日本青函隧道的技术特点及应用情况

张久长，史俊玲，曲云腾

（1. 中国铁道科学研究院 办公室，北京 100081；2. 中国铁道科学研究院 科学技术信息研究所，北京 100081；3. 中国铁路总公司 科技管理部，北京 100844）

日本青函隧道的技术特点及应用情况

张久长1，史俊玲2，曲云腾3

（1. 中国铁道科学研究院 办公室，北京 100081；2. 中国铁道科学研究院 科学技术信息研究所，北京 100081；3. 中国铁路总公司 科技管理部，北京 100844）

青函隧道作为日本世纪性的海底隧道工程，建设期间经历无数艰险，克服了多项技术难题，在开通后近30年的运营中获得了诸多宝贵经验。实践表明，青函隧道目前涌水处于可控程度、应急救援设备切实有效，但也存在超前导坑变形、轨道电路易发生短路事故、共用区间有待提速等问题。从青函隧道的技术特点出发，介绍隧道多年来的应用情况，为我国铁路海底隧道的设计和建设提供参考和借鉴。

青函隧道；海底隧道；北海道新干线；提速；共用区间

1 概述

日本北海道地区与本州之间相隔一条海峡——津轻海峡，该海峡风大浪高，水深流急，东西长约130 km，最大水深约450 m，主航道为公海。传统上，北海道与本州之间的客货运输主要依靠青函铁路轮渡，从青森到海峡对岸的函馆，海上航行约需要4.5 h，且台风季节容易发生安全事故，每年至少要中断海运数十次。这种脆弱的交通方式，严重制约北海道与本州的沟通和外向型经济的发展[1]。因此，日本政府希望以更经济、便利、安全的陆地交通方式来替代海上轮渡运输[2]。

考虑到海底隧道具有不占用陆地资源，不妨碍海上航行，不影响生态环境等特点，是一种安全且全天候的海峡通道，青函铁路隧道工程于1954年9月立项，1964年1月开挖，1985年3月贯通，1987年11月竣工，从开工到竣工历时23年。

1988年3月13日，普速铁路海峡线中小国—木古内段（含隧道内2个海底车站）开通运营，即日起，青函铁路轮渡取消客运业务。青函隧道采用客货混跑运营组织方式，成为联系北海道与本州的重要客货运输通道，开行了卧铺特快“北斗星号”、特快“超级白鸟号”等旅客列车，以及集装箱货物列车等。开通之初每天开行旅客列车30列、货物列车51列。与利用轮渡时期相比，北海道农牧产品、纸制品、汽车零部件等货物的上行运量有了显著增加，首都圈发往北海道的行包、日用百货、食品、杂志出版物等货物的下行在途时间显著缩短[3]。

2006年8月，青函隧道开始实施既有普速窄轨铁路增设准轨第三轨高速铁路工程，并于2014年12月完工。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。新干线开通的同时，隧道内继续保持货物运输，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，共用区间形成“普速/高速兼容、货运/客运混跑”模式[4]。其中，普速海峡线为1 067 mm轨距，北海道新干线为1 435 mm轨距。根据隧道内高速会车试验结果，确定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最高速度为140 km/h。

总体来看，从1988年既有线开通运营，到2016年北海道新干线开通运营，青函隧道培养了一批对青函隧道客货运输有依赖性的固定客户群。青函隧道以其“安全、正点、大运量”的优势，对北海道与本州之间的客货运输发挥了重要作用[5]。

2 技术特点

青函隧道全长53.9 km，建设标准为双线高速铁路隧道。马蹄形断面宽度为9.70 m、高度为7.85 m；采用三轨式板式轨道、构成2种轨距，即普速1 067 mm窄轨距、高速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；最大水深140 m。青函隧道内原设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，取消了普速海峡线的客运业务，将这2个车站关闭，但保留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），以及原仅在龙飞海底站设有的钢缆轨道车救援设备。青函隧道位置及纵截面分别见图1、图2。

青函隧道作为日本史无前例的困难工程，在建设过程中历尽无数艰险，在涌水处理、掘进方式、应急救援设备设施配置等方面有其独特的技术特点。

2.1 涌水处理

图1 青函隧道位置

图2 青函隧道纵截面

青函隧道海底段约占总长度的一半，掘进施工过程中，曾经发生3次较大的涌水事故，造成作业面被淹没和多人丧生。其中最严重的一次是1976年5月6日，吉冈平行导坑发生的大量涌水事故，最大涌水量达80 m3/min。

鉴于海底段为第三纪火山岩与堆积岩交错的多断层、富于软硬岩变化的复杂地质条件，青函隧道采用“先挖竖井和超前导坑，再挖平行导坑，后挖正洞”的基本施工方案。其中，竖井既是施工送风、也是火灾排烟的换气设施；超前导坑是为施工方案研究而进行地质钻探调查的坑道，处于正洞的下方，兼作容纳涌水的坑道；平行导坑是正洞掘进时弃土搬运和人员出入的施工通道，其开挖过程也是对地质钻探调查的验证，是为确定正洞掘进施工方法的试验性施工。青函隧道（正洞及导坑）结构示意见图3。

青函隧道针对高压涌水，采用速凝剂止水。但在最小埋深仅有100 m、穿越多断层的海底段，上方承受有深度140 m海峡的巨大水压，做到完全止水是不现实的。因此，隧道内设有3处施工排水泵站，其中龙飞泵站的排水设备能力为110 m3/min，吉冈泵站为98 m3/min。隧道开通后，龙飞泵站仍需要常年不断地进行排水作业，排水量因季节而变化，平均为40 m3/min。

图3 青函隧道（正洞及导坑）结构示意图

2.2 掘进施工

青函隧道采用的掘进施工方法，按工艺划分主要有TBM法和新奥法2种；按工序划分主要有“下导坑先墙后拱法”和“侧壁导坑先墙后拱法”2种（见图4）。青函隧道根据自身特点，采用的配套关键技术包括千米级超长水平钻探（因不同围岩硬度，可达1 000～2 150 m）、水玻璃泥浆泵压软岩加固、激光量测等。新奥法以维护和利用围岩的自承能力为基点，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段（见图5），掘进之后及时进行支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，作为快速稳定围岩的有效方法，对提高掘进施工效率起到了重要作用。衬砌采用预制管片拼装加螺栓固定，以及背后注浆施工法。

2.3 第三轨铺设

青函隧道预留第三轨1 435 mm标准轨距高速线路铺设条件。在普速线开通运营18年后，第三轨于2006年开始铺设、2013年完工。双线第三轨均铺设在上下行线的一侧，铺设的同时更新了普速线路的钢轨垫板，并按照高速线路轨道平顺度的标准进行了全面调整。一期、二期轨道结构见图6、图7。

2.4 共用区间兼容性改造

青函隧道于2013年实施了共用区间的接触网导线偏位调整，以及供电系统升级改造（见图8）。共用区间既有线原采用的20 kV直流供电改造为新干线25 kV交流供电方式；重新铺设了信号电缆，统一升级为新干线DS-ATC信号系统。对普速海峡线集装箱货运电力机车也相应进行改造，一是牵引系统兼容2种不同供电系统；二是信号系统兼容原采用的ATC-L信号方式。

图4 下导坑/侧壁导坑先墙后拱法

图5 土工锚杆支护法

图6 青函隧道一期普速线路（1 067 mm轨距）

图7 青函隧道二期普速/高速共用区间三轨线路

图8 共用区间改造和调整示意图

2.5 应急救援设备

列车运行的主隧道一旦发生事故，人员紧急疏散的路径是沿侧壁通道步行至横向通道，经过疏散通道到达避难所。在龙飞“定点”，乘坐钢缆轨道救援车（定员15人），或者步行均可到达隧道外地面；在吉冈“定点”只有步行疏散通道，未设救援车设备。逃生路线示意见图9。

图9 逃生路线示意图

3 应用情况

3.1 涌水处理达到可控程度

目前，青函隧道工后涌水达到了可控程度，并且隧道陆地段涌出的淡水已得到商业开发利用。现在利用淡水涌水制成的产品，主要有瓶装饮用水和清酒等。2010年6月，作为环保示范项目，建设了利用淡水涌水的“龙飞地区小型水力发电站”。该发电站年发电量为21万kW·h，相当于50～60户一般家庭的年消费量。此外，海底段涌出海水也得到部分利用，例如海水养殖、冬季道路的融雪作业等。

3.2 超前导坑发生变形

青函隧道超前导坑于1967年开挖，围岩受涌水冲刷和压强作用，工后50年发生显著变形。2017年2月8日JR北海道公司公布，具有排水和换气功能的超前导坑发生变形，横向直径收缩47 mm，底面沿纵向隆起52 mm，衬砌混凝土大面积脱落。目前日本方面正在研究加固方案。青函隧道变形情况见图10。

图10 青函隧道变形情况

3.3 轨道电路易发生短路事故

增设第三轨后，2根钢轨之间空间狭窄，最小间距为37 cm，扣件及绝缘件之间仅有4 cm，如掉落金属异物容易发生轨道电路的短路事故。例如，2016年6月12日北海道新干线高速列车在青函隧道内发生2起紧急停车事故，其原因都是隧道内新干线与既有线钢轨间散落的金属片导致轨道电路短路。

3.4 应急救援设备切实发挥作用

2015年4月3日，函馆始发开往新青森方向的特快“超级白鸟”34号列车运行至青函隧道段时发生牵引电路过载烧损事故（见图11、图12）。列车行驶至距离龙飞“定点”约1 km处隧道内紧急停车，司机下车约15 min后完成灭火。同时由车长引导约120名乘客沿侧壁通道步行1 km至龙飞“定点”，安全疏散至地面。这是青函隧道自1988年开通运营以来首次发生列车事故并进行乘客紧急疏散的情况，“定点”的设置在应急救援中发挥了重要作用。

图11 特快“超级白鸟”34号列车冒烟

图12 牵引电路过载烧损事故

3.5 共用区间亟待提速

为确保安全，青函隧道前后82 km的共用区间内要求最高运行速度为140 km/h，使新函馆北斗—东京站的新干线列车全程旅行时间最短为4 h 2 min，只有将新干线列车的旅行时分缩短至3h以内，才具有与航空竞争的优势[6]。为此，日本国土交通省组织“青函隧道共用走行区间技术研究课题组”（简称课题组）开展相关研究工作。

3.5.1 提速障碍

目前，北海道新干线在共用区间提速还存在三大障碍：一是线路维修作业受限；二是确认车和运营车短缺；三是运行图优化困难。以上三大障碍使该线在理论意义上不可能于2018年实现隧道通过速度提高至200 km/h、全程旅行时间缩短至3 h以内的初期目标，至少也需要到2019年甚至2020年才能达到[7]。具体表现如下：

（1）线路维修作业受限。一方面，隧道内维修作业量相对较大，难以在“夜间维修天窗”内完全消化；另一方面，提速试验有必要在夜间进行，与“夜间维修天窗”存在冲突。此外，由于青函隧道为海底隧道，钢轨处于不利的氯腐蚀环境下，伤损和短波不平顺的维修作业量相对较大，且受“夜间维修天窗”限制，难以长期维持以200 km/h以上速度运行的线路条件。

（2）试验所需车辆短缺。提速试验时，在开启“货车限行天窗”后、开行高速列车之前，需先开行具有一定高速性能的“安全确认车”，目视检查线路状态和轨道上的障碍物等，但“安全确认车”尚在制造中，最早于2017年底交付。另外，目前可用于高速走行试验的E5/H5系高速列车数量不足，不能满足夜间试验的需求。因此，高速走行试验至少要到2018年春季才能开始。

（3）运行图优化困难。首先，提速试验与货物列车之间存在冲突，如果延长夜间上线作业时间，则需减少货物列车开行频次；如果白天进行高速试验，则需停开货物列车。而减少货物列车频次会使上行首都圈方向的蔬菜等生鲜食品错过消费市场的批发时段、下行北海道方向的日杂商品和出版物等将迟至次日到达。其次，如果开行直快列车则需先开行“安全确认车”，会对既有上下行2对列车的图定开行造成影响；如果选用“安全确认车在夜间作业结束后上线走行替代凌晨首发”的方案，则始发列车必须增加奥津轻今别站和木古内站2个停靠站，否则将使隧道提速至200 km/h的效果降低。

3.5.2 提速基本技术路线

针对提速相关问题，课题组综合考虑提速控制因素，分别设定了提速的短期方案和长期方案，另外还提出了新建第二青函隧道方案及其他比选方案[8]。提速基本技术路线见图13。

图13 青函隧道提速基本技术路线

短期方案：即在一定时期和范围内进行提速。例如开设“每日2 h货物列车限行天窗”，该天窗内允许高速旅客列车以200 km/h以下速度通过，且对“平时每日仅开行下行1列”或“繁忙期每日仅开行临客几列”等方案进行比选。

长期方案：即驼背运输方案。取消第三轨、消除容易存留金属异物造成信号短路的有害空间，统一为标准轨距。货车使用高速标准托盘，采用基于高速客货混跑的驼背运输方式。

新建第二青函隧道方案是计划花费15年工期和约3 900亿日元沿既有青函隧道建设长度为57 km的单线货运专线，实现青函隧道客货运输分离，并释放北海道新干线运力。

其他比选方案包括恢复津轻海峡铁路轮渡货运业务，实现青函隧道客货运输分离；采用变轨距轮对技术、取消第三轨。但上述方案目前未列入正式比选范围。

4 结束语

青函隧道的建设创造了多项世界奇迹，在运营近30年的过程中为北海道地区和本州地区的联系作出了重要贡献。但青函隧道在运用中也出现了涌水、变形，以及增设第三轨出现的兼容性不足等问题，至今还需要克服共用区间提速等技术难题。青函隧道的建设和运营，都可对我国海底隧道设计提供参考和借鉴。

[1] 相浦宣德. 青函隧道新干线与货物列车混跑对北海道向外运输的影响[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] 田中角荣. 日本列島改造論[M]. 东京：日刊工業新聞社出版，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. 青函隧道新干线客车与货车混跑优化方案[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] 日本银行函馆支店. 北海道新幹線の開業効果[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] 雅虎日本新闻. ＜北海道新幹線＞「早期高速化を」地元協議会で声[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—本州段铁道货运的作用及其存续方策研究[J]. 土木计划学论文集，2000(17)：827-834.

责任编辑 李凤玲

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

张久长（1959—），男，外事主管。

E-mail：jchzhang@rails.cn

史俊玲（1976—），女，副研究员，硕士。

E-mail：shijl@rails.cn