日本地震工学会2005年次大会、京都、2005年11月発表予定

新幹線の脱線と早期検知中村1) 正会員

豊1)（株）システムアンドデータリサーチ, 〒186-0003 東京都国立市富士見台3-25-3,
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1. はじめに2004年新潟県中越地震（2004年10月23日17時56分0.3秒発生、震源：北緯 37度17.3分，東経138度52.2分,深さ13km、Ｍjma 6.8）では営業運転中の新幹線列車が初めて脱線したが，幸いにも災害とはならなかった．上越新幹線に設置された不測の事態に対応するコンパクトユレダスが，震央地域でP波検知後１秒で警報を発し，震央域の全列車を緊急停止させた．これにより脱線列車では，本格的な地震動到来の２−３秒前に緊急ブレーキが動作し始めた。対向列車突入の危険性も大幅に低減させるなど、直下に発生した地震に対しても，コンパクトユレダスは期待どおりに動作した．今回の脱線現象を分析した結果，主要な脱線は特定の高架橋ブロック間の著大な相対変位によって順次発生したと推定され，地震後，脱線車輌がレール上を胴体着陸状態で滑走して著大な摩擦熱が発生し，列車通過とともにレールの変形・破断が発生したと推定された．排水溝に落ち込んだ最後尾車輌は地震時には脱線していなかったと推測されるが，もし警報が遅れていれば，これを含むより多くの車輌が脱線して災害に発展した可能性があることがわかった．以下，やや詳しく述べる．
2. コンパクトユレダスの働き
早期検知システムがＰ波警報を出したのは、新川口SSと新長岡SSPで、これらが担当する六日町SPから押切SPまでのエリア内（いずれも200Gal以上を観測している）にいた列車は3本（図-3参照）：北から，とき406号，とき325号(脱線),とき322号である．
なお，とき325号（下り）には，運転士ら3名が乗務し、乗客は151人であった．脱線付近の線路はほぼ南北に走り，その運行には東西動が大きく影響する．

長岡補助き電区分所 滝谷トンネル

とき406号

434Gal とき325号 妙見トンネル
とき325号

長岡駅

P波検知3.5秒
P波警報4.5秒
S波到来6.7秒

P波

魚沼トンネル

P波検知3.3秒
P波警報3.9秒
S波到来6.4秒

新川口変電所

846Gal
P波検知2.9秒
P波警報3.9秒
S波到来5.9秒

S波
深さ13km

記録波形に基づく
シミュレーション結果

震源：破壊開始点
2004年10月23日17時56分0秒

0

2

468

10 km

図‑2 地震波動伝播の模式図
西方向の大きな揺れまでの時間は3.0秒程度である。
トンネル出口ではＰ波から警報まで約0.6秒と推定されるので，警報から大きな揺れまでの時間は2.5秒程度あったと推定される．図-2に，深さ13kmの震源から，地震波動が拡がり，検知点や脱線地点などに到達するさまを模式的に示す．

コンパクトユレダスがあれば１秒で P 波警報
コンパクトユレダスは P 波警報を出さない

1200
900
600
300
0-300-600-900-1200
12009006003000-300-600-900-1200

川口町(JMA)↓P 波

図-3は、強震記録を用いてコンパクトユレダスの動作状況をシミュレートした結果である。被害地域においてのみＰ波警報がＰ波検知後1秒で発信され,コンパクトユレダスの的確さを示している.
新川口SSや新長岡SSPでの記録波形を用いて最速警報システム「フレックル」の動作をシミュレートした結果，現行のコンパクトユレダスよりもそれぞれ0.8秒，0.4秒の短縮が見込まれる．トンネル出口
ではP波到来前に警報を受けることになるが、これは地震検知点を20km間隔から10km間隔に増やすのと同等またはそれ以上の効果である．

小千谷(K‑NET)↓P 波

0図-3 震央付近の状況とシミュレーション結果

5時間（秒）

1015

図-1 震央域強震波形例(EW)

図-1の震源域での強震記録（EW方向成分）をみると，大きく揺れ始めてから一旦収束しまた大きくなっている．脱線箇所とほぼ同じ震源距離の小千谷では，強震動の継続時間は5‑6秒で、Ｐ波到来から東1

今回の脱線は以下のように発生したと推定される．
参考のため図-6に脱線発生状況の模式図を示す．

3. とき325号の脱線
トンネル出口（206km地点）から300m地点付近は崖状地形のため，高架橋の高さが急変し，構造も一層式高架橋から２層式高架橋に変わる．

① 先頭車が滝谷トンネルを出て75mほど進んだところで，地震（P波）に遭遇し，スパークした．
② P波から0.6秒後にコンパクトユレダス警報を受け停電，緊急ブレーキが作動し始めた．
③ P波から2秒後にS波到来，さらに1秒後大きな揺れが始まった（先頭240m付近）直後、８号車後部台車後部車軸が190m付近で乗り上がり脱線．
④ 列車は，5‑6秒継続する大きな揺れの中を，全車両が一斉に左右にロッキング震動しながら交互に片輪走行した．
⑤ 高架橋ブロック間で大きな相対変位が発生する場所（285m付近）があり，ここを片輪走行する
ときに次々に脱線した．最初の大きな揺れが終わる頃に１０号車前部台車が左側に脱線，そのまま30mほど走行して，今度は反対側に揺れはじめ，９号車の後部台車が右側に脱線した．その後揺れは一旦おさまったが,80m走行して再び揺れ始める前に，５号車の後部台車後部車軸が217m付近で乗り上がり脱線した.再び揺れ始めた後，４号車が右側に脱輪した．続いて３号車の全台車および２号車の前部台車が左側に脱線した．この段階で大きな揺れはおさまり，最後尾車輌の１号車は無事に285mを通過した．
⑥ 大きく揺れている間，片輪走行で脱線車輌のボディーマウント底面とレールの接触は左右交互に発生した．地震終了後は脱線した車体底面とレールが全面的に接触しながら滑走した．この摩擦熱によりレールが伸びた。500m‑600mでは左右のレールともに左側のレール締結装置の左側が脱線車輌によって破壊され、列車通過後大きく左側に孕みだした．また700mの絶縁継ぎ目付近にはレールの伸びが集中し盛り上がった．
⑦ 700m付近を通過した車両は飛び上がり，15m先に落下した． 最後尾車輌（1号車）は．700m付近を通過した時飛び上がり，着地後バウンドして2号車の後部台車を引きずりながら右側に大きく脱線した（700m付近）．この時同時に抱き込むようにレールを横倒ししながら進んだ．
⑧ さらに130mほど進んで，最後尾車輌は完全に排水溝に落ち込み，停車位置まで滑走した．

図-4 著大相対変位発生箇所 206km285m 付近（○印）

新潟方

横は 4 倍進
行

20⑩ 20方
向5050⑨⑧10⑦⑥⑤5101010④51010③101055

単位:cm

②①

東京方

9090
100
140140140**

40軸中22軸が脱線
1号車は排水溝に落下、車体は約30度傾斜●印は損傷した窓の位置(a)先頭車(b)最後尾車012

図5 とき325号脱線状況

トンネル出口からの距離
3 4 5 6 7 8Px100m
9 1 0 11 1 2 1 3P 波警報S

主要動主な脱線

脱線車輪がスラブ面に落ちると，レール踏面とボディマウント底面が接触して摩擦熱が時間

4. おわりに今回の脱線は微妙なタイミングで生じたと考えられる．警報が遅れていれば、より多くの車輌が脱線した可能性が高く，レール上を脱線した車体が接触しながら滑走するため，摩擦の問題がより深刻になったと考えられる．少なくとも今回の場合，早期警報により走行安全性は高められた．

発生する．

著大相対変位発生箇所

正常車輌
乗り上がり脱線著大相対変位による脱線
レール変状による脱線

図-6 脱線発生状況の模式図1