直線電機系統在廣州地鐵5號線的應用

史海歐 孫元廣

(廣州地鐵設計研究院有限公司 廣州 510010)

1 工程概況

廣州地鐵5號線首期工程(滘口至文沖)線路長約32 km，22座車站，線路橫貫廣州東西兩翼，為城市東西向的骨干線，是廣州地鐵迄今為止建設完成的最復雜、最困難的一條線。5號線(見圖1)從2004年開工至2009年12月建成，歷時5年多，2009年12月28日開通試運營，總投資約132億元。5號線首期工程共有10座車站與其他線路換乘，系統采用了直線電機運載系統，為6輛編組的L型車。

2 工程設計特點

2.1 大客流骨干線路對廣州交通和城市發展有巨大改善作用

5號線線路經過芳村區、荔灣區、越秀區、東山區、天河區和黃埔區，沿線的客流屬于交通需求型:滘口—大坦沙、珠江以西段，線路主要沿城市交通走廊布設，將對外交通要道滘口和待開發的大坦沙及已發展成熟的荔灣區連成一體，有利于緩解珠江大橋交通緊張情況，同時促進大坦沙地區的發展。中山八—珠江新城段，線路沿城市主要交通走廊布設，并經過廣州火車站，重點解決客流的運送，緩解客運交通緊張的情況。珠江新城以東段，將東部的天河區、黃埔區和城區中心直接連接起來，帶動廣州市中心尤其是珠江新城中央商務區(CBD)的發展，對促進東部地區健康發展起到巨大的導向作用。

2.2 換乘站和車站形式多

圖1 廣州地鐵5號線線路

5號線與其他地鐵線路有10座換乘站:楊箕站與已運營的1號線換乘，廣州火車站與已運營的2號線換乘，珠江新城站與已運營的3號線換乘，車陂南站與4號線換乘，坦尾站、區莊站與6號線換乘，西村站預留與8號線換乘條件，魚珠站、大沙地站預留與其他線換乘條件，滘口站預留與佛山市軌道線網的換乘條件。

其中，西場站、西村站、廣州火車站、小北站、區莊站、動物園站為6座明暗挖結合的島式車站;滘口站、坦尾站為2座高架車站。

2.3 地質復雜多變，位于城市密集交通繁忙區

5號線的環境條件非常復雜，2次穿越珠江，該區域巖溶發育，全線7次穿越斷裂，施工極其困難。該線經過的主要交通繁忙道路有:內環路、環市路、花城大道、黃埔大道和大沙東路。5號線在環市路下約4.1 km的線路與內環路高架橋并行，此路段交通非常繁忙，車站的布置及施工非常困難。全線約5.4 km的線路需穿越房屋，處理房屋樁基礎給工程實施帶來很大的困難。5號線沿線周邊受影響的建筑物共有465棟，這些建筑形式各異，地質條件及其基礎形式各不相同，地鐵結構與之的相互關系也各不相同。經過的構筑物主要有:既有鐵路線、高架橋、既有地鐵車站、人行天橋、下穿隧道、電力隧道、高壓電線塔和跨河涌橋等，共約65處。

2.4 工程設計與實施難度大，但土建設計技術創新多

5號線創造了在繁忙道路下不影響地面交通而進行暗挖的車站設計技術，采取創新型站隧分離、暗挖車站的設計方案;使用了國內第1條使地鐵盾構成功穿越溶洞的隧道設計技術;在國內第1次開挖了最小曲線半徑只有200 m的盾構隧道;在國內第1次成功采用最大坡度為5.5%的線路設計;在國內第1次采用礦山法進行洞內樁基托換設計;在國內地鐵中首次采用上下重疊暗挖站臺的車站設計(動物園站上下重疊隧道凈高達21 m，隧道層高最高);在廣州首次采用先挖隧道后開挖車站的設計(五羊邨站)等創新技術。

2.5 國際上首次采用大運量等級的6輛編組直線電機運載系統

5號線線路西段和中段位于城市的中心區，選線困難，線路具有曲線多、半徑小、坡度大的特點。首期工程曲線長度占線路總長度的41%，其中半徑為200 m的曲線有2處，總長度660 m，占總曲線長度的5%;半徑為250～300 m的曲線有3處，總長度1.6 km，占總曲線長度的12%;半徑350 m及以上的曲線有47處，總長度11 km，占總曲線長度的83%。正線最大坡度55‰，坡道長度520 m;40‰＜i＜50‰的坡道長度 1.3 km;30‰ ＜ i≤40‰的坡道長度 2.2 km;20‰＜i≤30‰的坡道長度4 km;車輛段出入段線最大坡度58‰。

5號線采用6輛編組大運量等級直線電機運載系統(見圖2)，直線電機車寬2.8 m，6輛編組長度約106.36 m，最高運行速度為90 km/h。牽引供電系統采用直流1500 V供電，正線采用接觸軌受流，車輛段采用柔性架空接觸網。按6輛編組載客量(定員)1402人、最大行車密度33對/h設置系統能力。

圖2 廣州地鐵5號線直線電機車輛

3 運營情況

3.1 客流量情況

2009年12月28日，5號線首日運營10 h，運客達28萬人次，當日廣州5條地鐵線共運客232萬人次。5號線開通使廣州地鐵步入真正的網絡時代，線網效應非常顯著，1～3號線客運量平均各增長10萬～15萬人次。目前廣州地鐵開通運營8條線路共236 km，日均客運量超過480萬人次，形成以1、2、3、5號線為骨干組成的放射線網，廣州地鐵運營線網見圖3。

2010年1月，5號線工作日客流量最高達50萬人次，最低也接近40萬人次;回顧3號線從2007年開通，用了1年多時間，日均客運量才達到30人次萬，而剛剛開通的5號線，開通次日就跨越了3號線運營1年才達到的客流量大關，且增長趨勢明顯。5號線2010年全年日均客流量在60萬人次左右，2011年日均客運量已增長到70萬人次左右，其中2011年元旦日客流量達78萬人次、5月1日86.9萬人次、10月1日客運量已達到了94.1萬人次。

3.2 客流斷面及運能

廣州地鐵隨著2、8號線、3號線北延段的開通運營，客流迅猛增長，5號線的運能也越來越難以滿足客流的需求，部分車站客流擁擠并有較多乘客滯留。擁堵基本是發生在重要換乘站之前，如上行方向基本發生在5號線與3號線的換乘站——廣州火車站之前，下行方向則發生在5號線與3號線的換乘站——珠江新城站之前。

圖3 廣州地鐵運營線網

目前，5號線高峰小時發車間隔4.5 min，旅行速度35.6 km/h，平均運距7.8 km，配屬列車30列，最大運能1.7萬人次/h。由于客運量的迅猛增長，運能已經難以滿足客流需求。以2011年3月7日早高峰為例，高峰小時最大客流斷面位于下行獵德站—珠江新城區間，為2.21萬人次/h，上行方向最大斷面為1.65萬人次/h，位于西村—廣州火車站區間，高峰小時客流斷面見圖4。

圖4 5號線高峰小時客流斷面

從圖4可以看出，5號線車陂南—楊箕站段運能嚴重不足，導致了大量乘客的滯留。為緩解運能緊張，廣州地鐵2009年開展了5號線列車增購項目，2010年《廣州地鐵5號線增購列車項目建議書》獲得國家發改委的批復，5號線增購32列，列車到位后高峰小時發車間隔可低于2.5 min，基本緩解了目前的擁擠現象。

3.3 運營牽引能耗

5號線采用一個交路運營，理論上全日平均滿載率26%，其中:牽引能耗約占49%，動力照明等約占51%。5號線每車公里的牽引能耗平均為3.518 kW·h，同期的廣州地鐵1、2號線6輛編組A型車分別為2.475、2.393 kW·h(1、2 號線的日均客流量己超100萬人次)，廣州地鐵主要線路2011年車公里平均牽引能耗見圖5。

圖5 廣州地鐵2011年車公里平均牽引能耗

5號線每人公里的牽引能耗為約0.06 kW·h，相對常規輪軌的1、2號線，5號線的能耗明顯偏大，其主要原因是廣州地鐵直線電機車輛的軸重大(達13 t)，且直線電機系統本身能耗偏大，另外5號線的線路條件較差。

4 小結

5號線是廣州地鐵迄今為止建設完成的最復雜、最困難的一條線，在國內外地鐵建設中也罕見。行走于廣州繁華城區，穿越上千棟房屋、7次穿越斷裂帶、2次過珠江、6次穿越廣茂鐵路。5號線線路所經之處，把廣州的“地質博物館”“逛”了一遍:紅層、花崗巖地層、灰巖地層、混合巖地層、淤泥砂層，穿越了斷裂帶、富水破碎地層、溶洞等。5號線在土建設計施工技術方案上綜合考慮了安全性、合理性、可實施性，具有很多技術創新點。

從5號線的建設和運營情況可以看出，5號線的建設和運營支持了廣州“東進、西聯”戰略，大力疏解了東西向的交通，帶動了沿線的發展，客流量的迅猛增長說明市民對5號線的認可，建成后充分發揮了其軌道交通骨干線的作用。

5號線列車最高運行速度為90 km/h，平均站間距約為1.5 km，設計平均旅行速度42 km/h，由于直線電機車輛的啟動和制動加速度小，實際正常運營時旅行速度僅為35.6 km/h，而且6輛編組定員1402人與實際運營載客量相差甚遠。從5號線運營和能耗來看，系統選擇應慎重，直線電機車輛應向輕量化、小型化發展，大客運量線路應盡量采用常規輪軌系統。

［1］廣州地鐵設計研究院有限公司，鐵道第二勘察設計院.廣州市軌道交通5號線首期工程設計技術要求［R］.廣州，2004.

［2］廣州地鐵設計研究院有限公司.廣州市軌道交通5號線首期工程設計總結［R］.廣州，2010.

［3］廣州地鐵設計研究院有限公司.城市軌道交通直線電機牽引系統設計規范送審稿［S］.廣州，2011.

［4］廣州市地下鐵道總公司.廣州地鐵2010年度年報［R］.廣州，2011.

［5］廣州市地下鐵道總公司.廣州地鐵運營月度報告［R］.廣州，2011.