日本新干線技術(shù)發(fā)展概述

日本東海道新干線是世界上第一條高速鐵路，連接?xùn)|京和大阪，線路全長515 km，于1964年10月東京奧運(yùn)會開幕前夕正式通車運(yùn)營，從決定開工到建成開通僅用時(shí)5年。本文將介紹東海道新干線所采用的線下工程、軌道、車輛、運(yùn)行控制技術(shù)，以及之后新干線線路的相關(guān)技術(shù)發(fā)展成果。

1 線下工程技術(shù)

東海道新干線線路的線下工程包括路基274 km（53.3%）、橋梁和高架橋172 km（33.3%）、隧道69 km（13.3%）。除去完成協(xié)議征地所耗費(fèi)的時(shí)間，其施工實(shí)際僅耗時(shí)2年，建設(shè)速度非常快。

1.1 路基

為縮短工期，且出于經(jīng)濟(jì)性的考慮，東海道新干線大部分采用基于土建工程的路基結(jié)構(gòu)。為保證土建工程的施工速度和質(zhì)量，建設(shè)方全面使用戰(zhàn)后從美國引進(jìn)的大型機(jī)械和施工方法，并采用新的質(zhì)量控制管理標(biāo)準(zhǔn)。然而，因?yàn)椴捎眠@樣的路基結(jié)構(gòu)，東海道新干線在運(yùn)營初期出現(xiàn)了因降雨引起的邊坡破壞、土墻變形、橋臺背面的路堤沉降等問題，經(jīng)常進(jìn)行臨時(shí)性的線路封閉或限速，產(chǎn)生了極大的社會負(fù)面影響。此外，由于路基翻漿冒泥，導(dǎo)致線路維護(hù)工作量大幅增加。

因此，從山陽新干線開始，日本嚴(yán)格規(guī)范了路基建材選擇標(biāo)準(zhǔn)及路基夯實(shí)成型標(biāo)準(zhǔn)，并在路堤內(nèi)部增設(shè)了多層厚實(shí)的土層穩(wěn)定性控制材料（即網(wǎng)狀或片狀的高分子材料），以強(qiáng)化路堤坡面的穩(wěn)定性。針對邊坡破壞及橋臺背面的路堤沉降問題，日本鐵道綜合技術(shù)研究所（以下簡稱“鐵道綜研”）開發(fā)了穩(wěn)定性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性高的補(bǔ)強(qiáng)土（RRR）施工工藝。由于采用這種施工方法施工的路基在1995年的阪神大地震中展現(xiàn)出良好的抗震性能，因此其被確定為新干線的標(biāo)準(zhǔn)施工方法。此外，鐵道綜研還開發(fā)了基于補(bǔ)強(qiáng)土工藝的、具有高抗震性能的橋臺，現(xiàn)今已成為整備新干線線路的標(biāo)準(zhǔn)橋臺（圖 1）。

圖1 補(bǔ)強(qiáng)土墻、補(bǔ)強(qiáng)土橋臺施工現(xiàn)場

1.2 橋梁和高架橋

東海道新干線雖然在修建時(shí)出于費(fèi)用和工期的考慮，多采用路基結(jié)構(gòu)，但在城市中或地基松軟區(qū)段仍采用高架橋形式。從經(jīng)濟(jì)性、施工工藝及美觀等要求出發(fā)，東海道新干線采用了雙線雙柱增強(qiáng)鋼筋混凝土板式結(jié)構(gòu)高架橋（圖2）。如今，這種高架橋已不再為新干線獨(dú)有，而是日本鐵路高架橋的標(biāo)準(zhǔn)形式之一。

在橋梁基礎(chǔ)建造方面，東海道新干線主要采用柴油錘打樁機(jī)施工，施工時(shí)的振動噪聲問題令人不堪其擾。因此，之后的新干線改用從歐洲引進(jìn)的現(xiàn)澆樁工法。如今，鋼管混凝土樁、旋入式鋼管樁等新技術(shù)被陸續(xù)開發(fā)出來，這些技術(shù)在施工時(shí)產(chǎn)生的渣土少，并且可提供更大的支撐力，具有環(huán)保、抗震等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 雙線雙柱增強(qiáng)鋼筋混凝土板式結(jié)構(gòu)高架橋

1.3 隧道

在隧道施工方面，東海道新干線采用大型施工機(jī)械在更寬闊作業(yè)面上全斷面同時(shí)掘進(jìn)的施工方式，以縮短工期；并開發(fā)了便于排出地下水的隧底導(dǎo)坑施工方法，從丹那隧道起被許多工程所采用。1977年，上越新干線中山隧道首次采用了從奧地利引進(jìn)的利用澆筑混凝土和緊固螺栓作為支護(hù)材料的盾構(gòu)施工方法——新奧法（NATM），該方法具有非常高的經(jīng)濟(jì)性和安全性，已成為目前新干線隧道的標(biāo)準(zhǔn)施工方法。

針對地下水豐沛、穩(wěn)定性差的土砂地，鐵道綜研開發(fā)了新型施工方法SENS，該方法使用盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，以場地澆筑混凝土作為支撐構(gòu)件，確認(rèn)穩(wěn)定性之后，再進(jìn)行漏水處理和混凝土二次澆筑。東北新干線的三本木原隧道（圖3）和北海道新干線的津輕蓬田隧道都采用了這種施工方法。

圖3 采用SENS施工方法的盾構(gòu)機(jī)

2 軌道技術(shù)

確保新干線列車高速運(yùn)行的軌道技術(shù)有長鋼軌、高速道岔及板式無砟軌道技術(shù)。

在長鋼軌技術(shù)方面，自從東海道新干線鴨宮示范線通過軌道擠壓彎曲疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證了長鋼軌技術(shù)的安全性之后，東海道新干線開始全線采用長鋼軌技術(shù)。

在高速道岔技術(shù)方面，東海道新干線采用18號道岔（鋼軌規(guī)格為60 kg/m），側(cè)向最高通過速度可達(dá)70 km/h。

在板式無砟軌道技術(shù)方面，東海道新干線由于地基薄弱、土建工程巨大，為防止線路發(fā)生沉降，未采用這種軌道形式。在山陽新干線（岡山—博多段）的高架橋和隧道區(qū)間，出于節(jié)省維護(hù)成本的考慮，首次采用板式無砟軌道。為解決有砟軌道和板式無砟軌道并用所導(dǎo)致的維護(hù)難題，開發(fā)適用于土質(zhì)路基的板式無砟軌道的呼聲日益高漲。但直到1991年，日本才在北陸新干線安中榛名站附近建成相應(yīng)的軌道試驗(yàn)線；在進(jìn)行各種試驗(yàn)驗(yàn)證其安全性之后，可在土質(zhì)路基上鋪設(shè)的板式無砟軌道正式在新干線中投入使用（圖4）。在之后建設(shè)的新干線線路中，超過90%的區(qū)間都采用板式無砟軌道。

圖4 鋪設(shè)在土質(zhì)路基上的板式無砟軌道

3 車輛技術(shù)

在新干線剛投入運(yùn)營時(shí)，列車（新干線0系電力動車組）最高運(yùn)行速度為210 km/h，而如今東北新干線E5/H5系電力動車組的最高運(yùn)行速度已達(dá)320 km/h（圖5）。列車提速是多種技術(shù)綜合發(fā)展的產(chǎn)物，其中車輛技術(shù)的進(jìn)步發(fā)揮了重要的作用。

3.1 動力系統(tǒng)

圖5 新干線最高運(yùn)行速度變化圖

新干線列車的技術(shù)特征之一是采用動力分散式電力動車組。采用動力分散式列車的缺點(diǎn)在于，與傳統(tǒng)動力集中式列車（即采用機(jī)車+客車的車輛編組方式，如法國的TGV型動車組、德國的ICE2型動車組）相比，其車內(nèi)振動和噪聲偏大，因此有人認(rèn)為其不適合用于長距離旅客運(yùn)輸；而其優(yōu)點(diǎn)在于，高速運(yùn)行時(shí)施加在軌道上的負(fù)荷較小，不易發(fā)生車輪空轉(zhuǎn)，加速性能好，這也使其適合于高速和高密度運(yùn)行，因此許多國家的高速列車（如德國的ICE3型動車組）開始采用動力分散形式。

東海道新干線列車在運(yùn)營初期雖然采用交流供電制式，但它是先將交流電整流為直流電，再使用直流電動機(jī)驅(qū)動列車前進(jìn)。直流電動機(jī)的缺點(diǎn)在于轉(zhuǎn)速偏低、比功率低、不易維護(hù)。盡管如此，在那個(gè)電力電子技術(shù)不發(fā)達(dá)的時(shí)代，電氣化列車也只能采用這種驅(qū)動方式。但隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，高耐壓、大容量的電力半導(dǎo)體器件被開發(fā)出來，使得用逆變器裝置同時(shí)控制驅(qū)動電壓和頻率、用交流電動機(jī)（感應(yīng)式電動機(jī)）驅(qū)動列車成為可能。由于電氣部件不再是易耗品，因此其可維護(hù)性大幅提高。這種驅(qū)動方式首先應(yīng)用在設(shè)計(jì)最高運(yùn)行速度為270 km/h的新干線300系車輛中，然后推廣到全部新干線車輛中。此外，列車在制動時(shí)可將電動機(jī)切換成發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，利用車的慣性帶動電動機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生反轉(zhuǎn)力矩，將部分動能或勢能轉(zhuǎn)化為電能并將其回饋到接觸網(wǎng)，這種再生制動機(jī)制可使列車的電力消耗大幅降低。

3.2 轉(zhuǎn)向架

鐵路車輛的輪對由牢固壓裝在同一根車軸上的左右2個(gè)車輪組成，踏面呈圓錐形，因此當(dāng)輪對中心在行進(jìn)中偏離直線軌道的中心時(shí)，左右車輪便以不同直徑的滾動圓在鋼軌上滾動，其中滾動圓直徑較大的一方往前移動的幅度更大，此時(shí)輪對運(yùn)動方向就修正為向線路中間位置返回（圖6）。然而，當(dāng)列車運(yùn)行速度超過一定界限時(shí)，便會發(fā)生輪對大幅度左右搖擺的現(xiàn)象（即蛇行運(yùn)動）。為保證高速列車的運(yùn)行安全，必須特別警惕這種現(xiàn)象。為保證列車在高速運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，初期新干線列車的車輪踏面斜度僅設(shè)計(jì)為既有普通線路列車的1/2左右，輪對定位支撐裝置采用無間隙設(shè)計(jì)。

為提高乘客乘坐的舒適度，東海道新干線列車采用了可抑制振動從轉(zhuǎn)向架向車體傳遞的空氣彈簧。之后，隨著列車速度的不斷提高，隧道內(nèi)巨大的空氣沖擊壓力導(dǎo)致車體橫向擺動的問題愈發(fā)嚴(yán)重，僅依靠既有的減振裝置難以解決這一問題。因此，鐵道綜研開發(fā)了通過檢測車體加速度并據(jù)此調(diào)解阻尼力以抑制車體橫向擺動的振動控制裝置——天棚阻尼振動控制系統(tǒng)（圖7）。目前，這一技術(shù)已在新干線上推廣。

3.3 車體

圖6 輪對的運(yùn)動

雖然隨著列車速度的提高，對鋼軌和路基的沖擊以及向其傳遞的振動均會增大，但是通過車輛減重設(shè)計(jì)可以減小對鋼軌和路基的沖擊。而且，車輛減重還可以降低其能源消耗。新干線0系列車的軸重大于 15 t，而目前最新型新干線列車的軸重僅為11 t左右。能夠?qū)崿F(xiàn)如此大幅度的減重，除電氣機(jī)械等各部件外，車體結(jié)構(gòu)的輕量化也功不可沒。初期的車體為鋼制結(jié)構(gòu)，即將鋼板焊接組裝在鋼制車體骨架上。之后，為減輕車體重量，鐵道綜研開發(fā)了使用大型中空鋁合金型材焊接制作車體的技術(shù)。這種方法易實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)，而且生產(chǎn)出的車體質(zhì)量小、剛度高，中空部分還可以填充隔聲材料以降低車內(nèi)噪聲，目前已廣泛用于新干線列車中。

4 運(yùn)行控制系統(tǒng)

日本新干線從一開始就裝備了列車自動控制（ATC）系統(tǒng)，原因在于新干線的運(yùn)行速度非常高，僅靠駕駛員通過查看車外信號機(jī)來控制列車運(yùn)行難以保證安全，而利用ATC系統(tǒng)，可在列車速度超過線路容許速度時(shí)實(shí)現(xiàn)列車的自動減速。這是保障新干線安全性的重要配置。

在新干線運(yùn)營初期，線路容許速度按不同等級分為數(shù)段（圖8），在每個(gè)速度段的邊界，列車都會出現(xiàn)制動和制動緩解的動作，這不僅使乘客舒適度變差，也會導(dǎo)致線路的行車密度難以提高。為此，鐵道綜研開發(fā)了數(shù)字ATC系統(tǒng)，控制中心將列車的目標(biāo)停車位置信息傳送給車載ATC系統(tǒng)，車載ATC系統(tǒng)會根據(jù)接收到的相關(guān)信息，并結(jié)合列車當(dāng)前位置、列車速度、線路容許速度等參數(shù)，計(jì)算出適當(dāng)?shù)闹苿恿Γ瑩?jù)此進(jìn)行減速操作。目前，該系統(tǒng)已在新干線上廣泛應(yīng)用。

圖7 天棚阻尼振動控制系統(tǒng)原理圖

圖8 ATC系統(tǒng)控制方式比較