砟轨道-路基监测内容加速度、位移、应变加速度、位移、应变、土压力加速度、位移、应变、土压力监测位置桥墩、桥面、车厢底部、转向架、轮对、轨枕、轨道板、台面土内、坡顶、车厢底部、转向架、轮对、轨枕、轨道板、台面土内、坡顶、车厢底部、转向架、轮对、轨枕、道床、台面

1.3 轮轨力的标定

在模型试验中，钢轨和车轮均按照相似体系缩尺，由于外界存在诸多不确定性因素的影响，直接测试轮轨作用力存在一定困难，需要通过标定进行统一考虑。基于此，本次模型试验中，按照文献[17]的要求，搭建应变测试桥路，每组测试需要粘贴192个应变片。本文仅给出无砟轨道桥梁、路基模型中1号车轮左轮的标定结果，见图11。

分析图11可知，随着加载质量的逐渐增大，水平上、下表面及垂直方向的微应变均具有较好的线性相关性。在无砟轨道桥梁模型中，加载重量250 N时水平上、下表面微应变曲线出现拐点，后续微应变的增长速度逐渐增大，可能与钢材自身的应力-应变特性有关。根据先期开展的列车-无砟轨道-桥梁振动台试验结果，地震过程中产生的最大垂向力小于220 N，因此，在后续路基试验的标定过程中，加载重量最大值小于220 N。

1.4 地震动输入

为更全面模拟坚硬、软弱这两种不同场地类别对高速列车地震安全运行速度阈值的影响，课题组前期建立了地震波数据库，其中：ALS地震波(针对坚硬场地)、CHY004地震波(针对软弱场地)、安评波是铁路、公路结构抗震抗震设计及开展结构安全性验算的重要依据。基于此，本次试验选取ALS地震波、安评地震波及CHY004地震波作为输入地震波。地震波波形和地震动强度对列车运行安全具有直接影响，本试验通过输入不同地震强度的ALS地震波、安评地震波、CHY004地震波进行考虑。在测试前，需要对上述地震波采取归一化处理，涵盖了30，40，50，60 gal，…，直至脱轨，三种地震波试验用的波形图见图12～图14。值得注意的是安评波、CHY004波包含EW、V方向，ALS波包含NS、EW、V方向，且在每一组地震波施加前均施加60 s的白噪声，以测试模型的固有频率。

2 列车脱轨现象

为清晰展示地震作用下列车由脱轨系数超标至轮轨分离的脱轨现象，在试验过程中采用了1 000 Hz的采样频率对轮轨接触力进行测试，采用高分辨率视频监控系统对轮轨相对位置进行测试，累计开展了239组振动台测试工况。同时，对于发生列车脱轨的加载工况，均开展4次的重复性试验，以验证试验结果的可靠性。脱轨系数主要基于前述的标定曲线和实测的钢轨应变获得。列车-无砟轨道-桥梁、列车-无砟轨道-路基及列车-有砟轨道-路基振动台试验的具体试验结果见表2和图15。值得注意的是在地震过程中，桥梁、路基、轨道等结构物均未发生破坏，充分验证了铁路工程结构抗震设计的合理性。

表2 不同类型地震波作用下列车脱轨的加速度峰值 gal

注：此次分析采用脱轨系数≤0.8作为判定标准。

综合分析表2和图15可知，不论是桥梁还是路基结构，CHY004地震波首先出现脱轨系数超标至轮轨分离的现象，ALS地震波次之，安评地震波最后，出现上述现象可能是由于CHY004地震波的卓越频带与车辆的自振频率相近，通过共振作用诱发车体产生较大的晃动，减弱车体与轨道结构的运动一致性，进而促使轮、轨之间发生分离。对于ALS地震波与CHY004地震波来说，前者较后者增加了沿线路走向方向的地震波，进而造成后者脱轨阈值略高于后者。

3 地震作用下高速列车运行安全性分析

上述大型振动台模型试验中，列车处于静止状态。为更进一步的研究高速运行状态下的列车地震安全，本文基于列车-无砟轨道桥梁大型振动台试验模型，建立了数值仿真分析模型，施加相同地震波，赋予相同材料参数等，在桥墩、桥面及车体上选取代表性测点(A4、A10、A14、A17)进行对比研究[3]，结果表明：水平、竖向峰值加速度的最小误差均小于10%，满足计算精度要求，进而验证了数值仿真分析方法的正确性[1-16]。在此基础上，本文基于原型尺寸建立了高速铁路列车-无砟轨道多跨简支梁、无砟轨道路基、过渡段空间耦合动力学模型，输入安评、ALS及CHY004地震波的原波，16辆编组的高速列车以140、160、180、200、220、250、275、300、325、350 km/h的速度运行，轨道谱采用实测的不平顺谱[18]，累计计算630个工况，具体计算结果见表3和表4，其中：PGA为地震动峰值加速度；脱轨系数、减载率、横向轮轨力、车体振动加速度、斯佩林指标均采用规范要求限值。本文仅列举桥梁仿真分析模型，见图16、图17。

综合分析表3和表4可知，地震动加速度对舒适度指标影响最为敏感，行车安全性指标次之。从行车安全性指标来看，脱轨系数控制的速度阈值对地震动加速度变化最为敏感，呈反比例关系，横向轮轨力和减载率控制的速度阈值基本不变。从舒适度指标来看，车体加速度受输入地震动加速度的影响最为敏感，呈反比例关系，舒适度指标次之。综合考虑行车安全性指标和行车舒适性指标，在相同地震动加速度下线路的允许最大运行速度表现出无砟轨道路基>过渡段>32 m简支梁桥，出现上述现象主要是由于桥梁结构对地面输入加速度具有放大效应，而过渡段自身结构存在的刚度差造成车辆通过时的车体响应明显大于路基区段。因此，高铁地震预警阈值主要取决于线路中的桥梁结构。对于行驶速度为200 km/h以上的高速铁路来讲，在PGA=40 gal时，车体的垂向加速度超出限值，需要降速至160 km/h；当PGA=80 gal时，行车速度需要降140 km/h以下；当PGA=120 gal时，舒适度的各项指标所允许的速度阈值普遍小于140 km/h。基于前期对日本、中国台湾的调研结果和国内外研究成果可知[1-16]，在地震动峰值加速度a≥120 gal时会对铁路沿线的接触网等其他结构设施产生损坏，诱发次生灾害。

表3 基于安全性指标的不同类型结构所允许的最大运行速度 km/h

注：P0为静轴重。

表4 基于行车舒适性指标的不同类型结构所允许的最大运行速度 km/h

4 结论

本文基于相似理论设计完成了设计完成列车-无砟轨道-桥梁缩尺模型、列车-无砟轨道-路基缩尺模型及列车-有砟轨道-路基缩尺模型的振动台试验，在此基础上，通过开展高速铁路列车-无砟轨道-桥梁、高速铁路列车-无砟轨道-路基及高速铁路列车-有砟轨道-轨路基的动力学仿真计算，提出了地震作用下高速列车安全运行速度阈值，具体结论如下：

(1) 试验结果表明，不论是桥梁还是路基结构，CHY004地震波首先出现脱轨系数超标至轮轨分离的现象，ALS地震波次之，安评地震波最后。

(2) 地震动加速度对舒适度指标影响最为敏感，行车安全性指标次之。在相同地震动加速度下线路的允许最大运行速度表现出无砟轨道路基>过渡段>32 m简支梁桥。从行车安全性指标来看，脱轨系数控制的速度阈值对地震动加速度变化最为敏感，呈反比例关系，横向轮轨力和减载率控制的速度阈值基本不变。从行车舒适度指标来看，车体加速度受输入地震动加速度的影响最为敏感，呈反比例关系，舒适度指标次之。

(3) 基于文献[19]中对地震预警系统的警报阈值的相关规定，建议高铁地震预警系统警报阈值分三级设置，即当40 gal≤预测或计测的峰值地震动加速度a<80 gal时，限速160 km/h，以偏安全考虑；当80 gal≤a<120 gal时，紧急停车；当a≥120 gal时，紧急停车并接触网断电。