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(yùn)行的系統(tǒng)。為保證其基礎(chǔ)設(shè)施在長(zhǎng)期使用后仍能夠維持高可靠性，以確保列車安全運(yùn)行，必須適時(shí)且充分地對(duì)其進(jìn)行維保。

新干線的線路構(gòu)造經(jīng)歷了從土質(zhì)路基上鋪設(shè)的有砟軌道，到高架橋、混凝土路基和土質(zhì)路基上鋪設(shè)的板式無砟軌道的演變。隨著新干線路網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，各種基礎(chǔ)設(shè)施新結(jié)構(gòu)與新技術(shù)還在不斷衍生。此外，為應(yīng)對(duì)地震對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的破壞，日本還對(duì)新干線基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行了抗震加固，并且引入和逐步優(yōu)化了地震早期預(yù)警系統(tǒng)。日本鐵道綜合技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱“鐵道綜研”）作為從事鐵路技術(shù)研究的專業(yè)機(jī)構(gòu)，在這些方面做出了重要貢獻(xiàn)。本文將介紹其在新干線基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)方面的研究動(dòng)向及成果。

2 線上結(jié)構(gòu)技術(shù)

2.1 軌道狀態(tài)檢測(cè)

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(yáng)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(gòu)造也成為此后建設(shè)的新干線線路的基本構(gòu)造。

為確保列車能夠在板式無砟軌道上安全、平穩(wěn)地運(yùn)行，必須對(duì)沿線軌道的幾何形位變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)和修正。為此，鐵道綜研開發(fā)出專用的軌道檢測(cè)車定期對(duì)線路進(jìn)行檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)軌道變形超限，則及時(shí)對(duì)其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修；在九州新干線上還引入了可直接安裝在運(yùn)營(yíng)列車上的軌道檢測(cè)裝置。

此外，鐵道綜研還對(duì)高頻率檢測(cè)得到的線路數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以更加清晰準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出軌道幾何形位變化的趨勢(shì)，提高預(yù)測(cè)精度，從而更合理地制訂線路的維保計(jì)劃（圖 1）。

圖1 高頻率檢測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和靈活使用

2.2 軌下部件的檢查和修補(bǔ)

雖然板式無砟軌道不易發(fā)生幾何形位變化，但在嚴(yán)苛的自然環(huán)境下，隨著列車動(dòng)荷載的反復(fù)沖擊，支撐軌道板的水泥瀝青砂漿（CA砂漿）填充層會(huì)逐步老化。因此，需要找出老化填充層的位置并對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)男扪a(bǔ)。為此，鐵道綜研研發(fā)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(guān)系準(zhǔn)確高效地判定填充層有無空鼓間隙的方法；對(duì)于存在問題、必須修補(bǔ)的軌道板，提出將間隙修補(bǔ)法與框架修補(bǔ)法相結(jié)合的修補(bǔ)方式（圖 2）。

圖2 板式無砟軌道線路軌道板的檢查和修補(bǔ)方法

對(duì)于有砟軌道，隨著其長(zhǎng)時(shí)間的使用，碎石道砟會(huì)逐步破碎成小顆粒，甚至粉化，導(dǎo)致軌道幾何形位更容易發(fā)生變化，因此必須對(duì)明顯劣化的道砟進(jìn)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(cè)量聲音在道砟內(nèi)部傳播時(shí)穿透能力的變化定量判定道砟劣化狀態(tài)的方法（圖 3）。本方法從道砟內(nèi)部細(xì)顆粒物混入比例與聲音在其內(nèi)部傳播時(shí)衰減度之間的關(guān)系（即道砟內(nèi)混入的細(xì)顆粒物越多，聲音在道砟內(nèi)部傳播時(shí)的穿透率越低）出發(fā)，確定道砟的劣化程度，從而可極大簡(jiǎn)化對(duì)有砟軌道的狀態(tài)管理。

圖3 碎石道砟劣化狀態(tài)檢查原理

3 線下結(jié)構(gòu)技術(shù)

自2010 年起，鐵道綜研開展了多項(xiàng)新干線線下結(jié)構(gòu)技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目（表1），旨在減少線路建設(shè)時(shí)的資金投入，以及降低其運(yùn)營(yíng)階段的成本和人力需求。本章選取GRS一體化橋梁及車站內(nèi)氣壓變化預(yù)測(cè)解析系統(tǒng)2個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行介紹。

表1 2010年以后新干線線下結(jié)構(gòu)技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目

3.1 GRS 一體化橋梁

傳統(tǒng)鐵路橋梁由橋跨、支座、承臺(tái)、橋墩、橋臺(tái)和筑堤等組成，用于橫跨河川等不連續(xù)區(qū)域。為防止橋梁兩側(cè)筑堤發(fā)生不均勻沉降，必須對(duì)橋梁支座和承臺(tái)等部分進(jìn)行定時(shí)的檢查和維護(hù)（圖4左上）。為減少這部分費(fèi)用，鐵道綜研開發(fā)了GRS一體化橋梁，并在北海道新干線中首次應(yīng)用（該橋梁跨度為12 m）。和傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)不同，GRS一體化橋梁是先利用片狀加強(qiáng)材料與土方構(gòu)成加筋筑堤，再直接與剛構(gòu)橋連接的新型橋梁結(jié)構(gòu)（圖4中間）。由于省去了支座和承臺(tái)，以及實(shí)現(xiàn)了橋體結(jié)構(gòu)框架的剛性化，橋梁的建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)營(yíng)期的維護(hù)費(fèi)用可大幅減少。此外，片狀加強(qiáng)材料制成的加筋筑堤可防止筑堤發(fā)生不均勻沉降；混凝土橋身與兩側(cè)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(jìn)一步擴(kuò)大GRS一體化橋梁的適用范圍，鐵道綜研開發(fā)了預(yù)應(yīng)力混凝土梁（PC 梁），將其跨度增加到40 m，并制定了相關(guān)的設(shè)計(jì)施工指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)。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(nèi)氣壓變化預(yù)測(cè)解析系統(tǒng)

新干線列車通過車站站臺(tái)時(shí)會(huì)引起站臺(tái)上氣壓的變化，尤其是在進(jìn)出站臺(tái)的樓梯及自動(dòng)扶梯處，由于截面積驟然縮小疊加氣壓驟變，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)風(fēng)，導(dǎo)致乘客安全性和舒適度的降低。為提高車站內(nèi)乘客的安全性和舒適度，鐵道綜研開發(fā)了車站內(nèi)氣壓變化預(yù)測(cè)解析系統(tǒng)，在新站設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)列車高速通過引起的站臺(tái)氣壓變化和風(fēng)速進(jìn)行預(yù)測(cè)，并在新站投入使用后將預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，以便對(duì)車站設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化更新。

例如，北陸新干線長(zhǎng)野—金澤區(qū)間內(nèi)的各站為防止吹雪飛入站臺(tái)，在設(shè)計(jì)時(shí)利用車站內(nèi)氣壓變化預(yù)測(cè)解析系統(tǒng)進(jìn)行了氣壓變化和風(fēng)速預(yù)測(cè)（圖 6），并在車站窗框處設(shè)置了多層狹縫結(jié)構(gòu)（通風(fēng)狹縫，一般設(shè)置于窗框上部），然而由于開口尺寸的設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致車站內(nèi)氣壓變化的實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值不一致。為此，研究人員根據(jù)車站內(nèi)氣壓變化的實(shí)測(cè)結(jié)果，對(duì)之前的設(shè)計(jì)進(jìn)行修正，引入百葉窗結(jié)構(gòu)替代多層狹縫結(jié)構(gòu)，從而使列車高速通過時(shí)車站內(nèi)的氣壓變化值大幅減小，有效防止了吹雪侵入。

圖6 車站內(nèi)氣壓變化實(shí)際測(cè)量和預(yù)測(cè)示意圖

4 抗震技術(shù)

4.1 抗震設(shè)計(jì)

日本是地震高發(fā)的國(guó)家，因此其鐵路設(shè)計(jì)十分重視基礎(chǔ)設(shè)施的抗震性能。日本《建筑基準(zhǔn)法》提出，應(yīng)通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，使建筑物在發(fā)生超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的地震時(shí)具備不發(fā)生毀滅性破壞的能力。為此，鐵道綜研研發(fā)和設(shè)計(jì)了多種新的基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)形式，如自重補(bǔ)償機(jī)構(gòu)（圖 7）。這種結(jié)構(gòu)形式比以往的構(gòu)造增加了多根支柱作為冗余備份，當(dāng)原主支柱被破壞時(shí)，備份支柱可對(duì)結(jié)構(gòu)起支撐作用，防止其坍塌。

圖7 自重補(bǔ)償機(jī)構(gòu)示意圖

4.2 地震早期預(yù)警系統(tǒng)

目前，日本新干線線路已裝備了改進(jìn)型的地震早期預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可利用地震初期的縱波（P波）進(jìn)行早期地震預(yù)警，并在強(qiáng)烈搖晃（即橫波（S波））到達(dá)之前發(fā)出預(yù)警信息，其在檢測(cè)到 P波 1 s后即可發(fā)出預(yù)警信息。

此外，鐵道綜研還開發(fā)了利用其他公共機(jī)構(gòu)所設(shè)地震儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行地震早期預(yù)警的系統(tǒng)，如利用海底地震儀數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警的系統(tǒng)（圖 8）。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)查詢和處理由日本防災(zāi)科學(xué)技術(shù)研究所管理的2個(gè)海底地震觀測(cè)網(wǎng)（S-net和DONET）測(cè)得的地震數(shù)據(jù)，并據(jù)此發(fā)出地震預(yù)警，其可比既有系統(tǒng)更早地發(fā)現(xiàn)海上發(fā)生的地震，從而大幅延長(zhǎng)預(yù)警響應(yīng)時(shí)間，減小地震造成的各種損失。該系統(tǒng)已經(jīng)于2017年運(yùn)用在新干線上。

圖8 使用海底地震儀數(shù)據(jù)進(jìn)行地震早期預(yù)警的系統(tǒng)

4.3 鐵路地震損傷預(yù)測(cè)信息發(fā)布系統(tǒng)

在中小型地震后、鐵路線路恢復(fù)運(yùn)營(yíng)前，需要根據(jù)沿線設(shè)置的地震儀所提供的數(shù)據(jù)信息（“點(diǎn)”狀數(shù)據(jù)信息），對(duì)地震影響范圍內(nèi)的全部線路按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢查，這樣會(huì)動(dòng)用大量的人力和物力，并延長(zhǎng)鐵路停運(yùn)的時(shí)間。為使線路盡快恢復(fù)運(yùn)營(yíng)，應(yīng)根據(jù)沿線地震強(qiáng)度的分布（“線”狀數(shù)據(jù)信息）和沿線鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的損傷情況，進(jìn)行按需檢查，從而縮小檢查范圍，縮短停運(yùn)時(shí)間。

為此，鐵道綜研開發(fā)了鐵路地震損傷預(yù)測(cè)信息發(fā)布系統(tǒng)（DISER）。該系統(tǒng)可在地震發(fā)生后直接調(diào)用日本防災(zāi)科學(xué)技術(shù)研究所管理的強(qiáng)震觀測(cè)網(wǎng)（K-NET）測(cè)得的數(shù)據(jù)，對(duì)線路沿線的地震強(qiáng)度和各種基礎(chǔ)設(shè)施的損傷情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，并在地震發(fā)生10～20 min后向相關(guān)鐵路運(yùn)營(yíng)企業(yè)發(fā)布預(yù)測(cè)信息，使其能夠更有效地進(jìn)行線路檢修。該系統(tǒng)已于2019年投入使用。