日本青函隧道防灾救援体系及对策分析

荆晓霞， 史俊玲， 沈通， 张久长， 张明月

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司科学技术信息研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081；3.北京交通大学交通运输学院，北京 100044）

1 青函隧道概况

青函隧道通过津轻海峡连接青森和北海道函馆地区，工程建设历时23年，于1988年3月投入使用，总投资约6 900亿日元。青函隧道由3条隧道组成，全长53.9 km，其中海底部分23.3 km。建设标准为双线高速铁路隧道；采用三轨式板式轨道，有2种轨距，即普速列车为1 067 mm窄轨距、高速列车为1 435 mm标准轨距；隧道内无水平段，最大坡度为12‰；最小曲线半径6 500 m；海底最小埋深100 m；最大埋深140 m（见图1）。

2016年3月26日，北海道新干线新青森—新函馆北斗段开通运营，将前后82 km线路作为高速线与普速线客货混跑的共用区间，形成“普速/高速兼容、货运/客运混跑”模式。普速海峡线最高运行速度为110 km/h，高速旅客列车通过隧道的速度均为140 km/h以下［1］。

青函隧道作为日本史无前例的困难工程，在建设过程中历尽艰险，在涌水处理、供变电方式、应急救援设备设施配置等方面有其独特的技术特点。以青函隧道为主要区间的津轻海峡线，是联结本州与北海道唯一的铁路干线，其产权归铁道运输整备支援机构所有，运营由JR北海道旅客铁道株式会社（简称JR北海道）承担。

2 防灾救援体系设计原则和总体思路

2.1 防灾救援体系设计原则

青函隧道整体系统设计注重“安全第一”原则，防灾救援体系设计坚持“生命至上”原则。在设计和建设初期考虑了各种灾害的发生，包括火灾、地震、涌水等自然灾害发生时，能够使乘客快速安全逃生。为此，在正线隧道两侧每间隔仅40 m就设置有横通道，一旦发生各种灾害，乘客便能够快速通过横通道到达疏散通道，顺利逃生。此外，还对隧道内运行的机车车辆提出了抗燃性的要求等。

图1 青函隧道情况

2.2 防灾救援总体思路

青函隧道属于长大海底隧道，中间区段呈下凹的长大坡道，其建造技术难度大、运营维护管理复杂，发生灾难时需要救援活动的迅速响应，因此日本针对青函隧道设立了一套完备的防灾救援体系和救援思路。

在青函隧道的防灾救援中，重点通过“定点”的方式进行救援。隧道内原设2个车站，分别为吉冈海底站（函馆方向）和龙飞海底站（青森方向），北海道新干线开通后，将2个车站的客运功能关闭，但保留了2个车站原设的应急疏散“定点”（指设有通道和缆车等设备的应急疏散点），以及原来仅在龙飞海底站设有的钢缆轨道车救援设备。2个“定点”位于隧道两端的陆地段。

定点内的主要设备包括站台、消防栓、临时避难所、调度所遥控（100 lx级）应急照明设备、喷淋消防设备、高速摄像头、广播向导设备，以及可连续72 h供电的应急发电机等。青函隧道防灾设备设置见图2，青函隧道定点避难设备设置见图3。

图2 青函隧道防灾设备设置

考虑到隧道可能发生的灾难事故主要包括列车火灾；车辆、设备故障；发生地震；大量涌水等。因此青函隧道制定了灾难事故发生时救援的总思路和优先顺序（见图4）：

（1）受影响的列车自行驶出隧道；

（2）利用救援列车把受影响的列车牵出隧道，具体情况包括：邻线车辆救援、疏散乘客；本线车辆救援、疏散乘客；本线车辆救援、重联运行；

（3）乘定点缆车疏散：乘客可利用龙飞、吉冈两定点斜井设置的缆车疏散至地面，也可利用台阶（1 317级）步行约25 min疏散至地面；

（4）由陆地段斜井步梯疏散：在4处斜井，设有步行台阶，机动车坡道。

为了保证安全，青函隧道还安装了防灾系统平台（见图5），该平台由地面感知装置、车载ATC信号度中心等构成。风向风速计、地震检知装置、雨量计、降雪检知计等装置实时监测主要指标状况，一旦检测到指标超限，会及时上报并传输至列车防灾中央装置，由列车防灾控制显示屏显示列车情况，判断灾难程度，根据运转规则，列车ATC信号可实现自动减速、停车以及排烟、通风、喷淋、应急照明等功能。

图3 青函隧道定点避难设备

图4 青函隧道防灾及乘客避难紧急预案的总体思路

3 防灾救援对策

3.1 火灾对策

3.1.1 预防火灾思路

考虑到青函隧道内一旦发生列车火灾，驶出隧道需持续走行30 min以上，难以避免次生灾害的发生，因此，在隧道内设置了2处“定点”，可供列车停车、乘客逃生和救援、灭火排烟换气使用。

为了充分发挥“定点”的功能，及早检知列车火灾，日本在青函隧道内外地面共设有8处红外线温度传感器火灾检知装置，通过监视该点列车的轴温数据、车号数据、红外线温感数据，判断列车是否发生火灾。

隧道外设置红外线温度传感器的首要目的是对发生异常的列车显示停车信号，阻止列车驶入隧道区间。当第2～3个传感器检知列车异常时，可使列车在“定点”位置停车。针对非明火的火灾，隧道内设有5处烟雾感应器等组成。当检知火灾发生时，火灾监测点可利用通信信息控制监视系统（CIC），将发生火灾的第几辆车、第几轴附近等相关信息向函馆调度中心发送，同时可发送隧道内走行列车侧面图片，并可在调度中心的屏幕以及电脑上显示。

图5 青函隧道内的防灾系统平台

青函隧道内一旦发生火灾，处理顺序如下：

（1）火灾列车若能够持续走行至明区间，则由受影响的列车自行驶出隧道。

（2）火灾列车若能够行驶至定点（龙飞、吉冈）停车，调度所远程控制开启应急照明，乘客可通过侧通道下车，并前往定点的避难所进行避难，调度所远程控制开启应急照明及排烟装置，避难所配有长椅、卫生间、防寒棚、饮用水等设施设备，供应急避难者使用。

（3）火灾列车若不可自主走行并停在海底段或陆地段时，调度所远程控制开启应急照明，并控制风向阻止烟雾进入作业导坑、先导坑，或使烟雾方向与避难走向相反，乘客可使用应急梯子下车，并前往定点的避难所进行避难［3］。

3.1.2 火灾对策设备

（1）火灾检知设备。包括红外线温度传感器、火灾检知器以及烟雾感应器（见图6）。上下行线路共设置8个红外线摄像头，测试列车两侧车体表面温度，可与计轴器联动、一并进行数据处理，可检知火灾发生的位置（列车具体车辆及部位）；而烟雾感应器则作为红外线温度感应式火灾检知器功能方面的补充，隧道内设有5处烟雾感应器。

图6 青函隧道定点内列车火灾检知设备

（2）列车控制设备。包括火灾列车停车装置以及列车防护停车装置。火灾列车停车装置一旦检知火灾发生，制动显示灯和停车位置目标灯即亮起，由司机手动停车；北海道新干线开通后，ATC信号可实现自动减速，可由司机手动定位停车。火灾检知器与列车防护停车装置联动，可自动经由轨道电路向后续列车、对向列车发送停车信号。

（3）消防设备。青函隧道在“定点”和隧道外停车场设有消防设备，列车一旦发生火灾，原则上应在就近的“定点”位置或者隧道外停车场进行停车，并实施消防救援活动。

（4）换气设备。根据长大海底隧道内温升、排烟的技术要求，青函隧道采用纵流换气方式。在各竖井内设置风机，新鲜空气由斜井的进气扇进入，经由先导坑、横通道送入正线隧道，并流向陆地段正线隧道口（见图7）。

（5）排烟设备。发生火灾的列车在“定点”停车后，打开斜井与定点之间通道的风门，使换气流通过斜井的进气扇进入，并沿着疏散通道，运送到火灾发生点，同时由竖井排烟扇运转将烟雾排出。乘客疏散通道线路是由正线隧道，经由横通道进入疏散通道到达临时避难所，或继续经由斜井走行至气密室。乘客疏散通道方向与气流方向相反，以此保证乘客人身安全（见图8）。

（6）避难向导设备。火灾列车在“定点”停车、乘客抵达临时避难所后，如需将乘客疏散至隧道外部时，可使用摄像头观察现场情况，进行广播向导疏散。

（7）信息联络设备。青函隧道列车配备列车无线、乘务员无线等多种联络设备，确保隧道内与调度所之间信息沟通顺畅［5］。

图7 青函隧道定点内正常换气状态

图8 青函隧道定点内火灾时的排烟状态

3.2 地震对策

3.2.1 地震对策思路

青函隧道内地震仪设有8处，衬砌应变计设有4处，地震停车阈值设为120 gal以上，一旦停车后可慢行驶出隧道。当监测到青函隧道内发生地震时，列车控制采用由地震仪阈值报警信息触发ATC停车信号的方式。同时，利用地震报警器和长期监视系统（地震预警系统、隧道衬砌应变计、涌水量监测系统）可迅速实施信息处理、做出恢复行车的判断。

3.2.2 地震对策设备

（1）地震防灾系统。由单台地震仪、地震预警系统、高灵敏度应变计、流量计、温度计、气压计以及设置在函馆中央处理装置CTC构成；单台地震仪布置在隧道口及断层处共6处，明区间的运行控制设置2处；地震预警系统的网络地震仪分别设置在隧道两口、两竖井共4处；目前，该地震防灾系统正在开展发出地震报警后的处置预案研究。

（2）高灵敏度应变计。高灵敏度应变计布置在对应4处断层的隧道衬砌体上。由于位于岩体内部的隧道主要受地震时断层运动的剪切作用，因此，对于4处断层以50 m间隔、分别在圆周截面（7台）和轴向（2～3台）共布置28台高灵敏度应变计，用于监测隧道衬砌体的应力变化；常时采样频率为1次/min；单台地震仪启动1/100 s高频率采样的阈值为5 gal实测振动；中央处理装置CTC终端也可任意设定采样频率。

3.3 大量涌水对策

青函隧道并非建设在坚硬的岩层上，且穿过多个地质断层，在施工过程中曾发生大量的涌水现象。海底隧道发生异常时，也多伴有涌水现象发生。

因此，青函隧道对异常涌水问题进行长期监测，在先导坑、作业导坑、正线隧道等共27处设有流量计，可监视每隔1 min的水流量变化。同时，温度计、湿度计、气压计用作应变计数据修正，并设有水泵用应急发电机，当水泵排水能力不足时，可由正线隧道下部的先导坑储水。通过设置涌水监测系统，可检知地震时的异常涌水现象，调度所可随时掌握隧道以及围岩的老化情况，以便及时发出应急处置指令［4］。

3.4 腐蚀对策

青函隧道内的腐蚀对策，包括轨道及轨道电路防腐蚀、衬砌止水、列车风粉尘和盐防腐蚀、电气设备柜架防锈蚀等。

青函隧道主要针对海底辅助供电分区所、海底隧道防灾断路器采取了防腐蚀对策。鉴于变电设备形状各异、材料不同，既有暴露在多湿、多盐环境中的金属材料，又有收纳在透气性差的配电柜中的配电盘和电子元件等。因此，采用带金属容器屏蔽的气体绝缘开关（GIS），并对外壳金属施加改性聚乙烯树脂（320 μm）涂装的方法。同时由于框体形状、材质、厚度、涂装的不同而导致生锈状况各异，为了防止加工时的孔内腐蚀，采用了不锈钢（SUS316）材料加树脂涂装的防腐工艺处理。

津轻海峡线的电力设备，采用了东北—上越新干线、城轨京叶线的最新技术，以提升可靠性和少维护性。尤其是处于多湿多盐特殊环境的青函隧道在供变电设备施工前，进行了轨道电路及其电料环境的适应性比选试验。变电所（含变电所、供电分区所、辅助供电分区所等）设备，考虑风雪和盐腐蚀等严酷环境条件，采用气体绝缘开关（GIS）。变电所及电力配电所的远程监视控制，为提升可靠性，基于东北—上越新干线的“综研W型”，采用了新研发的“综研W3型”远程监控系统。该系统由变电所配电盘、远程监控装置、信息处理装置构成，函馆中心采用基于CRT的远程监控方式［6］。

4 典型案例：特快超级白鸟号34次列车电机烧损事故

2015年4月3日，由函馆站始发开往新青森方向的特快超级白鸟号34次列车，在津轻海峡线知内信号所至津轻今别站间，列车5号车辆出现异常火花，随即进行停车处置，由于车内烟雾弥漫，采取乘客下车避难的应急措施。停车后乘客下车步行至龙飞定点，乘缆车疏散至地面。经调查显示，发生事故的5号车辆装载4台电机，直径约18 mm的配线全部烧损，电机因发热而壳体变色，橡胶材质的散热排风管和配线外皮烧焦。经分析推断，事故原因起初因配线过流、过热而发生外皮烧损；后因电机过流、线圈过热而造成壳体变色、橡胶排风管烧焦，进而出现异味和烟雾。5号事故车辆状态见图9。

图9 5号车事故车辆状态

在事故发生后，针对隧道发生列车火灾事故，采取了一系列后续处理措施［1］：

（1）对电机牵引电路加装过流保护器；

（2）对隧道内应急疏散路线指示牌、摄像头、广播等避难向导设备进行了强化整改，并修订了《青函隧道应急预案手册》；

（3）铺画通往定点避难所的地面疏导线、新设应急照明灯；

（4）更新缆车，定员由16名增至40名；

（5）增加（多家通信公司）手机信号覆盖；

（6）增设隧道内陆地段避难所摄像头和音频设备，新干线调度中心可实时监视、进行应急广播；

（7）实施应急疏散演练。

5 结束语

日本对青函隧道制定了完善的防灾救援体系，并配备了针对性的防灾设备。在青函隧道的防灾救援中，重点通过应急疏散“定点”方式进行救援，乘客可通过缆车、侧通道、应急梯子等方式疏散。为有效预防火灾、地震、涌水、腐蚀等现象，日本在青函隧道内配备了火灾检知设备、换气排烟设备、地震防灾系统、流量计、远程监控系统等，有效避免了事故的发生。总体来看，青函隧道的防灾避难总体思路及对策已经过实践检验，可以为后续海底隧道建设、运营及防灾救援体系构建提供重要的参考和借鉴。