日本新干線技術發展概述

日本東海道新干線是世界上第一條高速鐵路，連接東京和大阪，線路全長515 km，于1964年10月東京奧運會開幕前夕正式通車運營，從決定開工到建成開通僅用時5年。本文將介紹東海道新干線所采用的線下工程、軌道、車輛、運行控制技術，以及之后新干線線路的相關技術發展成果。

1 線下工程技術

東海道新干線線路的線下工程包括路基274 km（53.3%）、橋梁和高架橋172 km（33.3%）、隧道69 km（13.3%）。除去完成協議征地所耗費的時間，其施工實際僅耗時2年，建設速度非常快。

1.1 路基

為縮短工期，且出于經濟性的考慮，東海道新干線大部分采用基于土建工程的路基結構。為保證土建工程的施工速度和質量，建設方全面使用戰后從美國引進的大型機械和施工方法，并采用新的質量控制管理標準。然而，因為采用這樣的路基結構，東海道新干線在運營初期出現了因降雨引起的邊坡破壞、土墻變形、橋臺背面的路堤沉降等問題，經常進行臨時性的線路封閉或限速，產生了極大的社會負面影響。此外，由于路基翻漿冒泥，導致線路維護工作量大幅增加。

因此，從山陽新干線開始，日本嚴格規范了路基建材選擇標準及路基夯實成型標準，并在路堤內部增設了多層厚實的土層穩定性控制材料（即網狀或片狀的高分子材料），以強化路堤坡面的穩定性。針對邊坡破壞及橋臺背面的路堤沉降問題，日本鐵道綜合技術研究所（以下簡稱“鐵道綜研”）開發了穩定性強、經濟性高的補強土（RRR）施工工藝。由于采用這種施工方法施工的路基在1995年的阪神大地震中展現出良好的抗震性能，因此其被確定為新干線的標準施工方法。此外，鐵道綜研還開發了基于補強土工藝的、具有高抗震性能的橋臺，現今已成為整備新干線線路的標準橋臺（圖 1）。

圖1 補強土墻、補強土橋臺施工現場

1.2 橋梁和高架橋

東海道新干線雖然在修建時出于費用和工期的考慮，多采用路基結構，但在城市中或地基松軟區段仍采用高架橋形式。從經濟性、施工工藝及美觀等要求出發，東海道新干線采用了雙線雙柱增強鋼筋混凝土板式結構高架橋（圖2）。如今，這種高架橋已不再為新干線獨有，而是日本鐵路高架橋的標準形式之一。

在橋梁基礎建造方面，東海道新干線主要采用柴油錘打樁機施工，施工時的振動噪聲問題令人不堪其擾。因此，之后的新干線改用從歐洲引進的現澆樁工法。如今，鋼管混凝土樁、旋入式鋼管樁等新技術被陸續開發出來，這些技術在施工時產生的渣土少，并且可提供更大的支撐力，具有環保、抗震等優點。

圖2 雙線雙柱增強鋼筋混凝土板式結構高架橋

1.3 隧道

在隧道施工方面，東海道新干線采用大型施工機械在更寬闊作業面上全斷面同時掘進的施工方式，以縮短工期；并開發了便于排出地下水的隧底導坑施工方法，從丹那隧道起被許多工程所采用。1977年，上越新干線中山隧道首次采用了從奧地利引進的利用澆筑混凝土和緊固螺栓作為支護材料的盾構施工方法——新奧法（NATM），該方法具有非常高的經濟性和安全性，已成為目前新干線隧道的標準施工方法。

針對地下水豐沛、穩定性差的土砂地，鐵道綜研開發了新型施工方法SENS，該方法使用盾構機掘進，以場地澆筑混凝土作為支撐構件，確認穩定性之后，再進行漏水處理和混凝土二次澆筑。東北新干線的三本木原隧道（圖3）和北海道新干線的津輕蓬田隧道都采用了這種施工方法。

圖3 采用SENS施工方法的盾構機

2 軌道技術

確保新干線列車高速運行的軌道技術有長鋼軌、高速道岔及板式無砟軌道技術。

在長鋼軌技術方面，自從東海道新干線鴨宮示范線通過軌道擠壓彎曲疲勞試驗驗證了長鋼軌技術的安全性之后，東海道新干線開始全線采用長鋼軌技術。

在高速道岔技術方面，東海道新干線采用18號道岔（鋼軌規格為60 kg/m），側向最高通過速度可達70 km/h。

在板式無砟軌道技術方面，東海道新干線由于地基薄弱、土建工程巨大，為防止線路發生沉降，未采用這種軌道形式。在山陽新干線（岡山—博多段）的高架橋和隧道區間，出于節省維護成本的考慮，首次采用板式無砟軌道。為解決有砟軌道和板式無砟軌道并用所導致的維護難題，開發適用于土質路基的板式無砟軌道的呼聲日益高漲。但直到1991年，日本才在北陸新干線安中榛名站附近建成相應的軌道試驗線；在進行各種試驗驗證其安全性之后，可在土質路基上鋪設的板式無砟軌道正式在新干線中投入使用（圖4）。在之后建設的新干線線路中，超過90%的區間都采用板式無砟軌道。

圖4 鋪設在土質路基上的板式無砟軌道

3 車輛技術

在新干線剛投入運營時，列車（新干線0系電力動車組）最高運行速度為210 km/h，而如今東北新干線E5/H5系電力動車組的最高運行速度已達320 km/h（圖5）。列車提速是多種技術綜合發展的產物，其中車輛技術的進步發揮了重要的作用。

3.1 動力系統

圖5 新干線最高運行速度變化圖

新干線列車的技術特征之一是采用動力分散式電力動車組。采用動力分散式列車的缺點在于，與傳統動力集中式列車（即采用機車+客車的車輛編組方式，如法國的TGV型動車組、德國的ICE2型動車組）相比，其車內振動和噪聲偏大，因此有人認為其不適合用于長距離旅客運輸；而其優點在于，高速運行時施加在軌道上的負荷較小，不易發生車輪空轉，加速性能好，這也使其適合于高速和高密度運行，因此許多國家的高速列車（如德國的ICE3型動車組）開始采用動力分散形式。

東海道新干線列車在運營初期雖然采用交流供電制式，但它是先將交流電整流為直流電，再使用直流電動機驅動列車前進。直流電動機的缺點在于轉速偏低、比功率低、不易維護。盡管如此，在那個電力電子技術不發達的時代，電氣化列車也只能采用這種驅動方式。但隨著半導體技術的發展，高耐壓、大容量的電力半導體器件被開發出來，使得用逆變器裝置同時控制驅動電壓和頻率、用交流電動機（感應式電動機）驅動列車成為可能。由于電氣部件不再是易耗品，因此其可維護性大幅提高。這種驅動方式首先應用在設計最高運行速度為270 km/h的新干線300系車輛中，然后推廣到全部新干線車輛中。此外，列車在制動時可將電動機切換成發電機運轉，利用車的慣性帶動電動機轉子旋轉而產生反轉力矩，將部分動能或勢能轉化為電能并將其回饋到接觸網，這種再生制動機制可使列車的電力消耗大幅降低。

3.2 轉向架

鐵路車輛的輪對由牢固壓裝在同一根車軸上的左右2個車輪組成，踏面呈圓錐形，因此當輪對中心在行進中偏離直線軌道的中心時，左右車輪便以不同直徑的滾動圓在鋼軌上滾動，其中滾動圓直徑較大的一方往前移動的幅度更大，此時輪對運動方向就修正為向線路中間位置返回（圖6）。然而，當列車運行速度超過一定界限時，便會發生輪對大幅度左右搖擺的現象（即蛇行運動）。為保證高速列車的運行安全，必須特別警惕這種現象。為保證列車在高速運行時的穩定性，初期新干線列車的車輪踏面斜度僅設計為既有普通線路列車的1/2左右，輪對定位支撐裝置采用無間隙設計。

為提高乘客乘坐的舒適度，東海道新干線列車采用了可抑制振動從轉向架向車體傳遞的空氣彈簧。之后，隨著列車速度的不斷提高，隧道內巨大的空氣沖擊壓力導致車體橫向擺動的問題愈發嚴重，僅依靠既有的減振裝置難以解決這一問題。因此，鐵道綜研開發了通過檢測車體加速度并據此調解阻尼力以抑制車體橫向擺動的振動控制裝置——天棚阻尼振動控制系統（圖7）。目前，這一技術已在新干線上推廣。

3.3 車體

圖6 輪對的運動

雖然隨著列車速度的提高，對鋼軌和路基的沖擊以及向其傳遞的振動均會增大，但是通過車輛減重設計可以減小對鋼軌和路基的沖擊。而且，車輛減重還可以降低其能源消耗。新干線0系列車的軸重大于 15 t，而目前最新型新干線列車的軸重僅為11 t左右。能夠實現如此大幅度的減重，除電氣機械等各部件外，車體結構的輕量化也功不可沒。初期的車體為鋼制結構，即將鋼板焊接組裝在鋼制車體骨架上。之后，為減輕車體重量，鐵道綜研開發了使用大型中空鋁合金型材焊接制作車體的技術。這種方法易實現自動化生產，而且生產出的車體質量小、剛度高，中空部分還可以填充隔聲材料以降低車內噪聲，目前已廣泛用于新干線列車中。

4 運行控制系統

日本新干線從一開始就裝備了列車自動控制（ATC）系統，原因在于新干線的運行速度非常高，僅靠駕駛員通過查看車外信號機來控制列車運行難以保證安全，而利用ATC系統，可在列車速度超過線路容許速度時實現列車的自動減速。這是保障新干線安全性的重要配置。

在新干線運營初期，線路容許速度按不同等級分為數段（圖8），在每個速度段的邊界，列車都會出現制動和制動緩解的動作，這不僅使乘客舒適度變差，也會導致線路的行車密度難以提高。為此，鐵道綜研開發了數字ATC系統，控制中心將列車的目標停車位置信息傳送給車載ATC系統，車載ATC系統會根據接收到的相關信息，并結合列車當前位置、列車速度、線路容許速度等參數，計算出適當的制動力，據此進行減速操作。目前，該系統已在新干線上廣泛應用。

圖7 天棚阻尼振動控制系統原理圖

圖8 ATC系統控制方式比較