日本新干线基础设施技术发展趋势及成果
轨道世界 RailWorld
开放｜共享｜价值
日本新干线基础设施技术发展趋势及成果
随着日本新干线路网的扩大，支撑新干线列车高速运行的基础设施技术不断发展。下面小编带您了解一下目前新干线基础设施相关技术的研究动向及成果。
日本新干线是采用轨距为1435mm的轨道支持列车高速运行的系统。为保证其基础设施在长期使用后仍能够维持高可靠性，以确保列车安全运行，必须适时且充分地对其进行维保。
新干线的线路构造经历了从土质路基上铺设的有砟轨道，到高架桥、混凝土路基和土质路基上铺设的板式无砟轨道的演变。随着新干线路网规模的扩大，各种基础设施新结构与新技术还在不断衍生。此外，为应对地震对基础设施的破坏，日本还对新干线基础设施进行了抗震加固，并且引入和逐步优化了地震早期预警系统。日本铁道综合技术研究所（以下简称“铁道综研”）作为从事铁路技术研究的专业机构，在这些方面做出了重要贡献。下面将介绍其在新干线基础设施技术方面的研究动向及成果。
1.1 轨道状态检测
日本第一条新干线线路——东海道新干线采用有砟轨道，而自山阳新干线冈山站以西线路起，新干线逐步采用板式无砟轨道，这种线路构造也成为此后建设的新干线线路的基本构造。
为确保列车能够在板式无砟轨道上安全、平稳地运行，必须对沿线轨道的几何形位变化进行监测和修正。为此，铁道综研开发出专用的轨道检测车定期对线路进行检测，一旦发现轨道变形超限，则及时对其进行养护维修；在九州新干线上还引入了可直接安装在运营列车上的轨道检测装置。
此外，铁道综研还对高频率检测得到的线路数据进行分析，以更加清晰准确地预测出轨道几何形位变化的趋势，提高预测精度，从而更合理地制订线路的维保计划（图1）。
1.2 轨下部件的检查和修补
虽然板式无砟轨道不易发生几何形位变化，但在严苛的自然环境下，随着列车动荷载的反复冲击，支撑轨道板的水泥沥青砂浆（CA砂浆）填充层会逐步老化。因此，需要找出老化填充层的位置并对其进行适当的修补。为此，铁道综研研发了利用脉冲锤击打轨道板表面，并通过分析击打力度与返回声压的关系准确高效地判定填充层有无空鼓间隙的方法；对于存在问题、必须修补的轨道板，提出将间隙修补法与框架修补法相结合的修补方式（图2）。
图2 板式无砟轨道线路轨道板的检查和修补方法
对于有砟轨道，随着其长时间的使用，碎石道砟会逐步破碎成小颗粒，甚至粉化，导致轨道几何形位更容易发生变化，因此必须对明显劣化的道砟进行更换。然而，如何定量判定道砟的耗损程度一直是困扰维修者的难题。为此，铁道综研提出了通过测量声音在道砟内部传播时穿透能力的变化定量判定道砟劣化状态的方法（图3）。本方法从道砟内部细颗粒物混入比例与声音在其内部传播时衰减度之间的关系（即道砟内混入的细颗粒物越多，声音在道砟内部传播时的穿透率越低）出发，确定道砟的劣化程度，从而可极大简化对有砟轨道的状态管理。
图3 碎石道砟劣化状态检查原理
自2010年起，铁道综研开展了多项新干线线下结构技术研发项目（表1），旨在减少线路建设时的资金投入，以及降低其运营阶段的成本和人力需求。本章选取GRS一体化桥梁及车站内气压变化预测解析系统2个项目进行介绍。
2.1 GRS一体化桥梁
传统铁路桥梁由桥跨、支座、承台、桥墩、桥台和筑堤等组成，用于横跨河川等不连续区域。为防止桥梁两侧筑堤发生不均匀沉降，必须对桥梁支座和承台等部分进行定时的检查和维护（图4左上）。为减少这部分费用，铁道综研开发了GRS一体化桥梁，并在北海道新干线中首次应用（该桥梁跨度为12m）。和传统的桥梁结构不同，GRS一体化桥梁是先利用片状加强材料与土方构成加筋筑堤，再直接与刚构桥连接的新型桥梁结构（图4中间）。由于省去了支座和承台，以及实现了桥体结构框架的刚性化，桥梁的建设费用和运营期的维护费用可大幅减少。此外，片状加强材料制成的加筋筑堤可防止筑堤发生不均匀沉降；混凝土桥身与两侧加筋筑堤的一体化可提高桥梁的整体抗震性能。
图4 GRS一体化桥梁
最初，由于GRS一体化桥梁采用钢筋混凝土梁，因此其有20m的跨度限制。为进一步扩大GRS一体化桥梁的适用范围，铁道综研开发了预应力混凝土梁（PC梁），将其跨度增加到40m，并制定了相关的设计施工指导标准。九州新干线的西九州线则采用了跨度为30m的PC梁GRS一体化桥梁（图5）。
图5 西九州线的PC梁GRS一体化桥梁
2.2 车站内气压变化预测解析系统
新干线列车通过车站站台时会引起站台上气压的变化，尤其是在进出站台的楼梯及自动扶梯处，由于截面积骤然缩小叠加气压骤变，会产生强风，导致乘客安全性和舒适度的降低。为提高车站内乘客的安全性和舒适度，铁道综研开发了车站内气压变化预测解析系统，在新站设计时，对列车高速通过引起的站台气压变化和风速进行预测，并在新站投入使用后将预测值与实测值进行对比验证，以便对车站设计进行优化更新。
例如，北陆新干线长野—金泽区间内的各站为防止吹雪飞入站台，在设计时利用车站内气压变化预测解析系统进行了气压变化和风速预测（图6），并在车站窗框处设置了多层狭缝结构（通风狭缝，一般设置于窗框上部），然而由于开口尺寸的设计不合理，导致车站内气压变化的实测值和预测值不一致。为此，研究人员根据车站内气压变化的实测结果，对之前的设计进行修正，引入百叶窗结构替代多层狭缝结构，从而使列车高速通过时车站内的气压变化值大幅减小，有效防止了吹雪侵入。
图6 车站内气压变化实际测量和预测示意图
3.1 抗震设计
日本是地震高发的国家，因此其铁路设计十分重视基础设施的抗震性能。日本《建筑基准法》提出，应通过适当的设计，使建筑物在发生超过设计标准的地震时具备不发生毁灭性破坏的能力。为此，铁道综研研发和设计了多种新的基础设施结构形式，如自重补偿机构（图7）。这种结构形式比以往的构造增加了多根支柱作为冗余备份，当原主支柱被破坏时，备份支柱可对结构起支撑作用，防止其坍塌。
图7 自重补偿机构示意图
3.2 地震早期预警系统
目前，日本新干线线路已装备了改进型的地震早期预警系统，该系统可利用地震初期的纵波（P波）进行早期地震预警，并在强烈摇晃（即横波（S波））到达之前发出预警信息，其在检测到P波1s后即可发出预警信息。
此外，铁道综研还开发了利用其他公共机构所设地震仪的数据进行地震早期预警的系统，如利用海底地震仪数据进行预警的系统（图8）。该系统可实时查询和处理由日本防灾科学技术研究所管理的2个海底地震观测网（S-net和DONET）测得的地震数据，并据此发出地震预警，其可比既有系统更早地发现海上发生的地震，从而大幅延长预警响应时间，减小地震造成的各种损失。该系统已经于2017年运用在新干线上。
图8 使用海底地震仪数据进行地震早期预警的系统
3.3 铁路地震损伤预测信息发布系统
在中小型地震后、铁路线路恢复运营前，需要根据沿线设置的地震仪所提供的数据信息（“点”状数据信息），对地震影响范围内的全部线路按照统一标准进行检查，这样会动用大量的人力和物力，并延长铁路停运的时间。为使线路尽快恢复运营，应根据沿线地震强度的分布（“线”状数据信息）和沿线铁路基础设施的损伤情况，进行按需检查，从而缩小检查范围，缩短停运时间。
为此，铁道综研开发了铁路地震损伤预测信息发布系统（DISER）。该系统可在地震发生后直接调用日本防灾科学技术研究所管理的强震观测网（K-NET）测得的数据，对线路沿线的地震强度和各种基础设施的损伤情况进行预测，并在地震发生10～20min后向相关铁路运营企业发布预测信息，使其能够更有效地进行线路检修。该系统已于2019年投入使用。
现代城市轨道交通小编：Gisela
素材来源：铁科院《现代城市轨道交通》杂志