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听说,高铁可以激发地震波?
2024-03-08 16:04:00

 

高速铁路
    简称高铁,是一种比普通铁路速度更快,使用特别机车车辆与专用轨道的铁路运输系统。因其快捷且舒适,现已逐渐成为人们穿梭于城市间的首选交通工具。
    1964年,世界上第一条高速铁路—东海道新干线在日本开始运营,高铁由此进入人们的视野。

图:1978年,邓小平同志访问日本,乘坐新干线铁路上的高速列车。


图:日本的东海道新干线高速线。

    中国的高铁起步于九十年代,但发展迅猛。截止2022年9月底,我国已开通多条高铁线路,运营里程高达4.1万公里,拥有着系统技术最全、集成能力最强、运营里程最长、运行时速最高的高速铁路网。


图2 (左)90年代的广深铁路组 (右)现今中国高铁运营列车主力车型—和谐号CRH380A

    中国高铁的发展对应着中国坚持原始创新、引进消化吸收再创新以及全面自主创新的过程,是多学科交叉,多个科研团队协作的结晶。围绕高铁开展的研究,不一而足。高铁蓬勃发展的同时,高速列车及重载列车行驶过程中对周边环境的影响开始进入研究视野。
    高铁在运行过程中,其车轮与铁轨挤压摩擦会引起铁轨的震动,从而产生地震波向地下介质中传播。
    这些地震波的存在和传播可能会威胁建筑物及工程结构的安全,常常被工程界视为一大危害。许多科研团队聚焦于压制车厢及路基的震动以提高高铁列车及路基的安全系数,从科学原理到技术应用取得一系列进展。

行进中的高铁

    从环境科学和工程防护的角度,高铁引起地面振动是一种有害扰动,需予以压制。但在地震学家眼中,这些振动信号恰恰是照亮地下空间的一盏明灯。

图4 高铁震源激发地震波

    所谓雁过留痕,传播到地下,再反射到地面的地震波携带了丰富的地下结构和物理属性信息,地震学家通过专业手段,能够将这些信息提取出来,从而达到探测地下地质结构的目的。
    21世纪初,我国的一些地震学家对普通火车的振动信号进行了初步分析,研究发现列车的振动信号具有绿色环保、重复性好和稳定性强的优点,可用于地下结构的信息探测,为地球物理勘探开辟了新途径。遗憾的是,在之后的十几年中,除了国外一些学者零星的研究,国内地震学方面的专家对列车震源的研究一度延搁。直到2018年1月,在中科院地质与地球物理研究所李幼铭研究员召集下,联合北京大学、西安交通大学和北京化工大学等十几家高校和科研单位的地震勘探专家成立“高铁地震学联合研究组”,对高铁作为一种移动组合震源展开研究。
    这一研究主要针对高铁路基安全、地震预测、智慧城市地下空间探测与监测等重大问题需求,变革性地把高铁噪声源转变为可利用的优质震源。探索了高铁震源激发的地震波场新理论,发展了基于高铁震源的地下介质结构探测、动态监测等系列新技术。近乎从无到有,赋予了高铁地震学新的生命力,现今已取得了大量的研究成果。

图5 传统震源激发方式

    实际上,地震波一经激发,在地下空间中传播所遵循的物理原理,与传统地震勘探中的地震波并无二致,不同之处主要在于震源的激发。
    传统的地震勘探通过爆炸型震源或可控震源,来激发地震波获得地下构造信息和物理属性信息。
    然而,这种震源十分昂贵且重复次数有限,同时也可能对环境造成危害。高铁作为地震震源稳定性甚好,可全天候多次重复激发,并提供海量可供分析的地震时间记录,且对环境没有损害,是一种新型的绿色震源!图片
高铁在行进过程中是如何产生地震波的?
    这是高铁地震学的一个首要且极其重要的问题,相关学者将高铁产生地震波的物理机制描述为:高铁在行驶过程中,车厢的重力通过车轮作用在铁轨上,使铁轨发生弹性形变。铁轨由于形变所产生的应力再通过轨道系统和大地的接触点传递到地下,造成地下弹性介质发生形变。弹性介质的形变继续往地下传播,进而形成地震波。

图6 单节高铁车厢行驶中激发的地震波(地下介质为逆冲断层模型)

    实际上,高铁地震的激发机制和近场传播理论十分复杂。学者们在研究过程中一般将轨道系统和大地的接触点看作震源激发点来简化高铁地震的激发过程。这种简化一般分为两种情况,如果高铁在平地上运行,那么可以将枕木看作震源;如果高铁在高架桥上运行,那么可以将桥墩看作震源。由于高铁运行高架桥上可以控制路基沉降,减少土地占用,减少环境和噪声污染。因此,我国的高铁有一半以上的铁轨建在高架桥上。

 

图7 高铁的枕木模型(左)、桥墩模型(右)

如何表达高铁震源函数?

    为了简化计算,研究人员将铁路桥墩所在的位置作为高铁震源的激发点,将单节车厢震源简化为一个点源,高铁震源函数为这些单节车厢震源的延迟叠加。行进中的高铁依次驶过不同桥墩激发出地震波,这类似于我们传统地震勘探中的“延时放炮”。通过对高铁运行速度、车厢几何参数、轮对负载和桥墩参数等进行参数化,从而实现对高铁震源子波的数学表达。
高铁震源的地震子波如何表示?
    地震子波是地震勘探中的一个重要的概念,是地震激发的一段具有确定的起始时间、能量有限且有一定延续长度的信号,可以被视为地震记录中的基本单元。
    如果将地球介质看作一个系统的话,地震子波是这个系统的输入,而在地面接收到振动信号则是这个系统的输出,系统输入的性质往往受系统输入主导。因此,对于高铁震源来说,找到能够准确描述其震源子波的数学表达是至关重要。
    在传统的地震勘探,常用Ricker子波作为地震子波。对于高铁震源来说,常采用欧拉-伯努利梁(E-BEB)模型。通常将静止状态下高铁的单个车轮对轨道造成的形变量看作是单个车轮的地震子波。
    本质上是单个车轮地震子波的周期重复,因此在震源子波的频谱中会有等距窄带的出现,而相邻窄带之间的距离恰好等于移动速度和车厢长度的比值。

图9 (a)传统地震勘探的Ricker子波(b)高铁震源的E-BEB模型

高铁震源数据的野外采集工作
    理论建模是基于一定假设,有着一定的局限性,需要通过实际工作来检验有效性。目前国内很多科研团队已经开展了高铁震源数据的野外采集工作。北京大学宁杰远教授团队采用三分量的速度台站在河北省容城县高铁数据采集工作。

图10 河北省容城县高铁数据采集。红色三角形为布设的12个台站。

高铁震源的实际应用

    地下结构的成像是高铁地震学的重要任务,即利用地表观测到的数据来反推地下结构和物性的过程。然而,对于高铁这一全新的震源,目前的成像工作主要还是基于理论数据的,实际数据的应用案例非常少。
    沙特阿美石油公司北京研究中心的刘玉金等人利用地震干涉面波反演技术对西安某段高铁的地震数据进行了分析,成功反演出近地表的分层结构。

图11 西安某地高铁数据观测,23个检波器以4米间隔平行高铁轨道布设。

    高铁列车的运作不仅产生了一种全新的移动交通工具,还震动了大地,在地壳中创造出一种全新的地震波场。地球在进行某种地质作用的时候,一定会发出一些信息,通知有关的存在做出响应。聪明的人会利用这些信息及时地进行创新。地震学家们根据高铁列车的运行进行了浅层地质构造成像和工程监测的研究,把时代的发展与地球科技结合起来,为人类社会的可持续发展做贡献,值得我们认真学习!
转自:https://baijiahao.baidu.com/s?id=1750241812919228388




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