世界首條永磁磁浮軌道交通試驗(yàn)線總體設(shè)計(jì)研究

耿曉婷 李曉飛

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308）

1 系統(tǒng)概況

永磁磁浮軌道交通系統(tǒng)“紅軌”由江西理工大學(xué)于2014年首次提出。2022年8月，世界首條永磁磁浮軌道交通試驗(yàn)線——興國工程試驗(yàn)線在江西省贛州市興國縣竣工。該新型軌道交通系統(tǒng)是一種能夠適應(yīng)復(fù)雜地形的中低運(yùn)量品質(zhì)化、個(gè)性化、智能化交通運(yùn)輸方式，適用于中小運(yùn)量交通線路，可作為地鐵、輕軌等大運(yùn)量交通方式的末端接入，也可作為城區(qū)站點(diǎn)、城鄉(xiāng)連接的新載體。該系統(tǒng)由稀土永磁懸浮模塊、直線電機(jī)牽引驅(qū)動(dòng)模塊、智能定位與通信信號模塊、運(yùn)行控制與安全保障模塊、軌道支撐與牽引供電系統(tǒng)、車輛裝備系統(tǒng)等6大部分組成［1-2］。

永磁磁浮軌道交通系統(tǒng)屬于懸掛式單軌與磁浮技術(shù)的創(chuàng)新融合，是一種懸掛式單軌交通系統(tǒng)，車輛懸掛于軌道梁下方行駛，利用永磁材料同性相斥的原理，在豎向保持懸浮狀態(tài)［3-4］。

該軌道交通系統(tǒng)具有生態(tài)、智能、安全、經(jīng)濟(jì)四大特點(diǎn)［5］。

1.1 生態(tài)

系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保無污染。系統(tǒng)少占地、少拆遷，對地面交通影響小，通過稀土永磁陣列實(shí)現(xiàn)“零功率”懸浮，動(dòng)力系統(tǒng)采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，無廢氣排放，系統(tǒng)懸浮運(yùn)行，節(jié)能、噪音小且易維護(hù)，是一種節(jié)能環(huán)保型的軌道交通系統(tǒng)。

1.2 智能

系統(tǒng)運(yùn)行智能化。行駛過程采用無人駕駛技術(shù)，由運(yùn)行控制單元進(jìn)行智能化運(yùn)輸組織與調(diào)度；各種運(yùn)行數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，由中央控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，并命令相關(guān)執(zhí)行模塊進(jìn)行相應(yīng)操作，實(shí)現(xiàn)無人駕駛及智能化運(yùn)輸組織。

1.3 安全

系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠。系統(tǒng)采用半封閉軌道梁和防脫軌設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的安全運(yùn)行；永磁磁浮軌道交通系統(tǒng)采用的永磁體是靜態(tài)磁場，無磁污染；永磁磁浮軌道交通的精確定位和狀態(tài)監(jiān)測對系統(tǒng)運(yùn)行車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)安全管理；列車設(shè)有多重救援及逃生裝置，確保乘客安全。

1.4 經(jīng)濟(jì)

系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)適用性好。單位建設(shè)成本與地鐵、輕軌、中低速磁浮相比具有較大優(yōu)勢；系統(tǒng)沒有平交道口，對現(xiàn)有的交通系統(tǒng)干擾少，施工周期短，選線靈活；采用永磁懸浮技術(shù)，運(yùn)行阻力較小，能耗較低；系統(tǒng)簡單可靠，大幅降低了運(yùn)營、維護(hù)費(fèi)用和全生命周期成本。

2 主要設(shè)計(jì)原則及標(biāo)準(zhǔn)

2.1 主要設(shè)計(jì)原則

（1）本工程近期為試驗(yàn)線，線路、橋梁按近期試驗(yàn)要求實(shí)施，為遠(yuǎn)期預(yù)留運(yùn)營條件。

（2）本工程采用單線設(shè)計(jì)，預(yù)留雙線條件，遠(yuǎn)期線路延伸后，靜調(diào)庫拆除、工藝設(shè)備重新利用，試驗(yàn)道岔作為遠(yuǎn)期列車折返渡線的一部分使用。

（3）設(shè)備系統(tǒng)緊密結(jié)合試驗(yàn)線、非運(yùn)營線的基本特征進(jìn)行設(shè)計(jì)；根據(jù)近期試驗(yàn)功能要求，設(shè)備系統(tǒng)僅考慮供電、通風(fēng)空調(diào)、給排水及消防、動(dòng)力照明系統(tǒng)，其余系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)留。

（4）始終堅(jiān)持安全可靠、功能合理、經(jīng)濟(jì)適用的基本原則。

（5）系統(tǒng)和設(shè)備選型應(yīng)立足國產(chǎn)化，工程設(shè)計(jì)應(yīng)符合國家、行業(yè)及地方有關(guān)規(guī)范、規(guī)定的要求。

2.2 主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)試驗(yàn)大綱，結(jié)合線路條件及行車速度，本試驗(yàn)線系統(tǒng)制式采用懸掛式單軌（永磁磁浮）制式，主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下［6］：

（1）正線數(shù)目：單線，預(yù)留雙線條件。

（2）車輛最高運(yùn)行速度：70 km／h。

（3）站臺(tái)計(jì)算長度：21 m。

（4）線路平面最小曲線半徑：50 m。

（5）豎曲線最小半徑采用1 500 m。

（6）車輛編組形式：試驗(yàn)／運(yùn)營期間均為2輛編組，懸掛式單軌（永磁磁浮）車輛。

（7）供電方式：DC750V接觸軌。

3 工程總體設(shè)計(jì)

3.1 線路

本工程位于贛州市興國縣，試驗(yàn)線設(shè)計(jì)范圍內(nèi)地勢平緩，線路呈南北走向，南起興國西站，沿現(xiàn)狀站前大道東側(cè)走行，在黃金坪附近接入靜調(diào)庫。線路長度0.8 km，均為高架線。共設(shè)興國西站1座，為地上二層側(cè)式站臺(tái)車站。

興國西站站前設(shè)置道岔一處，岔后線路長度約 80 m，岔線最小曲線半徑50 m［7］，此道岔近期用以檢驗(yàn)道岔及小曲線半徑的通過性能。

本線設(shè)靜調(diào)庫1座，位于黃金坪附近，由線路終點(diǎn)接入。

3.2 車輛與限界

本線試驗(yàn)車型為新研發(fā)車型，目前配屬1輛列車，采用2輛編組。本次試驗(yàn)線研究確定了區(qū)間高架建筑限界、車站建筑限界、靜調(diào)庫建筑限界和道岔地段限界加寬值。根據(jù)永磁磁浮懸掛式單軌交通特點(diǎn)，通過動(dòng)力學(xué)分析，提出了管線和設(shè)備的布置原則。

其中，區(qū)間直線地段水平方向建筑限界為1 800 mm。車輛底部建筑限界距離箱梁最底面為3 950 mm。車站直線地段站臺(tái)有限范圍內(nèi)，站臺(tái)邊緣距線路中心直線限界1 186 mm，箱梁最底面距離站臺(tái)面的高度為 3 270 mm，線路中心線距離站臺(tái)門限界為1 280 mm。曲線段建筑限界應(yīng)在直線段建筑限界基礎(chǔ)上另行加寬。當(dāng)建筑限界側(cè)面或者頂面沒有設(shè)備或管線時(shí)，建筑限界和設(shè)備限界之間的安全間隙不小于200 mm。當(dāng)有設(shè)備和管線時(shí)，軌旁設(shè)備和管線與設(shè)備限界應(yīng)保持不小于50 mm的安全間隙。區(qū)間直線地段雙線橋梁建筑限界，如圖1所示。

圖1 區(qū)間直線地段雙線橋梁建筑限界圖

3.3 道岔

懸掛式單軌（永磁磁浮）道岔組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及橋梁、車輛、供電和信號等專業(yè)。正線設(shè)置左開道岔 1組，用于車站內(nèi)左右線換線。本次設(shè)計(jì)道岔直向通過速度70 km／h，側(cè)向20 km／h。根據(jù)線路布置，按 4號小號碼道岔線形布置，因列車通過側(cè)股曲線行駛速度較低，道岔側(cè)股采用單圓曲線線型。4號道岔幾何線形，如圖2所示。

圖2 道岔幾何線形示意圖（mm）

道岔作用時(shí)間包括轉(zhuǎn)轍指令發(fā)出、解鎖、轉(zhuǎn)轍、鎖定、位置狀態(tài)信息生成，總轉(zhuǎn)轍時(shí)間不大于25 s。轉(zhuǎn)轍結(jié)構(gòu)采用單回轉(zhuǎn)點(diǎn)替換梁式道岔，該道岔轉(zhuǎn)轍角設(shè)置簡單，轉(zhuǎn)轍靈活，結(jié)構(gòu)原理簡潔，便于保養(yǎng)維護(hù)，轉(zhuǎn)轍時(shí)間短。

道岔設(shè)計(jì)主要由機(jī)械裝置和控制裝置兩大部分組成，其中機(jī)械部分主要由道岔梁、門墩、驅(qū)動(dòng)裝置、走行機(jī)構(gòu)、鎖定裝置等組成；控制裝置由控制柜、鎖閉電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、限位開關(guān)等組成。道岔具有集中控制、現(xiàn)場控制、手動(dòng)控制方式，并具有系統(tǒng)檢測、故障診斷保護(hù)和報(bào)警功能。當(dāng)?shù)啦砜刂齐娐钒l(fā)生故障時(shí)，由人工手動(dòng)控制完成解鎖、轉(zhuǎn)轍和鎖定。

3.4 橋梁

本項(xiàng)目位于興國西站高速鐵路站附近，行人車輛相對較多，考慮到城市景觀、環(huán)保和施工要求，全線采用高架橋梁，橋梁線性與線路線性相吻合。由于車輛行駛在軌道梁下方，因此本工程軌道梁采用下部開口的鋼箱結(jié)構(gòu)。軌道梁的設(shè)計(jì)同時(shí)應(yīng)滿足列車磁軌布置、導(dǎo)向走行要求和通信、信號及供電等系統(tǒng)在箱梁內(nèi)的安裝要求。

全線高架橋采用簡支結(jié)構(gòu)體系，標(biāo)準(zhǔn)跨徑為 25 m，曲線段梁部根據(jù)曲線半徑，跨徑采用25 m、20 m和16 m，在跨越防護(hù)堤和路口處采用特殊設(shè)計(jì)的30 m簡支梁。橋墩采用矩形截面鋼結(jié)構(gòu)橋墩或者鋼結(jié)構(gòu)+混凝土混合結(jié)構(gòu)橋墩，全線在預(yù)留雙線段采用Y形墩，單線段采用倒L形墩，跨路口或道岔梁兩側(cè)采用門式墩。L形墩和Y形墩鋼結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)橋墩示意圖

標(biāo)準(zhǔn)段簡支梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用φ1.8 m單樁和4根φ0.8 m的群樁，承臺(tái)頂埋深不小于0.2 m，樁基采用摩擦樁和嵌巖樁。墩梁連接形式采用銷軸連接，鋼橋墩與基礎(chǔ)之間采用柱腳螺栓連接。

3.5 靜調(diào)庫及工藝設(shè)計(jì)

靜調(diào)庫為本次試驗(yàn)線配套設(shè)施，用于本線配屬 1輛列車的組裝和調(diào)試。滿足車輛靜態(tài)調(diào)試需求，也兼做車輛卸車和組裝場地，同時(shí)考慮設(shè)置車輛在試驗(yàn)過程中臨時(shí)故障檢修場地。本試驗(yàn)線靜調(diào)庫任務(wù)范圍具體包括：試驗(yàn)車輛上下線及停放任務(wù)；試驗(yàn)車輛靜調(diào)及臨修任務(wù)；物資材料、備品配件的存儲(chǔ)任務(wù)。

本次工藝設(shè)計(jì)主要包括車輛檢修修程及檢修、車輛上下線及運(yùn)用作業(yè)流程。設(shè)計(jì)車輛的檢修修程及周期參照懸掛式單軌規(guī)范執(zhí)行。檢修內(nèi)容為對車輛懸浮系統(tǒng)、直線電機(jī)牽引系統(tǒng)、各種電氣裝置、制動(dòng)控制裝置的狀態(tài)進(jìn)行外觀檢查，更換損耗件，重點(diǎn)處理危及運(yùn)行安全的故障，確保行車安全。

3.5.1 車輛上線流程

（1）將臺(tái)架第一跨（靠出庫端）走行軌道梁向兩側(cè)打開。

（2）將第一節(jié)車體（已安裝懸浮架二系）吊裝到鋼輪平板車上，放穩(wěn)調(diào)平。

（3）人力推動(dòng)平板車向前走行，至第一跨臺(tái)架底部。

（4）用桁車將懸浮架構(gòu)架由上向下吊裝與二系懸吊梁對位，安裝中心銷軸，連接車體和懸浮架之間的線纜。

（5）通過桁車起吊懸浮架，將組裝后的單節(jié)車向上起吊一定高度，使安全輪略高于走行面。閉合軌道梁至設(shè)計(jì)位置，桁車下降至走行面與安全輪接觸并承載車輛全部重量，即可卸下吊帶，將平車推至臺(tái)架尾部。

（6）將第一節(jié)車拖至軌道梁上，然后按同樣流程將第二節(jié)車組裝完畢，最后安裝車端連接系統(tǒng)。

3.5.2 車輛出入庫流程

（1）車輛入庫流程

①車輛停放在靜調(diào)庫門口位置，線路高壓斷電。

②將臺(tái)架尾部的鋼絲繩掛鉤掛在車輛尾部的拖車點(diǎn)上，啟動(dòng)卷揚(yáng)電機(jī)，將車輛拖拉進(jìn)庫內(nèi)。拖拉到位后（可設(shè)置止輪器限位），拆除鋼絲繩掛鉤。

（2）車輛出庫流程

①將庫外的鋼絲繩掛鉤掛在車輛前端的拖車點(diǎn)上。

②啟動(dòng)卷揚(yáng)電機(jī)，將車輛拖拉至庫外固定梁上，同時(shí)可通過尾部卷揚(yáng)系統(tǒng)拖拉車輛來制動(dòng)，拆除鋼絲繩掛鉤，將鋼絲繩卷在滾筒上固定好，避免侵界。

（3）列車運(yùn)用作業(yè)流程

列車運(yùn)用作業(yè)流程如圖4所示。

圖4 列車運(yùn)用作業(yè)流程圖

3.6 供電系統(tǒng)

本工程供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)范圍包括：供電網(wǎng)絡(luò)、變電所、接觸軌等（不含外電源）。本工程近期為試驗(yàn)線，遠(yuǎn)期為公共交通線。試驗(yàn)線階段供電系統(tǒng)從城市電網(wǎng)引入1回10 kV供電電源。中壓交流供電系統(tǒng)采用牽引動(dòng)力照明混合供電網(wǎng)絡(luò)，采用10 kV供電方式。

牽引供電系統(tǒng)主要由整流機(jī)組、直流開關(guān)設(shè)備、直流饋線電纜、正負(fù)極接觸軌、回流電纜、負(fù)地單向?qū)ㄑb置組成。每座牽引變電所設(shè)置一套整流機(jī)組，采用DC750V懸掛式單軌接觸軌供電。

全線接觸軌貫通，興國西站牽引變電所設(shè)置1回DC750V上網(wǎng)饋線向全線接觸軌供電。

為配合列車電制動(dòng)，避免機(jī)械制動(dòng)頻繁投入導(dǎo)致列車制動(dòng)裝置磨耗增加、降低乘客乘坐舒適性，本次設(shè)計(jì)在興國西站牽引所設(shè)置列車再生制動(dòng)能量吸收裝置。

本工程牽引網(wǎng)安裝于軌道梁內(nèi)，采取梁內(nèi)側(cè)面絕緣安裝的方式。無論是采用接觸軌，還是采用架空剛性接觸網(wǎng)，都能向車輛提供安全可靠的電能。

4 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

（1）在項(xiàng)目建設(shè)過程中，實(shí)現(xiàn)了軌道交通、懸掛式單軌、永磁懸浮、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的深度融合。

（2）首次將永磁磁浮技術(shù)與軌道交通相結(jié)合，系統(tǒng)采用永磁技術(shù)實(shí)現(xiàn)懸浮，采用直線電機(jī)牽引，系統(tǒng)簡單、環(huán)保、安全、穩(wěn)定。

（3）首次提出軌道梁結(jié)構(gòu)變形控制要求，為本系統(tǒng)后續(xù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)和類似系統(tǒng)研發(fā)提供借鑒。

（4）首次在懸掛式單軌交通領(lǐng)域采用單回轉(zhuǎn)點(diǎn)替換梁道岔。

5 結(jié)束語

懸掛式單軌（永磁磁浮）試驗(yàn)線的建設(shè)豐富了我國軌道交通形式，該系統(tǒng)具有節(jié)能環(huán)保、占用空間小等優(yōu)勢，緩解了城市交通擁堵問題，有望成為一種低成本、高性價(jià)比、個(gè)性化、智能化的交通運(yùn)輸系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。本試驗(yàn)線的建成對開展新型軌道交通系統(tǒng)研究具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。