日本青函隧道防災(zāi)救援體系及對策分析

荊曉霞， 史俊玲， 沈通， 張久長， 張明月

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)信息研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081；3.北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，北京 100044）

1 青函隧道概況

青函隧道通過津輕海峽連接青森和北海道函館地區(qū)，工程建設(shè)歷時(shí)23年，于1988年3月投入使用，總投資約6 900億日元。青函隧道由3條隧道組成，全長53.9 km，其中海底部分23.3 km。建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為雙線高速鐵路隧道；采用三軌式板式軌道，有2種軌距，即普速列車為1 067 mm窄軌距、高速列車為1 435 mm標(biāo)準(zhǔn)軌距；隧道內(nèi)無水平段，最大坡度為12‰；最小曲線半徑6 500 m；海底最小埋深100 m；最大埋深140 m（見圖1）。

2016年3月26日，北海道新干線新青森—新函館北斗段開通運(yùn)營，將前后82 km線路作為高速線與普速線客貨混跑的共用區(qū)間，形成“普速/高速兼容、貨運(yùn)/客運(yùn)混跑”模式。普速海峽線最高運(yùn)行速度為110 km/h，高速旅客列車通過隧道的速度均為140 km/h以下［1］。

青函隧道作為日本史無前例的困難工程，在建設(shè)過程中歷盡艱險(xiǎn)，在涌水處理、供變電方式、應(yīng)急救援設(shè)備設(shè)施配置等方面有其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)。以青函隧道為主要區(qū)間的津輕海峽線，是聯(lián)結(jié)本州與北海道唯一的鐵路干線，其產(chǎn)權(quán)歸鐵道運(yùn)輸整備支援機(jī)構(gòu)所有，運(yùn)營由JR北海道旅客鐵道株式會社（簡稱JR北海道）承擔(dān)。

2 防災(zāi)救援體系設(shè)計(jì)原則和總體思路

2.1 防災(zāi)救援體系設(shè)計(jì)原則

青函隧道整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)注重“安全第一”原則，防災(zāi)救援體系設(shè)計(jì)堅(jiān)持“生命至上”原則。在設(shè)計(jì)和建設(shè)初期考慮了各種災(zāi)害的發(fā)生，包括火災(zāi)、地震、涌水等自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，能夠使乘客快速安全逃生。為此，在正線隧道兩側(cè)每間隔僅40 m就設(shè)置有橫通道，一旦發(fā)生各種災(zāi)害，乘客便能夠快速通過橫通道到達(dá)疏散通道，順利逃生。此外，還對隧道內(nèi)運(yùn)行的機(jī)車車輛提出了抗燃性的要求等。

圖1 青函隧道情況

2.2 防災(zāi)救援總體思路

青函隧道屬于長大海底隧道，中間區(qū)段呈下凹的長大坡道，其建造技術(shù)難度大、運(yùn)營維護(hù)管理復(fù)雜，發(fā)生災(zāi)難時(shí)需要救援活動的迅速響應(yīng)，因此日本針對青函隧道設(shè)立了一套完備的防災(zāi)救援體系和救援思路。

在青函隧道的防災(zāi)救援中，重點(diǎn)通過“定點(diǎn)”的方式進(jìn)行救援。隧道內(nèi)原設(shè)2個(gè)車站，分別為吉岡海底站（函館方向）和龍飛海底站（青森方向），北海道新干線開通后，將2個(gè)車站的客運(yùn)功能關(guān)閉，但保留了2個(gè)車站原設(shè)的應(yīng)急疏散“定點(diǎn)”（指設(shè)有通道和纜車等設(shè)備的應(yīng)急疏散點(diǎn)），以及原來僅在龍飛海底站設(shè)有的鋼纜軌道車救援設(shè)備。2個(gè)“定點(diǎn)”位于隧道兩端的陸地段。

定點(diǎn)內(nèi)的主要設(shè)備包括站臺、消防栓、臨時(shí)避難所、調(diào)度所遙控（100 lx級）應(yīng)急照明設(shè)備、噴淋消防設(shè)備、高速攝像頭、廣播向?qū)гO(shè)備，以及可連續(xù)72 h供電的應(yīng)急發(fā)電機(jī)等。青函隧道防災(zāi)設(shè)備設(shè)置見圖2，青函隧道定點(diǎn)避難設(shè)備設(shè)置見圖3。

圖2 青函隧道防災(zāi)設(shè)備設(shè)置

考慮到隧道可能發(fā)生的災(zāi)難事故主要包括列車火災(zāi)；車輛、設(shè)備故障；發(fā)生地震；大量涌水等。因此青函隧道制定了災(zāi)難事故發(fā)生時(shí)救援的總思路和優(yōu)先順序（見圖4）：

（1）受影響的列車自行駛出隧道；

（2）利用救援列車把受影響的列車牽出隧道，具體情況包括：鄰線車輛救援、疏散乘客；本線車輛救援、疏散乘客；本線車輛救援、重聯(lián)運(yùn)行；

（3）乘定點(diǎn)纜車疏散：乘客可利用龍飛、吉岡兩定點(diǎn)斜井設(shè)置的纜車疏散至地面，也可利用臺階（1 317級）步行約25 min疏散至地面；

（4）由陸地段斜井步梯疏散：在4處斜井，設(shè)有步行臺階，機(jī)動車坡道。

為了保證安全，青函隧道還安裝了防災(zāi)系統(tǒng)平臺（見圖5），該平臺由地面感知裝置、車載ATC信號度中心等構(gòu)成。風(fēng)向風(fēng)速計(jì)、地震檢知裝置、雨量計(jì)、降雪檢知計(jì)等裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測主要指標(biāo)狀況，一旦檢測到指標(biāo)超限，會及時(shí)上報(bào)并傳輸至列車防災(zāi)中央裝置，由列車防災(zāi)控制顯示屏顯示列車情況，判斷災(zāi)難程度，根據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)則，列車ATC信號可實(shí)現(xiàn)自動減速、停車以及排煙、通風(fēng)、噴淋、應(yīng)急照明等功能。

圖3 青函隧道定點(diǎn)避難設(shè)備

圖4 青函隧道防災(zāi)及乘客避難緊急預(yù)案的總體思路

3 防災(zāi)救援對策

3.1 火災(zāi)對策

3.1.1 預(yù)防火災(zāi)思路

考慮到青函隧道內(nèi)一旦發(fā)生列車火災(zāi)，駛出隧道需持續(xù)走行30 min以上，難以避免次生災(zāi)害的發(fā)生，因此，在隧道內(nèi)設(shè)置了2處“定點(diǎn)”，可供列車停車、乘客逃生和救援、滅火排煙換氣使用。

為了充分發(fā)揮“定點(diǎn)”的功能，及早檢知列車火災(zāi)，日本在青函隧道內(nèi)外地面共設(shè)有8處紅外線溫度傳感器火災(zāi)檢知裝置，通過監(jiān)視該點(diǎn)列車的軸溫?cái)?shù)據(jù)、車號數(shù)據(jù)、紅外線溫感數(shù)據(jù)，判斷列車是否發(fā)生火災(zāi)。

隧道外設(shè)置紅外線溫度傳感器的首要目的是對發(fā)生異常的列車顯示停車信號，阻止列車駛?cè)胨淼绤^(qū)間。當(dāng)?shù)?～3個(gè)傳感器檢知列車異常時(shí)，可使列車在“定點(diǎn)”位置停車。針對非明火的火災(zāi)，隧道內(nèi)設(shè)有5處煙霧感應(yīng)器等組成。當(dāng)檢知火災(zāi)發(fā)生時(shí)，火災(zāi)監(jiān)測點(diǎn)可利用通信信息控制監(jiān)視系統(tǒng)（CIC），將發(fā)生火災(zāi)的第幾輛車、第幾軸附近等相關(guān)信息向函館調(diào)度中心發(fā)送，同時(shí)可發(fā)送隧道內(nèi)走行列車側(cè)面圖片，并可在調(diào)度中心的屏幕以及電腦上顯示。

圖5 青函隧道內(nèi)的防災(zāi)系統(tǒng)平臺

青函隧道內(nèi)一旦發(fā)生火災(zāi)，處理順序如下：

（1）火災(zāi)列車若能夠持續(xù)走行至明區(qū)間，則由受影響的列車自行駛出隧道。

（2）火災(zāi)列車若能夠行駛至定點(diǎn)（龍飛、吉岡）停車，調(diào)度所遠(yuǎn)程控制開啟應(yīng)急照明，乘客可通過側(cè)通道下車，并前往定點(diǎn)的避難所進(jìn)行避難，調(diào)度所遠(yuǎn)程控制開啟應(yīng)急照明及排煙裝置，避難所配有長椅、衛(wèi)生間、防寒棚、飲用水等設(shè)施設(shè)備，供應(yīng)急避難者使用。

（3）火災(zāi)列車若不可自主走行并停在海底段或陸地段時(shí)，調(diào)度所遠(yuǎn)程控制開啟應(yīng)急照明，并控制風(fēng)向阻止煙霧進(jìn)入作業(yè)導(dǎo)坑、先導(dǎo)坑，或使煙霧方向與避難走向相反，乘客可使用應(yīng)急梯子下車，并前往定點(diǎn)的避難所進(jìn)行避難［3］。

3.1.2 火災(zāi)對策設(shè)備

（1）火災(zāi)檢知設(shè)備。包括紅外線溫度傳感器、火災(zāi)檢知器以及煙霧感應(yīng)器（見圖6）。上下行線路共設(shè)置8個(gè)紅外線攝像頭，測試列車兩側(cè)車體表面溫度，可與計(jì)軸器聯(lián)動、一并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可檢知火災(zāi)發(fā)生的位置（列車具體車輛及部位）；而煙霧感應(yīng)器則作為紅外線溫度感應(yīng)式火災(zāi)檢知器功能方面的補(bǔ)充，隧道內(nèi)設(shè)有5處煙霧感應(yīng)器。

圖6 青函隧道定點(diǎn)內(nèi)列車火災(zāi)檢知設(shè)備

（2）列車控制設(shè)備。包括火災(zāi)列車停車裝置以及列車防護(hù)停車裝置。火災(zāi)列車停車裝置一旦檢知火災(zāi)發(fā)生，制動顯示燈和停車位置目標(biāo)燈即亮起，由司機(jī)手動停車；北海道新干線開通后，ATC信號可實(shí)現(xiàn)自動減速，可由司機(jī)手動定位停車?；馂?zāi)檢知器與列車防護(hù)停車裝置聯(lián)動，可自動經(jīng)由軌道電路向后續(xù)列車、對向列車發(fā)送停車信號。

（3）消防設(shè)備。青函隧道在“定點(diǎn)”和隧道外停車場設(shè)有消防設(shè)備，列車一旦發(fā)生火災(zāi)，原則上應(yīng)在就近的“定點(diǎn)”位置或者隧道外停車場進(jìn)行停車，并實(shí)施消防救援活動。

（4）換氣設(shè)備。根據(jù)長大海底隧道內(nèi)溫升、排煙的技術(shù)要求，青函隧道采用縱流換氣方式。在各豎井內(nèi)設(shè)置風(fēng)機(jī)，新鮮空氣由斜井的進(jìn)氣扇進(jìn)入，經(jīng)由先導(dǎo)坑、橫通道送入正線隧道，并流向陸地段正線隧道口（見圖7）。

（5）排煙設(shè)備。發(fā)生火災(zāi)的列車在“定點(diǎn)”停車后，打開斜井與定點(diǎn)之間通道的風(fēng)門，使換氣流通過斜井的進(jìn)氣扇進(jìn)入，并沿著疏散通道，運(yùn)送到火災(zāi)發(fā)生點(diǎn)，同時(shí)由豎井排煙扇運(yùn)轉(zhuǎn)將煙霧排出。乘客疏散通道線路是由正線隧道，經(jīng)由橫通道進(jìn)入疏散通道到達(dá)臨時(shí)避難所，或繼續(xù)經(jīng)由斜井走行至氣密室。乘客疏散通道方向與氣流方向相反，以此保證乘客人身安全（見圖8）。

（6）避難向?qū)гO(shè)備。火災(zāi)列車在“定點(diǎn)”停車、乘客抵達(dá)臨時(shí)避難所后，如需將乘客疏散至隧道外部時(shí)，可使用攝像頭觀察現(xiàn)場情況，進(jìn)行廣播向?qū)枭ⅰ?/p>

（7）信息聯(lián)絡(luò)設(shè)備。青函隧道列車配備列車無線、乘務(wù)員無線等多種聯(lián)絡(luò)設(shè)備，確保隧道內(nèi)與調(diào)度所之間信息溝通順暢［5］。

圖7 青函隧道定點(diǎn)內(nèi)正常換氣狀態(tài)

圖8 青函隧道定點(diǎn)內(nèi)火災(zāi)時(shí)的排煙狀態(tài)

3.2 地震對策

3.2.1 地震對策思路

青函隧道內(nèi)地震儀設(shè)有8處，襯砌應(yīng)變計(jì)設(shè)有4處，地震停車閾值設(shè)為120 gal以上，一旦停車后可慢行駛出隧道。當(dāng)監(jiān)測到青函隧道內(nèi)發(fā)生地震時(shí)，列車控制采用由地震儀閾值報(bào)警信息觸發(fā)ATC停車信號的方式。同時(shí)，利用地震報(bào)警器和長期監(jiān)視系統(tǒng)（地震預(yù)警系統(tǒng)、隧道襯砌應(yīng)變計(jì)、涌水量監(jiān)測系統(tǒng)）可迅速實(shí)施信息處理、做出恢復(fù)行車的判斷。

3.2.2 地震對策設(shè)備

（1）地震防災(zāi)系統(tǒng)。由單臺地震儀、地震預(yù)警系統(tǒng)、高靈敏度應(yīng)變計(jì)、流量計(jì)、溫度計(jì)、氣壓計(jì)以及設(shè)置在函館中央處理裝置CTC構(gòu)成；單臺地震儀布置在隧道口及斷層處共6處，明區(qū)間的運(yùn)行控制設(shè)置2處；地震預(yù)警系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)地震儀分別設(shè)置在隧道兩口、兩豎井共4處；目前，該地震防災(zāi)系統(tǒng)正在開展發(fā)出地震報(bào)警后的處置預(yù)案研究。

（2）高靈敏度應(yīng)變計(jì)。高靈敏度應(yīng)變計(jì)布置在對應(yīng)4處斷層的隧道襯砌體上。由于位于巖體內(nèi)部的隧道主要受地震時(shí)斷層運(yùn)動的剪切作用，因此，對于4處斷層以50 m間隔、分別在圓周截面（7臺）和軸向（2～3臺）共布置28臺高靈敏度應(yīng)變計(jì)，用于監(jiān)測隧道襯砌體的應(yīng)力變化；常時(shí)采樣頻率為1次/min；單臺地震儀啟動1/100 s高頻率采樣的閾值為5 gal實(shí)測振動；中央處理裝置CTC終端也可任意設(shè)定采樣頻率。

3.3 大量涌水對策

青函隧道并非建設(shè)在堅(jiān)硬的巖層上，且穿過多個(gè)地質(zhì)斷層，在施工過程中曾發(fā)生大量的涌水現(xiàn)象。海底隧道發(fā)生異常時(shí)，也多伴有涌水現(xiàn)象發(fā)生。

因此，青函隧道對異常涌水問題進(jìn)行長期監(jiān)測，在先導(dǎo)坑、作業(yè)導(dǎo)坑、正線隧道等共27處設(shè)有流量計(jì)，可監(jiān)視每隔1 min的水流量變化。同時(shí)，溫度計(jì)、濕度計(jì)、氣壓計(jì)用作應(yīng)變計(jì)數(shù)據(jù)修正，并設(shè)有水泵用應(yīng)急發(fā)電機(jī)，當(dāng)水泵排水能力不足時(shí)，可由正線隧道下部的先導(dǎo)坑儲水。通過設(shè)置涌水監(jiān)測系統(tǒng)，可檢知地震時(shí)的異常涌水現(xiàn)象，調(diào)度所可隨時(shí)掌握隧道以及圍巖的老化情況，以便及時(shí)發(fā)出應(yīng)急處置指令［4］。

3.4 腐蝕對策

青函隧道內(nèi)的腐蝕對策，包括軌道及軌道電路防腐蝕、襯砌止水、列車風(fēng)粉塵和鹽防腐蝕、電氣設(shè)備柜架防銹蝕等。

青函隧道主要針對海底輔助供電分區(qū)所、海底隧道防災(zāi)斷路器采取了防腐蝕對策。鑒于變電設(shè)備形狀各異、材料不同，既有暴露在多濕、多鹽環(huán)境中的金屬材料，又有收納在透氣性差的配電柜中的配電盤和電子元件等。因此，采用帶金屬容器屏蔽的氣體絕緣開關(guān)（GIS），并對外殼金屬施加改性聚乙烯樹脂（320 μm）涂裝的方法。同時(shí)由于框體形狀、材質(zhì)、厚度、涂裝的不同而導(dǎo)致生銹狀況各異，為了防止加工時(shí)的孔內(nèi)腐蝕，采用了不銹鋼（SUS316）材料加樹脂涂裝的防腐工藝處理。

津輕海峽線的電力設(shè)備，采用了東北—上越新干線、城軌京葉線的最新技術(shù)，以提升可靠性和少維護(hù)性。尤其是處于多濕多鹽特殊環(huán)境的青函隧道在供變電設(shè)備施工前，進(jìn)行了軌道電路及其電料環(huán)境的適應(yīng)性比選試驗(yàn)。變電所（含變電所、供電分區(qū)所、輔助供電分區(qū)所等）設(shè)備，考慮風(fēng)雪和鹽腐蝕等嚴(yán)酷環(huán)境條件，采用氣體絕緣開關(guān)（GIS）。變電所及電力配電所的遠(yuǎn)程監(jiān)視控制，為提升可靠性，基于東北—上越新干線的“綜研W型”，采用了新研發(fā)的“綜研W3型”遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由變電所配電盤、遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置、信息處理裝置構(gòu)成，函館中心采用基于CRT的遠(yuǎn)程監(jiān)控方式［6］。

4 典型案例：特快超級白鳥號34次列車電機(jī)燒損事故

2015年4月3日，由函館站始發(fā)開往新青森方向的特快超級白鳥號34次列車，在津輕海峽線知內(nèi)信號所至津輕今別站間，列車5號車輛出現(xiàn)異?；鸹?，隨即進(jìn)行停車處置，由于車內(nèi)煙霧彌漫，采取乘客下車避難的應(yīng)急措施。停車后乘客下車步行至龍飛定點(diǎn)，乘纜車疏散至地面。經(jīng)調(diào)查顯示，發(fā)生事故的5號車輛裝載4臺電機(jī)，直徑約18 mm的配線全部燒損，電機(jī)因發(fā)熱而殼體變色，橡膠材質(zhì)的散熱排風(fēng)管和配線外皮燒焦。經(jīng)分析推斷，事故原因起初因配線過流、過熱而發(fā)生外皮燒損；后因電機(jī)過流、線圈過熱而造成殼體變色、橡膠排風(fēng)管燒焦，進(jìn)而出現(xiàn)異味和煙霧。5號事故車輛狀態(tài)見圖9。

圖9 5號車事故車輛狀態(tài)

在事故發(fā)生后，針對隧道發(fā)生列車火災(zāi)事故，采取了一系列后續(xù)處理措施［1］：

（1）對電機(jī)牽引電路加裝過流保護(hù)器；

（2）對隧道內(nèi)應(yīng)急疏散路線指示牌、攝像頭、廣播等避難向?qū)гO(shè)備進(jìn)行了強(qiáng)化整改，并修訂了《青函隧道應(yīng)急預(yù)案手冊》；

（3）鋪畫通往定點(diǎn)避難所的地面疏導(dǎo)線、新設(shè)應(yīng)急照明燈；

（4）更新纜車，定員由16名增至40名；

（5）增加（多家通信公司）手機(jī)信號覆蓋；

（6）增設(shè)隧道內(nèi)陸地段避難所攝像頭和音頻設(shè)備，新干線調(diào)度中心可實(shí)時(shí)監(jiān)視、進(jìn)行應(yīng)急廣播；

（7）實(shí)施應(yīng)急疏散演練。

5 結(jié)束語

日本對青函隧道制定了完善的防災(zāi)救援體系，并配備了針對性的防災(zāi)設(shè)備。在青函隧道的防災(zāi)救援中，重點(diǎn)通過應(yīng)急疏散“定點(diǎn)”方式進(jìn)行救援，乘客可通過纜車、側(cè)通道、應(yīng)急梯子等方式疏散。為有效預(yù)防火災(zāi)、地震、涌水、腐蝕等現(xiàn)象，日本在青函隧道內(nèi)配備了火災(zāi)檢知設(shè)備、換氣排煙設(shè)備、地震防災(zāi)系統(tǒng)、流量計(jì)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等，有效避免了事故的發(fā)生。總體來看，青函隧道的防災(zāi)避難總體思路及對策已經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，可以為后續(xù)海底隧道建設(shè)、運(yùn)營及防災(zāi)救援體系構(gòu)建提供重要的參考和借鑒。