快速軌道:中國、歐洲和美國高速鐵路的比較

◎宋尊堯（翻譯）

快速軌道:中國、歐洲和美國高速鐵路的比較

◎宋尊堯（翻譯）

自上世紀(jì)60年代日本新干線首次亮相以來，高速鐵路系統(tǒng)已經(jīng)在技術(shù)進(jìn)步中蓬勃發(fā)展。隨著數(shù)萬英里的軌道在世界各地的不斷增加，在減少排放的同時增加了旅行者的機(jī)動性，各種各樣的新技術(shù)正引領(lǐng)著高鐵走向更快的明天。本文探討了世界各國在為今后提供的不同方面的出行模式的不同之處并詳細(xì)介紹了來自亞洲、歐洲和北美的高鐵技術(shù)方面的差異。在很多國家，特別是中國，在大量的政府投資帶動下，高速鐵路系統(tǒng)的發(fā)展更為發(fā)達(dá)。美國國內(nèi)的高速鐵路發(fā)展暫時有限，但將受益其他國家的技術(shù)進(jìn)步，并從高鐵在其他國家的經(jīng)濟(jì)影響中獲益。

簡介

高速鐵路有潛力成為最經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的旅客出行交通方式。在實(shí)現(xiàn)的過程中，它通常成為了優(yōu)先的交通方式。這是一種在各個國家都被廣泛使用的技術(shù)，美國早在1960年1月就開始了相關(guān)研究，在有些環(huán)節(jié)比其他國家更成功。在高鐵和交通擁擠的高密度交通量地區(qū)，一個完善的鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)是一種非常理想的運(yùn)輸方式。在今天這個交通運(yùn)輸和空氣質(zhì)量問題日益加劇的時代，高鐵被公認(rèn)為是一種合理、方便快捷的替代汽車和飛機(jī)的出行方式。高速鐵路在大幅減少大家的出行時間（其速度最高可以達(dá)到450公里/時左右）的同時增大了能源消耗，因此在速度和能源消耗上仍需要權(quán)衡——在大多數(shù)情況下，只需速度超過300公里/時，即可大大縮短高鐵到達(dá)目的地的時間。但盡管如此，這仍然讓旅行者有了一種新的交通工具。高鐵投資需要幾十年的時間才能實(shí)現(xiàn)投資回報(bào)，但某些國家已經(jīng)可以預(yù)計(jì)到其高鐵線開始盈利或已經(jīng)開始盈利。

高鐵網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)的國家已經(jīng)看到了高鐵帶來的各種各樣的經(jīng)濟(jì)影響，大城市之間的交通已經(jīng)變得更加簡化和快速，帶來了許多大型城市的地理中心和商業(yè)中心地位大大加強(qiáng)。歐洲和亞洲許多人口稠密的大城市都經(jīng)歷了嚴(yán)重的空氣污染和交通擁堵問題，高速鐵路為了規(guī)避這兩個問題，降低了運(yùn)營的速度，同時也降低了對出行者的運(yùn)輸速度的吸引力。鐵路網(wǎng)絡(luò)不僅連接了歐洲國家的主要城市，同時涵蓋其他國家和地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)也在增長。在這篇文章中，我們將對各國各種技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的影響進(jìn)行回顧和比較，以說明高鐵是如何改變?nèi)蚪煌顩r的。

亞洲

圖1顯示了亞洲的高鐵網(wǎng)絡(luò)。日本于1964年首次推出高速鐵路系統(tǒng)，時速約為210公里/時。這一速度即使與其他現(xiàn)代系統(tǒng)相比，在技術(shù)上也被認(rèn)為是適度的，但在1981年之前，它一直是世界范圍內(nèi)高速鐵路所能達(dá)到的最高速度。此外，考慮到長途出行，這也引起了世界各國的關(guān)注，日本的新干線已經(jīng)發(fā)展到1400英里, 速度略低于325公里/小時。但新干線在列車下方裝有動力軸, 而其他國家則實(shí)施了動力驅(qū)動的高速列車。輕量級載重設(shè)計(jì)和低維護(hù)成本是新干線技術(shù)的強(qiáng)大優(yōu)勢。新干線的設(shè)計(jì)與現(xiàn)代高鐵相同，也使用了分布式牽引，這一設(shè)計(jì)提供了更多的動力、更好的附著力、有效地增加了載荷空間，在設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)了再生的能量循環(huán)系統(tǒng)，這個系統(tǒng)把轉(zhuǎn)向減速變成了一個能量來源。

圖1 顯示了亞洲的高鐵網(wǎng)絡(luò)

高速鐵路(HSR)已成為許多亞洲地區(qū)的一種有效的交通方式。在中國臺灣地區(qū)，高鐵已經(jīng)將許多主要城市和周邊地區(qū)的旅行時間限制在一個小時以內(nèi)，并且將高雄和臺北兩大城市之間的出行時間由之前的4.5小時縮短到了90分鐘，臺灣高鐵是首個采用“建造-操作-轉(zhuǎn)移”模式的大型建筑工程項(xiàng)目。

臺灣高速鐵路(THSR)是一個345公里的鐵路走廊，其最高時速為350公里，其中75%的線路在高架橋梁上運(yùn)行。臺灣的高鐵系統(tǒng)的投資大約為160億美元。臺灣高速鐵路將制造業(yè)、商業(yè)和政府部門聯(lián)系起來，使這個經(jīng)濟(jì)依賴外貿(mào)出口的地區(qū)在其內(nèi)部的各個部門間的運(yùn)作更加緊密。在這一地區(qū)，城市土地使用的變化隨著交通方式的變化而發(fā)生(例如，以港口為中心的貿(mào)易區(qū)，以車站為中心的貿(mào)易區(qū))。臺灣高速鐵路技術(shù)主要是進(jìn)口的，主要引進(jìn)日本的新干線，管理系統(tǒng)主要由歐洲的技術(shù)組成。

由于該鐵路位于兩個俯沖帶之間的地質(zhì)頻繁活動區(qū)域，因此實(shí)施能夠承受地震活動的設(shè)計(jì)是很重要的。斷層穿過高鐵線路，工程各個部分需要特殊設(shè)計(jì)及處理。這需要設(shè)計(jì)中注意路堤上的特殊高度最低限度和特定的橋梁支撐物應(yīng)具有一定的彈性：由于某些構(gòu)件具有一定的彈性，從而避免了重大的事故和橋梁的損壞。

到目前為止，中國擁有最廣泛的高速鐵路系統(tǒng)。中國鐵路系統(tǒng)由多種不同的技術(shù)組成。中國高鐵HSR(CHSR) 網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)從日本、德國和法國引進(jìn)，同時增加了本國的自主創(chuàng)新。上海磁懸浮列車于2003年首次亮相，并由一家德國公司提供技術(shù)，最高時速可以達(dá)到430公里/小時。從武漢到廣州的客運(yùn)專線技術(shù)是由日本的新干線和德國的冰列車組成的本地組合，但有一些改進(jìn)。

中國在高鐵的研究與設(shè)計(jì)過程中，必須克服的障礙包括復(fù)雜多變的地形和多種多樣的不良地質(zhì)災(zāi)害。大范圍的高鐵網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜多變的地質(zhì)環(huán)境和大段落的河流區(qū)域建造。中國的三座高鐵橋梁保持著最大跨度、最大寬度和最大容量的紀(jì)錄。同時，中國高鐵隧道的建設(shè)和速度(最高時速350公里)也被公認(rèn)為極致的技術(shù)先例。軌道方面與其他國家使用改裝的既有軌道不同的是，中國高鐵的軌道是一種地面設(shè)計(jì)，它可以在不需要減速的情況下，以最高速度一直保持高速運(yùn)行，而無需減速。中國高鐵使用無砟軌道，即不使用碎石道碴穩(wěn)定鋼軌，無砟軌道線路也有軌道網(wǎng)；同時軌道采用無縫線路，這一壯舉需要在根據(jù)全國各地的溫度變化情況進(jìn)行探索研究。中國的軌道幾乎都是在德國設(shè)計(jì)的混凝土板上設(shè)置的，這樣可以減少高鐵車輪和軌道的磨損。中國制造的列車在世界范圍內(nèi)運(yùn)行，并且仍然是最快的。

歐洲

圖2顯示了整個歐洲的高鐵網(wǎng)絡(luò)。在歐洲，各國高速鐵路系統(tǒng)從大系統(tǒng)的各個組織環(huán)節(jié)及電力供應(yīng)的方式之間都存在著差異。英格蘭傾向于使用比歐洲其他國家更小的電壓(例如歐洲的其他國家采用1.5千伏，英國的典型的標(biāo)準(zhǔn)是750伏)。同樣的，英國的高鐵通過另一條線路提供電力，而其他歐洲國家高鐵則直接使用電力。歐洲一些老舊的內(nèi)燃機(jī)車仍在運(yùn)行，這也是運(yùn)行中速度最快的內(nèi)燃機(jī)車。在歐洲，各國高速鐵路是互聯(lián)互通的，而歐盟則是沿著鐵路線建設(shè)軌道，這對各國政府都是有益的。這提高了不同國家的高鐵運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)并使行車安全得到了保障。歐洲的高鐵幾乎完全是在以營利為目的的基礎(chǔ)上運(yùn)作的，因此，其高鐵并不會利用政府的補(bǔ)貼。英國的鐵路系統(tǒng)原來是由一家政府所有的公司組建，但后來被租給私人財(cái)團(tuán)進(jìn)行運(yùn)營。

圖2 歐洲高速鐵路系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

法國在20世紀(jì)60年代以125英里/小時的速度開始使用內(nèi)燃機(jī)車。隨著20世紀(jì)70年代石油價(jià)格的不斷上漲，法國轉(zhuǎn)而使用阿爾斯通建造的電力機(jī)車，并使用在新建的巴黎和里昂間的鐵路上。電力機(jī)車將近270英里距離的出行時間縮短為兩個小時，這鞏固了乘客的“轉(zhuǎn)乘”方法的可行性。1981年，TGV首次亮相，并成為了首個高鐵，其機(jī)車不僅能在其專用的高鐵線路上運(yùn)行，而且可以在普通的鐵路線路網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行。在TGV上的列車編組采用每輛機(jī)車在兩端編掛一輛車的方式，其中的一些線路可以承載容納量超過1000名乘客的雙層列車。今天，法國的高鐵網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)超過1185英里，以每小時186英里的速度進(jìn)行計(jì)算。與德國和日本不同的是，法國的高鐵軌道是用碎石道碴來穩(wěn)定的，用于穩(wěn)定軌道系統(tǒng)。西班牙和韓國也有高速鐵路，主要使用法國的TGV技術(shù)。在法國，超過50%的國內(nèi)出行是由TGV 完成的。

德國開始在火車上開發(fā)磁懸浮(maglev)技術(shù)，同時也在研究傳統(tǒng)的高速鐵路。高昂的成本阻止了磁懸浮成為德國現(xiàn)階段的一個可行選擇，但該技術(shù)已經(jīng)在中國的上海成功地使用，并且計(jì)劃在日本進(jìn)行使用。德國的高速鐵路(被稱為“冰列車”)的運(yùn)行速度有所放緩，但時速仍接近700英里。德國的ICE3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與新干線相似的能量再生系統(tǒng)。

圖3 美國高速鐵路路網(wǎng)規(guī)劃

美國

圖3顯示了美國的高鐵系統(tǒng)的路網(wǎng)規(guī)劃。美國還沒有看到其他國家在高鐵建設(shè)和使用方面的繁榮。美國在高速鐵路方面同樣投入了大量的資金進(jìn)行路網(wǎng)開發(fā)，而美國的高鐵系統(tǒng)主要局限于其東部沿海地區(qū)。一些項(xiàng)目，例如加州的一個項(xiàng)目，從項(xiàng)目提出開始已經(jīng)花費(fèi)了10年的時間來論證確保投入資金的安全，并且這一論證過程持續(xù)到這個項(xiàng)目本身實(shí)際上已經(jīng)開始動工建設(shè)。加利福尼亞項(xiàng)目設(shè)計(jì)出了新的高鐵軌道，時速可達(dá)150英里/小時，這在美國的高鐵路網(wǎng)中是獨(dú)一無二的。在美國，從波士頓到華盛頓的高鐵線路運(yùn)行在既有的鐵路路網(wǎng)上，是美國唯一運(yùn)行的高鐵系統(tǒng)。美國鐵路公司的“鐵路干線”(波士頓至華盛頓特區(qū))吸引了往返于紐約和華盛頓特區(qū)之間62%的旅客，并與11號區(qū)域的主要機(jī)場提供了聯(lián)系。令人驚訝的是東北走廊(NEC)系統(tǒng)仍然是世界上最繁忙的走廊之一，為數(shù)百萬的通勤者和城際旅行者服務(wù)。然而，投資及輸送能力不足和高客流需求之間的矛盾很難恰當(dāng)處理。

區(qū)域優(yōu)勢劣勢經(jīng)濟(jì)影響

美國的其他普速鐵路系統(tǒng)也存在，比如美國中西部路網(wǎng)和太平洋西北路網(wǎng)，但它們目前的速度不超過每小時100英里。美國的火車比世界上其他國家的車輛更重，主要是由于人們對發(fā)生事故后的減少傷亡能力感到擔(dān)憂。然而，世界上各種輕型、高速的系統(tǒng)在事故中幾乎沒有人員傷亡，這說明在高鐵系統(tǒng)中，良好的信號系統(tǒng)和安全運(yùn)輸技術(shù)是達(dá)到整體安全性的關(guān)鍵。

高鐵在美國發(fā)展的主要障礙是資金來源。開發(fā)一個高速、高效、有吸引力的路網(wǎng)需要大量的財(cái)力資源。但如果一個鐵路路網(wǎng)不能充分地縮短城市之間的旅行時間，它就無法吸引它所需要的客流。另外，還存在鐵路的各種功能使用與速度提升之間的矛盾等問題，美國的鐵路也被貨運(yùn)系統(tǒng)所使用，這在其他國家也已經(jīng)成功，但是如果不使用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)，貨運(yùn)作業(yè)也會大大限制鐵路的速度和影響安全運(yùn)輸，這也會導(dǎo)致國家經(jīng)濟(jì)上的阻礙。在美國，一個發(fā)達(dá)的高鐵網(wǎng)絡(luò)需要建造更多的基礎(chǔ)設(shè)施來滿足運(yùn)營的需要。

表1：高速鐵路對世界各地各種系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較

比較

雖然其他國家已經(jīng)投資了幾百億美元來發(fā)展高鐵路網(wǎng)，但美國在他們的高鐵路網(wǎng)上投入的資金相對較少。但這可能仍然會給美國帶來好處，因?yàn)槊绹磥淼捻?xiàng)目將會利用到先進(jìn)的技術(shù)和更為廣泛的前期研究思路，而其他的衍生項(xiàng)目也會投入到美國自己的高鐵系統(tǒng)中。目前，許多國家在他們的中心城市周圍地區(qū)看到了驚人的帶動效應(yīng)。但在其他原規(guī)模較小的城市周圍，卻沒有像原先希望的那樣大的效應(yīng)。表1顯示了在不同國家的高鐵發(fā)展的優(yōu)缺點(diǎn)。

建設(shè)一個先進(jìn)發(fā)達(dá)的高速鐵路網(wǎng)絡(luò)，對國家和出行者都是一筆巨大的財(cái)富。高鐵繼續(xù)以節(jié)省出行時間，減少排放以增大吸引乘客的可能性與各國城市間的航空系統(tǒng)競爭。不過，在今天這個燃油成本不斷上漲的時代，高速鐵路為許多人提供了一種航空出行的替代方式。隨著歐洲和亞洲的鐵路系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，并繼續(xù)擴(kuò)大規(guī)模，其他國家也將受益于技術(shù)上的改進(jìn)和研究投資，這些國家正在向這項(xiàng)技術(shù)投入大量資金。雖然美國沒有投入大量資金來建立一個高鐵系統(tǒng)，但它卻可以從其他國家的技術(shù)和成功中獲益。由于高鐵帶來的交通便利、城市道路擁擠、以及高鐵站周圍均存在宜居社區(qū)，因此，未來出行者和通勤者將是高鐵帶來的交通運(yùn)輸技術(shù)改善的時代中最大的獲益群體。

原文出處：《 Journal of Transportation Technologies》, 2013, 3, 57-62

作者：Junfeng Jiao1, Jenna Harbin1, Yuan Li2?

（翻譯者單位：蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司 ）