10高速铁路的防灾安全监控与环境保护

10高速铁路的防灾安全监控与环境保护21910高速铁路的防灾安全监控与环境保护10.1概述安全是一切交通运输方式的先决条件，是高效运输和持续发展之本，是铁路运输的生命线。高速铁路由于列车高速度、高密度运行，一旦发生事故，后果相当严重。因此，高速铁路对行车安全保障体系提出了更高的要求。除了要求保证线路、机车车辆、牵引供电以及通信信号等设备高安全性外，对各种可能发生的灾害，如自然灾害——强风、暴雨、大雪、地震，轨温及火灾，突发性灾害——坍方落石、异物侵入限界、非法侵入等，都要实施全面监测，即建立防灾安全监控系统，实施全面、准确、实时的安全监控，预防灾害的突然袭击。对各类灾害监测的原始信息，通过数据处理、分析与判断后，传送至综合调度中心或综合维护与救援调度中心确认和处理。根据灾害的性质和级别，对运行中的列车或实施预警，或限速运行，或中止行车，以确保高速列车运行安全。因此，防灾安全监控系统是保证高速铁路安全运行的重要基础设施之一，是综合调度中心不可缺少的一个组成部分。这正是高速铁路与普通铁路的重大区别之一。生态环境是人类赖以生存和发展的基本条件，是决定人类社会、经济能否持续发展的重要因素。现代科技和经济迅猛发展给人类物质生活带来了空前的繁荣，然而也给人类带来了前所未有的灾害，它不仅破坏整个生活环境和生态环境，甚至还危及人类的生存和发展。环境保护是我国的一项基本国策，它关系到国家和民族的兴衰，关系到现代化建设的成败和国民经济的持续发展。它是一项范围广阔、综合性很强的系统工程，其主要任务是运用环境科学的理论和方法，在更好地利用自然资源的同时，深入认识和掌握污染和破坏环境的根源和危害，预防环境质量的恶化，控制环境污染，促进人类与环境的协调发展。我国政府为了实现可持续发展，制定并实施了一系列有关环境保护的法律、法规，已形成了以《中华人民共和国宪法》为基础，以《中华人民共和国环境保护法》为主体的环境保护法律体系，且随着我国社会、经济的发展，环保执法力度正在逐渐趋严。环境保护是一项集政策性、社会性和经济性于一体的工作，环境保护标准是保护人类健康、社会物质财富和维持生态平衡所制定的法规，是执行环保法的基础依据，是强化环境管理的技术基础，是环境规划的定量化依据，是推动科技进步的力量。220高速铁路的环境保护除具有与一般铁路环境保护相同的特点以外，其重点内容有以下几个方面：1．治理噪声环境：高速铁路列车速度高达300km/h以上，其噪声强度将随速度的提高而上升，例如德国的ICE噪声峰值声级为90dB（A），法国的TGV噪声峰值声级高达94dB（A）。因此，控制噪声将是高速铁路环保的头等任务。国外测试资料还表明：轮轨噪声与集电系统噪声是高速铁路主要的噪声源。因此，降低轮轨噪声和集电系统噪声是控制高速铁路噪声污染的关键所在。2．控制振动污染：高速铁路列车运行产生环境振动，这种振动的振级与列车速度成正比，控制振动对环境的污染将是高速铁路建设的一项重要任务。国外建设高速铁路的实践表明：路基的地质条件、线路与结构物的结构、动车组走行部分的结构以及受振点离线路的距离是影响振级大小的主要因素。因此，保持路基稳定，加强轨道的弹性设计，采用性能良好的轻型动车组等，将是控制高速铁路振动污染的主要方向。3．防止电磁干扰：高速铁路采用电力牵引，可实现大气无污染的零排放。但是，电化区段对城市居民区的环境影响，除上述集电系统的噪声污染以外，电磁干扰也随之而来，这不仅使有线、无线通信声音失真，还会使电视画面紊乱而无法收看。产生电磁干扰的主要原因是电力机车受电弓离线率的影响。因此，改进受电弓的结构和受流条件，采用屏蔽电缆或光缆传送电视信号等将成为控制电磁干扰的主要任务。4．保护生态环境：高速铁路建设规模大、占用农村和城市用地多，且需经过繁华的城市区和经济带，对自然生态环境和城市生态环境（如水土流失、植被和农田水利的破坏、城市房屋建筑物的拆迁、城市景观、日照、施工的干扰等等）都将造成很大影响。因此，研究和采取保护生态环境的措施，在高速铁路建设中具有重要的意义。5．处理列车垃圾：高速列车以舒适、便利的优越性而吸引众多的旅客。为此，列车生活垃圾的处理，如车厢粪便的收集、废水的排放、“白色污染”的治理等将成为保证高速铁路环境（包括列车车厢和沿线）的重要内容。为实现上述任务，高速铁路的环保工作要贯彻“全面规划、合理布局、综合利用、化害为利、保护环境、造福人民”的方针，在进行高速铁路可行性研究或初步设计的同时，必须进行环境影响评价，提出环境影响分析专题报告，拟定环境保护的对策和建议，并估算用于环境保护工程的费用，将其列入工程概算，使高速铁路的环保工作落到实处。10高速铁路的防灾安全监控与环境保护22110.2高速铁路的防灾安全监控系统防灾安全监控系统是综合调度中心的一个组成部分。防灾安全监控系统提供有关防灾数据（预警、限速、停运决策信息），为列车运行计划调整、控制提供依据，保证列车正常运行。日本、德国、法国等国均考虑高速铁路防灾安全监控系统，并采用了较完善的安全设施保障列车行车安全。例如，日本新干线对风、雨、洪水、雪、地震、异物侵限进行监测，当达到报警控车条件时立即对列车限速，当地震报警时立即切断接触网电源；法国高速铁路对风、地震、异物侵限进行监测，当风、地震、异物侵限监测达到报警控车条件时立即对列车限速。我国也要求高速铁路设置防灾安全监控系统。防灾安全监控系统一般包括信息采集、信息传输和信息处理三部分，对自然灾害（风、雨、洪水及地震）、轨温及火灾、突发事故、异物侵限及非法侵入等内容进行监测或控制。自然灾害主要指：风、雨、洪水、地震及其他自然灾害；轨温及火灾主要指钢轨温升、大型车站、大型结构物、牵引变电所、通信信号机械室等重要机房室内及周围火灾；突发事故及异物侵入限界指突然发生的影响行车安全的事故以及落石、落物、塌方或其它物体侵入限界，使铁路设施受到意外撞击等等。另外运行中的高速列车、牵引供电系统和通信信号等都有自己的安全监测和自控子系统，维修、紧急救援子系统也是安全系统中的重要环节，它们共同构成安全保障体系。京沪高速铁路防灾安全监控系统总体构成见图10-1。以下先介绍自然灾害监测中的风监测子系统、雨量及洪水监测子系统、地震监测子系统和雪害监测及对策，然后介绍固定设施诊断与监控中的轨温监测、长大隧道安全监测、长大桥梁安全监测、路基安全监测、大型车站防灾系统和其它灾害监测及安全防护工程。至于高速列车、牵引供电系统和通信信号的安全监测和自控子系统，以及维修、紧急救援子系统，这里不再一一介绍。1．风监测子系统高速铁路与普通铁路相比，一方面列车运行速度要快，另一方面列车轴重要轻。因此，风对高速铁路安全的影响是不容忽视的。强横风作用下，接触网可能引起强烈摆动、翻转；作用于车辆的侧向大风则将影响列车运行的横向稳定性，可能造成列车倾覆。长大桥、车站一般要设风向风速计，空旷地带风期长、风力强劲的风口也应设置风向风速计，而气象部门只能提供大面积范围内的气候概况，不能满足高速铁路点、线特点和具体数据的实时性要求，所以，高速铁路针对风灾害所采取的安全对策是建立风监测子系统（系统还需与气象部门联网以保证数据的合法性和对未来天气的预测222需要）。该系统由风向风速计、发送装置、接收分析记录显示装置组成。日本采用的某种风向风速监测子系统构成如图10-2所示，风向风速计通过其附带的变换器将模拟电信号变换成数字信号，经由各自的信号发送装置，通过一对电缆发送至分析记录显示装置接收。在风速达到一定值时，自动通知中央控制中心，控制列车减速或停止图10-1京沪高速铁路防灾安全监控系统总体构成图图10-2风向风速子系统构成图运行。警报标准根据线路条件、列车抗风性能、周围环境等因素综合考虑。例如日本10高速铁路的防灾安全监控与环境保护223新干线警报标准如表10-1所示。从表中可以看出，在强风区段，在线路两侧设置挡风墙是减少风影响的有效措施。表10-1强风时列车运行管理制规则（日本东北、上越、长野新干线）风速（m/s）一定区间设置一定标准的挡风墙区间20≤风速＜25列车限速160km/h以下不限速25≤风速＜30列车限速70km/h以下，也可视具体情况停运列车限速160km/h以下30≤风速＜35停运列车限速70km/h以下，也可视具体情况停运风速≥35停运停运注：风速指瞬时风速。2．雨量及洪水监测子系统铁路洪水灾害不象地震、风灾那样具有突发性，而是按积少成多、循序渐进的规律，因汛期雨水多而形成灾害的。例如，京沪高速铁路多处于河流下游的平原地区，沿线地区日最大降雨量均大于100mm，降雨大多集中于汛期（6～9月份），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，路基常处在淹没状态，造成线路溜坡、沉降、坍塌和冲毁路基及桥涵设施等。为了防止洪水对高速铁路带来的灾害，需要建立雨量及洪水监测子系统。该系统根据高速铁路沿线气象、水文、灾害历史以及线路的路基、桥梁等设计状况，有针对性地设置监测终端，有效地制订运营及防洪措施。图10-3为雨量及洪水监测子图10-3雨量及洪水监测子系统结构图系统结构图，系统由水文气象数据采集终端（风速、风向、气温、气压、雨量、水位、224冲刷探测、洪水测量及防撞监视等）、数据处理与预报（中央装置）、数据传输与控制三大部分组成。高速铁路受降雨及洪水的破坏，主要表现在路堤、桥梁破坏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、排水不良、周围环境影响；桥梁破坏主要有桥墩台过度冲刷、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。因此，应针对上述情况考虑设计相应的探测及数据采集设备。雨量及洪水监测子系统由数据采集、数据传输、监测终端等设备构成。图10-4为日本采用的某一雨量监视系统构成图。设置在各地点的雨量计通过各自的带阻滤波器连接在一对芯线上，通过各自对应的频率发生器发送信号，接收记录装置分别接收各自频率的信号，分析统计各地点的雨量信息。图10-4日本雨量监测子系统构成图降雨警报标准的确定是非常复杂的问题，报警限速虽然保证了灾害发生时的安全，但如果灾害没有发生就会使列车误点或停运，破坏了正常运输。为此，设定限速标准时，要确实把握现场情况，既要保证安全，又要使运输损失控制在最小程度；同时还要根据恢复整治的加固、环境的变化，经常予以调整。日本东海道新干线明确规定了降雨警报标准及运行措施，例如连续雨量（24h的累计）140mm、每小时雨量达40mm，就要实行限速170km/h运行，每30min报告雨量一次。3．地震监测子系统在影响高速铁路运行安全的自然灾害中，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，例如京沪高速铁路沿线将穿越四条较大的地震构造带，历史上发生可能危及高速铁路的地震约有20余次。因此，借鉴国外地震预警的经验，开发10高速铁路的防灾安全监控与环境保护225适于我国高速铁路线路、构造物特点，并反映历史震灾情况及未来发展趋势的高速铁路地震预警系统，是十分必要的。目前用于地震监测预警主要有二类系统：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。监测设备有两种形式：一种是加速度报警仪，我国采用的报警加速度为45gal（1gal=0.01m/s2），日本采用的报警加速度为40gal（0.4m/s2）；另一种是显示用的地震仪，该地震仪能显示监测点的地震加速度波形，可进一步判断发出的警报是否可靠。另一类系统是日本新近开发的地震早期监测预警系统。在地震波中，包含有基岩中传播速度快、振动幅值小、人体几乎感觉不到的P波（初期微动，v≈8km/s），以及传播速度慢、振动幅值大、人体感觉明显、造成构造物损坏的S波和面波（主震，v≈4km/s）。沿线变电所内的地震仪通常是在主震袭击线路后才报警，如果此时有高速列车正好在地震受灾区运行，很可能因来不及减速而掉道翻车。为了能提早检测到地震的发生，在地震主震到达线路之前，有尽可能多的时间让高速运行的列车减速，并防止列车进入受灾区，日本铁道综合技术研