中低速磁浮交通在市域(郊)鐵路的應(yīng)用研究

邊 濤

(中鐵磁浮交通投資建設(shè)有限公司 湖北武漢 430060)

1 磁浮交通技術(shù)發(fā)展簡介

1.1 磁浮交通技術(shù)發(fā)展歷程

1842年，英國物理學(xué)家Earnshow提出了磁懸浮的概念，1922年德國坎佩爾工程師(Herrmann Kamper)提出電磁懸浮原理和常導(dǎo)磁浮列車的概念，1935年坎佩爾研制成功懸浮試驗裝置。1969年，德國研制成重約60 kg的小型磁浮實驗樣車[1]，后來德國把它稱為TR01。1971年至2009年，德國在TR01的基礎(chǔ)上研發(fā)了TR02-TR09磁浮列車。

日本自1972年開始持續(xù)進行中低速常導(dǎo)磁浮列車HSST的研究，于2005年建成運營名古屋市區(qū)通向愛知世博會會場的中低速磁浮線路，全長8.9 km，設(shè)計最高速度100 km/h。2014年日本開工建設(shè)超導(dǎo)磁浮商業(yè)運營線路，設(shè)計最高速度500 km/h。

中國自1986年起，西南交大、國防科大、同濟大學(xué)、中國中車等院校企業(yè)先后開展了相關(guān)研究工作，2000年引進德國TR08，2003年在上海建成運營世界首條高速磁浮運營線，2015年在長沙建成運營長沙磁浮快線(設(shè)計最高速度110 km/h，2021年7月提速至140 km/h)，2017年在北京建成運營磁浮S1線(設(shè)計最高速度100 km/h)。目前正在建設(shè)的中低速磁浮線路有清遠磁浮旅游專線、鳳凰磁浮文化旅游專線，國內(nèi)太原、洛陽、烏魯木齊、合肥等地市正在規(guī)劃磁浮線路，標(biāo)志我國磁浮技術(shù)逐步成熟，磁浮軌道交通成為國家戰(zhàn)略新型產(chǎn)業(yè)項目，并廣泛投入商業(yè)應(yīng)用。

1.2 磁浮交通分類

1.2.1 按直線電機分類

按直線電機形式分為兩類:一類是常導(dǎo)短定子磁浮制式，100～160 km/h速度等級的中低速磁浮交通屬于該類；一類是常導(dǎo)長定子磁浮制式，160 km/h速度等級的中速磁浮交通和600 km/h速度等級的高速磁浮交通屬于該類[2]。

1.2.2 按懸浮原理分類

按懸浮原理分為常導(dǎo)電磁懸浮EMS、超導(dǎo)電動懸浮EDS[3]、永磁懸浮PMS三大類。中低速磁浮交通屬于常導(dǎo)電磁懸浮。

1.2.3 按速度等級分類

按速度等級分為100～120～160 km/h、160～250 km/h、400～600 km/h、600 km/h 以上，依次劃分為中低速、中速、高速、超高速。

2 中低速磁浮交通技術(shù)創(chuàng)新點

2.1 中低速磁浮交通技術(shù)原理

磁浮列車在軌道下方有環(huán)抱軌道的電磁鐵，通電后電磁鐵產(chǎn)生磁力吸引軌道，將列車向上吸起，使電磁吸引力與重力保持平衡，從而使列車穩(wěn)定懸浮于軌道上方8 mm，并通過直線電機推動列車運行。其有別于傳統(tǒng)軌道最大特點是沒有輪子，實現(xiàn)了非粘著牽引和無接觸運行，見圖1。

圖1 中低速磁浮交通技術(shù)原理示意

2.2 中低速磁浮交通技術(shù)創(chuàng)新點

2.2.1 自主創(chuàng)新，完全國產(chǎn)化

目前磁浮列車的核心—懸浮控制系統(tǒng)、懸浮轉(zhuǎn)向架主要由國防科大、西南交大、同濟大學(xué)等高校自主研發(fā)，整車由中國中車制造。通過長沙、北京、清遠的中低速磁浮工程的研發(fā)、探索及建設(shè)，中低速磁浮工程設(shè)計、制造、安裝、車輛等具備全產(chǎn)業(yè)鏈完全自主知識產(chǎn)權(quán)，做到了完全自主可控。

2.2.2 選線靈活，建設(shè)成本低

中低速磁浮交通爬坡坡度大(70‰)，轉(zhuǎn)彎半徑小(70 m)，可敷設(shè)在城市道路綠化帶，靈活穿行于城市樓宇間，低噪低振低輻射的特點，對周邊居民區(qū)影響很小，可以減小線路對臨近建筑物的距離要求，最大限度減少征地拆遷，節(jié)省工程總投資。中低速磁浮交通應(yīng)用于城市軌道交通綜合造價在2.0～3.0億元/km，與輕軌、單軌基本相當(dāng)，約為地鐵造價的1/4～1/3，運用于市域市郊鐵路綜合造價在2.0億元/km左右。

2.2.3 懸浮運行，運營成本低

中低速磁浮列車懸浮運行，車輛和軌道維護工作量小，車輛大修周期長，部件維修或更換成本低，運維人員配置少。中低速磁浮工程適宜高架敷設(shè)，節(jié)省了大量照明、通風(fēng)等附屬設(shè)備，牽引能耗與地鐵輕軌相當(dāng)，綜合能耗低于地鐵。2020年全國地鐵每年每公里運維成本平均值為1 782萬元[4]；據(jù)調(diào)查，重慶市跨座式單軌每年每公里運維成本約為1 000萬元，長沙磁浮快線每年每公里運維成本約為600萬元。綜合國內(nèi)軌道交通建設(shè)成本和運營成本數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，中低速磁浮交通的年均運營成本絕對值約為全國地鐵平均值的34%，約為輕軌和單軌的60%～70%，綜合運營成本優(yōu)勢明顯，極大降低地方財政的運營補貼。

2.2.4 綠色環(huán)保，環(huán)境更友好

磁浮列車運行噪聲一般低于63 dB，略低于人正常說話的噪聲值，明顯低于輪軌制式；磁浮列車無車輪磨耗，不會在運行中產(chǎn)生鐵粉，最大限度避免環(huán)境污染；長沙磁浮和北京磁浮工程的環(huán)評檢測結(jié)果顯示，磁浮列車通過時線路周邊5 m環(huán)境電場強度為0.741 V/m、磁感應(yīng)強度0.085 2 μT，遠遠低于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)限值電場強度4 000 V/m、磁感應(yīng)強度100 μT[5]，不會對社會公眾和職業(yè)人員的健康產(chǎn)生不利影響。日本名古屋磁浮線距離住宅樓最近約為5 m，長沙磁浮快線距離住宅樓最近約為15 m。

2.2.5 安全可靠，全天候運營

中低速磁浮交通采用“抱軌運行”，不會發(fā)生脫軌事故，采用直線電機驅(qū)動，不會出現(xiàn)車輛打滑現(xiàn)象，更能適合雨雪天氣下正常運營，實現(xiàn)在戶外全天候運營；列車懸浮架下裝有走行輪，線路兩線之間設(shè)計修建鋼架疏散平臺，在火災(zāi)、車輛故障等應(yīng)急情況下可保障安全疏散救援，安全保障好。

2.2.6 平穩(wěn)舒適，乘車體驗好

中低速磁浮列車處于懸浮狀態(tài)，與軌道無直接接觸，振動小，列車行駛平穩(wěn)、乘坐舒適，每一節(jié)車廂都由20個懸浮控制器嚴(yán)密地控制8 mm的間隙，列車不會因為與軌道有間隙而出現(xiàn)晃動，其乘坐舒適性好。

2.2.7 智能控制，可靠性更高

磁浮交通采用智能化懸浮控制系統(tǒng)，顛覆了輪軸接觸運行系統(tǒng)，消除了安全隱患最大的轉(zhuǎn)向架走行系統(tǒng)，從機械化邁向電子化、智能化，所有運控相關(guān)的核心狀態(tài)信息適時在線檢測、自動告警，天然適合“狀態(tài)修”，其運行可靠性相對更高。

2.2.8 速度更快，運用范圍廣

中低速磁浮最高運行速度為100～160 km/h，平均旅行速度可達50～80 km/h，可廣泛運用于市區(qū)、市郊軌道交通和景區(qū)交通。目前長沙磁浮快線已經(jīng)完成110 km/h提速140 km/h的改造，7月1日正式按140 km/h運營。

2.2.9 梁體輕盈，景觀效果好

磁浮交通橋梁采用簡支梁，單片梁體尺寸1.3 m×2.1 m[6]，橋墩直徑1.8 m×1.8 m，雙線梁體中間采用橫系梁連接，結(jié)構(gòu)輕盈，整體視覺通透，景觀效果佳，運行安靜、低振，橋梁上不需要設(shè)置聲屏障，提升線路整體美觀性，可在城市樓宇間穿梭，具有更好的景觀性，乘客乘坐環(huán)境也更加舒適，車站可融入城市綜合體，實現(xiàn)站城一體化。

3 中低速磁浮交通在市域(郊)鐵路應(yīng)用的可行性

3.1 市域(郊)鐵路定義

市域(郊)鐵路是城市中心城區(qū)聯(lián)接周邊城鎮(zhèn)組團及其城鎮(zhèn)組團之間的通勤化、快速度、大運量的軌道交通系統(tǒng)，提供城市公共交通服務(wù)，是城市綜合交通體系的重要組成部分[7]1。

3.2 市域(郊)鐵路技術(shù)要求

新建市域(郊)鐵路線路要串聯(lián)5萬人及以上的城鎮(zhèn)組團和旅游景點并設(shè)站，車站按照功能適應(yīng)、設(shè)施簡易、安全便捷的原則盡量設(shè)置于城鎮(zhèn)中心，增強交通引導(dǎo)和提高客流聚集。設(shè)計速度宜為100～160 km/h，平均站間距原則上不小于3 km，早晚高峰發(fā)車間隔不超過10 min。統(tǒng)籌生態(tài)環(huán)境保護要求和工程環(huán)保措施效果，優(yōu)化選址選線，集約節(jié)約通道資源，合理確定新線敷設(shè)方式，原則上以地面建設(shè)為主，困難路段可考慮采用高架方式，進出樞紐的個別路段可研究采用地下方式。從嚴(yán)控制工程造價，新建線路直接工程費用一般不高于同一地區(qū)輕軌工程費用的75%[7]7，[8]4。鼓勵多種制式，支持技術(shù)創(chuàng)新，推進新型裝備研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化[8]17。

3.3 中低速磁浮交通與市域輪軌的對比

目前，國內(nèi)符合市域(郊)鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求的軌道交通制式主要有中低速磁浮和市域A型車、市域B型車、市域C型車、市域D型車[9]16，其中市域A型車、市域B型車既可采用單一供電制式，也可采用雙流供電制式，市域C型車、市域D型車采用交流供電制式，均為傳統(tǒng)輪軌制式。

3.3.1 車輛主要技術(shù)參數(shù)對比

中低速磁浮車輛與市域A、B、C、D型車的主要技術(shù)參數(shù)[9]17對比見表1。

表1 車輛主要技術(shù)參數(shù)對比

從表1可以看出，中低速磁浮在爬坡能力、轉(zhuǎn)彎半徑、國產(chǎn)化等方面具有技術(shù)優(yōu)勢。

3.3.2 主要工程技術(shù)及經(jīng)濟性對比

(1)工程技術(shù)適應(yīng)性對比分析

中低速磁浮最小轉(zhuǎn)彎半徑明顯小于輪軌系統(tǒng)，線路采用高架方式敷設(shè)，避免大量拆遷，為適應(yīng)城市復(fù)雜工程環(huán)境創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)條件，再加上優(yōu)越的爬坡性能，使得中低速磁浮特別適合上跨下穿鐵路、道路和江河，以及山地地形。

(2)建設(shè)成本對比分析

在同等條件下，兩種制式純工程造價的差異主要體現(xiàn)在橋梁、軌道、隧道和路基上。從表2可以看出，多以橋梁為主的市域(郊)線路，中低速磁浮和市域輪軌的造價水平基本相當(dāng)，但在復(fù)雜山區(qū)地形和房屋較密集等特定外部環(huán)境下，中低速磁浮制式在工程造價方面的優(yōu)勢較明顯。結(jié)合長沙磁浮快線和溫州市域鐵路線等工程實際投資分析，中低速磁浮的工程造價技術(shù)指標(biāo)約為1.5～2.5億元，輪軌系統(tǒng)工程造價技術(shù)指標(biāo)約為1.6～3.0億元。

表2 土建工程單價比較

(3)運能匹配性對比

中低速磁浮車輛的車體寬度2.8 m，與市域B型車相當(dāng)，主要用于單向高峰小時最大斷面客流1～3萬人的軌道交通線路。

市域A、B、C、D 型車車體寬度2.8～3.3 m，主要適用于單向高峰小時最大斷面客流1～3萬人的軌道交通線路。

市域(郊)鐵路的客流水平往往不如中心城區(qū)飽滿，單向高峰小時最大斷面客流量一般在3萬人以下。因此，中低速磁浮車輛的運能與市域A、B、C、D型車的運能與客運需求均適應(yīng)。

(4)安全可靠性對比

中低速磁浮列車抱軌運行，永不脫軌，能夠更好適應(yīng)極端風(fēng)雨雪等惡劣天氣，可靠性更高。

輪軌制式的輪與軌之間為卡槽式的銜接關(guān)系，豎向不受約束。當(dāng)軌道平順度超限(多由輪軌磨損或沉降引起)，或軌道上有異物時，容易發(fā)生脫軌。因此，輪軌制式需投入大量人力物力維護軌道，以確保行車安全。

(5)運營成本對比

中低速磁浮與輪軌制式的運營成本差別主要體現(xiàn)在牽引能耗、人工成本、維修成本等3個方面。從香港地鐵運營成本分析來看，牽引能耗、人工成本、維修成本占運營成本的比例分別為15%、50%、20%[10]。

①人工成本對比

中低速磁浮車輛沒有車軸、車輪、連動裝置、轉(zhuǎn)向架等機械裝置，無需進行輪軸檢測、檢修、更換，無需旋輪、軌道打磨，車輛和軌道維護工作量小，車輛大修周期長，部件維修或更換成本低，運維人員配置少。目前國內(nèi)地鐵線路定員指標(biāo)一般為50～60人/km，中低速磁浮線定員指標(biāo)一般為25～30人/km，同等情況下，中低速磁浮要比輪軌節(jié)省定員30%～50%，人工成本相應(yīng)節(jié)省。

②維修成本對比

中低速磁浮交通用智能化的在線非接觸控制系統(tǒng)，顛覆了輪軸接觸運行系統(tǒng)，消除了安全隱患最大的轉(zhuǎn)向架走行系統(tǒng)，從機械化邁向電子化、智能化，所有運控相關(guān)的核心狀態(tài)信息適時在線檢測、自動告警，天然適合“狀態(tài)修”，可實現(xiàn)真正的“狀態(tài)修”。

軌道維護費:磁浮列車懸浮運行，與軌排無剛性接觸，無需進行軌道打磨和更換，維修工作量小。長沙磁浮運營5年多，軌排沒有進行過維修和更換，僅僅刷刷油漆。輪軌制式的鋼軌則需要打磨維護和更換。

機電系統(tǒng)設(shè)備維修費:輪軌制式在運營過程中產(chǎn)生的鐵粉污染，增加了機電設(shè)備檢修工作量，縮短機電設(shè)備壽命；磁浮車輛與軌道無剛性接觸，不會產(chǎn)生鐵粉污染，機電系統(tǒng)設(shè)備維修費較輪軌系統(tǒng)低。

車輛維修費:磁浮車輛的懸浮控制器是電子設(shè)備，沒有機械損耗，免維護。磁浮車輛沒有車軸、車輪、連動裝置、轉(zhuǎn)向架等機械裝置，無需進行輪軸檢測、檢修、更換或鏇輪，車輛檢修周期長，周檢、月檢、定修、廠修周期是輪軌的1.28倍，架修是輪軌的1.6倍，可明顯節(jié)省維護費用。詳見表3[9]233，[11]。

表3 國內(nèi)軌道交通車輛檢修周期

綜上分析，維修成本節(jié)省比例約為50%～60%。

③牽引能耗對比

與傳統(tǒng)輪軌制式相比較，磁浮車輛牽引能耗多了懸浮能耗，但無需克服摩擦力，輪軌車輛粘著運行，需要克服摩擦力。從牽引仿真結(jié)果分析，中低速磁浮交通較輪軌交通牽引能耗增加約13%[12]。

綜上分析，中低速磁浮交通運營成本較輪軌交通有優(yōu)勢，年運營成本較輪軌交通節(jié)省約30%～40%。

(6)環(huán)境影響對比

由于無接觸運行，中低速磁浮其噪聲和振動明顯低于輪軌。在相同運行速度下，在相應(yīng)測點處(距軌道7.5 m)噪聲和振動均較輪軌低。運營線附近實測數(shù)據(jù)分析對比見表4。

表4 噪聲源/振動源強比較(高架段)

輪軌鐵路為了解決好噪聲和振動問題多采用地下敷設(shè)，并在軌道上實施了大量的減振措施，甚至修建隔振墻或隔振溝，增加工程投資。

(7)景觀效果對比

中低速磁浮交通高架線路梁體為簡支梁，單片梁體尺寸1.3 m×2.1 m，雙線梁體中間采用橫系梁連接，橋墩尺寸1.8 m×1.8 m；輪軌交通高架線路的梁體為箱梁，橋面寬8～10 m，橋墩尺寸2.0 m×2.5 m。

中低速磁浮交通橋梁結(jié)構(gòu)更輕便、通透，且橋梁上不需要設(shè)置聲屏障，具有更好的景觀效果。

(8)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新效果對比

磁浮交通技術(shù)是一種綜合性系統(tǒng)技術(shù)，是多學(xué)科先進技術(shù)的集成，屬于技術(shù)密集型、資金密集型產(chǎn)業(yè)，長產(chǎn)業(yè)鏈的特點使得其能夠緊密帶動電磁技術(shù)、信息通訊技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)與控制、計算機軟件與硬件、電子、機電一體化、制造、材料科學(xué)、機車車輛、運輸工程、土木工程、系統(tǒng)集成等相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、推動新興產(chǎn)業(yè)，并由此衍生出一系列的高技術(shù)服務(wù)業(yè)，從而引導(dǎo)相關(guān)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級，形成一個高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)集群，也是踐行國家“交通強國”戰(zhàn)略的切實需要。

綜上分析，與市域輪軌相比，中低速磁浮交通在線路選線、建設(shè)成本、運營成本、運營安全、環(huán)境影響、景觀效果、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新等方面具有明顯優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

在當(dāng)前加快推動市域(郊)鐵路發(fā)展的國家政策背景下，中低速磁浮交通作為新一代創(chuàng)新型交通方式，技術(shù)已經(jīng)成熟，相對于傳統(tǒng)輪軌交通，其自主可控、環(huán)境友好、安全舒適、技術(shù)經(jīng)濟性好的優(yōu)勢較為突出，契合市域(郊)鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求和技術(shù)創(chuàng)新要求，其獨特的技術(shù)優(yōu)勢能夠促進市域(郊)鐵路多制式、可持續(xù)發(fā)展，同時也能夠推動軌道交通產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新升級，建議加快在新建市域(郊)鐵路的推廣應(yīng)用。