日本新干線基礎設施技術發展趨勢及成果

1 引言

日本新干線是采用軌距為1 435 mm的軌道支持列車高速運行的系統。為保證其基礎設施在長期使用后仍能夠維持高可靠性，以確保列車安全運行，必須適時且充分地對其進行維保。

新干線的線路構造經歷了從土質路基上鋪設的有砟軌道，到高架橋、混凝土路基和土質路基上鋪設的板式無砟軌道的演變。隨著新干線路網規模的擴大，各種基礎設施新結構與新技術還在不斷衍生。此外，為應對地震對基礎設施的破壞，日本還對新干線基礎設施進行了抗震加固，并且引入和逐步優化了地震早期預警系統。日本鐵道綜合技術研究所（以下簡稱“鐵道綜研”）作為從事鐵路技術研究的專業機構，在這些方面做出了重要貢獻。本文將介紹其在新干線基礎設施技術方面的研究動向及成果。

2 線上結構技術

2.1 軌道狀態檢測

日本第一條新干線線路——東海道新干線采用有砟軌道，而自山陽新干線岡山站以西線路起，新干線逐步采用板式無砟軌道，這種線路構造也成為此后建設的新干線線路的基本構造。

為確保列車能夠在板式無砟軌道上安全、平穩地運行，必須對沿線軌道的幾何形位變化進行監測和修正。為此，鐵道綜研開發出專用的軌道檢測車定期對線路進行檢測，一旦發現軌道變形超限，則及時對其進行養護維修；在九州新干線上還引入了可直接安裝在運營列車上的軌道檢測裝置。

此外，鐵道綜研還對高頻率檢測得到的線路數據進行分析，以更加清晰準確地預測出軌道幾何形位變化的趨勢，提高預測精度，從而更合理地制訂線路的維保計劃（圖 1）。

圖1 高頻率檢測數據的特點和靈活使用

2.2 軌下部件的檢查和修補

雖然板式無砟軌道不易發生幾何形位變化，但在嚴苛的自然環境下，隨著列車動荷載的反復沖擊，支撐軌道板的水泥瀝青砂漿（CA砂漿）填充層會逐步老化。因此，需要找出老化填充層的位置并對其進行適當的修補。為此，鐵道綜研研發了利用脈沖錘擊打軌道板表面，并通過分析擊打力度與返回聲壓的關系準確高效地判定填充層有無空鼓間隙的方法；對于存在問題、必須修補的軌道板，提出將間隙修補法與框架修補法相結合的修補方式（圖 2）。

圖2 板式無砟軌道線路軌道板的檢查和修補方法

對于有砟軌道，隨著其長時間的使用，碎石道砟會逐步破碎成小顆粒，甚至粉化，導致軌道幾何形位更容易發生變化，因此必須對明顯劣化的道砟進行更換。然而，如何定量判定道砟的耗損程度一直是困擾維修者的難題。為此，鐵道綜研提出了通過測量聲音在道砟內部傳播時穿透能力的變化定量判定道砟劣化狀態的方法（圖 3）。本方法從道砟內部細顆粒物混入比例與聲音在其內部傳播時衰減度之間的關系（即道砟內混入的細顆粒物越多，聲音在道砟內部傳播時的穿透率越低）出發，確定道砟的劣化程度，從而可極大簡化對有砟軌道的狀態管理。

圖3 碎石道砟劣化狀態檢查原理

3 線下結構技術

自2010 年起，鐵道綜研開展了多項新干線線下結構技術研發項目（表1），旨在減少線路建設時的資金投入，以及降低其運營階段的成本和人力需求。本章選取GRS一體化橋梁及車站內氣壓變化預測解析系統2個項目進行介紹。

表1 2010年以后新干線線下結構技術研發項目

3.1 GRS 一體化橋梁

傳統鐵路橋梁由橋跨、支座、承臺、橋墩、橋臺和筑堤等組成，用于橫跨河川等不連續區域。為防止橋梁兩側筑堤發生不均勻沉降，必須對橋梁支座和承臺等部分進行定時的檢查和維護（圖4左上）。為減少這部分費用，鐵道綜研開發了GRS一體化橋梁，并在北海道新干線中首次應用（該橋梁跨度為12 m）。和傳統的橋梁結構不同，GRS一體化橋梁是先利用片狀加強材料與土方構成加筋筑堤，再直接與剛構橋連接的新型橋梁結構（圖4中間）。由于省去了支座和承臺，以及實現了橋體結構框架的剛性化，橋梁的建設費用和運營期的維護費用可大幅減少。此外，片狀加強材料制成的加筋筑堤可防止筑堤發生不均勻沉降；混凝土橋身與兩側加筋筑堤的一體化可提高橋梁的整體抗震性能。

圖4 GRS一體化橋梁

最初，由于GRS一體化橋梁采用鋼筋混凝土梁，因此其有20 m的跨度限制。為進一步擴大GRS一體化橋梁的適用范圍，鐵道綜研開發了預應力混凝土梁（PC 梁），將其跨度增加到40 m，并制定了相關的設計施工指導標準。九州新干線的西九州線則采用了跨度為30 m的PC梁GRS一體化橋梁（圖5）。

圖5 西九州線的PC梁GRS一體化橋梁

3.2 車站內氣壓變化預測解析系統

新干線列車通過車站站臺時會引起站臺上氣壓的變化，尤其是在進出站臺的樓梯及自動扶梯處，由于截面積驟然縮小疊加氣壓驟變，會產生強風，導致乘客安全性和舒適度的降低。為提高車站內乘客的安全性和舒適度，鐵道綜研開發了車站內氣壓變化預測解析系統，在新站設計時，對列車高速通過引起的站臺氣壓變化和風速進行預測，并在新站投入使用后將預測值與實測值進行對比驗證，以便對車站設計進行優化更新。

例如，北陸新干線長野—金澤區間內的各站為防止吹雪飛入站臺，在設計時利用車站內氣壓變化預測解析系統進行了氣壓變化和風速預測（圖 6），并在車站窗框處設置了多層狹縫結構（通風狹縫，一般設置于窗框上部），然而由于開口尺寸的設計不合理，導致車站內氣壓變化的實測值和預測值不一致。為此，研究人員根據車站內氣壓變化的實測結果，對之前的設計進行修正，引入百葉窗結構替代多層狹縫結構，從而使列車高速通過時車站內的氣壓變化值大幅減小，有效防止了吹雪侵入。

圖6 車站內氣壓變化實際測量和預測示意圖

4 抗震技術

4.1 抗震設計

日本是地震高發的國家，因此其鐵路設計十分重視基礎設施的抗震性能。日本《建筑基準法》提出，應通過適當的設計，使建筑物在發生超過設計標準的地震時具備不發生毀滅性破壞的能力。為此，鐵道綜研研發和設計了多種新的基礎設施結構形式，如自重補償機構（圖 7）。這種結構形式比以往的構造增加了多根支柱作為冗余備份，當原主支柱被破壞時，備份支柱可對結構起支撐作用，防止其坍塌。

圖7 自重補償機構示意圖

4.2 地震早期預警系統

目前，日本新干線線路已裝備了改進型的地震早期預警系統，該系統可利用地震初期的縱波（P波）進行早期地震預警，并在強烈搖晃（即橫波（S波））到達之前發出預警信息，其在檢測到 P波 1 s后即可發出預警信息。

此外，鐵道綜研還開發了利用其他公共機構所設地震儀的數據進行地震早期預警的系統，如利用海底地震儀數據進行預警的系統（圖 8）。該系統可實時查詢和處理由日本防災科學技術研究所管理的2個海底地震觀測網（S-net和DONET）測得的地震數據，并據此發出地震預警，其可比既有系統更早地發現海上發生的地震，從而大幅延長預警響應時間，減小地震造成的各種損失。該系統已經于2017年運用在新干線上。

圖8 使用海底地震儀數據進行地震早期預警的系統

4.3 鐵路地震損傷預測信息發布系統

在中小型地震后、鐵路線路恢復運營前，需要根據沿線設置的地震儀所提供的數據信息（“點”狀數據信息），對地震影響范圍內的全部線路按照統一標準進行檢查，這樣會動用大量的人力和物力，并延長鐵路停運的時間。為使線路盡快恢復運營，應根據沿線地震強度的分布（“線”狀數據信息）和沿線鐵路基礎設施的損傷情況，進行按需檢查，從而縮小檢查范圍，縮短停運時間。

為此，鐵道綜研開發了鐵路地震損傷預測信息發布系統（DISER）。該系統可在地震發生后直接調用日本防災科學技術研究所管理的強震觀測網（K-NET）測得的數據，對線路沿線的地震強度和各種基礎設施的損傷情況進行預測，并在地震發生10～20 min后向相關鐵路運營企業發布預測信息，使其能夠更有效地進行線路檢修。該系統已于2019年投入使用。