日本青函隧道的技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用情況

張久長(zhǎng)，史俊玲，曲云騰

（1. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 辦公室，北京 100081；2. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 科學(xué)技術(shù)信息研究所，北京 100081；3. 中國(guó)鐵路總公司 科技管理部，北京 100844）

日本青函隧道的技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用情況

張久長(zhǎng)1，史俊玲2，曲云騰3

（1. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 辦公室，北京 100081；2. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 科學(xué)技術(shù)信息研究所，北京 100081；3. 中國(guó)鐵路總公司 科技管理部，北京 100844）

青函隧道作為日本世紀(jì)性的海底隧道工程，建設(shè)期間經(jīng)歷無(wú)數(shù)艱險(xiǎn)，克服了多項(xiàng)技術(shù)難題，在開通后近30年的運(yùn)營(yíng)中獲得了諸多寶貴經(jīng)驗(yàn)。實(shí)踐表明，青函隧道目前涌水處于可控程度、應(yīng)急救援設(shè)備切實(shí)有效，但也存在超前導(dǎo)坑變形、軌道電路易發(fā)生短路事故、共用區(qū)間有待提速等問題。從青函隧道的技術(shù)特點(diǎn)出發(fā)，介紹隧道多年來(lái)的應(yīng)用情況，為我國(guó)鐵路海底隧道的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供參考和借鑒。

青函隧道；海底隧道；北海道新干線；提速；共用區(qū)間

1 概述

日本北海道地區(qū)與本州之間相隔一條海峽——津輕海峽，該海峽風(fēng)大浪高，水深流急，東西長(zhǎng)約130 km，最大水深約450 m，主航道為公海。傳統(tǒng)上，北海道與本州之間的客貨運(yùn)輸主要依靠青函鐵路輪渡，從青森到海峽對(duì)岸的函館，海上航行約需要4.5 h，且臺(tái)風(fēng)季節(jié)容易發(fā)生安全事故，每年至少要中斷海運(yùn)數(shù)十次。這種脆弱的交通方式，嚴(yán)重制約北海道與本州的溝通和外向型經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1]。因此，日本政府希望以更經(jīng)濟(jì)、便利、安全的陸地交通方式來(lái)替代海上輪渡運(yùn)輸[2]。

考慮到海底隧道具有不占用陸地資源，不妨礙海上航行，不影響生態(tài)環(huán)境等特點(diǎn)，是一種安全且全天候的海峽通道，青函鐵路隧道工程于1954年9月立項(xiàng)，1964年1月開挖，1985年3月貫通，1987年11月竣工，從開工到竣工歷時(shí)23年。

1988年3月13日，普速鐵路海峽線中小國(guó)—木古內(nèi)段（含隧道內(nèi)2個(gè)海底車站）開通運(yùn)營(yíng)，即日起，青函鐵路輪渡取消客運(yùn)業(yè)務(wù)。青函隧道采用客貨混跑運(yùn)營(yíng)組織方式，成為聯(lián)系北海道與本州的重要客貨運(yùn)輸通道，開行了臥鋪特快“北斗星號(hào)”、特快“超級(jí)白鳥號(hào)”等旅客列車，以及集裝箱貨物列車等。開通之初每天開行旅客列車30列、貨物列車51列。與利用輪渡時(shí)期相比，北海道農(nóng)牧產(chǎn)品、紙制品、汽車零部件等貨物的上行運(yùn)量有了顯著增加，首都圈發(fā)往北海道的行包、日用百貨、食品、雜志出版物等貨物的下行在途時(shí)間顯著縮短[3]。

2006年8月，青函隧道開始實(shí)施既有普速窄軌鐵路增設(shè)準(zhǔn)軌第三軌高速鐵路工程，并于2014年12月完工。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(yíng)。新干線開通的同時(shí)，隧道內(nèi)繼續(xù)保持貨物運(yùn)輸，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，共用區(qū)間形成“普速/高速兼容、貨運(yùn)/客運(yùn)混跑”模式[4]。其中，普速海峽線為1 067 mm軌距，北海道新干線為1 435 mm軌距。根據(jù)隧道內(nèi)高速會(huì)車試驗(yàn)結(jié)果，確定普速海峽線最高運(yùn)行速度為110 km/h，高速旅客列車通過隧道的最高速度為140 km/h。

總體來(lái)看，從1988年既有線開通運(yùn)營(yíng)，到2016年北海道新干線開通運(yùn)營(yíng)，青函隧道培養(yǎng)了一批對(duì)青函隧道客貨運(yùn)輸有依賴性的固定客戶群。青函隧道以其“安全、正點(diǎn)、大運(yùn)量”的優(yōu)勢(shì)，對(duì)北海道與本州之間的客貨運(yùn)輸發(fā)揮了重要作用[5]。

2 技術(shù)特點(diǎn)

青函隧道全長(zhǎng)53.9 km，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為雙線高速鐵路隧道。馬蹄形斷面寬度為9.70 m、高度為7.85 m；采用三軌式板式軌道、構(gòu)成2種軌距，即普速1 067 mm窄軌距、高速1 435 mm標(biāo)準(zhǔn)軌距；隧道內(nèi)無(wú)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；最大水深140 m。青函隧道內(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，取消了普速海峽線的客運(yùn)業(yè)務(wù)，將這2個(gè)車站關(guān)閉，但保留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)），以及原僅在龍飛海底站設(shè)有的鋼纜軌道車救援設(shè)備。青函隧道位置及縱截面分別見圖1、圖2。

青函隧道作為日本史無(wú)前例的困難工程，在建設(shè)過程中歷盡無(wú)數(shù)艱險(xiǎn)，在涌水處理、掘進(jìn)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)。

2.1 涌水處理

圖1 青函隧道位置

圖2 青函隧道縱截面

青函隧道海底段約占總長(zhǎng)度的一半，掘進(jìn)施工過程中，曾經(jīng)發(fā)生3次較大的涌水事故，造成作業(yè)面被淹沒和多人喪生。其中最嚴(yán)重的一次是1976年5月6日，吉岡平行導(dǎo)坑發(fā)生的大量涌水事故，最大涌水量達(dá)80 m3/min。

鑒于海底段為第三紀(jì)火山巖與堆積巖交錯(cuò)的多斷層、富于軟硬巖變化的復(fù)雜地質(zhì)條件，青函隧道采用“先挖豎井和超前導(dǎo)坑，再挖平行導(dǎo)坑，后挖正洞”的基本施工方案。其中，豎井既是施工送風(fēng)、也是火災(zāi)排煙的換氣設(shè)施；超前導(dǎo)坑是為施工方案研究而進(jìn)行地質(zhì)鉆探調(diào)查的坑道，處于正洞的下方，兼作容納涌水的坑道；平行導(dǎo)坑是正洞掘進(jìn)時(shí)棄土搬運(yùn)和人員出入的施工通道，其開挖過程也是對(duì)地質(zhì)鉆探調(diào)查的驗(yàn)證，是為確定正洞掘進(jìn)施工方法的試驗(yàn)性施工。青函隧道（正洞及導(dǎo)坑）結(jié)構(gòu)示意見圖3。

青函隧道針對(duì)高壓涌水，采用速凝劑止水。但在最小埋深僅有100 m、穿越多斷層的海底段，上方承受有深度140 m海峽的巨大水壓，做到完全止水是不現(xiàn)實(shí)的。因此，隧道內(nèi)設(shè)有3處施工排水泵站，其中龍飛泵站的排水設(shè)備能力為110 m3/min，吉岡泵站為98 m3/min。隧道開通后，龍飛泵站仍需要常年不斷地進(jìn)行排水作業(yè)，排水量因季節(jié)而變化，平均為40 m3/min。

圖3 青函隧道（正洞及導(dǎo)坑）結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 掘進(jìn)施工

青函隧道采用的掘進(jìn)施工方法，按工藝劃分主要有TBM法和新奧法2種；按工序劃分主要有“下導(dǎo)坑先墻后拱法”和“側(cè)壁導(dǎo)坑先墻后拱法”2種（見圖4）。青函隧道根據(jù)自身特點(diǎn)，采用的配套關(guān)鍵技術(shù)包括千米級(jí)超長(zhǎng)水平鉆探（因不同圍巖硬度，可達(dá)1 000～2 150 m）、水玻璃泥漿泵壓軟巖加固、激光量測(cè)等。新奧法以維護(hù)和利用圍巖的自承能力為基點(diǎn)，采用錨桿和噴射混凝土為主要支護(hù)手段（見圖5），掘進(jìn)之后及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，控制圍巖的變形和松弛，使圍巖成為支護(hù)體系的組成部分，作為快速穩(wěn)定圍巖的有效方法，對(duì)提高掘進(jìn)施工效率起到了重要作用。襯砌采用預(yù)制管片拼裝加螺栓固定，以及背后注漿施工法。

2.3 第三軌鋪設(shè)

青函隧道預(yù)留第三軌1 435 mm標(biāo)準(zhǔn)軌距高速線路鋪設(shè)條件。在普速線開通運(yùn)營(yíng)18年后，第三軌于2006年開始鋪設(shè)、2013年完工。雙線第三軌均鋪設(shè)在上下行線的一側(cè)，鋪設(shè)的同時(shí)更新了普速線路的鋼軌墊板，并按照高速線路軌道平順度的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了全面調(diào)整。一期、二期軌道結(jié)構(gòu)見圖6、圖7。

2.4 共用區(qū)間兼容性改造

青函隧道于2013年實(shí)施了共用區(qū)間的接觸網(wǎng)導(dǎo)線偏位調(diào)整，以及供電系統(tǒng)升級(jí)改造（見圖8）。共用區(qū)間既有線原采用的20 kV直流供電改造為新干線25 kV交流供電方式；重新鋪設(shè)了信號(hào)電纜，統(tǒng)一升級(jí)為新干線DS-ATC信號(hào)系統(tǒng)。對(duì)普速海峽線集裝箱貨運(yùn)電力機(jī)車也相應(yīng)進(jìn)行改造，一是牽引系統(tǒng)兼容2種不同供電系統(tǒng)；二是信號(hào)系統(tǒng)兼容原采用的ATC-L信號(hào)方式。

圖4 下導(dǎo)坑/側(cè)壁導(dǎo)坑先墻后拱法

圖5 土工錨桿支護(hù)法

圖6 青函隧道一期普速線路（1 067 mm軌距）

圖7 青函隧道二期普速/高速共用區(qū)間三軌線路

圖8 共用區(qū)間改造和調(diào)整示意圖

2.5 應(yīng)急救援設(shè)備

列車運(yùn)行的主隧道一旦發(fā)生事故，人員緊急疏散的路徑是沿側(cè)壁通道步行至橫向通道，經(jīng)過疏散通道到達(dá)避難所。在龍飛“定點(diǎn)”，乘坐鋼纜軌道救援車（定員15人），或者步行均可到達(dá)隧道外地面；在吉岡“定點(diǎn)”只有步行疏散通道，未設(shè)救援車設(shè)備。逃生路線示意見圖9。

圖9 逃生路線示意圖

3 應(yīng)用情況

3.1 涌水處理達(dá)到可控程度

目前，青函隧道工后涌水達(dá)到了可控程度，并且隧道陸地段涌出的淡水已得到商業(yè)開發(fā)利用。現(xiàn)在利用淡水涌水制成的產(chǎn)品，主要有瓶裝飲用水和清酒等。2010年6月，作為環(huán)保示范項(xiàng)目，建設(shè)了利用淡水涌水的“龍飛地區(qū)小型水力發(fā)電站”。該發(fā)電站年發(fā)電量為21萬(wàn)kW·h，相當(dāng)于50～60戶一般家庭的年消費(fèi)量。此外，海底段涌出海水也得到部分利用，例如海水養(yǎng)殖、冬季道路的融雪作業(yè)等。

3.2 超前導(dǎo)坑發(fā)生變形

青函隧道超前導(dǎo)坑于1967年開挖，圍巖受涌水沖刷和壓強(qiáng)作用，工后50年發(fā)生顯著變形。2017年2月8日J(rèn)R北海道公司公布，具有排水和換氣功能的超前導(dǎo)坑發(fā)生變形，橫向直徑收縮47 mm，底面沿縱向隆起52 mm，襯砌混凝土大面積脫落。目前日本方面正在研究加固方案。青函隧道變形情況見圖10。

圖10 青函隧道變形情況

3.3 軌道電路易發(fā)生短路事故

增設(shè)第三軌后，2根鋼軌之間空間狹窄，最小間距為37 cm，扣件及絕緣件之間僅有4 cm，如掉落金屬異物容易發(fā)生軌道電路的短路事故。例如，2016年6月12日北海道新干線高速列車在青函隧道內(nèi)發(fā)生2起緊急停車事故，其原因都是隧道內(nèi)新干線與既有線鋼軌間散落的金屬片導(dǎo)致軌道電路短路。

3.4 應(yīng)急救援設(shè)備切實(shí)發(fā)揮作用

2015年4月3日，函館始發(fā)開往新青森方向的特快“超級(jí)白鳥”34號(hào)列車運(yùn)行至青函隧道段時(shí)發(fā)生牽引電路過載燒損事故（見圖11、圖12）。列車行駛至距離龍飛“定點(diǎn)”約1 km處隧道內(nèi)緊急停車，司機(jī)下車約15 min后完成滅火。同時(shí)由車長(zhǎng)引導(dǎo)約120名乘客沿側(cè)壁通道步行1 km至龍飛“定點(diǎn)”，安全疏散至地面。這是青函隧道自1988年開通運(yùn)營(yíng)以來(lái)首次發(fā)生列車事故并進(jìn)行乘客緊急疏散的情況，“定點(diǎn)”的設(shè)置在應(yīng)急救援中發(fā)揮了重要作用。

圖11 特快“超級(jí)白鳥”34號(hào)列車冒煙

圖12 牽引電路過載燒損事故

3.5 共用區(qū)間亟待提速

為確保安全，青函隧道前后82 km的共用區(qū)間內(nèi)要求最高運(yùn)行速度為140 km/h，使新函館北斗—東京站的新干線列車全程旅行時(shí)間最短為4 h 2 min，只有將新干線列車的旅行時(shí)分縮短至3h以內(nèi)，才具有與航空競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)[6]。為此，日本國(guó)土交通省組織“青函隧道共用走行區(qū)間技術(shù)研究課題組”（簡(jiǎn)稱課題組）開展相關(guān)研究工作。

3.5.1 提速障礙

目前，北海道新干線在共用區(qū)間提速還存在三大障礙：一是線路維修作業(yè)受限；二是確認(rèn)車和運(yùn)營(yíng)車短缺；三是運(yùn)行圖優(yōu)化困難。以上三大障礙使該線在理論意義上不可能于2018年實(shí)現(xiàn)隧道通過速度提高至200 km/h、全程旅行時(shí)間縮短至3 h以內(nèi)的初期目標(biāo)，至少也需要到2019年甚至2020年才能達(dá)到[7]。具體表現(xiàn)如下：

（1）線路維修作業(yè)受限。一方面，隧道內(nèi)維修作業(yè)量相對(duì)較大，難以在“夜間維修天窗”內(nèi)完全消化；另一方面，提速試驗(yàn)有必要在夜間進(jìn)行，與“夜間維修天窗”存在沖突。此外，由于青函隧道為海底隧道，鋼軌處于不利的氯腐蝕環(huán)境下，傷損和短波不平順的維修作業(yè)量相對(duì)較大，且受“夜間維修天窗”限制，難以長(zhǎng)期維持以200 km/h以上速度運(yùn)行的線路條件。

（2）試驗(yàn)所需車輛短缺。提速試驗(yàn)時(shí)，在開啟“貨車限行天窗”后、開行高速列車之前，需先開行具有一定高速性能的“安全確認(rèn)車”，目視檢查線路狀態(tài)和軌道上的障礙物等，但“安全確認(rèn)車”尚在制造中，最早于2017年底交付。另外，目前可用于高速走行試驗(yàn)的E5/H5系高速列車數(shù)量不足，不能滿足夜間試驗(yàn)的需求。因此，高速走行試驗(yàn)至少要到2018年春季才能開始。

（3）運(yùn)行圖優(yōu)化困難。首先，提速試驗(yàn)與貨物列車之間存在沖突，如果延長(zhǎng)夜間上線作業(yè)時(shí)間，則需減少貨物列車開行頻次；如果白天進(jìn)行高速試驗(yàn)，則需停開貨物列車。而減少貨物列車頻次會(huì)使上行首都圈方向的蔬菜等生鮮食品錯(cuò)過消費(fèi)市場(chǎng)的批發(fā)時(shí)段、下行北海道方向的日雜商品和出版物等將遲至次日到達(dá)。其次，如果開行直快列車則需先開行“安全確認(rèn)車”，會(huì)對(duì)既有上下行2對(duì)列車的圖定開行造成影響；如果選用“安全確認(rèn)車在夜間作業(yè)結(jié)束后上線走行替代凌晨首發(fā)”的方案，則始發(fā)列車必須增加奧津輕今別站和木古內(nèi)站2個(gè)?？空?，否則將使隧道提速至200 km/h的效果降低。

3.5.2 提速基本技術(shù)路線

針對(duì)提速相關(guān)問題，課題組綜合考慮提速控制因素，分別設(shè)定了提速的短期方案和長(zhǎng)期方案，另外還提出了新建第二青函隧道方案及其他比選方案[8]。提速基本技術(shù)路線見圖13。

圖13 青函隧道提速基本技術(shù)路線

短期方案：即在一定時(shí)期和范圍內(nèi)進(jìn)行提速。例如開設(shè)“每日2 h貨物列車限行天窗”，該天窗內(nèi)允許高速旅客列車以200 km/h以下速度通過，且對(duì)“平時(shí)每日僅開行下行1列”或“繁忙期每日僅開行臨客幾列”等方案進(jìn)行比選。

長(zhǎng)期方案：即駝背運(yùn)輸方案。取消第三軌、消除容易存留金屬異物造成信號(hào)短路的有害空間，統(tǒng)一為標(biāo)準(zhǔn)軌距。貨車使用高速標(biāo)準(zhǔn)托盤，采用基于高速客貨混跑的駝背運(yùn)輸方式。

新建第二青函隧道方案是計(jì)劃花費(fèi)15年工期和約3 900億日元沿既有青函隧道建設(shè)長(zhǎng)度為57 km的單線貨運(yùn)專線，實(shí)現(xiàn)青函隧道客貨運(yùn)輸分離，并釋放北海道新干線運(yùn)力。

其他比選方案包括恢復(fù)津輕海峽鐵路輪渡貨運(yùn)業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)青函隧道客貨運(yùn)輸分離；采用變軌距輪對(duì)技術(shù)、取消第三軌。但上述方案目前未列入正式比選范圍。

4 結(jié)束語(yǔ)

青函隧道的建設(shè)創(chuàng)造了多項(xiàng)世界奇跡，在運(yùn)營(yíng)近30年的過程中為北海道地區(qū)和本州地區(qū)的聯(lián)系作出了重要貢獻(xiàn)。但青函隧道在運(yùn)用中也出現(xiàn)了涌水、變形，以及增設(shè)第三軌出現(xiàn)的兼容性不足等問題，至今還需要克服共用區(qū)間提速等技術(shù)難題。青函隧道的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)，都可對(duì)我國(guó)海底隧道設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

[1] 相浦宣德. 青函隧道新干線與貨物列車混跑對(duì)北海道向外運(yùn)輸?shù)挠绊慬EB/OL].（2013-02-01）[2017-03-05]. http://www.hkk.or.jp/kouhou/file/ no613_report-1.pdf#search=%27%E9%9D%92%E5%87 %BD%E3%83%88%E3%83%B3%E3%83%8D%E3%83%A B%E3%81%AB%E3%81%8A%E3%81%91%E3%82% 8B%27.

[2] 田中角榮. 日本列島改造論[M]. 東京：日刊工業(yè)新聞社出版，1972.

[3] 末吉史樹. 北海道新幹線より重要？「止められない」青函トンネルの貨物列車[EB/OL].（2015-10-17）[2017-03-02]. https://trafficnews.jp/ post/44430/.

[4] JR北海道公司. 青函隧道新干線客車與貨車混跑優(yōu)化方案[EB/OL].（2012-02-27）[2017-03-05]. http:// www.mlit.go.jp/common/000192889.pdf#search=%27%E9 %9D%92%E5%87%BD%E3%83%88%E3%83%B3%E3%8 3%8D%E3%83%AB%E5%8C%BA%E9%96%93%E3%81%A B%E3%81%8A%E3%81%91%E3%82%8B%27.

[5] 日本銀行函館支店. 北海道新幹線の開業(yè)効果[EB/OL].（2016-12-30）[2017-03-06]. https://www. travelvoice.jp/20161230-73712.

[6] 東洋経済オンライン. 北海道新幹線「4時(shí)間の壁」阻む3つのハードル[EB/OL].（2017-01-13）[2017-02-12]. http://zasshi.news.yahoo.co.jp/ article?a=20170113-00152785-toyo-bus_all.

[7] 雅虎日本新聞. ＜北海道新幹線＞「早期高速化を」地元協(xié)議會(huì)で聲[EB/OL].（2016-11-22）[2017-03-06].https://search.yahoo.co.jp/ search?p=http%3A%2F%2Fheadlines.yahoo.co.jp% 2Fhl%3Fa%3D20161122-00000141-mai-soci&search. x=1&fr=top_ga1_sa&tid=top_ga1_sa&ei=UTF-8&aq=&oq=&afs=.

[8] 日野智. 北海道—本州段鐵道貨運(yùn)的作用及其存續(xù)方策研究[J]. 土木計(jì)劃學(xué)論文集，2000(17)：827-834.

責(zé)任編輯 李鳳玲

Technical Specifications and Operation of Seikan Submarine Tunnel

ZHANG Jiuchang1，SHI Junling2，QU Yunteng3
（1. General Ofce，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2. Scientifc and Technological Information Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；3. Department of Science and Technology Management，CHINA RAILWAY，Beijing 100844，China）

As the centurial project of Japan, Seikan submarine tunnel overcame numerous difficulties and technical challenges amid construction. Thanks to its operation over the past 3 decades, Japan has accumulated valuable experience in the process. It is proven that the volume of water infow in well under control and the contingency equipment is both practical and efective. However, the deformation of advance heading is noticed, short circuit accident is prone to occur on track circuit and the shared section is in need of a speed-up campaign. The paper outlines the technical characteristics and operation of the Seikan tunnel, which provides reference to the design and construction of submarine railway tunnels in China.

Seikan tunnel；submarine tunnel；Hokkaido Shinkansen；speed-up campaign；shared section

U459.1

A

1001-683X（2017）05-0091-07

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.05.091

2017-03-09

張久長(zhǎng)（1959—），男，外事主管。

E-mail：jchzhang@rails.cn

史俊玲（1976—），女，副研究員，碩士。

E-mail：shijl@rails.cn