廣州地鐵的新技術應用與創新

廣州地鐵的新技術應用與創新

盧光霖 (廣州地鐵總公司總經理 廣州 510030)

隨著我國改革開放的不斷深化和社會經濟的持續發展，進入到上個世紀90年代，以北京、上海和廣州為代表的國內大城市，從改善城市交通狀況、促進城市協調發展的目的出發，分別修建了城市軌道交通線路。此后，國內其他一些大城市也相繼制定了各自的城市軌道交通規劃，并開始籌建城市軌道交通系統。時至今日，城市軌道交通已成為我國城市基礎設施建設領域的一個熱點。城市軌道交通是社會效益、經濟效益、環境效益都十分突出的項目。經濟效益是基礎，社會效益是目的，環境效益是條件。只有處理好三者的關系，才能使城市軌道交通具有長久的生命力。
城市軌道交通建設為什么要應用新技術、新設備，為什么要走技術創新之路？我認為，這是由城市軌道交通必須實現人性化、高效率、低成本的投入與運營方能顯現其生命力的特性所決定的。人性化，也就是設計與建設必須遵循以人為本的原則。建設軌道交通的目的是為人服務的，為人們出行迅速、便捷、舒適服務。同時還要注重減少對他人居住與活動的影響，改善環境質量；高效率，就是通過新技術、新設備的應用，提高系統運行可靠性，達到運輸的最佳效應，并滿足不同時段的運輸需要，實現效率優先的目的；三是降低成本。技術永遠是為經濟服務的，不為經濟服務的技術沒有絲毫生命力。我們所講的成本，首先是運營成本，其次是建設成本。必須從提升運營服務水平的角度、從維持企業競爭力和可持續發展的角度來考慮新技術、新設備的應用。通過技術的升級與綜合自動化水平的提高，可有效提升服務水平、在設備生命周期的范圍內降低運營成本。
通過新技術的應用與創新，使安全、舒適、方便、快捷、環保的軌道交通成為可能，事實上，只有滿足乘客需求的城市軌道交通系統，才能贏得乘客的滿意并樂于乘坐，而它也因此獲得持久的生命力。同時，軌道交通的發展，必定會促進城市的發展，城市發展了必然會增大對軌道交通的需求，從而使軌道交通建設步入與城市發展互相促進、互相帶動的良性發展循環。
創新，是廣州地鐵工程建設的精髓。這幾年，廣州地鐵積極探索，進行了制度創新、管理創新、技術創新，為城市創造環境、為社會創造效益，不斷開拓地鐵前進發展的道路。就技術創新而言，在各級領導與社會各界的關心、支持下，廣州地鐵作了一些嘗試，取得了一些成績。當然，我們的創新不是單純地追求最完美和最卓越，而是追求技術上的先進性與工程實際相結合以及技術上的先進性與以人為本的服務理念、高效率低成本的運營理念相結合。
技術創新是有風險的，廣州地鐵為什么敢冒風險？中國過去有一句“行話”：中國的軌道交通要用中國成熟的交通設備。但是我們要看到與西歐、北美等發達國家的城市軌道交通水平相比，中國的差距很大。為縮短差距，我們不能等待，不能“從猿到人”，必須沖破狹隘的地域、國別觀念，放眼世界、放眼未來，通過外引內聯，盡快利用外國先進的技術來武裝自己，加快我們的發展。為擁有中國知識產權的先進技術設備，為滿足安全、可靠、舒適，同時戰略成本又是合理、最低的新技術的應用，廣州地鐵愿意第一個吃螃蟹。
在此，我愿意就廣州地鐵在新技術應用與創新上所做的一些工作與各位一起交流和分享，由于時間有限，這里僅舉其中幾例，以資借鑒。
一、廣州地鐵二號線技術創新的簡要情況
廣州地鐵二號線用3年的時間建成，3年半時間實現開通運營，這在全國可能是一個創造。在一體化的經營模式下，我們利用豐富的運營經驗、指導設計和建設行為，引導和審視各類先進、可靠、成熟的新技術、新工藝在二號線的應用，通過技術創新，全面提升了線路的設計水平,節約了工程投資，大幅度縮短了建設工期，全面提升工程質量，有效地降低運營成本，使廣州地鐵二號線工程總體技術水平達到了一個新的高度，并在技術上為廣州地鐵的可持續發展奠定了基礎，也在客觀上促進了全國軌道交通行業的技術進步。
二號線工程實施的技術創新之路可概括為：保證地鐵(電氣鐵路)“弓網、車、軌”等核心系統的技術先進性，供電、信號、通信、機電設備監控等主要機電系統關鍵技術瞄準國際先進水平，在已建成運營的地鐵一號線的基礎上，在保證線路總體技術水平有所提高的前提下，實現國家要求的70％的機電設備國產化率；合理選用和綜合應用施工方法，在保證施工安全的前提下，積極穩妥地采用新工法新工藝，提前實現隧道通、軌道通、電通，創造了提前開通的前提條件。
我們注重工程前期工作，在設計階段，采用先進的設計理念，優化建筑設計，改善線路和周邊的建筑和環境之間的關系。在施工階段，積極穩妥地采用先進施工方法，保證順利穿越珠江，順利穿越五個地質斷裂和溶洞地區；并注意及時解決在十分復雜的工程地質和水文地質條件下修建地鐵隧道、車站遇到的重大技術問題；在設備采購階段，積極穩妥地采用技術含量高、安全節能、環保的成熟設備，保證各機電系統的安全性、可靠性，降低運營成本；在機電安裝階段，注重解決各機電系統內和系統間接口技術問題，保證單機設備、單個系統的先進性和整個系統整合后，整條線路的技術先進性的統一。
1、成功研制和應用剛性接觸網，填補國內空白
我們自主組織進行科技攻關，成功研制剛性接觸網。和傳統的柔性接觸網相比，剛性接觸網不僅大大改善了二號線地鐵列車不間斷供電系統的安全性、可靠性，可維護性，而且國產化率達到90％以上，填補了該項技術的國內空白，有力地推動了中國軌道交通的技術進步，這不僅對于國內地鐵建設，而且對中國電氣化鐵路的建設都具有劃時代的意義。
廣州地鐵二號線地下區段全部采用剛性接觸網供電方式，并一舉取得圓滿成功，使這種具有結構簡單、安全可靠、占用空間小、受力條件好，無斷線之虞、維修工作量小、弓網受流特性好、國產化率高等諸多優點的供電方式，在此后國內地鐵新線的設計中被廣泛的采用，已經取得了重大的經濟效益和社會效益。剛性接觸網造價比傳統的柔性接觸網降低15%，由于國產化研制成功，實際造價比進口同類剛性接觸網節省近60%。同時，維修人員的配備可比柔性接觸網減少50%以上，剛性接觸網每年維修費用僅為傳統柔性接觸網的1/9。
2、國內首次成功應用站臺屏蔽門技術，做到安全、節能、環保、美觀
地鐵二號線采用了世界最先進的第三代屏蔽門系統，這也是國內第一條采用屏蔽門系統的地鐵線路。站臺屏蔽門系統安裝在站臺邊緣，將站臺區域與隧道軌行區完全隔離，減少了站臺區與軌行區之間冷熱氣流的交換，減小了車站供冷系統的負荷，降低環控系統的空調能耗（約20％）；屏蔽門系統的設置防止了乘客掉下站臺，節省了車站管理人員；屏障了列車運行時的噪音對車站的影響，消除列車活塞風對站臺的影響，改善了地鐵車站的空氣質量，保證了乘客候車的舒適度；此外，設計精美且具有時代感的站臺屏蔽門，不僅可以增加乘客在站臺候車時的安全感，而且給車站也增添了明快的色彩，美化了車站的裝飾效果。
3、在國內地鐵首次應用集中供冷系統新技術，節約投資、節能、環保
根據廣州地鐵二號線線路特征和線路周邊的環境條件，有效解決車站供冷設施布置難、對地鐵車站周邊影響大的問題，將集中供冷技術成功應用于二號線地鐵車站供冷系統中，因地制宜，設立集中冷凍站和利用自然冷源，并攻克長距離高效率冷凍水輸送等技術難題，避免了在鬧市區地鐵車站設冷卻塔給周邊景觀帶來的不利影響，美化了環境；同時減少了車站環控機房的面積，降低了車站的規模，減少了土建成本，較大幅度地降低了能耗。
另外，廣州地鐵二號線集中供冷系統還具有以下優點：采用變頻節能技術，降低了系統運行成本；設備集中管理，便于運營維護；利用自然冷源，體現節能和環保意識。
4、自動售檢票系統成功應用非接觸式全IC卡技術，引領專業發展方向
為實現多條地鐵線路之間旅客的不檢票換乘，并達到快速輸散旅客的設計要求，降低運營成本，并配合政府要求的城市公交“一卡通”工程建設，地鐵二號線采用了非接觸式IC卡自動售檢票系統，與廣州公交“一卡通”系統兼容，并且在國際上首次采用了非接觸式IC卡單程票代幣（Token）模式，代表了本專業的發展方向。同時對已投入一號線運營使用的磁卡系統進行了IC卡技術改造，實現了一、二號線之間的不檢票換乘，并且為今后軌道交通新線之間的不檢票換乘創造了最基本的條件。
此項新技術，是世界上首次在地鐵自動售檢票系統中成功應用，堪稱自動售檢票技術進步的一個里程碑。
5、復合地層盾構施工技術成功地應用
在全面總結一號線盾構隧道施工經驗的基礎上，我們突破傳統思路，在廣州地區復雜的地質條件下采用盾構技術成功穿越珠江；國內首次成功應用了寬度1.5米的盾構管片；隧道管片接縫防水設計采用了性能優越的進口EPDM彈性止水條，進一步提高了地鐵盾構隧道的防水效果；施工中采用了德國VMT公司研制的同步激光自動導向系統SLS-T進行施工測量，免去了測量對施工的干擾，提高了隧道施工精度；研制出新型盾尾同步注漿配合比，成功應用膠結材料盾尾同步注漿技術，進一步提高了在復合地層用盾構技術修建的地鐵隧道的質量。
我們已總結出一套適應于廣州地區復合地層的盾構機選型方法，為盾構法作為未來新線建設中修建隧道主導工法地位的確立，不僅從概念上，而且從實踐上提供了依據。
6、車輛模塊化生產
在實現70％國產化率的前提下，廣州地鐵二號線車輛的總體技術水平不低于從德國進口的一號線車輛水平，并有不同程度的改進和提高，代表了國產化車輛的最高水平。我們首次采用模塊化車體，結構優化，車廂美觀，維修方便；整車設計考慮了各部件的降噪和隔噪措施，使整車噪音降低；采用新型轉向架，改善受力條件，強度提高，提高安全性；主逆變器采用先進的IGBT開關單元，使設備體積下降，噪音降低；車輛控制和監視采用總線方式，容量大，傳輸控制方便。
二、移動閉塞技術在三號線的應用
廣州地鐵三號線是全國第一條最高時速達120公里的快線，采用小編組、高密度的行車組織方式。與之相匹配，我們在三號線采用了代表著世界先進列車控制技術發展方向的移動閉塞信號系統，它提供比傳統的固定閉塞系統更為安全、更加高效、靈活的列車運行。該系統不僅能提高列車運行速度，增加列車運行密度從而提高線路通過能力，而且能夠輔助列車司機駕駛并能實現列車定點停車和節能，并能安全地處理系統信息從而實現中央系統計劃的自動列車控制。移動閉塞技術集安全、靈活、經濟節能于一身，既能滿足軌道交通大運量、高頻率、可靠運行的要求，又延長了設備的生命周期，具有優越的性能價格比，其采用將大大提升地鐵三號線的運營效率，并將為廣大市民的出行提供更快捷、更舒適的服務。
三、線性電機在四號線的應用
廣州市地質條件復雜，建成區建筑物密集，加上珠江水系的影響，線路必須多次穿越珠江，從整個路網規劃的情況來看，目前所采用的傳統的軌道交通系統已經不能很好地滿足工程建設和運營的需要了，必須探索新的途徑。直線電機運載系統就是根據這一需要而提出的。
四號線采用線性電機，開創了國內地鐵的先河。線性電機在國外已是成熟產品、但在國內尚屬空白。該系統爬坡能力強，特別適用于在老城區為避開拆遷及多次穿越珠江而造成的大坡度、小轉彎半徑的地域條件，使選線更具靈活性，減少隧道埋深。有利于線路由地下至地面、高架的過渡，并具有節能、低噪的優點；而且，由于線性電機具有免維修的特點，可大幅度減少檢修人員，降低維修成本。由于車輛轉彎半徑小，可大大縮減車輛段及綜合維修基地的用地面積，四號線車輛段面積因此由30公頃降為11公頃。
通過地鐵二、三、四號線建設過程中技術創新的實踐，我們深刻體會到，廣州地鐵的先進性能夠帶來巨大的經濟效益，能夠取得技術進步與降低成本的雙重效果。應當說，更安全、更可靠、造價更合理、技術更先進是一項工程建設的成功標志。同時，我們充分認識到，單個設備的先進不等于整條線路的先進，例如，我們著眼于未來的發展，在三號線增設了全線的主控系統，實現從追求單個設備和單個系統的先進性到追求整條線的先進性的歷史跨越。隨著廣州城市軌道交通事業的快速發展，我們更認識到僅僅實現一條線的先進性還遠遠不夠，從建設為運營，運營為經營，經營為效益的理念出發，既要考慮建設階段造價的合理性，更要考慮系統在整個壽命周期的服務水平和經濟效益的最優化，因此我們始終樹立全局與可持續發展的觀念，將實現廣州地鐵整個路網的先進性作為我們追求的真正目標。