高铁在地震面前不堪一击?我国高铁,如何从工程层面应对地震?
科普启示录 2022.02.18 1213 445
1月8日,青海门源发生了6.9级地震,虽然没有出现严重的人员伤亡,但却引发了隧道的局部塌方,兰新高铁的部分区段更是停运至今还没有修好。
与之相似的例子比比皆是,2018年2月12日,河北廊坊发生4.3级地震,这地震震级不算太高,却导致周边北京南下的高铁大面积停运,修理花了很长时间……
这似乎暴露了高铁的一个巨大“隐患”,那就是对地震这种自然灾害的应对能力较差。这个问题不仅出现在中国,而是全球的高铁国家都需要面对的挑战。
要说起来原因也很简单:
一是高铁的速度快、运行中遇上地震的脱轨概率极高,潜在的破坏和人身伤害不可忽视;
二是高铁轨道的设计精度很高,在修理的时候甚至需要拆除路段重新建设,高铁停运的周期也因此成倍增长。
难道,高铁面对地震,真的就这样一筹莫展,没有任何解决措施吗?
震后的高铁线路为何难修?
目前,兰新高铁虽然不能全线通车,但是其中普速的路线其实在8号当天就完成了维修。我们很容易可以看出来,普通铁路的维修和高铁线路的维修,是两件不能相提并论的事情。为什么会出现这种情况呢?
先来说说普通铁路,普通铁路大部分是建在普通地面上,并铺上碎石增加缓冲受力面积,在遭遇地震之后只需要重新整理一遍碎石道碴,把被扭曲、折断的钢轨取直,或者直接换成新钢轨,在大型工程机械的辅助下,工作过程相对简单。
但高铁不同,高铁是一种主要以桥梁为主路线的“特殊铁路”。高铁的桥梁占比之高,远超普通铁路的数倍,并且现在还在持续不断增长。举个例子,桥梁占比最高的广珠城际甚至达到了94.2%,略少一点的京津城际也有87.7%的桥梁占比。
这意味着发生地震的时候,运行中的高铁有极大的概率位于桥上,危险性也大大增加。
同时,桥梁上的高铁线路和桥梁本身是“命运共同体”,一旦桥梁出现损坏,可能甚至需要拆除重修,工作量不小于从头修建。高铁在地震面前的“抗打击能力”,的确略逊普通铁路一筹。
关于这点,也不仅是中国需要面对的问题,我们来看几个案例:
2004年,日本新泻县中越发生地震,导致运行中的上越新干线出现脱轨事故;
2011年,日本东北地区发生6.5级地震,造成试验运行中的东北新干线脱轨……
以上两次事件,也是日本新干线从上世纪60年代投入运营开始,唯二在正常运营中脱轨的事件,而且日本作为一个地震高发国家,自然会在地震预警方面做得更加完善,但就算是这样也难以解决问题,足可证明地震对于高铁的危险性。
高速运行的高铁脱轨了会怎么样?
“高速”是高铁的最大优点,为人提供了数不清的便捷,但在这种特定状况下也可能成为一个弱点。
地震波对轨道和列车都会同时产生作用,地面上短时间内的强烈“推动力”很可能会让列车失去平衡,更不用说高速下还有极强的惯性,在拐弯的时候更是严重。
列车一旦脱轨,轻则被迫停车,重则制动失效,被惯性带着冲到不可预测的地方,带着满车乘客发生侧翻,带来的财产和人身危险不可估量。
但反过来想,只要能阻止脱轨,一切就都在可控制的范围内:数据中心或者司机就可以采取应对,让列车紧急制动停车。由此看来,高铁最大的威胁不是高速,而是判断和处置得不及时,如果不争分夺秒做出判断,就很有可能演变为人祸。
如果我们是作为高铁的乘客,这时候只需要待在列车厢内,等待铁路部门视察情况并处理即可。在列车停运期间,车内的紧急蓄电池也可以保证车内明亮、通讯顺畅,地震风险过去之后,也会有人员来阻止人员疏散,因此可以不用太过担心次生灾害的问题。
我国高铁如何从工程层面“应对”地震?
目前,我国高铁考虑到的地震对策主要从两个方向出发:
一是提前“预警”地震的发生并做出应对;二是在察觉地震的时候紧急停车,减少脱轨和伤亡可能性。
我们以哈尔滨-大连高速铁路来举例,这条铁路是世界上第一条在高纬度地区低温运行的高铁,全长900多公里,途径东北三省。而中国唯一一个深源地震带——珲春-汪清深震区就分布在吉林省的延边地区,地震发生可能概率较高,所以,这条铁路配备了较为先进的地震预警系统。
该系统设计的思路很简单,那就是检测震波、传输数据、紧急启动列车保护和停止装置,在地震波到达之前,高铁就必须停下来。
而其中最关键、也最困难的一步就是如何检测震波了。
且不说列车正常运行也会产生振动,震波本身更是一种比较抽象的东西,而且根据地质、地层条件不同,所受到的影响也不同。为了为列车紧急停车争取时间,我国采取的是P波检测法。(P波:地震发生时最先被地震仪记录下来的地震体波,也就是最早到达的地震波)
另外,我国的铁路预警系统其实不在高铁里,而是在车站里。哈-大高铁需要途径23个车站,每两个之间相距约25公里,这些站点共同构成了这套预警系统,达成了检测密度的均匀化。
每个站点都配备有特殊的数字化加速度计,有着4G的输出灵敏度。这些加速度计能够迅速接收到地震波,接着将波形数据发送到数据中心,前后的时间误差不超过100毫秒,并且设计有数据的备份功能,以防车站也在强地震中瞬间损毁导致信息丢失。
除此以外,我国高铁的隧道也在由内往里的40米处设置了防震缝,以在强烈地震波下尽可能保护隧道不受损害。高铁途径的桥梁也主要以工字梁为主,这种桥梁的稳定性高,强度高,抗震等级达到8级以上。特殊的桥隧结构,可以保护我国高铁尽可能少受地震的负面影响。
但理想很美好,实际上人类现在面对地震这种大型自然灾害,所能做的事情还是比较有限的。就算装备了地震预警系统,也总归是要等地震已经发生之后再发出指令,期间不论是数据传输,还是工作人员做出相应的判断,都是具有延迟的。
如果一开始发生的地震就很剧烈,而且列车就在震中附近行驶,制动停车很有可能是来不及的。
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