長沙中低速磁浮工程建設中的重要舉措

周曉明 劉萬明

(1.湖南磁浮交通發展股份有限公司,410014,長沙;2.同濟大學磁浮交通工程技術研究中心,201804,上海∥第一作者,總經理)

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百家論壇

長沙中低速磁浮工程建設中的重要舉措

周曉明1劉萬明2

(1.湖南磁浮交通發展股份有限公司,410014,長沙;2.同濟大學磁浮交通工程技術研究中心,201804,上海∥第一作者,總經理)

以我國首條中低速磁浮商業運營線——長沙中低速磁浮工程為實踐案例,闡述了中低速磁浮系統的構成和技術經濟特征,介紹了工程設計、施工、調試的標準和經驗,包括電磁兼容問題、軌排技術方案、軌道梁設計、系統聯調等方面在建設過程中的重要舉措。展望了中低速磁浮技術在我國的應用前景。

中低速磁浮工程; 磁浮列車; 工程化應用

First-author′s address Hunan Maglev Transportation Development Co.,Ltd.,410014,Changsha,China

1 工程概況

湖南省選定中低速磁浮作為重大創新示范項目,建設長沙磁浮工程,將長沙市的地鐵、髙鐵和機場聯成一體,形成“空鐵聯運”,并打造“湖南制造”品牌,形成中低速磁浮技術產業鏈。 長沙中低速磁浮工程于2014年5月開工建設,2015年12月26日投入試運行,預計2016年4月將實現載客運行。該項目采用具有完全自主知識產權的中低速磁浮交通技術,系統設備全部國產化。線路連接長沙火車南站和黃花國際機場,全長18.5 km,初期設置車站3座,運營列車5列,列車采用3輛編組。工程投資43億元。

作為國內中低速磁浮示范運營項目,長沙中低速磁浮工程集聚了國內磁浮交通技術領域的主要研發、制造和建設單位。工程建設管理由湖南磁浮交通發展股份有限公司(以下簡稱“湖南磁浮公司”)承接;列車由中國中車集團株洲電力機車有限公司牽頭,西南交通大學、同濟大學和國防科技大學參加研制;線路工程由中國鐵建集團牽頭,組織該集團設計、制造、施工和安裝單位實施設計施工總承包。同濟大學磁浮交通工程技術研究中心(以下簡稱“磁浮中心”)作為技術咨詢單位實施全過程技術支持。圖1為長沙中低速磁浮工程地理位置圖。

圖1 長沙中低速磁浮工程地理位置圖

2 中低速磁浮交通系統技術特點

磁浮交通是傳統鐵路技術發展一百年后,在鋼輪鋼軌式軌道交通的基礎上優化創新出來的新型軌道交通方式。其主要特征在于采用電磁力實現無接觸的列車支承、導向、驅動和制動,從而消除運營磨耗,并通過車輛環扣軌道的構造形式避免列車脫軌。這些基本技術特征有利于降低磁浮交通系統的運行成本和運行噪聲,擺脫粘著條件對牽引力的限制，從而具有更強的爬坡能力和加減速能力,并更容易繞避平面障礙,從而降低建設投資。

與高速鐵路解決城市之間的快速運輸需求、地鐵輕軌解決城市居民的日常市內出行需求相對應,磁浮交通也根據城間交通和城市交通的需要,分為高速磁浮交通和中低速磁浮交通系統。前者以提高列車速度為主要目標,最高運行速度為400～500 km/h;后者以降低建設成本為目標,單公里造價約為地鐵的一半,最高行車速度與地鐵相同。

2.1 中低速磁浮列車的技術原理

中低速磁浮列車依靠電磁鐵產生電磁力實現懸浮、導向和驅動。如圖2所示,F形的軌道下方兩極與車輛上電磁鐵的兩極相互吸引,將車輛提升至磁極與軌道間間隙為8～10 mm后保持穩定,該吸引力還具備導向動能，在線路方向改變或列車運動中產生橫向位移時可以恢復車線相對關系。車輛轉向架模塊下方的直線電機定子與軌道上表面的感應板之間形成直線電機,驅動列車前進。

圖2 中低速磁浮懸浮導向原理

中低速磁浮交通系統的城市軌道交通功能定位,決定了它的速度目標值與現有傳統軌道交通系統相近。為了充分利用現有城市軌道交通技術和設備,減少磁浮交通系統設備的特異性,降低系統造價并加快產業化進程,中低速磁浮交通系統的通信信號、牽引供電、運行管理均采用現行城市軌道交通相關技術標準。因此,除車軌關系較為特殊外,在車體制造、牽引供電、運行控制等方面都可以采用成熟的城市軌道交通技術。

2.2 中低速磁浮交通的技術特點

中低速磁浮列車的技術原理和車線關系構造,決定了它具有如下特點:

(1) 噪聲低、振動低、污染少,可適應地上建設。列車運行的無接觸特點,不存在車輪和軌道接觸產生的噪音或振動。據測定,在距離軌道10 m處的峰值噪聲為64 dB,而傳統輪軌交通的峰值噪聲為92～94 dB。同時由于沒有車輪磨耗,也不會在運行中產生鐵粉或橡膠粉塵等空氣污染,有利于環保。

(2) 轉彎半徑小,爬坡能力大,易于在城市中迂回穿行。由于不受粘著限制,爬坡能力可達70‰,顯著高于傳統輪軌方式的30‰;車輛環扣線路的構造,使線路可以采用更大的超高橫坡,同等速度下轉彎半徑更小,正線最小平曲線半徑可低至100 m,輪軌方式為300 m。上述特點使中低速磁浮列車的線路設計參數與城市主干道路的平縱面設計參數相近,從而使其線路基本可以沿城市主要道路布設,避免大量工程拆遷,減少工程費用。迂回穿行有利與既有交通樞紐形成良好換乘條件。

(3) 建造難度低,建設工期短,工程投資少。由于中低速磁浮線路可以在不造成大量拆遷的情況下布設于地上,因而施工難度小,建設工期短。如長沙磁浮工程開工20個月就實現了試運行,工程總投資僅2.3億元/km。工期和造價均顯著優于一般城市軌道交通項目。

(4) 安全性高。中低速磁浮線路一般均建于地上,施工期間的安全性優于一般建于地下的地鐵。投入運營以后,由于列車環扣線路軌道,不易產生因脫軌導致的安全事故。在發生系統故障和突發事件的情況下,在地面更容易組織旅客疏散,避免安全事故。

(5) 維護成本低。列車與軌道沒有接觸摩擦,列車運行對軌道的動力沖擊響應大大減少，進而可以降低車輛和軌道的維護費用。

3 長沙中低速磁浮工程建設中的重要舉措

長沙中低速磁浮工程,是我國自主研制的中低速磁浮交通技術的首次工程應用,且從宏觀上具有“振興湖南先進制造業”、“建立中部地區現代化空鐵聯運樞紐”、“搶占國內乃至世界先進交通技術制高點”等重大意義。盡管具有較長時間的科研基礎,但作為首創性工程,為保證工程的順利實施，在工程建設的各階段采取了一系列重要舉措。

3.1 前期決策階段

磁浮交通系統用于商業運營,在交通界和社會公眾中曾經引起廣泛的關注和討論,滬杭高速磁浮線和深圳軌道交通8號線(中低速磁浮方案)，在項目前期論證中曾經出現過沿線公眾的抗議事件。因此,長沙磁浮項目的實施,除了項目相關單位要具有清晰的認識和信心以外,還須努力取得交通界和社會公眾的認可。為此,在長沙中低速項目決策階段,湖南省政府、磁浮列車制造單位和項目業主單位開展了一系列前期論證工作。

(1) 廣泛開展科普宣傳,消除公眾對磁浮技術的環境影響疑慮。科技創新成果轉化為生產力,是政府和科技人員努力追求的目標。技術上的實現能力是必要條件,但社會的接受才是轉化成功的充分條件。面對國內之前因為公眾(包括部分技術界的權威人士)對磁浮交通系統的誤解導致重大創新項目擱淺的前車之鑒,長沙中低速磁浮項目主動開展了磁浮交通技術的科普宣傳,邀請專家學者介紹磁浮列車的技術原理,組織公眾試乘磁浮試驗列車,公開檢測磁浮列車的電磁環境數據,消除了這一創新工程推進的社會阻力，使得項目前期工作得以依法按程序完成。后期的實施過程也表明,這一工程成為長沙市軌道交通項目中社會矛盾最少的項目。

(2) 組織專門研究和檢測機構,解決項目與現有行業技術標準的沖突。長沙磁浮項目連接高鐵站和黃花國際機場。但民航管理部門提出,根據GB 6364—2013《航空無線電導航臺(站)電磁環境要求》和MH/T 4003—1996《航空無線電導航臺和空中交通管制雷達站設置場地規范》等國家和民航技術標準的規定,為保證機場導航和地面指揮系統的安全,航空無線電導航臺(站)周邊不能有電氣化鐵路、無線電臺等設施。按現行標準的規定,用于飛機指揮的超短波定向臺周邊500 m范圍內不能有電氣化鐵路。此外,機場的導航指揮系統對電磁兼容環境有嚴格的要求,磁浮列車以電磁力為驅動能源,其電磁場的電磁波有可能影響機場空中運輸的安全。這些問題從根本上動搖了用磁浮列車連接機場并盡可接近機場以方便乘客的可行性。為此,項目推進團隊本著嚴肅、科學、客觀的原則,組織西南交通大學和中國民航第二研究所等單位,深入分析了機場航空指揮的電磁環境指標要求和磁浮列車產生的電磁環境影響,并赴上海高速磁浮線路和株洲中低速磁浮試驗線進行電磁環境參數實測,提出實測數據和專題研究報告。然后邀請民航科研機構、環境保護機構、磁浮中心、民航管理部門等單位的專家,共同分析磁浮交通系統對機場航空指揮系統的影響,得到了“根據理論分析和實測數據,認為磁浮列車不影響機場運營安全,但需竣工后實測驗證”的基本結論,從而消除了按現行國家和行業標準磁浮列車不能進入機場區域的障礙,磁浮項目得以實現連接機場并盡可能創造方便換乘的目標。

3.2 勘察設計階段

長沙磁浮項目作為新型交通方式在中國的首次工程化應用,首先面臨的困難就是設計標準缺位。作為大型基礎設施建設項目,沒有設計標準作為依據,就不能進行初步設計文件編制、設計質量審查、工程概算審批和建設程序審批。項目工作即不能開展。為此,在湖南省長沙中低速磁浮工程協調領導小組的幫助下,為解決項目技術標準缺位問題,項目業主單位邀請國內鐵路和城市軌道交通領域設計、施工、制造和高校科研機構的權威專家,深入分析磁浮列車的技術特點和設計要求,對比中低速磁浮交通與鐵路、城市軌道交通的技術差異,論證長沙中低速磁浮項目技術標準。提出如下意見:

(1) 長沙磁浮工程按城市軌道交通系統進行設計,主要遵循城市軌道交通的相關標準,其磁浮專用技術部分需編制專用技術標準。中低速磁浮交通與傳統城市軌道交通相比,主要差異在于車輛走行部和軌道間以無接觸方式實現支承、導向和驅動,其抱軌運行方式與跨座式單軌相似,牽引方式與直線電機輪軌方式相似。因此,其系統設計標準可以在編制部分磁浮專用標準的基礎上,參考國內已有的CJJ 167—2012《城市軌道交通直線電機牽引系統設計規范》和GB 50458—2008《跨座式單軌交通設計規范》,并執行GB 50157—2013《地鐵設計規范》和GB 50490—2009《城市軌道交通技術規范》。

(2) 由項目業主單位和磁浮中心牽頭編制長沙磁浮工程專用設計技術標準和施工驗收標準。鑒于磁浮中心在國內首條中低速磁浮工程試驗線研制方面的技術積累和世界首條高速磁浮工程線的建設與運營經驗,由磁浮中心配合項目業主單位組織國內中低速磁浮技術領域的技術專家和長沙中低速磁浮項目的參建單位,編制《長沙磁浮交通工程設計暫行規定》和《長沙磁浮交通工程施工及驗收暫行規定》,作為長沙中低速磁浮工程的設計和施工的技術依據,作為項目業主單位的企業技術標準,并在湖南省住房和城鄉建設廳備案。

3.3 工程建設階段

作為科研成果的首次工程應用,長沙中低速磁浮工程在實施過程中必然面對一系列具體工程技術問題。這些問題的解決,既是長沙中低速磁浮項目成功的關鍵,也是我國磁浮交通工程建設技術的重要積累。

在建設期間,項目業主單位組織項目設計、施工、監理、咨詢等相關工作的執行單位和國內從事磁浮及軌道交通領域的專業技術人員,解決了一系列重要的工程技術問題。

(1) 充分利用磁浮交通技術選線靈活的技術優勢,使線路主要沿勞動路、黃興大道、機場高速公路等城市主要交通走廊布設,有效避免了大量工程拆遷,有利于節省工程投資和縮短工期。對磁浮機場站的線路優化,既保證了與機場乘客廊道的便捷銜接,又保證了遠期延伸發展的可能。

(2) 對F軌的技術要求和供貨標準,在磁浮中心專家咨詢意見的基礎上,引入不同技術方案供貨企業進行競爭性談判,最終采用了技術精度較高、報價較低的方案,節省軌道部分工程投資逾億元。

(3) 通過對軌道支承結構和軌道梁技術方案的研究,提出了單線單梁、梁間用系梁連接的方案,有效降低了軌道梁自重,從而減輕了支墩和基礎的荷載。系梁的采用滿足了運營期間的維修需要,還有效增加了軌道的整體剛度,并由此將軌道梁的支座數量減少一半,既降低投資,又減少了運營期的支座維護工作量。

3.4 系統調試階段

長沙中低速磁浮工程的調試,既有常規城市軌道交通系統調試的通常工作,也有磁浮交通系統的特有的技術特點。

所有以電為動力的交通工具(包括以柴油為動力的電傳動內燃機車)均通過電動機定子與轉子的相對運動獲得車輛前進的動力。在磁浮列車出現以前,所有電動交通工具的定子和轉子都裝配在車輛上,因此車輛的調試基本在工廠內進行。而磁浮列車則不同,其定子和轉子分屬于車輛和軌道,列車和軌道的相對運動構成“電機”的轉動。而磁浮車輛與軌道間的相互關系是通過自動控制原理由懸浮控制器進行主動控制的。通過改變懸浮控制參數,可以使列車在不同剛度的軌道上都能平穩運行,也可以改變列車運行所需能耗。

因此,磁浮列車的調試工作,將有很重要的部分需在建成的軌道上進行。技術人員根據列車在軌道上的運行狀態調整并設定合理的控制參數。由于軌道是具有不同平曲線半徑、不同坡度、不同豎曲線半徑和不同橫向坡度的“轉子”,列車上的定子要能與不同空間曲線的“轉子”共同工作,需要在調試過程中進行“磨合”。

長沙中低速磁浮項目邀請國內開發懸浮控制器的西南交通大學、同濟大學和國防科技大學專業技術人員共同參加列車運行調試,既有分工,也有合作,共同構建了我國中低速磁浮列車懸浮控制技術體系。

4 結語

4.1 長沙中低速項目成功建設和運營的意義

長沙中低速磁浮工程的建設,不僅對長沙一市的交通建設具有重要意義,而且對我國交通運輸業的發展具有重要的里程碑意義,甚至可能對我國宏觀經濟產生重要影響。主要表現在以下方面：

(1) 有利于建立完整的中低速磁浮應用技術體系。通過長沙中低速項目的建設和運營,可以總結、優化、提煉中低速磁浮交通設計、建設、制造和運營管理技術,形成核心技術知識產權,構建完整的技術標準和應用技術體系,形成工程可復制能力。

(2) 有利于完善城市軌道交通體系。中低速磁浮技術的形成,為城市交通規劃提供了新的應用元素,其低成本的特征將使城市軌道交通的線網規模和布局獲得改善的空間。更多的城鎮居民將有條件享受舒適、便捷、環保的城市軌道交通工具,城市管理者將擁有更多減輕道路擁堵的資源。

(3) 有利于提升我國交通運輸裝備制造業的國際地位。長沙中低速磁浮項目的成功,將表明我國具有中低速磁浮交通系統的完全自主供貨能力。中低速磁浮是城市軌道交通領域的革命性創新,一舉解決了傳統城市軌道交通建在地下造價高,建在地上環境難以兼容的矛盾。我國在這一新技術領域的水平處于世界前列,有利于向世界輸出“中國智造”高端技術裝備。

4.2 應用前景

自長沙中低速磁浮工程于2015年12月26日開通試運行以來,國際和國內媒體均給予大量關注。本項目的成功建設以及日本高速磁浮項目的實施,使國內社會以往對磁浮技術的疑慮得到顯著消減。已有各界人士在不同場合主張在我國發展磁浮交通。

湖南省已經考慮在長沙中低速磁浮項目建設成功之后,在長株潭地區重新規劃城市和城際交通網絡體系,將磁浮技術引入,鞏固和發展磁浮交通的“湖南制造”優勢,以此走向全國,走向世界。此外,新疆烏魯木齊、河南鄭州、四川成都等城市均對中低速磁浮項目表現了極大的興趣。

[1] 中國國家標準化管理委員會.航空無線電導航臺(站)電磁環境要求:GB 6364—2013 [S].北京:中國標準出版社,2014.

[2] 中國民用航空局.航空無線電導航臺和空中交通管制雷達站設置場地規范:MH/T 4003.1—2014 [S].北京:中國民航出版社,2014

[3] 湖南磁浮交通發展股份有限公司.長沙磁浮交通工程設計暫行規定:Q/HNCFGS 002—2015[S].

[4] 湖南磁浮交通發展股份有限公司.長沙磁浮交通工程施工及驗收暫行規定:Q/HNCFGS 001—2015 [S].

[5] 丁信華.對磁浮工程技術的一些思考[J].城市軌道交通研究，2015(5)：10.

Key Technologies in the Construction of Medium and Low-speed Maglev in Changsha CityZHOU Xiaoming, LIU Wanming

The first and the world longest urban maglev commercial demonstration line of China has been constructed in Changsha City. Based on this line, the technical and economic characteristics and the configuration of Changsha medium and low-speed maglev system are described, the experiences in establishing the designing codes, construction regulations and criteria for acceptance are introduced. The key technologies in the construction, such as electro-magnetic compatibility, track skeleton, guideway-beam design, integration test and commissioning are discussed. At last, the further application of urban maglev system in China is prospected.

medium and low-speed maglev; maglev train; engineering application

U 237

10.16037/j.1007-869x.2016.05.001

2016-02-12)