中低速磁浮軌道交通旅游特性下系統優化研究
——以清遠磁浮旅游軌道交通為例

劉武斌

(中鐵磁浮交通投資建設有限公司,武漢 430060)

清遠市位于中國廣東省中部，北江中下游，北面和東北面與韶關市為鄰，東南和南面接廣州市，南與佛山市接壤，西與肇慶市相連，旅游資源豐富，為中國優秀旅游城市，素有“中國溫泉之鄉”、“中國龍舟之鄉”、“中國漂流之鄉”等美譽。

清遠長隆國際森林度假區(又稱清遠長隆主題公園)地處清遠市南部的銀盞片區，緊鄰廣州花都區，是長隆集團打造的第三個世界級旅游綜合體。項目規劃總用地87.8 km2，其中建設用地13.2 km2(19 835畝)，將以森林、湖澤、原野等為特色，打造世界珍稀動植物基因庫和保護基地，以及華南虎保護基地，形成“大自然、大生態、大種群、大樂園”的超級旅游度假目的地，成為“世界頂級的山水天堂、生態天堂、游樂天堂和動植物天堂”，預計建成后每年將吸引游客約3 000萬人次。

為了給清遠長隆主題公園以及規劃的旅游特色小鎮、特色景區等提供一種安全、便捷、舒適、節能、環保、經濟、高效的軌道交通方式，經對中低速磁浮、輕軌、跨座式單軌(云軌)、懸掛式單軌、有軌電車等多種軌道交通制式的綜合比選，最終選擇了中低速磁浮軌道交通制式[1-3]。

中低速磁浮系統[4-6]是采用車載電磁懸浮(EMS)技術和短定子直線感應電機(LIM)驅動車輛的軌道交通系統。目前，中低速磁浮交通已經進入較為成熟的工程化應用階段，國內正在運營的中低速磁浮線路有2條，為長沙磁浮快線[7-9]和北京S1線[10-11]。這兩條線路的功能分別為機場運輸快線和市內軌道交通線，最高運行速度均為100 km/h。

清遠磁浮旅游專線[12-13]設計與建設過程中，在總結兩條運營線經驗的基礎上，結合旅游需求，通過對線路、車輛、接觸軌、橋梁、路基、站房、軌道等開展系統性的優化研究，在交通便捷性、乘坐舒適性、綠色環保、感官體驗、地方特色融合、景區風格協調性等方面取得了較好成效。

1 線路與交通舒適環保便捷研究

清遠磁浮軌道交通是以服務清遠長隆主題公園為主要功能的旅游專線。一期工程與廣清城際鐵路銀盞站銜接，經未來小鎮、際華園商服區，實現廣清城際鐵路與長隆主題公園的聯通，正線全長8.014 km，設車站4座，于2017年12月29日開工建設。二期工程通過向東西兩個方向延伸，實現廣清合作園、美林湖特色小鎮、銀盞特色小鎮、未來小鎮及際華園商服區、長隆主題公園間的交通聯系，打造成為串聯多個特色小鎮度假區的生態旅游專線。見圖1。

圖1 清遠市磁浮旅游專線規劃示意

1.1 線路走向和縱坡選擇

清遠磁浮旅游線線路走向和縱坡選擇除了遵循保護環境、繞避各種環境敏感點和不良地質地段、少占基本農田和林地等軌道交通均應遵循的基本原則之外，重點從以下3個方面考慮[14-15]。

(1)線路走向要串聯旅游、居住、商業等板塊，綜合考慮規劃銜接、出行便利、客流吸引力、地方發展帶動等因素。

本工程在線路走向研究中，比選了北線、中線、南線3個方案(圖2)。北線方案主要行走在京廣鐵路北側，串聯未來小鎮、際花園冰雪世界、長隆景區及后勤基地。中線方案沿京廣鐵路北側前行，經未來小鎮后轉京廣鐵路南側沿森林大道走行，串聯未來小鎮、際花園冰雪世界、長隆景區。南線方案在京廣鐵路南側沿森林大道行走，串聯銀盞小鎮、長隆景區。地方城鎮規劃重點在京廣鐵路以北，北線方案雖然線型不是最好，而且兩跨鐵路施工難度及施工風險較大，工程造價也較高，但是能很好地與地方規劃銜接，有條件在際花園、未來小鎮、長隆后勤基地附近設站，交通便捷性、客流吸引能力、地方發展帶動能力等優勢較明顯，故得以選用。

圖2 清遠磁浮旅游軌道交通線路走向方案比選示意

(2)線路走向要結合既有及規劃交通走廊，充分利用道路綠化帶及夾心地，節約集約用地。本線全長8.014 km，其中約4.3 km沿長隆大道和新鎮路行走，1 km走在森林大道與京廣鐵路夾心地中。

(3)利用中低速磁浮轉彎半徑小、爬坡能力強的特點，結合舒適性需求，合理選擇縱坡方案，多采用橋梁和隧道，并統籌考慮土建工程填挖平衡，減少取棄土場用地，降低對環境的影響。本線橋梁長6.97 km，隧道長0.55 km，橋隧占比93.8%；路基挖方約48萬m3，全部用于車輛基地填方，基本取消了取棄土場用地。

1.2 車站站址選擇

(1)結合軌道交通現狀及路網規劃，選好換乘站，換乘站盡可能靠近既有站房，與其他軌道交通零距離換乘。

本線與廣清城際鐵路在銀盞站換乘，是長途旅游客流進入長隆景區的重要交通節點。研究磁浮車站換乘方案時，城際站房已基本建成。結合現場情況，比選了緊貼城際站房兩站合一、靠近城際站房兩站分離、兩站分設于站前廣場兩側共3個站址方案。緊貼城際站房兩站合一方案，雖然因貼近既有站房而導致施工與協調難度大增，但是能實現兩站站臺層平齊并以連廊相通，乘客步行20 m即可平面換乘，換乘快速便捷，故得以選用。

(2)景點附近站址選擇盡可能靠近景區門口或交通集疏散地，與景區其他交通方式無縫銜接，并考慮對景區環境及景觀的影響。

長隆主題公園站的服務對象主要是游客和景區通勤人員，站址選擇研究了森林大道路側、森林大道路中、京廣鐵路北側共3個設站方案。森林大道路側設站方案站房設置在森林大道和京廣鐵路夾心地帶，通過天橋跨越森林大道使站房與景區交通系統銜接，旅客換乘較便利，對景區環境與景觀影響小，且有效利用夾心地。森林大道路中設站方案站房設置在森林大道的道路中間，旅客換乘最便利，但對景區環境與景觀、道路交通產生一定影響。京廣鐵路北側設站方案站房與景區中間相隔鐵路，雖然施工難度與施工風險大大降低，但導致旅客進出景區不便利。經綜合比選，從換乘便捷性、客流吸引力、對環境及景區影響考慮，選用森林大道路側設站方案。見圖3。

圖3 長隆主題公園設站比較方案示意

2 車輛系統優化

長沙磁浮快線、北京S1線所用車輛均為工程應用的初代車輛，由于缺乏經驗，相關技術還不完全成熟，隨著工程應用的積累，車輛與其他各系統之間的配合將日趨完美。本項目借鑒國內兩條工程運營線所積累的經驗，并結合旅游便捷、舒適、環保等需求，對磁浮車輛進行了系統優化升級。

2.1 運行速度提升

旅游客流對交通時間和速度要求較高，本工程結合旅游特性及工程實際，提出最高運行速度為120 km/h的目標。為使運行速度從100 km/h提升至120 km/h，需對車輛牽引系統進行優化[16]。

本工程車輛設計采用短定子直線電機牽引的方式構建車輛的牽引系統，所有車輛全部為動車，每節車配備1個牽引單元，每個牽引單元包含10臺直線電機，采用5串2并的連接方式。為增加驅動力，車輛采用新型直線電機。新型短定子直線電機額定電壓為220 V，峰值電流為431 A。牽引電機容量較之前車輛提升14%，滿足速度120 km/h的運行需求。直線電機性能參數見表1。新型短定子直線電機示意見圖4，牽引制動曲線見圖5。

表1 直線電機性能參數

圖4 新型短定子直線電機

圖5 牽引制動特性曲線

2.2 懸浮可靠性增強

中低速磁浮車輛采用電磁吸力懸浮方式，電磁吸力懸浮就是對車載的、置于導軌下方的懸浮電磁鐵通電勵磁而產生磁場，磁鐵與軌道上的鐵磁構件相互吸引，將列車向上吸起懸浮于軌道上，磁鐵和鐵磁軌道之間的懸浮間隙一般8～12 mm[17-18]。懸浮系統主要功能是使懸浮電磁鐵懸浮間隙始終保持在額定值及其允許波動范圍內，實現車輛穩定懸浮并在運行過程中快速穩定地跟蹤軌道。由此可見，懸浮系統是中低速磁浮車輛最為關鍵的系統之一。懸浮系統構成如圖6所示。

圖6 懸浮系統構成

旅游客流具有明顯的季節性、時段性。本項目預測旺季節假日遠期全日最大客運量為9.98萬人次，高峰小時最大客流量為0.67萬人次，超高峰客流量(選取15 min)計算采用高峰小時客流量乘以1.25～1.31超高峰系數。為使遠期3輛編組的輸送能力滿足超高峰客流量的需求，需對車輛的懸浮能力進行改進提升。通過對車輛的電磁鐵、懸浮架結構、懸浮傳感器、懸浮控制器等關鍵技術優化，使得單塊電磁鐵懸浮質量由3.3 t提升至3.8 t，整車懸浮能力提升5 t。圖7為兩種靜浮狀態下懸浮電磁鐵繞組最高溫度的應力場，當靜浮力為38.8 kN和40.35 kN時，繞組最高溫度分別為144.6 ℃和150 ℃。絕緣等級為H級的電磁鐵能承受的最高溫度為180 ℃，能夠滿足車輛對懸浮力的需求。車輛的懸浮能力增強，懸浮控制更加穩定可靠，車輛過軌縫時將更加平穩。

圖7 懸浮狀態下電磁鐵溫度應力場

2.3 受流性能提升

長沙磁浮快線、北京S1線受流靴(亦稱受電靴)滑板采用整塊板式結構，接觸軌采用有縫膨脹接頭。本工程車輛采用新型鏈式靜音型受流器，每列車配備4對，每輛頭車配備2對。所用受流器具有操作安全性高、結構簡單可靠、日常維護工作量小且維護簡單、最高速度120 km/h穩定受流的特性。增加受流靴的脫靴功能，可遠程控制故障車輛受流靴收靴，降低故障車對線路供電的影響。受流器結構如圖8所示。

圖8 新型鏈式靜音型受流器結構

靴板采用鏈條式分塊受流板結構，內設減震機構。靴板材質為球墨鑄鐵，具有很好的導電性能，且具有不拉弧、噪聲小的特點。球磨鑄鐵滑板的特點是使用壽命比浸金屬碳滑板長，并且三軌軌面潤滑性能與浸金屬碳滑板相當。靴臂采用絕緣連接，無需增設絕緣子。受流靴的磨耗特性通過了旋轉試驗臺(圖9)的驗證。表2為受流器基本參數。

圖9 受流器旋轉試驗臺

表2 受流器基本參數

2.4 噪聲控制

中低速磁浮是一種“超靜音”的軌道交通制式，噪聲水平遠低于一般軌道交通。雖然第一代磁浮車在低噪聲上取得了很好成效，但為了追求更加環保舒適，車輛系統降噪仍列為本項目的一項重要研究課題。

車輛系統降噪主要從吸振、隔振、吸聲、隔聲這4個方面控制整車的噪聲，先進行噪聲預測，再根據分析結果采取控制措施，形成降噪方案。車輛在設計中主要采取了以下措施。

(1)懸浮控制器：調整散熱風扇安裝部位，通過檢測懸浮控制器內部溫度來控制散熱風扇的啟動與關閉。

(2)空調機組：改進軸流風機及離心風機，優化空調機組內部機構，減小振動與噪聲。

(3)供風單元：在空壓機上下、四周增加擋板，經測試，可降低噪聲6 dB左右。

(4)牽引逆變器：選用低噪聲的離心風機，增加風道平順性，降低風道紊流產生的噪聲。

(5)內裝：在車體鋁結構和內飾板之間增加預氧絲棉，降噪系數≥0.75。內裝地板采用酚醛地板，酚醛地板和鋁地板之間增加陶瓷纖維，降噪系數≥0.15。

(6)車門與車窗：采用鋁蜂窩門板結構，車門周圈護指膠條及周邊膠條。車窗采用夾膠玻璃形式。

(7)貫通道：打涂隔音密封膠，阻隔車內外空氣流動；接合面粘密封條，隔絕噪聲從接合面進入客室通道；渡板與踏板接觸面增加磨耗條，降低摩擦產生的噪聲。

通過采取以上一系列系統性的降噪措施，經噪聲仿真分析，車輛室內外噪聲值有較大改觀，具體數值見表3。

表3 清遠磁浮車輛噪聲指標 dB

2.5 外觀內飾提升

作為旅游觀光線，設計要注重與地方特色融合。車輛作為城市的移動地標，在對外展示中承擔重要角色，為了展現地方特色，有必要系統性開展景觀與美學設計。

磁浮車的外觀與內飾是大家關注的重點，設計要考慮當地人文、地理、自然環境等因素，融入地方元素，與當地環境和景觀相協調。本線以服務長隆景區為主要功能，車輛外觀與內飾設計要緊扣清遠元素及“長隆森林+動物”的旅游特色，外觀設計以長隆景區重點推廣動物海豚為原型，將其形象轉化為車頭造型，并在車體上賦予多種動物形象元素；內飾以淺色調為主，與當地炎熱氣候相適應，給人清涼感，并以綠色植物和動物腳印做點綴，體現清遠市四季長綠，充滿生機活力。見圖10、圖11。

圖10 清遠磁浮車輛外型

圖11 清遠磁浮車輛內飾

3 工程其他相關系統優化

3.1 車站美化

車站站房作為旅客的集散中心，所在城市及區域的重要形象標志，是城市重要的公共交通建筑，其建筑造型要充分展現當地特色。清遠市作為中國優秀旅游城市，建筑造型方案設計要緊扣旅游這個主題進行[19]。

銀盞站：作為與城際鐵路的換乘站，是旅客前往長隆景區游玩的重要交通節點，其建筑造型方案與長隆景區的建筑風格保持一致，整體風格營造出豐富多姿、休閑旅游的車站氣息。見圖12。

長隆主題公園站：設置在長隆景區門口，采用古羅馬建筑典型的拱券結構，建筑風格雄渾凝重，營造出與主題公園風格一樣的夢幻般游樂空間。見圖13。

蓮湖站：設計造型如同一座漂浮游動的旅游之舟，與清遠市“中國龍舟之鄉”相呼應。見圖14。

除了對站房建筑造型重點設計外，對車站周邊及站前廣場也開展了綠色景觀專題研究。

圖12 銀盞站效果圖

圖13 長隆主題公園站效果圖

圖14 蓮湖站效果圖

3.2 接觸軌技術改進(圖15)

接觸軌膨脹接頭由單縫改為雙縫甚至無縫，經過測試，可以使接觸軌受流更穩定、無折點，道岔轉轍更平順、無沖擊，行駛噪聲更小。

膨脹接頭電氣連接件銅帶結構由折疊式改為“回”字形，能保證膨脹接頭無論怎么伸縮均為橢圓形狀，避免造成死彎現象以致影響膨脹接頭自由伸縮。

接觸軌支架由固定支架改為萬向調節支架，可調節支架可跟隨軌排沿線路方向仰俯角度調節，能提高線路曲線處接觸軌的安裝精度。

實測結果表明，靴軌耦合動力性能良好，可提供更連續平緩的受流環境，滿足中低速磁浮速度120～160 km/h穩定受流的需求。

圖15 接觸軌萬向調節支架和無縫膨脹接頭

3.3 橋梁和疏散平臺優化

為了美觀及景觀協調性，經優化研究并通過美學設計，本工程采用了新型T形橋墩，墩高12.5 m及以下時，常規跨度雙線簡支梁橋墩采用1.8 m×2.0 m矩形截面，使得橋梁結構更加纖細美觀。與已運營線路的橋墩形狀及墩柱截面尺寸比較，其優化明顯[20-21]。見圖16。

圖16 并置單線簡支箱梁效果圖

另外，橋上疏散平臺采用標準化及預制拼裝。設計中，對需安裝在疏散平臺上的設備統籌布置，對強、弱電纜托臂采用預制拼裝，對信號柱及天線底座、電纜孔、電箱支架孔、線路標識等做好預留，避免因專業接口問題導致現場切割、焊接。采用整體式護欄，適當降低疏散平臺欄桿高度，提升視覺效果。采用工廠預制、現場拼裝方式，改進防腐工藝，采用機械化噴涂，做到美觀整齊。見圖17。

圖17 疏散平臺示意

3.4 綠墻技術應用

傳統擋土墻的墻面為圬工面，景觀效果一般，為了體現旅游特性，給乘客提供良好的觀光體驗，本項目采用了綠墻技術，將傳統擋土墻的圬工墻面變為具有可綠化功能的墻面。綠墻技術采用裝配式混凝土構件，由生態板和箱式墻體組成，箱式墻體為現澆構件，箱體內填筑填土，生態板掛置在箱體牛腿上，自下而上裝配成生態面墻。裝配式混凝土構件采用廠制化生產、施工標準化，減少混凝土用量。綠墻技術將墻頂、墻面作為綠色植生空間，利用箱體內填土給植物根系提供生長空間，減少后期養護成本，具有節能、低碳、綠色、環保等技術優勢，景觀效果優良。見圖18。

圖18 路基生態擋墻及邊坡效果

3.5 軌排優化設計

本工程通過軌排受力計算確定軌縫與梁縫容許偏移量，對磁浮軌排進行標準化、模塊化優化改進設計，如圖19所示。編寫軌排鋪設圖一體化軟件，有效避免了長沙磁浮軌排不能通用的問題，軌排標準化達到70%，有效減少軌排類型，減少軌排設計、制造難度，提高軌排制造效率及降低生產成本，且能有效提升軌排鋪設速度，節省鋪軌工期，降低軌道建造成本。并通過對防腐體系的研究，采用機械化噴涂，做到涂裝均勻，提升外觀效果。軌排生產制造采用智能流水線作業，生產效率和質量相比傳統單機生產提高很多。

圖19 軌排優化改進示意

3.6 道岔減振優化

長沙磁浮快線因道岔梁主振動頻率(17.875 Hz)與磁浮車輛自振頻率接近，在調試初期出現過車岔共振問題，后來通過安裝豎向質量液體雙調諧阻尼器TLMD阻力器得以解決。

清遠磁浮道岔通過優化道岔梁結構，在滿足道岔撓跨比和強度要求的條件下，使道岔梁豎向自振頻率避開車輛自振頻率。具體措施如下：

(1)梁高由1.4 m增加到1.8 m，梁的腹板厚度由16 mm調整為20 mm；

(2)主動梁由三臺車改為二臺車支撐；

(3)在臺車處增加豎向約束(圖20)；

(4)道岔梁質量由15 t增加至26 t，梁的一階自振頻率降低至12.36 Hz。

圖20 臺車豎向限位裝置

4 結語

為了體現清遠磁浮線的旅游交通特性，在設計與建設過程中，對線路、車輛、接觸軌、橋梁、路基、站房、軌道等系統性開展了一系列優化研究，在交通便捷性、乘坐舒適性、綠色環保、感官體驗、地方特色融合、景區風格協調性等方面取得了較好成效。中國工程院院士、西南交通大學牽引動力國家實驗室主任錢清泉評價“清遠磁浮旅游專線將是我國中低速磁浮交通發展史上又一具有里程碑意義的項目”。本文對其進行總結，希望能對旅游軌道交通的規劃、設計與建設有所啟發，對“磁浮+旅游”新模式發展的推進有所幫助。