CHƯƠNG 1.1 Giới thiệu Đường sắt cao tốc được định nghĩa là một loại hình vận chuyển trên hệ ray cố định có tốc độ tối thiểu 250 km/h [1]. Đường sắt cao tốc thường được xây dựng để phục vụ vận chuyển hành khách giữa các thành phố lớn, có thể có một số chặng dừng ở các đô thị nhỏ và cùng cạnh tranh một thị trường với loại hình dịch vụ chuyên chở bằng đường hàng không. Trên thế giới, đường sắt cao tốc ngày càng được phát triển mạnh mẽ và có thể đáp ứng được nhu cầu vận chuyển đi lại hàng ngày của hành khách từ các khu đô thị vệ tinh vào khu đô thị trung tâm. Được bắt nguồn đầu tiên vào năm 1964 tại Nhật Bản, đến nay hệ thống tàu cao tốc đã xuất hiện ở 14 quốc gia và vùng lãnh thổ như: Nhật Bản, Ý, Pháp, Đức, Tây Ban Nha, Thụy Sĩ, Bỉ, Hà Lan, Luxembourg, Trung Quốc, Anh, Hàn Quốc, Đài Loan và Thổ Nhĩ Kỳ.
Việc gia tăng nhanh chóng tổng chiều dài hệ thống đường sắt cao tốc trên thế giới trong thập kỷ gần đây là minh chứng cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của đường sắt cao tốc. Sự phát triển của hệ thống đường sắt cao tốc trên thế giới được trình bày ở Hình 1. Ta có thể thấy rằng tốc độ phát triển đường sắt cao tốc trên thế giới trong khoảng thời gian 7 năm gần đây từ năm 2004 đến 2011 đã vượt tốc độ phát triển trong khoảng thời gian 40 năm từ năm 1964 đến 2004. Ngoài ra, đường sắt cao tốc cũng đã xuất hiện tại nhiều quốc gia như Anh, Hàn Quốc, Đài Loan.
Từ đó, có thể kết luận rằng đường sắt cao tốc hiện đang là một ngành đang có tốc độ phát triển rất nhanh. Việc phát triển mạng lưới đường sắt cao tốc không còn chỉ tập trung vào một số quốc gia mà đang phát triển ở nhiều quốc gia và khu vực. Tổng quan 2 Về tốc độ tàu cao tốc, phần lớn các hệ thống đường sắt cao tốc trên thế giới hiện nay có tốc độ tàu chạy tối đa từ 250 km/h đến 300 km/h và gần đây đã có một số tuyến đường sắt cao tốc có tốc độ tàu chạy trên 300 km/h. Sự phát triển đường sắt cao tốc thế giới từ năm 1964 đến 2011 1.2 Một số hệ thống đường sắt cao tốc nổi tiếng trên thế giới Tại Nhật Bản, vào năm 1964 tuyến đường sắt cao tốc dài 515 km nối Tokyo-Osaka có tên là Tokaido Shinkansen (Hình 1.2) đã được khánh thành đưa vào sử dụng.
Đây là hệ thống đường sắt cao tốc đầu tiên trên thế giới được chính thức đưa vào hoạt động thương mại. Ở thời điểm này, tàu cao tốc Shinkanshen đã có thể đạt được vận tốc tối đa là 210 km/h và thời gian di chuyển từ Tokyo đi Osaka được giảm từ 6,5 h xuống còn 4 h. Đến năm 1992, tốc độ tối đa tàu đã đạt 270 km/h và thời gian di chuyển từ Tokyo đi Osaka được giảm xuống chỉ còn 2,5 h. Tổng quan 3 Hình 1.
Tàu cao tốc đầu tiên Shinkansen của Nhật Bản năm 1964 Tại Pháp, tàu cao tốc TGV (Hình 1.3) được đưa vào hoạt động phục vụ thương mại đầu tiên vào ngày 27/09/1981. Tàu cao tốc TGV thế hệ đầu tiên của Pháp được đưa vào hoạt động trên tuyến Paris–Lyon với chiều dài 409 km, ở thời điểm này tàu có thể đạt vận tốc tối đa 200km/h. Đến nay, tàu cao tốc TGV có thể đạt vận tốc tối đa 272 km/h. Tàu cao tốc TGV của Pháp Tổng quan 4 Tại Anh, thế hệ tàu cao tốc diesel HST 43 (Hình 1.4) có thể đạt vận tốc tối đa 200km/h đã được đưa vào hoạt động lần đầu tiên vào năm 1976 trên tuyến ray hiện hữu nối London- Bristol-South Wales.
Đến năm 1998, một hệ thống đường sắt cao tốc mới có tên gọi HS1 đã được thi công nối liền London và đầu hầm qua eo biển Manche, sử dụng đầu kéo Class 373 có thể đạt vận tốc tối đa 300 km/h. Tàu cao tốc HST của Anh Tại Trung Quốc, kế hoạch phát triển đường sắt cao tốc đã được hình thành vào đầu những năm 1990. Tuyến đường sắt cao tốc đầu tiên của Trung Quốc dài 404 km được khởi công xây dựng vào năm 1999 và khánh thành vào năm 2003, nối thành phố ven biển Tân Hoàng Đảo-Thẩm Dương, với vận tốc tối đa 200km/h. Đến năm 2011, Trung Quốc đã xây dựng trên 8.000 km đường sắt cao tốc và đã trở thành quốc gia có tổng chiều dài đường sắt cao tốc lớn nhất thế giới.
Ban đầu, Trung Quốc sử dụng tàu cao tốc được mua từ Đức, Pháp, Nhật. Sau đó, nước này đã mua công nghệ từ các nước trên và đã phát triển thế hệ tàu cao tốc CRH1A của riêng mình vào năm 2007, tàu có thể đạt vận tốc tối đa 250 km/h. Đến nay, thế hệ tàu CRH380A mới nhất của Trung Quốc có thể đạt vận tốc tối đa 380 km/h (Hình 1. Tổng quan 5 Hình 1.
Tàu cao tốc CRH-380 của Trung Quốc Công ty đường sắt của Nhật Bản vừa cho ra mắt và chạy thử nghiệm tàu điện từ cao tốc Series L0 Maglev (Hình 1.6) thế thệ mới nhanh nhất thế giới. Đây là loại tàu cao tốc sử dụng công nghệ nâng từ trường nên không có sự tiếp xúc trực tiếp giữa đường ray và bánh xe khi chạy, do đó tàu cao tốc Maglev có khả năng di chuyển với vận tốc rất cao và tiêu tốn ít năng lượng. Tại các cuộc chạy thử nghiệm, tàu có thể đạt vận tốc 500 km/h, gần gấp đôi vận tốc của các thế hệ tàu cao tốc hiện nay. Hiện tại, tàu cao tốc Maglev đã được đưa vào thử nghiệm lần 2 và dự kiến đến năm 2027 sẽ đưa vào sử dụng.
Thông tin được trích lược từ website [2]. Tàu cao tốc thế hệ mới được thiết kế bởi Central Japan Railway Tổng quan 6 1.3 Những sự cố xảy ra khi sử dụng hệ thống đường sắt cao tốc Có nhiều vụ tai nạn của hệ thống tàu cao tốc đã xảy ra trên toàn thế giới do tàu bị trật đường ray. Vụ tai nạn xảy ra gần đây nhất là vào ngày 1/12/2013 tại Mỹ khi một đoàn tàu chở khách (Hình 1.7) khởi hành từ Poughkeepsie bị trật đường ray lúc 7h20 sáng giờ địa phương khi cách ga Spuyten Duyvil ở quận Bronx của Thành phố New York 100 m về phía Bắc. Vụ tai nạn làm 4 người thiệt mạng và 67 người bị thương.
Ngày 24/07/2013, một thảm họa tai nạn đường sắt nghiêm trọng xảy ra khi một đoàn tàu cao tốc (Hình 1.8) chở 218 hành khách bị trật đường ray, đâm vào tường hầm và bốc cháy tại khúc ngoặc để vào ga Santiago de Compostela ở vùng Galicia, tây bắc Tây Ban Nha. Vụ tai nạn này làm chết ít nhất 78 người, gần 100 người bị thương, toàn bộ toa tàu bị trật bánh, nhiều toa nằm chồng lên nhau. Vào lúc 2h sáng (giờ địa phương) ngày 5/5/2013 ở khu vực giữa hai thị trấn Schellebelle và Wetteren, cách thành phố Ghent (Vương quốc Bỉ) khoảng 20 km về phía đông, một đoàn tàu hỏa chở rất nhiều hoá chất độc hại bị trật đường ray, sự cố làm 6 toa tàu trật bánh, trong đó 3 toa bốc cháy và một vài toa phát nổ (Hình 1. Vụ tai nạn làm ít nhất 1 người thiệt mạng và 17 người khác bị thương.
Vào ngày 02/03/2013, tàu cao tốc Shinkansen chở 130 người bị lệch ra khỏi đường ray khi đi qua tỉnh Akita. Nguyên nhân tàu này trật bánh là do tuyết bám quá dày trên đường ray (Hình 1.10) làm cho đoàn tàu bị trật bánh [3]. Vào ngày 23/07/2011, hai đoàn tàu cao tốc ở Trung Quốc bị trật đường ray và va với nhau làm bốn toa tàu rơi từ trên cầu cạn xuống đất. Vụ tai nạn này có hơn 40 người thiệt mạng, ít nhất 192 người bị thương (Hình 1.
Thảm họa tàu Eschede xảy ra vào ngày 03/06/1998 tại Đức là vụ tai nạn tàu cao tốc gây chết người nhiều nhất trên toàn cầu. Số lượng nạn nhân của vụ tai nạn bao gồm 101 người chết và ước tính 88 người bị thương. Vụ tai nạn xảy ra khi có một vết nứt xuất hiện trong bánh xe làm cho tàu trật khỏi đường ray (Hình 1. Tổng quan 7 Hình 1.
Tai nạn tàu cao tốc ở Mỹ (2013) Hình 1. Tai nạn tàu cao tốc ở Tây Ban Nha (2013) Tổng quan 8 Hình 1. Tai nạn tàu hoả chở hoá chất ở Bỉ (2013) Hình 1. Sự cố tàu cao tốc Shinkansen ở Nhật Bản (2013) Tổng quan 9 Hình 1.
Tai nạn tàu cao tốc D3115 và D301 ở Trung Quốc (2011) Hình 1. Tai nạn tàu cao tốc Eschede ở Đức (1998) Tổng quan 10 Tại Việt Nam, ngày 05/06/2013, tàu chở hàng ký hiệu D18E-614 bị trật đường ray trên địa phận thuộc huyện Thường Tín - Hà Nội (Hình 1. Vụ tai nạn làm hư hỏng đường ray và giao thông đường sắt tạm thời bị gián đoạn. Vào ngày 19/02/2013, một tai nạn tàu hỏa do sự cố trật bánh xe (Hình 1.14) đã xảy ra tại Khánh Hòa trong địa phận Cam Lâm, cách ga Nha Trang khoảng 10 km về phía Nam.
Đoàn tàu đã dừng lại kịp thời nên không gây ra thiệt hại về người. Tai nạn ở Hà Nội (2013) Hình 1. Tai nạn ở Khánh Hòa (2013) Tổng quan 11 Vấn đề an toàn trong suốt hành trình của một chuyến tàu cao tốc liên quan đến nhiều nguyên nhân như sự nảy lên của bánh xe, sự mềm hóa của lớp đệm dưới đường ray, sự dao động của tà vẹt (sleeper) dưới thanh ray, tất cả điều này làm tăng nguy cơ trật bánh và gây tiếng ồn. Tuy nhiên, những vấn đề này đã không được giải quyết thỏa đáng trong những nghiên cứu trước đây.
Do vậy, việc tập trung nghiên cứu hệ thống đường sắt cao tốc là việc làm cấp thiết và quan trọng cần giải quyết, đặc biệt là việc mô hình hóa một cách chính xác ứng xử động của hệ thống tàu - ray.4 Tình hình nghiên cứu 1.1 Các công trình nghiên cứu ngoài nước Bài toán lực di động tác dụng lên kết cấu là một trong những bài toán động lực học thực tế đầu tiên cho hệ thống tàu-ray. Bằng phương pháp biến đổi Fourier FTM (Fourier Transform Method) và hệ tọa độ di chuyển, Mathews (1958, 1959) [4, 5] đã giải bài toán dao động khi một lực di chuyển dọc theo dầm có chiều dài vô hạn tựa trên nền đàn hồi. Jezequel (1981) [6] đã nghiên cứu bài toán dầm Euler- Bernoulli dài vô hạn tựa trên nền đàn hồi chịu một lực tập trung di chuyển với vận tốc không đổi có xét đến độ cứng xoay và độ cứng phương ngang. Các công trình nghiên cứu tương tự sử dụng phương pháp FTM đã được thực hiện bởi Trochanis et al.
