日本防止鐵路車輛地震時脫軌措施

1 背景

日本是地震災害常發的國家。地震會導致地面、山體、建（構）筑物等的破壞，當然也包括鐵路，如1923年發生的關東大地震使鐵路遭受了巨大的損失。為此，日本鐵路采取了多種措施，以減輕甚至規避地震對鐵路車輛和基礎設施造成的破壞。

表1列出了1995年以后發生過列車脫軌事故的日本國內地震，所幸沒有乘客和乘務員因這些地震導致的列車脫軌而死亡。1995年兵庫縣南部地震導致多座鐵路高架橋梁坍塌或移位，地震的晃動也造成了客運列車脫軌（圖1）。地震后，相關鐵路公司對高架橋橋墩等進行了加固，并修改了關于新建構筑物抗震性的設計標準。在2005年新瀉縣中越海域地震中，1列停在車站的電動列車由于劇烈傾斜而脫軌（圖2）。2011年東北地區太平洋海域地震導致1列貨運列車（集裝箱貨車）脫軌。由此可知，當大地震發生時，不論何種車輛都可能發生脫軌。為避免上述脫軌事故的發生，日本鐵路行業采取了多種措施，包括在地震發生時使列車迅速緊急制動，以及防止其進入地震影響區等。例如，新干線列車采用早期地震預警系統，該系統可在檢測或預測到強烈地震晃動時，自動緊急制動；對于常規線路列車，則由駕駛員根據早期地震預警信息手動實施制動。

表1 發生過列車脫軌事故的日本國內地震（1995年以后）

圖1 1995年兵庫縣南部地震中脫軌的列車

圖2 2005年新瀉縣中越海域地震中脫軌的電動列車

即使采取上述措施，也有可能發生列車脫軌，例如，在2004年新瀉縣中越地震、2011年東北地區太平洋海域地震以及2016年熊本地震（前震）中，均發生了新干線列車脫軌（圖3）。在2004年新瀉縣中越地震中，1列新干線列車在高速行駛時脫軌，這讓人們意識到需要進一步提高地震時列車行駛的安全性。因此，在該地震后，日本鐵路行業大力推進軌道和車輛部件中抗震裝置的研發，以使列車在地震時不易脫軌，即使脫軌也不會大幅偏離軌道。

圖3 因地震晃動而脫軌的新干線列車（日本國內僅3例）

2 防脫軌及防偏離裝置

本章將介紹防止列車地震時脫軌及偏離軌道的技術。這些技術是面向新干線開發的，目前正在各運營線路大力推廣。

2.1 防脫軌保護裝置及防偏離限制器

為防止新干線列車在地震中脫軌，日本參考現有常規線路上安裝的防爬軌脫軌保護裝置，開發了新型防脫軌保護裝置（圖4）。在發生地震時，該裝置可通過與車輪的內側面接觸來限制輪對的橫向移動。為應對地震時產生的巨大荷載，研發人員進一步加強了裝置的強度。此外，其具有特殊的構造，可通過鉸鏈折疊在鋼軌內側，從而降低對軌道日常維護作業的影響。目前，本技術已在東海道及九州新干線中得到應用。

圖4 防脫軌保護裝置以及防偏離限制器

防偏離限制器安裝在車輛的轉向架下部（圖4），如果車輛輪對越過防脫軌保護裝置發生脫軌，防偏離限制器會通過與防脫軌保護裝置內側接觸，阻止車輛進一步偏離軌道。

2.2 防偏離導向裝置及防軌道傾覆裝置

防偏離導向裝置呈L型，設置于輪對軸箱下端，在輪對脫軌后，車輪側面或防偏離導向裝置會與軌道接觸、摩擦，從而阻止輪對及車輛大幅度偏離軌道。為防止輪對在脫軌后與鋼軌產生碰撞，導致軌道連接裝置損壞，從而造成軌道傾覆，研發人員開發了安裝于鋼軌下方的防軌道傾覆裝置（圖5）。這2種裝置已在東北/北海道新干線及上越/北陸新干線中使用。實踐證明，在2011年東北地區太平洋海域地震中，新干線列車脫軌時，防偏離導向裝置發揮了阻止列車大幅度偏離軌道的作用。

圖5 防偏離導向裝置以及防軌道傾覆裝置

2.3 防偏離保護裝置

防偏離保護裝置安裝在2根鋼軌之間，用于防止列車脫軌后進一步偏離軌道（圖6）。該裝置與2根鋼軌之間均保持足夠的距離，以避免列車在脫軌后與對面列車和隧道壁等發生碰撞；由于兩者之間的距離較大，因此不會影響軌道維護作業。本技術已應用于山陽新干線。

圖6 防偏離保護裝置

3 地震時車輛行為分析技術

在開展提高地震中車輛安全性的技術研發時，不可能制造地震進行列車行駛試驗，只能通過數值模擬推測地震中的車輛行為，并據此進行安全性評估。日本鐵道綜合技術研究所（以下簡稱“鐵道綜研”）開發的車輛動力學仿真軟件（VDS）是一種數值模擬程序，其不僅能夠進行常規的車輛動力學分析，還可以分析在劇烈振動軌道上（地震時）行駛車輛的行為。研究人員利用該仿真軟件分析了2004年新瀉縣中越地震、2011年東北地區太平洋海域地震和2016年熊本地震（前震）中新干線脫軌事故的脫軌機制。當使用VDS對地震中軌道上車輛的行為進行分析時，首先通過對構筑物的地震響應分析（地基地震響應分析、構筑物動力學分析）推導出軌道的地震響應，再將其用作VDS的輸入參數，進而分析車輛行為（圖7）。地震時的車輛行為分析著眼于輪對與軌道的橫向相對位移，在其值達到±70 mm時判定為輪對脫軌，此時輪對的狀態如圖8所示，即輪緣完全位于軌道頂面上，車輪偏離軌道。

為分析車輛在地震時對于脫軌的基本耐受能力，研發人員繪制了正弦波激振時安全界限曲線圖（圖9），由圖可知車輛易脫軌的振動頻率范圍及振幅。圖中橫坐標為施加在軌道上的正弦波頻率，縱坐標為使車輛保持不脫軌（即安全）狀態的臨界振幅。

圖7 利用VDS分析地震時構筑物上車輛的行為

圖8 地震時車輛行為分析的脫軌判定標準

圖9 針對正弦波激振的安全界限曲線圖

4 防止車輛地震時脫軌的車輛部件

鐵道綜研一直致力于研究在日常運營中可使車輛穩定高速行駛、安全通過彎道，并保證乘客乘坐舒適性，在極端條件（如地震時）下可防止車輛脫軌的車輛部件，下面列舉其中2種部件。

4.1 新型橫向阻尼器

該橫向阻尼器安裝在轉向架上，除在日常運營中具備原有橫向阻尼器的阻尼力特性外，還能夠在地震中活塞速度加快時產生更大的阻尼力，從而減小地震時車輛的搖晃，使之不容易發生脫軌（圖10）。

圖10 新型橫向阻尼器及防碰撞限制器

通過在大型振動臺上進行轉向架振動試驗，以及使用試驗車輛進行運行試驗，鐵道綜研對該阻尼器的效果進行了確認。

4.2 防碰撞限制器

該防碰撞限制器在地震時的工作原理如圖11所示。該限制器在原有車體橫向位移限制器的基礎上，添加了防碰撞機構，可在荷載巨大的地震工況下擴大限制器游隙，增大橫向阻尼器的行程，從而使之產生更有效的阻尼力。通過在大型振動臺上進行轉向架振動實驗，研究人員已證實該限制器對于提高車輛地震時的安全性具有顯著效果。

5 展望

圖11 防碰撞限制器在地震時的工作原理

目前，日本鐵路運營商已計劃擴大上述防止車輛脫軌或偏離軌道技術在新干線線路上的部署和應用。今后，鐵道綜研還將研究和開發針對常規線路的措施。