上海市軌道交通16號線 工程科技創(chuàng)新與應用

上海市軌道交通16號線工程開工時間：2009年10月；竣工時間：2014年12月。工程針對市域地鐵快線高運行速度下帶來的運營模式、車輛研制、授電方式、地下區(qū)間、高架橋梁、軌道結構等建設難題進行了系統(tǒng)的科學研究，在新系統(tǒng)、新技術、新工藝、新設備等方面形成了技術創(chuàng)新。該工程共申請國家專利39項，其中發(fā)明專利5項、實用新型專利27項；專著1部；規(guī)范2本。該工程的部分研究成果已應用于其他新建軌道交通項目的規(guī)劃和設計中。

一、大客流高速1500V接觸軌授流市域軌道交通新系統(tǒng)

（一）快慢車組合及靈活編組運營組織模式

1．研究背景

16號線客流具有強度較低、平均乘距長、高峰和平峰客流差異較大、呈現(xiàn)潮汐現(xiàn)象的特征，主要以組團客流交換為主，直達客流占全線客流的比例達到32%，具有開行快車的需求。

圖1 16號線遠期組團OD比例圖

2．快慢車組合運營方案

結合工程實際情況并吸收國外長大線路快慢車組合運營的經驗，采用定性和定量相結合的方法重點研究了運營組織模式、列車運行交路和列車編組方案。從理論上對開行快慢車組合運行的組織形式與條件、快慢車的越行條件、越行地點、越行次數(shù)以及相關影響因素進行重點分析，提出列車交路、列車編組和運輸能力等的設計計算方法。

根據(jù)客流特征及運行圖鋪劃設置越行站，越行站位置和運行圖的安排相互配合，通過預先停車或延遲發(fā)車等措施來調整快慢車的發(fā)車間隔，從而使越行站移至客流量較小的車站。越行站配線采用雙島四線型式。當快車通過越行車站時，在保證安全的前提下，出站進路提前辦理，道岔提前鎖閉至指定位置，系統(tǒng)控制快車依據(jù)運營預先編制的時刻表經由越行站的直行軌道越行慢車，快車和慢車的到通、通發(fā)能力為60s，快慢車的越行依據(jù)時刻表自動運行。

開行直達車、大站車和普通車的快慢車組合運營的模式，有效地節(jié)省了乘客總的出行時間，減少了車輛的配置數(shù)量，使上海地鐵平均旅行速度提升40%，可實現(xiàn)臨港新城至龍陽路36min直達并與已有軌道交通網絡換乘。車輛選型在初、近、遠期分別按3節(jié)和3+3節(jié)的靈活編組，遠期高峰時開行6節(jié)編組，平峰時開行3節(jié)編組車輛，提高了運營服務水平和運營效益，達成降低綜合成本的效果。

圖2 三種列車停站示意圖

3．主要創(chuàng)新點

首次研究在長大市域軌道交通快速線路上采用快慢車組合及靈活編組運營組織模式，形成相關的設計理論與方法，并得到運營實施。

（二）120km/h直流1500V接觸軌授流的A型車輛

1．研究背景

市域軌交平均站間距大且平均乘距長，乘客對旅行速度和舒適度有較高需求；為滿足景觀和供電系統(tǒng)維修方便及時的需要，兼顧資源共享，采用直流1500V接觸軌授流方式。因此，在車體、轉向架、牽引和制動、與接觸軌的接口技術等多個系統(tǒng)進行科研攻關，研制中高速直流1500V接觸軌授流的A型車輛，以適應市域軌道交通發(fā)展的必然需求。

2．時速120km直流1500V接觸軌授流的A型車輛

（1）動力配置與性能

采用WTB+MVB全冗余分布式總線控制方式，國內首次實現(xiàn)在線靈活編組需求；牽引系統(tǒng)采用轉向架控制和國內首創(chuàng)半動車（2-B0）動力配置模式，在有效控制車輛軸重≤16t的同時，整體提高3節(jié)編組列車正線故障運營能力和救援效率。通過研發(fā)“城軌車輛牽引供電系統(tǒng)”新技術（專利號：ZL201220672799.5），實現(xiàn)列車牽引受流能力的提升，輔以基礎制動選用盤式制動，成功實現(xiàn)A型地鐵列車最高運營速度等級提升20%的目標。

（2）高速、高電壓、大電流接觸軌授流

針對DC1500V接觸軌授流大電流、高沖擊世界級難題，通過對氣動受流器（專利號：ZL201220434338.4，ZL201220679131.3）及其檢測（專利號：ZL201220442408.0）和監(jiān)測（專利號：ZL201220391386.X）方法的研究，在國際上首次成功解決了時速120kmA型車的DC1500V接觸軌授流技術難題。

（3）復合型牽引方式

通過研發(fā)“城軌車輛的蓄電池與受電弓牽引供電系統(tǒng)”（專利號：ZL201220673205.2）和“城軌車輛的蓄電池與受流器牽引供電系統(tǒng)”（專利號：ZL201220672821.6），國內外首創(chuàng)集電靴及受電弓受流和蓄電池應急牽引三種牽引方式的集成，滿足正線、段場、無電區(qū)等線路條件下無縫切換的供電模式，充分提高列車在郊縣運營的可使用性和維修保養(yǎng)的安全性。

（4）安全性與舒適性

通過研發(fā)新型ZMA120型轉向架（專利號：ZL201020668985.2）以及新型輪盤制動轉向架（專利號：ZL201220132846.7），并對構架側梁下蓋板結構進行優(yōu)化（專利號：ZL201220374912.1），配置車輛走行部故障診斷裝置和系統(tǒng)（專利號：ZL201220544896.6），確保列車在120km/h條件下安全可靠運營，且運行平穩(wěn)性指標≤2.5，達到速度等級80km/h同等水平。通過“車門安全回路”（專利號：ZL201220407657.6）的研發(fā)，使得市域軌道交通列車車門在確保安全的前提下可由乘客自行開關。

全景（120kmh DC1500V授電A型車行駛圖）

圖3 動力轉向架三維圖及構架強度計算模型

3．主要創(chuàng)新點

國際首創(chuàng)時速120km直流1500V接觸軌授流的A型車，形成專利12項。

（三）時速120km直流1500V接觸軌系統(tǒng)

1．背景

16號線大部分區(qū)域位于東海之濱，地勢平坦空曠，臺風多、雷電多，線路應急搶險布點不可能很密集，維護成本也隨著線路距城市中心區(qū)的距離增大而明顯增大，設計需要考慮更少維護成本的供電方式。

2．速度等級120km/h的直流1500V鋼鋁復合接觸軌供電系統(tǒng)

靴軌良好授流是安全運營的關鍵，針對120km/h速度等級的DC1500V接觸軌系統(tǒng)（見圖3），進行接觸軌跨距布置與120km/h速度的系統(tǒng)性分析、全線接觸軌斷口處端部彎頭與車輛集電靴適應性系統(tǒng)分析、全線接觸軌與車輛匹配情況系統(tǒng)性分析等。在細節(jié)設計上，對端部彎頭坡度、膨脹接頭及中心錨節(jié)安裝型式進行改良和更新。

圖4 集電靴現(xiàn)場試驗

提出基于軌道基樁控制網進行軌道交通接觸網、軌的測量方法（專利申請?zhí)枺?01310222084.9），自主研制了“時速120km的直流1500V接觸軌系統(tǒng)”配套施工新設備，包括：“接觸軌綜合測量儀”（專利號：ZL201320190409.5），將接觸軌的導高和拉出值誤差不大于±5mm，提高到不大于±3mm；“多功能限界檢測車”（專利號：ZL201320236030.3），自動合成直線、曲線等不同結構斷面下的設備限界檢查；“模擬鋼軌模具”，在線路尚未鋪軌的條件下，模擬鋼軌定位從而達到接觸軌測量定位的目的；“拉軌工具”，使接觸軌對接縫間隙從原來1mm減小到0.5mm。運營實踐證明，時速120km直流1500V接觸軌授流將軌道交通供電系統(tǒng)運營維護成本降低了70%。

3．主要創(chuàng)新點

首次研發(fā)了120km/h速度等級直流1500V鋼鋁復合接觸軌供電成套設計施工技術，配套研制了相關的施工設備，形成專利3項，完成專著《120km/h接觸軌設計規(guī)范及施工驗收標準》（中國鐵道出版社2013年）。

二、時速120km市域軌道交通設計新技術

（一）設置中隔墻的“單洞雙線”盾構法區(qū)間新構造

1．研究背景

常規(guī)地鐵區(qū)間多采用內徑5.5m的盾構隧道，當列車速度高達120km時隧道內將產生“活塞風效應”，即隧道內空氣產生非穩(wěn)定流，且隧道內外形成一定壓差，隧道內壓力變化將導致乘客耳膜不適，甚至可能損害設備與結構，為此，需要提出一種新的結構形式解決此問題。

2．單洞雙線大盾構及中隔墻技術

為滿足在地鐵列車高速運營情況下乘客的舒適度，并兼顧逃生通道設置與防災減災的要求，基于“大型化、工廠化、機械化”的理念，發(fā)明一種帶隔墻的“單洞雙線”結構形式（專利號：ZL200910246077.6），即通過在大斷面盾構隧道中央設置中隔墻分隔上下行車線，實現(xiàn)“單洞雙線”。借助彈性鉸圓環(huán)法、彈性地基梁法和連續(xù)介質有限元法等建立結構體系的力學分析模型，并對自重、地層荷載和地層長期固結沉降作用下的結構變形與內力進行了系統(tǒng)分析?；诜治鼋Y果，提出了在中隔墻與隧道管片之間設置120mm間隙的分離式連接細部構造（專利號：ZL201010596275.8）。

與傳統(tǒng)的地鐵區(qū)間隧道相比，新的結構形式在隧道通風方面，活塞風量的增加有利于有效排除列車運行余熱而使隧道溫度降低；在壓力控制方面，消除區(qū)間進出洞處、過中間風井處最不利錯車工況下的壓力變化疊加帶來的舒適度影響；在安全疏散方面，在縱向應急通道寬度較窄的約束條件下，每隔300m設置一組相鄰區(qū)間的旁通門，增強系統(tǒng)安全性，且無須設置眾多的中間逃生井或輔助隧道。

3．主要創(chuàng)新點

發(fā)明了一種帶隔墻的“單洞雙線”新構造，建立新結構的力學分析模型，基于計算結果給出了隔墻與襯砌管片連接的細部構造，獲得授權發(fā)明專利2項。

圖5 單洞雙線大盾構及中隔墻實景圖

（二）車輛段光伏節(jié)能發(fā)電新技術

1．研究背景

利用光伏發(fā)電技術為地鐵車輛段提供電能，不僅可以減少地鐵對市網電能的需求，節(jié)約運營成本；還可積極響應國家節(jié)能減排政策，有效推動我國可再生能源的發(fā)展。軌道交通車輛段運營時間長，光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠得到充分的利用，產生的電能可以用來供車輛段的照明和動力設備使用。

2．車輛段光伏節(jié)能發(fā)電新技術

通過對氣象條件環(huán)境條件的研究，根據(jù)車輛段停車庫頂空間面積開闊的特點，研發(fā)了太陽能與建筑一體化技術進行太陽能光伏并網發(fā)電，包括：兆瓦級光伏發(fā)電系統(tǒng)構件一體化、兆瓦級光伏并網接入技術、高效晶硅太陽能發(fā)電系統(tǒng)。

圖6 光伏組件安裝圖

3．主要創(chuàng)新點

首次系統(tǒng)提出將光伏系統(tǒng)與軌道交通停車庫相結合的設計與施工技術，建成10MW光伏示范系統(tǒng)，年均發(fā)電量858.3萬kWh，年減排溫室氣體7115噸，減排煙塵569噸。