长沙中低速磁浮工程建设中的重要举措

周晓明 刘万明

(1.湖南磁浮交通发展股份有限公司,410014,长沙;2.同济大学磁浮交通工程技术研究中心,201804,上海∥第一作者,总经理)



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长沙中低速磁浮工程建设中的重要举措

周晓明1刘万明2

(1.湖南磁浮交通发展股份有限公司,410014,长沙;2.同济大学磁浮交通工程技术研究中心,201804,上海∥第一作者,总经理)

以我国首条中低速磁浮商业运营线——长沙中低速磁浮工程为实践案例,阐述了中低速磁浮系统的构成和技术经济特征,介绍了工程设计、施工、调试的标准和经验,包括电磁兼容问题、轨排技术方案、轨道梁设计、系统联调等方面在建设过程中的重要举措。展望了中低速磁浮技术在我国的应用前景。

中低速磁浮工程; 磁浮列车; 工程化应用

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

1 工程概况

湖南省选定中低速磁浮作为重大创新示范项目,建设长沙磁浮工程,将长沙市的地铁、髙铁和机场联成一体,形成“空铁联运”,并打造“湖南制造”品牌,形成中低速磁浮技术产业链。 长沙中低速磁浮工程于2014年5月开工建设,2015年12月26日投入试运行,预计2016年4月将实现载客运行。该项目采用具有完全自主知识产权的中低速磁浮交通技术,系统设备全部国产化。线路连接长沙火车南站和黄花国际机场,全长18.5 km,初期设置车站3座,运营列车5列,列车采用3辆编组。工程投资43亿元。

作为国内中低速磁浮示范运营项目,长沙中低速磁浮工程集聚了国内磁浮交通技术领域的主要研发、制造和建设单位。工程建设管理由湖南磁浮交通发展股份有限公司(以下简称“湖南磁浮公司”)承接;列车由中国中车集团株洲电力机车有限公司牵头,西南交通大学、同济大学和国防科技大学参加研制;线路工程由中国铁建集团牵头,组织该集团设计、制造、施工和安装单位实施设计施工总承包。同济大学磁浮交通工程技术研究中心(以下简称“磁浮中心”)作为技术咨询单位实施全过程技术支持。图1为长沙中低速磁浮工程地理位置图。

图1 长沙中低速磁浮工程地理位置图

2 中低速磁浮交通系统技术特点

磁浮交通是传统铁路技术发展一百年后,在钢轮钢轨式轨道交通的基础上优化创新出来的新型轨道交通方式。其主要特征在于采用电磁力实现无接触的列车支承、导向、驱动和制动,从而消除运营磨耗,并通过车辆环扣轨道的构造形式避免列车脱轨。这些基本技术特征有利于降低磁浮交通系统的运行成本和运行噪声,摆脱粘着条件对牵引力的限制，从而具有更强的爬坡能力和加减速能力,并更容易绕避平面障碍,从而降低建设投资。

与高速铁路解决城市之间的快速运输需求、地铁轻轨解决城市居民的日常市内出行需求相对应,磁浮交通也根据城间交通和城市交通的需要,分为高速磁浮交通和中低速磁浮交通系统。前者以提高列车速度为主要目标,最高运行速度为400～500 km/h;后者以降低建设成本为目标,单公里造价约为地铁的一半,最高行车速度与地铁相同。

2.1 中低速磁浮列车的技术原理

中低速磁浮列车依靠电磁铁产生电磁力实现悬浮、导向和驱动。如图2所示,F形的轨道下方两极与车辆上电磁铁的两极相互吸引,将车辆提升至磁极与轨道间间隙为8～10 mm后保持稳定,该吸引力还具备导向动能，在线路方向改变或列车运动中产生横向位移时可以恢复车线相对关系。车辆转向架模块下方的直线电机定子与轨道上表面的感应板之间形成直线电机,驱动列车前进。

图2 中低速磁浮悬浮导向原理

中低速磁浮交通系统的城市轨道交通功能定位,决定了它的速度目标值与现有传统轨道交通系统相近。为了充分利用现有城市轨道交通技术和设备,减少磁浮交通系统设备的特异性,降低系统造价并加快产业化进程,中低速磁浮交通系统的通信信号、牵引供电、运行管理均采用现行城市轨道交通相关技术标准。因此,除车轨关系较为特殊外,在车体制造、牵引供电、运行控制等方面都可以采用成熟的城市轨道交通技术。

2.2 中低速磁浮交通的技术特点

中低速磁浮列车的技术原理和车线关系构造,决定了它具有如下特点:

(1) 噪声低、振动低、污染少,可适应地上建设。列车运行的无接触特点,不存在车轮和轨道接触产生的噪音或振动。据测定,在距离轨道10 m处的峰值噪声为64 dB,而传统轮轨交通的峰值噪声为92～94 dB。同时由于没有车轮磨耗,也不会在运行中产生铁粉或橡胶粉尘等空气污染,有利于环保。

(2) 转弯半径小,爬坡能力大,易于在城市中迂回穿行。由于不受粘着限制,爬坡能力可达70‰,显著高于传统轮轨方式的30‰;车辆环扣线路的构造,使线路可以采用更大的超高横坡,同等速度下转弯半径更小,正线最小平曲线半径可低至100 m,轮轨方式为300 m。上述特点使中低速磁浮列车的线路设计参数与城市主干道路的平纵面设计参数相近,从而使其线路基本可以沿城市主要道路布设,避免大量工程拆迁,减少工程费用。迂回穿行有利与既有交通枢纽形成良好换乘条件。

(3) 建造难度低,建设工期短,工程投资少。由于中低速磁浮线路可以在不造成大量拆迁的情况下布设于地上,因而施工难度小,建设工期短。如长沙磁浮工程开工20个月就实现了试运行,工程总投资仅2.3亿元/km。工期和造价均显著优于一般城市轨道交通项目。

(4) 安全性高。中低速磁浮线路一般均建于地上,施工期间的安全性优于一般建于地下的地铁。投入运营以后,由于列车环扣线路轨道,不易产生因脱轨导致的安全事故。在发生系统故障和突发事件的情况下,在地面更容易组织旅客疏散,避免安全事故。

(5) 维护成本低。列车与轨道没有接触摩擦,列车运行对轨道的动力冲击响应大大减少，进而可以降低车辆和轨道的维护费用。

3 长沙中低速磁浮工程建设中的重要举措

长沙中低速磁浮工程,是我国自主研制的中低速磁浮交通技术的首次工程应用,且从宏观上具有“振兴湖南先进制造业”、“建立中部地区现代化空铁联运枢纽”、“抢占国内乃至世界先进交通技术制高点”等重大意义。尽管具有较长时间的科研基础,但作为首创性工程,为保证工程的顺利实施，在工程建设的各阶段采取了一系列重要举措。

3.1 前期决策阶段

磁浮交通系统用于商业运营,在交通界和社会公众中曾经引起广泛的关注和讨论,沪杭高速磁浮线和深圳轨道交通8号线(中低速磁浮方案)，在项目前期论证中曾经出现过沿线公众的抗议事件。因此,长沙磁浮项目的实施,除了项目相关单位要具有清晰的认识和信心以外,还须努力取得交通界和社会公众的认可。为此,在长沙中低速项目决策阶段,湖南省政府、磁浮列车制造单位和项目业主单位开展了一系列前期论证工作。

(1) 广泛开展科普宣传,消除公众对磁浮技术的环境影响疑虑。科技创新成果转化为生产力,是政府和科技人员努力追求的目标。技术上的实现能力是必要条件,但社会的接受才是转化成功的充分条件。面对国内之前因为公众(包括部分技术界的权威人士)对磁浮交通系统的误解导致重大创新项目搁浅的前车之鉴,长沙中低速磁浮项目主动开展了磁浮交通技术的科普宣传,邀请专家学者介绍磁浮列车的技术原理,组织公众试乘磁浮试验列车,公开检测磁浮列车的电磁环境数据,消除了这一创新工程推进的社会阻力，使得项目前期工作得以依法按程序完成。后期的实施过程也表明,这一工程成为长沙市轨道交通项目中社会矛盾最少的项目。

(2) 组织专门研究和检测机构,解决项目与现有行业技术标准的冲突。长沙磁浮项目连接高铁站和黄花国际机场。但民航管理部门提出,根据GB 6364—2013《航空无线电导航台(站)电磁环境要求》和MH/T 4003—1996《航空无线电导航台和空中交通管制雷达站设置场地规范》等国家和民航技术标准的规定,为保证机场导航和地面指挥系统的安全,航空无线电导航台(站)周边不能有电气化铁路、无线电台等设施。按现行标准的规定,用于飞机指挥的超短波定向台周边500 m范围内不能有电气化铁路。此外,机场的导航指挥系统对电磁兼容环境有严格的要求,磁浮列车以电磁力为驱动能源,其电磁场的电磁波有可能影响机场空中运输的安全。这些问题从根本上动摇了用磁浮列车连接机场并尽可接近机场以方便乘客的可行性。为此,项目推进团队本着严肃、科学、客观的原则,组织西南交通大学和中国民航第二研究所等单位,深入分析了机场航空指挥的电磁环境指标要求和磁浮列车产生的电磁环境影响,并赴上海高速磁浮线路和株洲中低速磁浮试验线进行电磁环境参数实测,提出实测数据和专题研究报告。然后邀请民航科研机构、环境保护机构、磁浮中心、民航管理部门等单位的专家,共同分析磁浮交通系统对机场航空指挥系统的影响,得到了“根据理论分析和实测数据,认为磁浮列车不影响机场运营安全,但需竣工后实测验证”的基本结论,从而消除了按现行国家和行业标准磁浮列车不能进入机场区域的障碍,磁浮项目得以实现连接机场并尽可能创造方便换乘的目标。

3.2 勘察设计阶段

长沙磁浮项目作为新型交通方式在中国的首次工程化应用,首先面临的困难就是设计标准缺位。作为大型基础设施建设项目,没有设计标准作为依据,就不能进行初步设计文件编制、设计质量审查、工程概算审批和建设程序审批。项目工作即不能开展。为此,在湖南省长沙中低速磁浮工程协调领导小组的帮助下,为解决项目技术标准缺位问题,项目业主单位邀请国内铁路和城市轨道交通领域设计、施工、制造和高校科研机构的权威专家,深入分析磁浮列车的技术特点和设计要求,对比中低速磁浮交通与铁路、城市轨道交通的技术差异,论证长沙中低速磁浮项目技术标准。提出如下意见:

(1) 长沙磁浮工程按城市轨道交通系统进行设计,主要遵循城市轨道交通的相关标准,其磁浮专用技术部分需编制专用技术标准。中低速磁浮交通与传统城市轨道交通相比,主要差异在于车辆走行部和轨道间以无接触方式实现支承、导向和驱动,其抱轨运行方式与跨座式单轨相似,牵引方式与直线电机轮轨方式相似。因此,其系统设计标准可以在编制部分磁浮专用标准的基础上,参考国内已有的CJJ 167—2012《城市轨道交通直线电机牵引系统设计规范》和GB 50458—2008《跨座式单轨交通设计规范》,并执行GB 50157—2013《地铁设计规范》和GB 50490—2009《城市轨道交通技术规范》。

(2) 由项目业主单位和磁浮中心牵头编制长沙磁浮工程专用设计技术标准和施工验收标准。鉴于磁浮中心在国内首条中低速磁浮工程试验线研制方面的技术积累和世界首条高速磁浮工程线的建设与运营经验,由磁浮中心配合项目业主单位组织国内中低速磁浮技术领域的技术专家和长沙中低速磁浮项目的参建单位,编制《长沙磁浮交通工程设计暂行规定》和《长沙磁浮交通工程施工及验收暂行规定》,作为长沙中低速磁浮工程的设计和施工的技术依据,作为项目业主单位的企业技术标准,并在湖南省住房和城乡建设厅备案。

3.3 工程建设阶段

作为科研成果的首次工程应用,长沙中低速磁浮工程在实施过程中必然面对一系列具体工程技术问题。这些问题的解决,既是长沙中低速磁浮项目成功的关键,也是我国磁浮交通工程建设技术的重要积累。

在建设期间,项目业主单位组织项目设计、施工、监理、咨询等相关工作的执行单位和国内从事磁浮及轨道交通领域的专业技术人员,解决了一系列重要的工程技术问题。

(1) 充分利用磁浮交通技术选线灵活的技术优势,使线路主要沿劳动路、黄兴大道、机场高速公路等城市主要交通走廊布设,有效避免了大量工程拆迁,有利于节省工程投资和缩短工期。对磁浮机场站的线路优化,既保证了与机场乘客廊道的便捷衔接,又保证了远期延伸发展的可能。

(2) 对F轨的技术要求和供货标准,在磁浮中心专家咨询意见的基础上,引入不同技术方案供货企业进行竞争性谈判,最终采用了技术精度较高、报价较低的方案,节省轨道部分工程投资逾亿元。

(3) 通过对轨道支承结构和轨道梁技术方案的研究,提出了单线单梁、梁间用系梁连接的方案,有效降低了轨道梁自重,从而减轻了支墩和基础的荷载。系梁的采用满足了运营期间的维修需要,还有效增加了轨道的整体刚度,并由此将轨道梁的支座数量减少一半,既降低投资,又减少了运营期的支座维护工作量。

3.4 系统调试阶段

长沙中低速磁浮工程的调试,既有常规城市轨道交通系统调试的通常工作,也有磁浮交通系统的特有的技术特点。

所有以电为动力的交通工具(包括以柴油为动力的电传动内燃机车)均通过电动机定子与转子的相对运动获得车辆前进的动力。在磁浮列车出现以前,所有电动交通工具的定子和转子都装配在车辆上,因此车辆的调试基本在工厂内进行。而磁浮列车则不同,其定子和转子分属于车辆和轨道,列车和轨道的相对运动构成“电机”的转动。而磁浮车辆与轨道间的相互关系是通过自动控制原理由悬浮控制器进行主动控制的。通过改变悬浮控制参数,可以使列车在不同刚度的轨道上都能平稳运行,也可以改变列车运行所需能耗。

因此,磁浮列车的调试工作,将有很重要的部分需在建成的轨道上进行。技术人员根据列车在轨道上的运行状态调整并设定合理的控制参数。由于轨道是具有不同平曲线半径、不同坡度、不同竖曲线半径和不同横向坡度的“转子”,列车上的定子要能与不同空间曲线的“转子”共同工作,需要在调试过程中进行“磨合”。

长沙中低速磁浮项目邀请国内开发悬浮控制器的西南交通大学、同济大学和国防科技大学专业技术人员共同参加列车运行调试,既有分工,也有合作,共同构建了我国中低速磁浮列车悬浮控制技术体系。

4 结语

4.1 长沙中低速项目成功建设和运营的意义

长沙中低速磁浮工程的建设,不仅对长沙一市的交通建设具有重要意义,而且对我国交通运输业的发展具有重要的里程碑意义,甚至可能对我国宏观经济产生重要影响。主要表现在以下方面：

(1) 有利于建立完整的中低速磁浮应用技术体系。通过长沙中低速项目的建设和运营,可以总结、优化、提炼中低速磁浮交通设计、建设、制造和运营管理技术,形成核心技术知识产权,构建完整的技术标准和应用技术体系,形成工程可复制能力。

(2) 有利于完善城市轨道交通体系。中低速磁浮技术的形成,为城市交通规划提供了新的应用元素,其低成本的特征将使城市轨道交通的线网规模和布局获得改善的空间。更多的城镇居民将有条件享受舒适、便捷、环保的城市轨道交通工具,城市管理者将拥有更多减轻道路拥堵的资源。

(3) 有利于提升我国交通运输装备制造业的国际地位。长沙中低速磁浮项目的成功,将表明我国具有中低速磁浮交通系统的完全自主供货能力。中低速磁浮是城市轨道交通领域的革命性创新,一举解决了传统城市轨道交通建在地下造价高,建在地上环境难以兼容的矛盾。我国在这一新技术领域的水平处于世界前列,有利于向世界输出“中国智造”高端技术装备。

4.2 应用前景

自长沙中低速磁浮工程于2015年12月26日开通试运行以来,国际和国内媒体均给予大量关注。本项目的成功建设以及日本高速磁浮项目的实施,使国内社会以往对磁浮技术的疑虑得到显著消减。已有各界人士在不同场合主张在我国发展磁浮交通。

湖南省已经考虑在长沙中低速磁浮项目建设成功之后,在长株潭地区重新规划城市和城际交通网络体系,将磁浮技术引入,巩固和发展磁浮交通的“湖南制造”优势,以此走向全国,走向世界。此外,新疆乌鲁木齐、河南郑州、四川成都等城市均对中低速磁浮项目表现了极大的兴趣。

[1] 中国国家标准化管理委员会.航空无线电导航台(站)电磁环境要求:GB 6364—2013 [S].北京:中国标准出版社,2014.

[2] 中国民用航空局.航空无线电导航台和空中交通管制雷达站设置场地规范:MH/T 4003.1—2014 [S].北京:中国民航出版社,2014

[3] 湖南磁浮交通发展股份有限公司.长沙磁浮交通工程设计暂行规定:Q/HNCFGS 002—2015[S].

[4] 湖南磁浮交通发展股份有限公司.长沙磁浮交通工程施工及验收暂行规定:Q/HNCFGS 001—2015 [S].

[5] 丁信华.对磁浮工程技术的一些思考[J].城市轨道交通研究，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)