高速列车行车安全和防灾概述

1.4　高速列车行车安全和防灾概述

1.4.1　高速列车的安全和防灾应考虑的基本方面

人们在选择出行方式的时候，越来越关注旅行方式的安全性。安全与防灾是高速铁路运营的根本前提和保证。与一般铁路相比，高速铁路潜在的不安全因素更多，因此安全性要求也更高。对于高速铁路的安全与防灾而言，除了列车、配套设备本身的质量和安全外，还有整个路网的安全性与防灾能力以及全线设备的维护机制等等方面。下面，笔者仅就与高速列车的安全和防灾有着较为密切关系的几个基本方面进行一些阐述。

1.高速度

对所有交通工具而言，高速度都是引起安全问题的主要因素。高速列车是旅客出行的承载工具，一旦高速列车发生事故，旅客安全将直接受到威胁。在200km/h以上的高速条件下运行的高速列车必然导致轮轨作用力加剧、蛇行运动频率增大、横向运动失稳可能性增加；轨道激振频率范围加大，轨道对转向架的激振增强；曲线通过条件恶化，不平衡的离心力和轮轨横向作用力增大；紧急制动需要的消耗能量急剧增加，制动距离大幅度加长等。此外，列车持续高速运行，给列车带来了频繁的冲击，车轴、轮对、紧固件、制动闸片等关键零部件长期受到冲击或摩擦，容易导致结构以及材料疲劳，从而形成裂纹、接触表面塌陷、剥离等疲劳伤损。我们必须重视这些高速度所带来的影响，以确保列车在持续高速行驶下的安全性与稳定性。如果不这样，高速铁路的行车安全将无法保证，严重的时候将酿成重大事故。

2.车外人员

列车高速通过时，车身附近会产生强大的负压，吸引近处的人或物，并且列车带来的强大气流容易卷起杂物。如果站台设置不合理、站台安全限界较小以及线路隔离措施或装置不完善，包括站台上的旅客与工作人员在内的车外人员非常容易发生意外。

3.配套设备

高速运行的高速列车对一些配套设备的性能要求更高，主要包括三个方面：

（1）列车对钢轨和路基的冲击大，在长期的冲击荷载作用下造成钢轨和路基质量恶化，不同地质和施工条件下的结构物沉降变形程度进一步加剧，从而引起轨道的不平顺度增加轨道变形、断裂。此外，线路曲线超高和最小曲线半径、桥梁和隧道的最高限速、最小安全线间距等是直接影响列车行驶安全的因素，在高速下必须给予可靠的评估与可靠的安全保障。

（2）列车的牵引功率以及采用双弓受流的增大，引起接触网电气和机械磨耗的增加，可能导致接触网导线断线。

（3）列车风效应对轨旁牵引供电、信号以及隔声防风等设备产生强气压波。如果不采取防护措施，设备在长时间侧风应力作用下发生变形甚至损坏。这会直接影响列车行驶安全，我们必须给予高度重视。

4.突发事件

高速列车运营过程中有时会发生一些不可预知的事件，如自然灾害的发生、异物侵限等。对这些突发事件处理的不好，同样会对高速铁路的安全带来影响，甚至是严重的影响，并且有时会导致严重的后果。我们知道，地震是一种发生概率相对较少但危害性最大的一种特殊灾害。对于沿线穿越地震构造带的高速铁路线路来讲，需要根据地震带的分布、历史震灾情况及发震趋势，建立高速铁路地震监测与预警系统，最大限度地减少地震带来的人员伤亡和经济损失。异物侵限事件有时也是难免会发生的。高速铁路沿线一旦突然发生异物侵限，高速运行的列车必须实施紧急制动，如果与侵入物发生碰撞，其后果不堪想象。因此，必须及早探测障碍物的存在，建立相应的监测系统，尽量避免突发障碍物侵入对列车安全所带来的危害。

5.科学的检修、维护机制的建立

为保证高速铁路设备正常可靠地运行，建立一套科学的检修、维护机制是支持高速铁路安全运营的必要条件和重要条件。

6.心智状态、技术水平等

高速铁路工作人员，比如：列车司机、调度人员、检修人员以及各部门的主管领导与负责人等这些与列车运行安全保障有直接关联关系的工作人员的心智状态、技术水平和职业道德等方面也是支持高速铁路安全运营的必要条件和重要条件。

1.4.2　站台、隧道和线路的安全限界与全线沉降监测与控制

1.站台安全限界

列车通过站台时形成的气动力、卷起的杂物等将威胁车站工作人员和站台旅客的安全，破坏站场固定设施以及简易建筑物，需要合理设置安全退避距离。人员安全退避距离包括站台安全退避距离（由站台边缘起算）以及轨侧作业人员安全退避距离（由列车侧壁起算）。对安全退避距离需考虑以下问题：

（1）充分研究人体气动特性以及人体允许承受的气动力，为列车侧风对人员安全的影响提供理论依据。

（2）研究列车带来侧风的规律，重点考虑最高限制速度通过站台时列车所带来的风速与安全距离的关系。

（3）在站台设置屏蔽门以及防风设施，将列车侧风对人员的影响减到最小。

（4）合理设定站台固定设施以及简易建筑物的位置和结构强度，满足一定的抗风等级。

2.隧道安全限界

高速铁路隧道由于行车速度高引起的空气动力学效应对隧道内的固定设施以及特殊情况下养护人员会带来很大的危害，而隧道内的安全空间（或称安全区）是为铁路员工和特殊情况下养护人员预留的。另外，像京沪线这样的高速列车都是客车，一旦在隧道内发生事故，失去动力或无法及时将列车拉出洞外时，车上人员的紧急疏散、逃生和救援将成为非常关键和重要的问题。所以，高速铁路隧道净空断面设计时要预留各种空间。

基于隧道内高速条件下的空气动力学规律，对隧道安全限界需注意以下几点：

（1）合理设定隧道内建筑限界以及牵引供电设施的限界和安装范围。

（2）合理考虑隧道内的线路数量，对于双线单洞的应考虑双线的安全线间距。

（3）紧急出口应设在单线隧道一侧，两座平行单线隧道宜设在相邻侧，双线隧道应在双侧设置。

（4）在距线路中线3.0m以外设有足够安全空间、施工作业工作空间等。

（5）安全空间的高度不应小于2.2m，宽度不应小于0.8m，其地面不应低于内轨顶面，并且地面与接触网设备带电部件间的距离不应小于3.95m。

3.线路安全限界

像京沪线这样的高速铁路采用跨线运行模式，必须考虑较低等级高速列车的承受能力。此外，为解决高速列车气动效应所导致的安全问题，高速铁路线路上的空间应宽大、独行，正线应按全封闭、全立交设计。线间距可以为两交会列车相邻侧壁间净距与两交会列车半宽之和。正线间距取决于车辆宽度、会车时的空气动力学要求。由于京沪高速铁路全线基本采用高架桥的方式，线间距不能无限扩大，需要在综合考虑列车速度、宽度、头形系数、密封程度、车窗承压能力以及经济性等因素的基础上，合理设置线路安全线间距。

4.全线沉降监测与控制

传统测量技术的精度已不能满足像京沪线这样的高速铁路修建、运营的要求，为确保高速铁路的桥梁、轨道、接触网部件等的精确施工和安装，像京沪线这样的高速铁路沿线建立由平面网和高程网组成的精密控制测量网，用于对线路的测量、线桥隧的定位、监测与养护、路基沉降的监测等。路基及桥梁基础的沉降控制是铺设无砟轨道及保持轨道平顺性的关键。京沪高速铁路对基础的沉降有严格要求，而沿线地基多为软土、松软土，具有含水量高、压缩性高、透水性差、强度低的特点。故采用封闭部分水井，减少或控制沿线地下水开采；桥梁增加桩长、桩径，采用可调高支座；轨道采取可调扣件；采用CFG桩复合地基、选用优质填料、加强路基填筑控制等措施，从而有效控制松软土地基地区的路基变形和桥梁沉降。

1.4.3　接触网的冰负载和风负载与牵引供电系统的防雷

1.接触网的冰负载和风负载

高速铁路线路的接触线张力大，高速运行条件下接触线磨耗亦更加严重，增加了接触线的断线概率。为了避免接触网的断线并使牵引供电系统能够在冰、风、雷暴等恶劣天气下稳定运行是保证高速铁路安全可靠运行的前提条件。接触网的冰负载和风负载是影响牵引供电系统安全的两个常见因素。对像京沪线这样的全线大部分线路地处北方的高速铁路线路，易遭受冰雪天气，因此，履冰负载因素是影响京沪这样高速铁路接触网支柱稳定性和接触网导线强度的重要因素之一。在接触网、架空导线及其构件上形成的履冰，称为冰负载。冰负载增加了接触线、支柱的载荷，在高速条件下也增加了接触网的应力，发生断线的概率随之增加。接触线履冰后等效于增加了接触线密度，导致波动传播速度降低、无量纲系数增加，进而影响受流性能。受风向的影响，履冰可能主要集中在线路的一侧，使得导线发生扭转，跨距越大扭转越大，离支点越远，扭转角度越大。接触网应能够在一定风速下保证受电弓与接触线的良好接触，以保障受流稳定。德国要求在风速26m/s、桥梁上风速在32m/s内，保证受电弓不与接触线脱离。像京沪线这样的高速铁路线路大部分由高架、桥梁等组成，且处于风力较强的东部沿海及华北地区，风作用在接触网线索和支柱结构上形成风负载。京沪高速铁路采取如下措施提高接触网的防风性能：采用抗风性能较好的弹性链型悬挂方式；在桥梁等风速较大的线路区段减小跨距，提高抗风性能；考虑在强风区、风口设置防风墙。

2.牵引供电系统的防雷

参照国家气象信息中心发布的我国雷暴分布图，京沪高速铁路所经地区的年平均雷暴日数在20～60之间，属雷暴较严重地区，全线以高架线路为主，更易遭受雷击。牵引变电所的防雷和接触网的防雷是确保京沪高速铁路安全可靠运行的两个极为重要的工作方面。

（1）牵引变电所防雷。在牵引变电所设置避雷针防止雷击，避雷针的保护范围包含牵引变电所所有重要设备；采取综合接地方式降低接地电阻，降低感应雷引起的过电压，以保护设备和人身安全；由雷击引起的变电所跳闸属于瞬时性故障，牵引变电所安装具有自动重合闸功能的断路器，减少雷击造成的停电事故。提高牵引供电系统的可靠性。

（2）接触网防雷。日本根据线路所处地区的雷暴水平，划分了三个不同防雷等级，在雷暴严重地区，在接触网上全线架设避雷线，在雷暴比较严重地区的重要线路区段架设避雷线，其他地区不设避雷线。另外，在变电所进出口、接触网隔离开关两侧、架空线与电缆连接处、架空线终端、变压器进线等地方安装避雷器。我国电气化铁路一般不架设避雷线，只安装避雷器防护。京沪线高速铁路属于重要负荷，高架线路更易遭受雷击，因此，京沪线高速铁路接触网防雷等级比其他线路防雷等级高，借鉴日本经验，除采取安装避雷器、降低接地电阻等措施外，在雷暴较严重区段采取架设避雷线的防护措施。

1.4.4　接触网断线

接触网的运行环境极为恶劣，接触线在承受极大张力条件下与受电弓高速摩擦，产生接触网波动，并要遭受电弧、冰风雨雪等恶劣环境的影响，这些不利因素使接触网发生故障的概率较大。由于接触网无备用，接触网断线造成的危害和影响也最大，将直接导致列车停运，并可能危及列车上旅客的安全。在日常检修中除能检测出磨耗外，而对其他潜在的断线因素的检测手段还不够，这是接触线断线得不到控制的一个重要原因，应积极研制能够检测接触线应力、接触网接触不良点、接触网电流分布等先进接触网检测设备，并加强人工巡视，减少因冰、风、外物等自然因素所造成的接触网断线事故。接触网断线的主要类型有：第一，弓网冲击型断线。高速列车受电弓与接触网是动态接触，导致接触线摩擦磨耗，磨耗过大极易形成多处隐性薄弱点，受张力、温度等影响易发生断线，这类断线称为弓网冲击型断线。为预防弓网冲击型断线，一是采用具有高强度的接触线材料，保证在高速条件下有足够的张力裕量；二是防止磨耗超限，每年至少要进行一次接触线磨耗测量，当接触网接触线磨耗到一定程度时应当补强或更换。日本部分高速铁路采用了预警接触线磨耗超标的监测设备，我国目前主要以人工巡视为主。当全锚段接触线平均磨耗超过该接触线截面积的25%时，应当全部更换。平均磨耗低于25%，局部磨耗超过30%时可局部补强。第二，电气型断线。列车在升弓、降弓过程中，容易与接触网形成电弧。电弧的自持放电造成接触线软化，并在大张力作用下造成接触线断线；在列车高速运行时所产生的电弧，特别是在过分相时的电弧可能烧毁接触网；如果局部线路接触不良，在大电流下将造成局部线路软化，也易导致断线。这类由电流引起的断线称为电气型断线。为避免电气型断线，应减少受电弓离线率，尽量避免过分相、升弓降弓时的电弧，合理设计安装接触网线，避免局部过流发热。当京沪高速铁路接触线张力增加到30kN以上，高速条件下的接触线磨耗更严重，在东部沿海地区还易受台风影响，故必须加强措施防止接触网断线事故，努力提高接触网的检测水平。

1.4.5　自然灾害的防护

强风、暴雨、洪水、地震等严重的自然灾害，目前人类还难以抗拒。建立预警监控系统，并采用各种措施，可以使灾害的破坏程度降低到最小，或避免灾害的破坏。

1.侧风

侧风影响着列车运行的安全性和稳定性，已成为制约高速旅客列车安全运营的重要因素之一。风力对京沪高速铁路列车的运行影响有两个主要特点：

（1）京沪线高速列车运行速度快，轴重轻，对侧风影响敏感。列车高速运行时会产生升浮力和仰俯力矩，而且随着运行速度提高升浮力和仰俯力矩不断增大，使得列车处于一种“漂浮”状态。如果此时列车还受到强侧风作用，可能导致列车出现脱轨、翻车和人员伤亡事故。

（2）京沪线高速铁路区域跨度大。地形气候条件复杂，沿线位于长大桥、高架桥、丘陵以及山区风口等特殊风环境众多，加之天气预报不能准确、实时地对铁路沿线的风力进行预测。针对京沪高速铁路抗风设计方面的突出问题，需要综合考虑侧风的特殊性、列车轨道参数特性以及侧风所带来的空气动力学效应，在此基础上建立相应的列车或地面的防护措施，以增加列车在侧风效应下的安全系数。京沪高速铁路侧风监控与预警原理如图1－6所示。

图1－6　京沪高速铁路侧风监控与预警原理图

2.暴雨与洪水

洪水灾害不像地震、风灾那样具有突发性，它是按积少成多、循序渐进的规律形成灾害的，往往因汛期雨水多造成。铁路受降雨及洪水破坏主要表现在路堤、桥梁以及路堑自然边坡破坏三大方面。路堤破坏类型主要有边坡侵蚀、堤内水位上升、排水不畅、受周围环境影响；桥梁破坏主要有桥墩过度冲刷、桥梁撞击、水位过高；路堑自然边坡破坏很大一部分也是由雨水冲刷造成的。京沪线高速铁路多处于河流下游的平原地区，沿线多处地段日最大降雨量大于100mm，且降雨大多集中于汛期（6～9月），铁路桥涵及线路易受汛期江河下游大范围洪涝灾害、江河决堤、水库溃决等影响，路基常处于淹没状态，造成线路沉降、坍塌、溜坡和冲毁路基及桥涵设施等。为了防止降雨和洪水对京沪高速铁路带来的灾害，根据沿线气象、水文、水害历史以及线路的路基、桥梁等设计情况，有针对性地设置监测终端，建立雨量及洪水监控系统，有效地制定运营及防洪措施。该系统由数据采集终端、数据预报与处理、数据传输与控制三大部分组成。数据采集设备主要包括雨量计、水位仪、防撞监视仪、冲刷测量仪、洪水测量仪等。京沪高速铁路降雨及洪水监测系统结构如图1－7所示。数据采集设备将其接收到的信息传至综合维修段和综合工区（或车站），当雨量达到一定限值时发出警报，并传至综合调度中心，以发布行车管制命令。针对京沪高速铁路沿线具体情况，在沿线5年一遇日最大降水量大于100mm的区间，每间隔约25km处，以及位于山坡山脚地带的填土路基，有可能发生滑坡、泥石流或路基下沉的路堑、路堤、隧道入口等处设立监测站。雨量计一般宜设在综合维修段、综合工区或车站所在地附近；水位观测仪及冲刷测量仪设于冲刷威胁桥梁安全的桥址处；洪水测量仪设于洪水频发地区和重要河流上游；防撞监视仪设于通航且可能发生船舶撞击桥梁、威胁行车安全的河流上。

图1－7　京沪高速铁路降雨及洪水监测系统结构

必须重视并搞好暴雨与洪水的报警工作。对线路桥梁梁底到水面净高、禁止通航水位、桥墩台耐冲刷能力、护岸提防强度等重要参数需要进行重点监视，并且对重点警戒区段进行重点监视；当雨量及洪水监控系统发出的警报达到警戒及巡航的标准时，应加强地面巡检或添乘巡检，出现异常情况应及时上报；综合工区应做好加固与维修准备工作，相关站段做好救援准备工作；雨后路基等结构物受害程度可能要经过一定时期才能有所反映，因此需要根据现场实际情况，地面巡检或添乘巡检确认安全后，才能按一定的标准恢复运输；降雨报警限速标准的确定是非常复杂的问题，报警限速与运输效率是一对矛盾体，相互制约。为此，在设定限速标准时，要确实把握现场情况，既要保证安全，又要使运输损失程度控制在最小，同时还要根据恢复整治加固、环境变化具体情况，经常予以调整。

3.雪害

京沪线高速铁路的北段，在冬季时常受到降雪与积雪的影响，而过度的降雪将影响高速铁路的安全性，主要情况是：轨道的积雪结冰，高速下容易引起轮轨关系的恶化；冰以及积雪使道岔无法移动；高速列车气动力卷起积雪并凝结在列车底部，导致车辆绝缘失效，因此必须重视并搞好雪害防护工作。在风口地段设置防雪栅或防护林，防止在线路和设施上形成雪堆，同时在适当地点设置防雪崩桩，阻止斜坡发生雪崩；设置雪害监测系统，能够测量降雪量、积雪深度，并在降雪路段、道岔区段安装融雪装置自动进行融雪；在车体易凝雪部位加设防护装置以及融雪装置；在雪质轻且雪量不是很大的地区，根据10年概率的积雪深度，设置储雪式高架桥。

4.地震

根据我国《铁路工程抗震设计规范》（GB　50111—2006）的规定，在地震烈度大于Ⅶ度（相当于地震动峰值加速度为0.1g）地区设置地震监测系统。京沪线高速铁路沿线穿越了四条较大的地震构造带，20世纪以来的危险性地震已达7次。京沪高速铁路地震动加速度大于0.1g的线路区段大致有北京至沧州、滕州至滁州南、南京至常州、苏州至上海。借鉴国外高速铁路地震防灾经验，构建适合于京沪高速铁路特点的地震预警系统是十分必要的。

（1）地震预警系统构成及预警原理。地震监测子系统由拾震仪（加速度报警仪和显示用地震仪）和数据处理设备、信息通信接口及传输设备，综合调度中心监视设备三部分组成，如图1－8所示。

图1－8　地震监测子系统构成

目前地震监测预警系统主要有两类。一类是在烈度大于或等于Ⅶ度（相当于地震动峰值加速度为0.1g）的线路区段的变电所内设置地震监测设备。监测设备有加速度报警仪和显示用地震仪两种。当加速度报警仪检测到45Gal（1Gal＝0.01m/s²）的水平地震动加速度时发出警报信号，变电所内的显示用地震仪可以显示监测点的水平地震加速度波形，由此进一步判断发出警报的可靠性，并根据震后线路的地震烈度或地震动加速度来决定巡检区间、巡检方式和列车的限速要求。另一类系统是由安装在特定地点的P波监测仪来监测基岩中传播速度快、振动幅值小的P波，在几秒钟时间内确定地震的震级、位置及震源深度，并对可能受害的线路区段发出警报，停止对震区列车的供电，迫使车辆停车，从而保证传播速度慢、振动幅值大、造成构造物损坏的S波和面波传到受害线路之前将列车运行速度降低至较为安全的范围，尽可能减小产生的损失或事故发生的概率。

（2）高速铁路地震监控及措施。要实现地震报警并及时采取应对措施关键在于建立完善的监测系统和布置地震仪。针对我国国情，并借鉴国外高速铁路地震防灾经验，应对京沪线高速铁路在位于地震烈度大于等于Ⅶ度地区的建造结构物进行抗震设计，同时在该地区设置地震监测系统；地震仪应根据《中国地震烈度区划图》，在沿线地震烈度大于等于Ⅶ度的线路区段设置，地震仪一般考虑设在牵引变电所内，以便于快速断电、停车；根据《中国地震烈度区划图》，在历史上震级超过7.0级且距线路400km范围内大震震中位置附近，选取地表基岩处设置P波检测仪；根据不同强度的地震，对运行中列车采取不同等级的防护措施。

5.异物侵限

异物侵界监测系统的基本工作有：对易发生路物和异物侵入地段，采用明洞或棚洞等遮挡建筑物进行防护；对于塌方、落物难以预测且整治投资大、施工困难的地段，根据预测的塌方范围及落物轨迹，设置崩塌、落物防护监测网；防护监测网具有一定强度和耐冲击性能，能拦截一定规模的崩塌与落物，并具有防扰动的功能，在特殊情况下考虑多层设置。京沪线高速铁路跨度大，立交结构多，因此突发性的落物和异物侵入的发生概率很大，如果不能及时发现清除障碍物或者及时通知列车紧急停车，列车的行车安全将受到很大的威胁。因此，京沪线高速铁路沿线应建立异物侵界监测系统，当异物检测设施监测到异物侵入时，将发出报警信号，并发送至安全监控调度系统以及列车运行控制系统，由安全监控调度系统发布巡查命令，列车运行控制系统命令列车立即停车。