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金子的博客

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日志

 
 

中国高铁不为人知的秘密  

2011-09-07 15:44:53|  分类: 高铁 |  标签: |举报 |字号 订阅

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     2006年春节前,当千家万户沉浸在阖家团圆的欢乐气氛中,一位老人孤独地躺在西安交大附属二院的病床上,在弥留之际反复重复着一句话:“高铁,一定不要建……高铁,一定不要建……”;两天后,他留下了最后一句,“如果非要上高铁,至少一定要用有碴道床。”便与世长辞。这位老人,是中科院西安地球环境研究所的张拾迈教授。

在中国的高铁大潮面前,张拾迈是为数不多保持着谨慎、理性的学者。经过全面、细致的研究,他得出“中国的地质不适合建高铁”的结论。认为在中国的地质条件下,高铁产生的夏尔谢夫力将导致严重的斯蒂芬金效应,引起群发性的地质灾害。在人生的最后几年,他一直致力于阻止高速铁路的盲目上马,他曾多次向铁道部和国务院写信表明自己的担忧,却屡屡遭到无视。而现在,随着这一批高铁线路的陆续通车,张拾迈教授的警告正在渐渐地不幸变为现实。

“夏尔谢夫力”,是科里奥利力的一种特殊存在形式,由俄国铁路工程师夏尔谢夫于1903年发现并引起重视。由于地球的自转,任何移动中的物体都受到一个侧向的作用力,在北半球向右,在南半球向左。火车当然也不例外,在北半球会受到向右的力,对钢轨产生挤压,钢轨又将这种作用力传给地面,从而对地面产生一个向右的切向力,这个力就是夏尔谢夫力,车速越快,夏尔谢夫力就越大。早期火车速度慢,夏尔谢夫力并未严重到需要人们加以警惕的地步,然后随着火车速度越来越快,加之建铁路的地区地质条件千差万别,在特定条件下夏尔谢夫力终于量变产生质变,并引发斯蒂芬金效应。

斯蒂芬金效应,系詹天佑的同门、耶鲁大学土木工程系毕业的年轻工程师斯蒂芬金发现的。1926年,斯蒂芬金考察落基山区的铁路线时,发现翻过山顶后高速冲下的火车,使得行车方向右侧的岩层、山崖发生断裂甚至小规模滑坡。这种地质破坏,正是因重力加速的火车产生的夏尔谢夫力引起的,而且这种破坏可以是“隔山打牛”型的,斯蒂芬金亲眼观察到与铁路线隔着数条河谷的山崖,在火车通过时产生了裂纹。因为地表岩土的刚性可以使夏尔谢夫力持续传递,远至数百公里以外,就像一粒高速运动的台球击中一列紧挨着排放的台球左侧,最右边的球却会被弹开一样。坚硬的地表岩土起到了那一列台球的作用,传递着夏尔谢夫力,直到遇到特定的地质结构使力无法继续传递,便在此时释放能量,造成地质破坏。夏尔谢夫力在一定条件下可以被山脉、峡谷等复杂地貌反射、折射而改变行进方向,使得追踪和研究它变得尤为复杂。

蒂芬金效应并不总是造成严重的破坏后果,它的作用效果与当地的地貌、地质有着密切的关系。遍观全世界,建有高铁的大多数国家分布在西欧和日本,它们的地质和气候条件能让斯蒂芬金效应降到最低,从而适合高铁的建设,而中国很不幸,各种地质和气候条件决定了不宜照搬欧洲和日本的高铁方案。在地形平坦的地区,夏尔谢夫力很容易被均匀地分散开,就像形状规则的蛋壳能够承受一定的撞击而不破碎一样。而在起伏不定的地形,夏尔谢夫力的传递不再齐头并进,遇到突起的山峰,深陷的河谷等,数百米范围内不同大小的希尔谢夫力就会对局部地形产生撕扯、挤压、剪切的效果。西欧地势平坦,一马平川,夏尔谢夫力的被均匀的分散了。日本虽然山脉众多,但是绝大多数人口居住于大城市中,山区只有少数农民,且由于地震频发,大多数夏尔谢夫力造成的隐患已经在地震中被一并释放了,日本的地质灾害预防做得好,房屋抗灾标准高,使得斯蒂芬金效应无法产生有破坏力的影响。同样的地形条件下,在弹性系数大的岩土中,夏尔谢夫力则更容易被缓冲、吸收。日本和欧洲的土质条件也远比中国适合高铁。日本湿润多雨自不必说,西欧也比中国大部分地区多雨,加之欧洲和日本气候比中国寒冷,土壤中的有机质被微生物分解矿化的速度慢,地质史上数十亿年的积累使得欧洲和日本的土壤中含有大量的胡敏酸、多聚六磷酸肌醇络合物等大分子有机物,弹性系数大,能起到吸收缓冲夏尔谢夫力的作用。

   中国气候相对干燥少雨,夏季受副热带高压作用气温往往高于32度,微生物矿化速度快,加上近半个世纪来水土保持不佳,土壤沙化、板结,更是不利于土壤有机质的形成和积累,土质弹性低,无法起到降低夏尔谢夫力的作用。地球是个扁球体,纬度越低的地点地球半径越大,受到的夏尔谢夫力也就越大。日本和西欧建有高铁的地区比中国绝大多数地区的纬度高,如日本东京的纬度接近于中国济南,法国巴黎的纬度比满洲里还要北,而德国柏林的纬度,则相当于中国最北端的漠河。中国大部分地区地处低纬度,遇到的夏尔谢夫力之强是西方的高铁建设者们不曾遇到过的。2004年,当中国政府的代表与参加竞标的西门子集团洽谈高铁和动车技术引进时,德国人以近乎傻气的严谨和善意提醒到:“贵国是否论证过高铁项目在地质灾害方面可能带来的风险?”这种宁可自砸饭碗也要为客户的安全负责的态度,却被中国代表当作了耳边风。

   日本和西欧的气候、地质条件能有效地减少夏尔谢夫力带来的斯蒂芬金效应,适合建高铁,而中国需要结合自己的具体国情制定铁路修建方案。张拾迈教授清楚地看到了这一点。年迈的他肩负着对整个国家和民族的责任感,背着沉重的仪器走遍了中国的山川大河,详细测定了各地的土壤弹性、硬度系数等指标,考察了地形地貌,绘制了无数张地形图,挑灯夜战演算夏尔谢夫力的作用模型,计算了数百处可能发生灾害的“问题地带”,并写成报告,多次致信铁道部和国务院,陈述了高铁的风险,却没有得到任何回应。张拾迈教授又对世界各国的地质、气候条件与中国做了详细的比较,为中国的铁路发展指明了方向──学习印度的成功经验:不盲目追求高速度,降低车速以降低夏尔谢夫力,同时以更经济的手段提高运能。印度地处南亚次大陆,气候比中国更加炎热,土壤弹性小,纬度也比中国更低,印度铁路的夏尔谢夫力也是不容小视的。印度没有为了政绩或者自豪感而盲目提高火车速度,而是从自己的国情出发,降低车速,减小夏尔谢夫力。为了提高因缓慢的车速而降低的运输效率,印度在单位车次的运输量上发掘潜力,甚至不惜把车速降到人可以自由攀爬和跳车的地步,让每一列火车都发挥它最大的运能。

   张拾迈认为,中国尚有8亿农民,他们并不富裕,分散居住于广大的农村和县城地区,他们需要享受铁路带来的便利,需要与外界联系。借监印度铁路的模式,让火车慢下来,让农民可以随时随地搭车和下车,正是他们所需要的。让中国最大的群体享受到出行的便利,他们的经济状况会随着与外界的交流而提高,才能提高整个民族的富裕水平和发达程度。在这个问题上,张拾迈教授不仅肩负着中国地质安全的责任感,他也为中国最广大群体的切身利益发出了自己的声音。2004年,张拾迈不顾家人的关心劝阻,以无比的责任感,拿着自己微薄的退休金作路费,自费去印度考察铁路,直到患上严重的肠胃疾患,倒在了异国的土地上,吊着输液瓶被抬回国。在养病期间他也閒不下来,在病榻上写成《印度国铁考察报告》,寄给铁道部和国务院。这份燃烧了一个老人的生命和健康写成的珍贵报告,却被上面有意无意的忽略了。

2005年起,张拾迈多次带着自己的报告和数据上北京,希望能向相关部门的领导陈述高铁方案背后的隐患,却始终无法如愿。最后,张拾迈把希望寄托于他心中的底线,希望高铁建设至少保证使用有碴道床──就是平常我们所见的有石子铺垫的铁路。石子可以对夏尔谢夫力起一定的缓冲作用,而今天我们的高铁建设中普遍采用的无碴道床,把钢轨硬生生钉在水泥地上,则会给夏尔谢夫力带来火上浇油的效果。2005年底,劳苦奔波的张拾迈终于支持不住,病倒了,这一病就再也没有起来。

在2006年以前,中国大部分铁路的运营时速在120公里以下。今天,随着一批时速220,350,甚至380公里高铁的建成通车,夏尔谢夫力和相应造成的斯蒂芬金效应相比过去是飞跃性的。自2009年下半年起,中国的地震灾害变得异乎寻常的频繁。

2009年12月16日,武广高铁建成通车。2010年2月6日,郑西高铁建成通车。2010年5月12日,成灌高铁建成通车。2010年2月25日,云南楚雄发生5.1级地震。4月14日,青海玉树发生7.1级地震,造成数千死亡。8月7日,甘肃舟曲发生特大泥石流,伤亡惨重。8月14日,四川汶川发生泥石流,造成41人失踪。2010年4月27日,广东梅州地陷,出现400平米巨大天坑,深度超90米,四川宜宾更是在7天之内发生数十次地陷,产生26个深不见底的天坑。7月19日,正值长江洪峰期的九江大堤,发生数百米宽的崩岸。……

温州7.23动车追尾事故,迄今为止,官方给出的理由是“雷电造成设备故障”所致。中国安监局举行事故分析会,结果如何,还拭目以待。

德国铁路安全专家初步分析了这一说法。德国德累斯顿工业大学的特林考夫教授认为,自然灾害如雷电造成动车停驶,是可以理解的。"比如,如果雷电击中电缆,导致断电。这在任何地方的铁路都可能发生。又比如冬季寒冷,导致电缆结冰,也是如此。或者在暴风雨的情况下。但此次事故中为何发生追尾,令人提出疑问。特林考夫教授说:“通常,一辆停驶的列车会处在该路段的安全系统保护下。同一路段的其它列车会在信号灯的指引下做出反应,或者在现代技术中,信息会直接传递到其它列车的驾驶舱,司机采取刹车制动。”

据路透社报道,这两列动车是由加拿大庞巴迪公司与中国南车股份有限公司共同制造。中国南车一名发言人称,是信号技术出了问题,火车本身是正常的。在北京的咨询公司IHS一位专家任贤芳则表示,中国的铁路,尤其是网络操控上存在系统性问题,相关的计算机技术投资不足,软件跟不上基础设施硬件的发展。任贤芳同时批评中国的铁路扩建过快,尤其是2008年以来是一场“大跃进”。特林考夫教授说,在铁路事故后通常要注意两方面的调查,一是列车本身,二是铁路设施,如铁轨、电缆、信号灯,以及背后的操控系统。在铁路事故中必须保存证据,分析细节,彻底调查。例如在1998年的德国埃舍德列车出轨事故中,事故的起因是车轮的材质问题。特林考夫教授说,当时在较短的时间内,就得以确定问题出在车轮上,但具体是什么原因,调查清楚则经历了近两年的时间。

新华社报道,7月26日凌晨,相关部门将遗留在现场的车辆移送至温州西站,作进一步调查处理。铁道部部长盛光祖此前宣布,对高铁和客车进行为期两个月的安全大检查,并普查防雷设备。

中国高速铁路发生重大事故,人们对铁路安全担忧升级的同时,开始重新审视日本新干线近半个世纪安全业绩。日本新干线有关人员说,只有安全才能有安心,在安全面前没有妥协余地。2011年3月11日下午2点46分,日本东部地区发生里氏9. 0级地震的瞬间,在福岛、宫诚、岩手和青森4个县震中附近行驶的11班次新干线列车上,前期地震探测系统启动,列车自动断电并紧急煞车。2秒后最强烈摇动到来时,包括震中的11班次在内,东京-新青森线路27班次所有新干线车辆已经缓缓停了下来。乘客与机组人员无一伤亡。

这为日本新干线乃至世界高速铁路历史创造了9. 0级地震零事故新记录。

东京-青森新干线运营商东日本旅客铁路公司广报部有关人员接受美国之音采访时说,安全牵系一切,只有安全才有安心。他说:“这次发挥效力的前期地震探测系统是接受过去地震的经验教训,经过多次反复改良的。

日本新干线始于1964年,目前连接东北青森至南端鹿儿岛的新干线全长2400公里,由JR 东日本、JR 东海、JR 西日本以及JR 九州4家铁路公司分别运营。2004年10月一辆行驶在新舄县境内的新干线列车遭遇里氏6. 8级地震,由于地震是直下型,地震探测系统在强烈震动到来之前没能及时发出信号,导致列车的8节车厢脱轨,成为日本新干线40年历史中首次脱轨事故。

所幸155名乘客与机组人员及时获救,没有造成人员伤亡。

事后调查发现,脱轨事故与重大伤亡事故只有毫厘之差。

事故发生当时,列车拖着8节脱轨车厢继续向前行驶了1. 6公里,幸好轨道两侧铺设用于排雪的沟道,致使脱轨的车厢没有跌落高架桥下。另外,事故地点基本是直线轨道,脱轨事故附近的高架桥柱,汲取95年阪神大地震教训进行了加固,没有出现损坏。加上反向线路没有其他列车驶入。这些综合因素最终没有造成人员伤亡。

脱轨事故发生以后,JR 东日本对轨道和车辆追加多项防止脱轨措施,重点提高车厢、车轮、轨道以及自控系统的安全系数。同时把事故车厢送到该公司的安全教育培训所,成为安全教育的活教材。

JR东日本公司提示的安全对策显示,安全设备投资占设备投资的近一半。2010年度该公司设备投资总额3800亿日元中,安全设备投资为1740亿日元。2011年12月开通的全长674公里的东京-新青森线路,还有今年3月开通的全长288公里的博多-鹿儿岛新干线自确定建设项目到开通几乎都经过了近40年的漫长岁月。

中国高铁建设自2007年起至今已经接近一万公里,全长1300公里的京沪线路仅用了3年时间。相比之下日本新干线建设显得步调缓慢。

九州旅客铁道公司(JR 九州)新干线部科长三堂博和接受美国之音采访时说,建设项目到动工有一个过程,关键要看成本合算,经济效率不被看好的地段迟迟不被获准动工。

长期以来专门负责车辆内部装璜设计的三堂说,内部设计的所有材料首先要通过安全检查关,因此常常要在安全与创新上寻找平衡。他说:“在安全标准上是没有任何妥协余地,同时尊重长期积累的经验,不作偏离这些经验的尝试。”三堂科长说如果需要进行创新,那就必须经受住60万公里的实验检测。……

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