1、直线电机系统在重庆市轨道交通中的应用初探摘 要 分析城市轨道交通直线电机系统的技术发展、特点和优势,结合实际情况,探讨直线电机系统在重庆市轨道交通 1 号线中应用的可行性和前景。关键词 城市轨道交通 直线电机系统 制式 应用前景为了科学有效、因地制宜地建设城市轨道交通,有必要运用科学发展观,对不同的城市轨道交通制式进行探索,以期寻找一种与城市地理条件相适应、与运量等级相匹配、与城市经济实力相符合的交通模式,这对降低工程造价、提高投入产出效益、促进城市轨道交通可持续发展具有重要的意义。1 重庆市轨道交通发展现状及规划1.1 重庆市轨道交通线网规划重庆市轨道交通线网规划由 6 线 1 环组成,共计
2、 354km。2010 年(近期)前实施的线网由 1、2、3 号线以及 6 号线的北段组成,形成“大”字型的线网骨架见图 1。根据轨道交通建设规划,2 号线已于 2004 年观光运营,2005 年正式通车运营;3 号线试验段已开工建设,预计 2008 年通车;1 号线正在进行可行性研究,预计 2006 年开工建设。1.2 重庆市轨道交通线网规划的特点(1)该线网贯穿城区,并延伸到壁山、江津、北碚等外围组团,有利于改善核心城区交通状况和环境质量,引导和促进周边组团的发展,促进城市化进程,实施城市发展“北移、南下、东拓、西扩”的战略,实现城市经济社会可持续协调发展。(2)由于规划线路既贯穿旧城区又
3、连接周边卫星城,因此线路建设既要以 SOD(SeviceOrientedDevelopment)模式为主,缓解城区客流,又要兼顾 TOD(TransitOrientedDevelopment)模式,合理引导客流;同时在城乡结合部,在向外围组团延伸的线路需要两种模式综合考虑,统一筹划,如 1号线的双碑组团、2 号线的鱼洞组团、3 号线的李家沱组团等。(3)从线网规划的客流预测看,1、2、3 号线为骨干线路,其远期单方向最大断面高峰客流分别为 3.31 万人次、2.74 万人次、2.48 万人次,其余线路单方向最大断面客流均在 3 万人次以下。从客流预测的结果看,重庆的整个线网各线客流规模均在 3
4、 万人次左右,属于中运量级别的线网。(4)从交通制式上看,重庆市轨道交通 2 号线和 3 号线采用单轨交通系统,其余线路拟采用另外一种交通制式,全市形成基本上由两种交通制式组成的网络系统。轨道交通 1 号线在线网中的作用举足轻重,其建设时序在 2、3 号线之后、其余线路之前,因此其交通制式的选择对其余待建线路有决定性的影响。(5)从城市空间结构上看,重庆市主城区在东西方向受铜锣山、歌乐山和缙云山阻隔,三山间形成两个槽带;南北向受长江和嘉陵江切割,在主城核心区(铜锣山与歌乐山之间)形成 3 个片区、12 个组团和核心区外围的 11 个组团,属于多中心、组团式,有机松散、分片集中的空间发展模式。规
5、划线网 5 次跨过长江、6 次跨过嘉陵江、2 次穿过缙云山、3 次穿过歌乐山、1 次穿过铜锣山,轨道交通线路途经地形之复杂实属罕见。(6)随着城市化建设高潮的到来,城市土地供应日益紧张,土地不断升值。而一般城市轨道交通车辆段(或停车场)、车站、主变电所占地面积较大,从重庆土地供应角度看要求选择一种小型系统。2 直线电机系统在重庆轨道交通 1 号线中的应用直线电机系统是一种先进的轨道交通模式,代表着轨道交通发展的方向,具有广泛的应用前景,其突出特点可概括为“轻” 、 “巧” 、 “灵” 。 “轻”指该系统轴重轻,荷载轻,体量轻;“巧”指该系统走行轨与反应板结合巧妙,受电与牵引结合巧妙;“灵”指该
6、系统适应地形灵活,爬坡和转弯灵活。这些特点对重庆市的复杂地形具有较好的应对性。2.1 工程概况重庆市轨道交通 1 号线工程为重庆市轨道交通线网中的一条骨干线路,整体上呈东西走向,线路东起朝天门,西至规划的“西部新城”中的大学城,线路长 33.24km,共设 21 座车站,远期将延伸至壁山,线路全长约49km。地铁 1 号线朝天门至大学城段线路全长 33.24km,其中地下线长21.472km,占全长的 64.6%;高架线长 6.08km,占全长的 18.3%;地面线(含U 型槽段 5.688km,占全长的 17.1%。一期工程大坪至大学城段,线路长25.582km,车站 15 座;二期工程朝天
7、门至大坪段,线路长 7.648km,车站 6座。全线共设车站 21 座,其中地下站 12 座、地面站 4 座、高架站 5 座;平均站间距为 1642m,最大站间距为 6392m,最小站间距为 664m。2.2 工程特点和难点(1)线路位于长江、嘉陵江两大地表水系汇合间的狭长半岛(重庆半岛)上,以山地、丘陵为主,且地形高低悬殊,地貌结构分明,海拔高度180430m 不等,相对高差约 250m。全线地质纵剖面图呈“一波多褶”的曲线形式,见图 2。起点设计高程约 214m,终点设计高程约 278m;线路设计最低点高程 205m 左右,最高点高程 324m 左右,两者高差约 120m。如采用传统轨道交
8、通系统,势必加大车站埋深,不利于将来的乘客使用和列车运营,因此从线路纵断面考虑需要选用爬坡能力强的系统。直线电机系统采用非粘着驱动方式,不受粘着系数的限制,具有较强的爬坡能力,一般可达6080(传统的轮轨系统一般不超过 3040),在转入地下和爬升地面时相当灵活。传统的轮轨系统由地下转至高架,过渡段约需 500m,而直线电机系统由地下转至高架,过渡段只需 250m,大大减少了过渡段长度和用地面积,从而可方便道路交通疏解,降低征地费用,减少对城市景观的影响。采用直线电机系统,可以有效地克服 1 号线沿线地形高差大的困难。(2)城市平坝、台地面积小,建筑密度大;路窄,弯急,坡陡。由于城市被两江相隔
9、、两山相挟,城市地貌比较破碎,适宜城市建设用地的缓丘平坝、台地等都被“江” 、 “山”支离分割,城市建设只能在仅有的平坝、台地上进行。在渝中区,21.9km2 的土地上居住着约 60 万常住人口和近40 万流动人口,建筑密度之大,人口密度之高,可见一斑。直线电机系统采用径向转向架,重量轻,没有牵引齿轮,没有空气压缩机,轮轨接触面好,因此可减小轮轨噪声,允许线路采用小半径曲线,而不至于像普通轮轨那样产生尖锐的噪声。在温哥华,列车产生的噪声较小,平均噪声测量值在距离轨道中心线 15m 处、列车时速 80km/h 时,产生的噪声值为 72dB,且许多列车已运行 16 年。普通轮轨系统噪声较大,根据北
10、京城铁噪声实测数据,在距离轨道中心 15m 处,并采用半封闭隔音墙的状态下,列车驶过的噪声峰值达 81dB。直线电机系统是世界上较为安静的系统,这对像重庆这样人口密度如此之高的城市尤为重要。重庆市城市道路最小平曲线半径为 3040m,路面一般为双向四车道,宽仅 14m。道路坡度较大,极限坡度较普遍,据统计,超过 8%坡度的主干道共15km,介于 5%8%坡度之间的主干道共 48.3km。1 号线杨公桥至双碑段,渝陪路道路宽度 1020m 不等,而且道路连续转弯,转弯半径小,道路两侧多是山坡、沟地或新开发的建筑,选用爬坡能力强、转弯半径小的系统才能更加适应地形特点。直线电机系统车辆采用径向转向架
11、,平面转弯半径大大减小,由一般轮轨系统的 200m 可减至 60m,这样在线路平面选线时,可最大限度地避开已建或规划待建的建筑物,以及建筑基础、地下管线和其他地下构筑物,减少基础处理、管线拆迁改移等附属工程,降低工程造价。采用直线电机系统,可以很好地适应重庆地形坡陡、弯急的特点。(3)1 号线在 1994 年完成初步设计后由于某些原因即告暂停,近年来城市沿线变化较大,车站旁边的石油大厦、山城电影院、三峡广场等建筑先后建成,城市规划,尤其是交通规划缺乏系统性和完整性,滞后于城市的发展,给进一步的选线布站带来限制。直线电机系统利用感应原理推动车辆前进,不需要将旋转运动转换成直线运动,从而省去了齿轮
12、箱等一系列传动机构,这样,车厢底板面可降低 30cm;车轮仅起支承的作用,因而轮径较以前缩小 20cm,减小了车体断面的尺寸,从而减小了地下隧道开挖断面和高架桥梁断面,降低了土建工程造价。在重庆市中心区地下管线及构筑物纵横交错,形成密密麻麻的地下管网,如采用直线电机系统,其隧道断面可缩小,这对减少地下拆迁量和施工都有利。(4)1 号线所经沿线有多处需要与周边开发相结合,近年来沿线有多处预留了轨道交通的出入口、风亭的接口,而且部分已与周边建筑合建,使得车站位置相对固定,给线路贯穿增加了困难。(5)本线的客流预测见表 1。从表 1 中可看出,本线的初、近、远期高峰小时单向最大断面客流预测值相差较大
13、,只有选用“高密度、小编组”的系统模式才能更合理地适应客流预测特征的需要。直线电机系统改变了传统的轨道交通驱动方式,车辆尺寸大大减小,正朝着小型化方向发展。加拿大温哥华早期的直线电机系统车辆长为 12.7m,宽为 2.4m,高为 3.1m。车辆编组相当灵活,列车可采用 2、4、6 节编组。该系统采用较为先进的移动闭塞信号系统,可实现无人驾驶,采用“高密度、小编组”形式,其系统运输能力可达到高峰断面每小时 3 万人次,这种具有适中运送能力的系统,在具有一定规模的轨道交通线网中能发挥应有的作用,非常适合中等运量的轨道交通系统。从重庆的客流规模可以看出,直线电机系统的运输能力和其客流规模较为匹配。(
14、6)小什字至两路口前的燕喜洞段为既有的人防洞,长度约 2.87km,人防隧道断面底宽约 8m,拱顶净高为 6m,断面形式有直墙拱形、斜墙拱形和曲墙拱形三种形式。为充分利用该资源,节省工程投资,计划利用这段人防隧道的主干道作为今后轨道交通的行车隧道,其断面形式能否满足轨道交通行车限界的要求,需要结合不同的系统模式进行分析比较。采用直线电机系统,其较小的隧道断面,有利于更好地适应人防隧道的现状。2.3 应用的可行性根据直线电机系统的技术优势、重庆市的地形地貌特点以及 1 号线的工程难点,笔者对直线电机系统在重庆市轨道交通 1 号线工程中应用的可行性进行了研究,从技术上、经济上和环境上进行了全面分析
15、。研究结论:该系统能满足使用要求,技术上先进可靠,运营灵活,经济合理可行。2.3.1 线路从线路平面上看,全线线路条件最为紧张的是小什字至两路口段,线路最小曲线半径仅为 250m。由于该段线路采用既有的人防隧道,经分析,根据直线电机系统的线路技术标准,该段人防隧道基本不用改造即可作为轨道交通行车隧道使用。由于重庆 1 号线所经沿线轨道交通用地基本得到控制,线路在平面上采用直线电机方案和普通轮轨系统相比优势不大,但在纵断面上就有明显的优势。采用直线电机系统后,全线埋深最深的 3 座车站鹅岭、高庙村、马家岩的车站埋深分别提高了21m、25m、12m。全线最大纵坡为 56,最小纵坡地下线为 2,地面
16、线或高架线为平坡。全线 25以上的坡长有 11.98km,占全线长度的 36.0%,其中 35的坡长有 3.0km,占全线长度的 9.0%,该段坡度主要出现在两站之间地形高差大的区间。2.3.2 车辆选型 根据目前世界上 4 个国家、7 条线路直线电机系统运行车辆型式的比较,拟选用马来西亚 MKII 型车辆,采用 VVVF 逆变器控制,车体为16.85m2.65m3.44m(高),最高设计速度为 100km/h,最高运行速度为80km/h,载客量(按 6 人/m2 计)为 185 人/辆,初期采用 4 辆编组,近、远期采用 6 辆编组。由于直线电机系统的车辆结构简单、重量轻、磨耗低,大部分部件
17、为在线可更换单元,车辆经过 20 年或 500 万 km 运行后,仅需要预防性检修工作,不需要彻底维修,高峰小时内车辆利用率为 93%95%,所以运营后的设备维修费与普通轮轨系统相比大大降低。2.3.3 轨道采用 1435mm 标准轨距,正线采用 60kg/m 钢轨,辅助线及车场线采用 50kg/m 钢轨,采用整体道床、预制轨道板方案,以固定钢轨、反应板、第 3、4 轨的支架,保证设计要求的埋设精度。2.3.4 供电系统采用集中供电方式,引入市电 110kV 电源;牵引供电系统采用 750V直流,三、四轨供电方式;动力照明采用 380/220V 系统;感应板采用厚度约为 22mm 钢板加 5m
18、m 铝面板复合结构;全线设置牵引降压变电所 15 座。2.3.5 车辆段由于直线电机系统的车辆驱动方式与传统旋转电机不同,因此直线电机车辆和传统旋转电机车辆的维修工艺也有较大不同。该车辆对线路的适应性强,咽喉区短,设备集成化程度高,运营安全可靠,维修设备少,维修成本低,车辆段占地面积小。经过研究和计算,重庆 1 号线设赖家桥车辆段 1 个和马家岩停车场 1 座,与采用传统轮轨系统的车辆段和停车场相比,建设用地大大减少。3 直线电机系统在重庆城轨交通的应用前景3.1 直线电机系统技术的可靠性和成熟性如前所述,直线电机系统在加拿大、日本、马来西亚、美国等国家有多条线路运营,其运营的安全性和技术的可
19、靠性已得到公认。在我国,广州地铁 4 号线已决定选用直线电机系统模式,车辆制造商已招标确定,某些关键技术转让正在进行谈判,并逐步为我国所掌握,待广州地铁 4 号线一期工程于 2005 年建成后,直线电机系统的技术将在我国生根结果。广州地铁 4 号线采用直线电机系统的技术特点是:线路正线最小曲线半径为 150m(车场线 60m),最大坡度为 5%,最高行车速度为 90km/h,最大行车密度为 33 对/h,列车编组固定 4 辆,车站站台长度为 75m,受电方式采用 DC1500V 接触轨上部受电,车辆段采用柔性架空接触网,信号系统采用有司乘人员自动驾驶的 ATC 系统,环控系统采用屏蔽门系统。根
20、据广州轨道交通建设规划,其 5、6、7 号线也拟采用该技术,经过广州项目的引进、消化、吸收和创新,我国将基本掌握该项技术,其技术可靠性和成熟性就更加明显,待重庆市准备实施时,有了广州的实例参照,重庆 1 号线将做得更可靠、更成熟。3.2 直线电机系统的国产化率直线电机系统的设备国产化重点在车辆和轨道系统,尤其是车辆。车辆的关键技术有三项:牵引电动机、转向架、电力传动控制。根据广州的实践,其车辆国产化的思路是:创造条件使直线电机车辆和其设备在国内组装或制造,引进仅限于部件、零件、材料、专用工具以及专用的测试仪器。经过招标,车辆拟由日本川崎重工业株式会社与四方车辆厂合资生产。广州 4 号线制定了稳
21、妥可行的国产化方案,经计算,其综合国产化率在 70%以上。借鉴广州的经验,待重庆实施直线电机系统时,其综合国产化率一定可以大大提高。3.3 应用前景在重庆的城市轨道交通线网规划中,除 2、3 号线采用单轨模式外,还有 1、4、5、6 号线和环线,总长约 255km。如果 1 号线采用直线电机系统具有可行性,则其他线路完全可以采用直线电机系统模式,这将为重庆城轨交通的发展方向和发展策略开辟新的思路。4 结语本文通过对直线电机系统的技术特点和优势、以及在重庆轨道交通 1 号线中的应用分析,可以看出:(1)直线电机系统作为一种新的系统模式,虽然面世仅二三十年,但其技术优势随着众多工程的应用却日趋明显,它将是城市轨道交通发展的一个方向。(2)重庆 1 号线采用直线电机系统能满足使用要求,技术上先进可靠、运营灵活、经济合理可行。这将为规划的其他几条线路,如 4、5、6号线和环线对系统模式的选择提供有益的参照。从这几条线所经沿线的地形地貌和客流预测看,如果也采用直线电机系统,可能会有更大的技术
