上海磁懸浮高速軌道

上海磁懸浮高速軌道摘要：本文摘自美國土木工程協會刊物《土木工程雜志》，介紹了上海磁懸浮高速軌道的背景、特點、作用、原理及部分技術參數。上海磁懸浮科技的實踐，代表了地面高速交通的新水平。關鍵詞：上海磁懸浮高速軌道系統磁懸浮列車德本磁懸浮列車 在中國華東沖擊平原上蜿蜒盤踞著一座長達30公里的高科技混凝土軌道橋，一眼望過去，該橋普通得不會引起任何人的關注，但這可不是一座普通的橋梁。這是一條高架雙導軌定向線路，是世界上第一條磁懸浮高速鐵路商業運營線，它連接著上海城區和30公里以外的浦東國際機場。這個全新的系統不僅填補了傳統鐵路運輸和航空運輸之間的技術和時間的空白，而且開辟了安全可靠、高速低耗、維修少的地面交通新紀元。 上海磁懸浮高速軌道系統引進德國先進技術，由中、德兩國的工程技術人員共同參與完成，該項目的竣工和投入運營是國際合作在工程技術、制作工藝和建筑領域的成功范例。 上海磁懸浮列車往返穿梭于上海龍陽路站和浦東國際機場，最高時速可達430公里，單程只需8分種，每列車上有464個座位,自2003年初開始商業運營以來，已經輸送了近200萬名旅客。在交通高峰期，上海磁懸浮列車每10分鐘一班。該軌道系統的業主方---上海磁懸浮交通發展有限公司在2004年7月的一份報告中提到，由于該系統采用電腦控制，它的到發站時間準確率高達99.7%,這是其它任何交通系統所無法比擬的。目前該列車的運行時間段為早晨8點到下午5：30，但在不久的將來，其運營時間可望延長到每日18個小時。 磁懸浮列車啟動時快速平穩，如果不看窗外，旅客根本意識不到已經出站。只需四分鐘，列車就可加速到其最高時速/430公里，由于從最高時速到終點站停車前需要3分鐘的減速時間，所以上海磁懸浮列車在其8分鐘的行程中只有52秒保持在最高時速。當列車在最高時速行駛的狀態下，乘客能感覺到一些輕微的顫動，但列車依然非常平穩，旅客依然可以在走道里行走自如。除了速度優勢外，磁懸浮列車的舒適性不僅比一般列車好，而且在相同時速下，其車廂內部的噪音要低得多。 在修建磁懸浮鐵路之前，連接龍陽路站和浦東國際機場的是一條六車道公路，通過該公路從龍陽路站到機場需要45分鐘的車程，而乘坐磁懸浮列車只需8分鐘就可抵達。除了大大縮短這段路程的行車時間外，磁懸浮鐵路給上海帶來的便利遠不止這些。由于一列磁懸浮列車可最多有8節車廂，其旅客運載量是公路的好幾倍，這就無需再修建額外的公路來緩解日益膨脹的城市交通。而且整條磁懸浮線路是高架軌道，沒有平交路口，不存在交通行車干擾，其乘客的安全性就得到了保障。 上海磁懸浮高架軌道線路在有些地段和公路交匯，在沒有交匯的地段，線下區域可以作為農業、工業和商業用地。現在上海已計劃修建該磁懸浮線路的延長線，使其延伸至市區直至更遠。該計劃如果實現，那么房地產業將會在磁懸浮車站周圍尋求到廣闊的發展空間，這種聯動性發展在其它建有高速軌道的國家已不鮮見。 2004年1月在華盛頓召開的交通運輸研討會年度會議上，上海磁懸浮交通發展有限公司的總裁吳祥明曾指出，鑒于對中國國內的燃油供應緊張的考慮，政府正在考慮以電力驅動的高速鐵路來替代公路運輸和以燃油驅動的運輸方式的可行性。因為隨著中國現代化進程的加快，人均能源消耗量將不可避免地增加，對燃油的需求也將上升。為了支持該觀點，他列舉了美國現在的人均能源消耗量是中國11倍的例子。）目前世界上只有日本和德國具有高速軌道技術，在基于該技術的系統選擇上，上海磁懸浮交通發展有限公司的官員傾向于采用德國的常導磁懸浮技術，因為該系統具有速度快、維修少和舒適性好的特點。在修建該磁懸浮線路前，只有一條6車道公路連接上海城區與浦東國際機場。隨著交通的日漸擁擠，為了避免再增加公路項目，修建磁懸浮鐵路就提上了日程，因為磁懸浮軌道運輸是改善該段交通狀況的最快速最可靠方式。除其速度優勢以外，磁懸浮鐵路還具有能耗低，壽命周期費用少的競爭優勢。在對未來線路建設的規劃中，這些官員認為可以修建長距離的磁懸浮線路(時速可達500里)，這樣人們在一天的時間里不僅可以使去參加千里之外的會議而且還可以于當日返回。通過修建該“實驗段”，就可以收集、分析電子運輸系統在商業運營中一些參數為日后的長距離磁懸浮鐵路建設提供參考依據。 2000年的夏天，對磁懸浮技術非常關注的朱镕基總理曾安排上海磁懸浮交通發展有限公司的工程師們去德國Emsland地區考察一條30公里長的磁懸浮實驗線，該線路修建于20世紀80年代。在德國期間，中國的工程師們與德國參與磁懸浮技術開發的各家公司（Siemens,Thy-ssenKrupp,CDM,Transrapid,andMaxB..gl）都做了接觸，并利用這次寶貴的機會參觀了線路的運行、評估分析了磁懸浮定向系統和運行數據。所有這些德國公司后來都與上海磁懸浮交通發展有限公司簽訂了設計和修建上海磁懸浮系統的合約。其中MaxB..gl公司被選為導軌工程的主要咨詢公司，因為其開發的混合軌道梁非常適合運用于上海磁懸浮項目。 德國磁懸浮列車的基本原理是把線性同步電動機里的“轉子”布置在機車上，而將“定子”鋪設在導軌上，“轉子”和“定子”間產生的磁性相互作用，推動列車前進。至于列車的懸浮是由機車上的電腦控制系統來操縱的，當機車上的電磁被吸向導軌時，這個電腦控制系統將對電磁力進行檢查并自動加以調整。磁懸浮車廂的另外一個重要特點就是鑄鋁支承臂的設計，這些支承臂環繞在導軌頂部懸臂周圍，支承臂上的懸浮磁鐵被吸向懸臂下面的“定子”時，兩者之間相互作用，從而保證了列車在任何速度的行駛中都不可能脫軌。 不管荷載有多大、速度有多快，通過機車上的控制系統，車廂支承臂上的懸浮磁鐵和導軌上“定子”之間的距離以及導行磁鐵和鋼導軌之間的距離都始終保持在10mm左右（誤差在2mm之內）。磁懸浮列車的電力是通過穿行于整條導軌線路兩側“定子”中的三相電纜來供應的，當龍陽路站的控制中心將電流從軌道旁的變電站以80公里以上的時速輸送到這些電纜上的時候，產生的電磁波將驅動磁懸浮列車加速、前行......。為了預防導軌電力突然中斷，列車上還備有電池組可以提供持續的后備電源。 上海磁懸浮鐵路線路的最終選定：一是由于沿線沒有什么障礙物，二是由于它的起點是上海地鐵交通二號線龍陽路站，旅客換乘方便，從這個地鐵站，旅客在15分鐘內就可以到達市區。由于項目用地的限制排除了采用直線線路的可能性，為了最大程度地發揮磁懸浮列車的速度優勢，設計者們選擇了一種彎曲度比較緩和的“S”形線路。 該線路位于周期性地震活動帶上，加上該區域為軟弱性沖擊土壤，這就給該線路的混凝土和鋼筋基礎結構的支撐工作增加了難度。為了解決該問題，采用了可以抵御高達里氏7.5級地震的鋼筋混凝土支承墩（1.81.8m,8m高）。這些支承墩安放在深2m,邊長10~12m的樁帽上，樁帽下打入20~24根基樁，每根基樁的直徑為60cm，這些基樁被打入地下70m深處以抵御地震。 為了取得每根基樁所在位置的地下土層的數據，中方在磁懸浮鐵路沿線采用了多種方法進行了地質勘察。這些勘察方法包括鉆孔勘探（359個標準貫入式鉆孔和230個錐形貫入式試驗孔）、開口勺鉆勘探、謝貝爾薄壁取樣勘探、地下水抽樣以及現場測量。勘察工作在2000年10月7至12月2日期間展開。德國CDM公司核對了勘探取得的土壤數據并據此選取了能確保磁懸浮列車平穩可靠運行的基礎設計參數。這些土壤數據同樣可以用于磁懸浮線路的短、長期沉降分析以及基樁的變形預測。 磁懸浮線路對土工的要求非常高，必須能夠滿足結構變形限制和基礎在動態荷載下長期保持穩定的要求，所以必須對軌道梁的支承結構進行認真的分析。由于導軌的最大允許變形值僅為10mm，而各種各樣的沉降都有可能引起變形，包括固化引起的沉降，二次固化或徐變引起的塑性沉降，自重引起的沉降，來自車輛周期性荷載引起的沉降，動態荷載引起的彈性沉降以及運營產生的沉降等等。德國CDM公司為此開發了一套分析系統用來研究各種原因引起的沉降，并為磁懸浮鐵路及高速軌道的建設建立了一個土壤數據庫，這個數據庫可以提供各種土壤沉降的信息。該數據庫配上從現場獲取的數據就可以對具體的變形情況進行綜合性分析，為導軌線路的精確定位提供幫助。 因為朱镕基總理的任期于2003年初結束，基于政治因素的考慮，上海磁懸浮鐵路的首發式定在2002年12月31號，因此工期非常緊張。 為了滿足工期緊的要求，選擇合適的導軌材料就顯得尤為重要。德國Emsland地區的磁懸浮實驗線上安裝有三種軌道梁，它們分別是：混凝土軌道梁、鋼軌道梁和鋼筋混凝土混合型軌道梁。混合梁呈“T”型，長62m,寬2.8m,高2m，重290噸。在分別對三種軌道梁從運行、磨損、噪音、成本、運輸和熱膨脹等方面進行詳細分析后，上海磁懸浮交通發展有限公司的工程師決定采用混合梁的設計，因為它結合了混凝土梁（剛度大、噪音吸收好和成本低）和鋼梁（制作精密）的優點。如果采用混凝土梁，在一些鋼構件，如“定子”和“導軌”等所附著的灌漿區，其耐久性和精密度較差，這些部位就需要長期的保養和維修，從而引發費用的問題。而鋼梁的精密度雖然符合要求，但其不規則膨脹特性在具體的使用中就存在著缺陷，比如由于陽光照射導致不同部位受熱不均就可引發不規則膨脹。除了其不規則膨脹特性外，在多節車輛駛過鋼梁時，鋼梁還會產生較大幅度的搖擺和振動，雖然這些問題可以克服，但費用高昂，而且從制作的角度看，需要耗費更多鋼材和更長的制作時間。基于這些比較，混合軌道梁就占據了優勢。 上海磁懸浮交通發展有限公司和德國MaxB..gl公司的工程師將“T”型混合型軌道梁重新設計成“I”型以增加其剛度，（高2.2m,寬2.8m），而且為了便于在施工期間的運輸，將其長度也縮短到25m。雖然修改后的設計提高了乘坐的舒適性，但同時增加了混合梁的總重量，而且使噪音向上傳輸。 由于上海磁懸浮交通發展有限公司計劃在將來修建一個大的磁懸浮鐵路網絡，這次制作的軌道梁除了要滿足嚴格的變形要求外，還必須具有一定的可變性，也就是說這些軌道梁必須方便運輸，并適于在多處使用。因此這次為上海磁懸浮鐵路設計的所有單跨梁都可以聯結起來組成雙跨梁。 在18個月不到的時間里，中、德兩國的工程師和建設隊伍就制作安裝了共計2,777根軌道梁。為了便于軌道梁的吊裝，在磁懸浮線路的一側鋪設了一條臨時軌道線作為龍門吊車的走行線。 2002年12月31日，上海磁懸浮列車如期成功地舉行了首發式，在此鼓舞下，上海磁懸浮交通發展有限公司決定在周末對公眾開放該系統，但周一到周五依然繼續調試、安全認證等工作。直到2004年4月，上海磁懸浮整條線路才開始正式全面投入運營。該磁懸浮系統的運行可靠性極高，養護費用比傳統的低速輪軌鐵路系統養護費用低33%，只相當于傳統高速軌道系統的一半，而傳統高速軌道的最大時速也要比磁懸浮系統慢130km。 上海磁懸浮交通發展有限公司認為該磁懸浮鐵路是一個極其成功的項目，其價值遠遠超過10.2億美圓的總投資價格。據吳先生介紹，10.2億美圓包括導軌的設計和建造費用；15輛機車的購置費；變電站的修建費；維修養護線，維修養護設施及鋼轉轍器的費用；輔助設施的購置費以及建設期間支付利息的費用。按主線30公里計算，平均每公里的造價為3975.9萬美圓。如果不包括輔助設施，導軌本身每公里的建造 費用自然要低一些，而且隨著新的施工和制作技術的進步其建造費用會進一步降低。 吳先生還介紹，與四年前建造的東方明珠高架軌道每公里4457.8萬美圓的造價相比，磁懸浮鐵路每公里的造價只是許多地鐵項目造價的一半。其它的傳統高速鐵路，如韓國正在修建的漢城到釜山的高速鐵路，德國剛完工的法蘭克福到科隆段高速鐵路以及荷蘭在建的一條高速鐵路，每公里的造價也大約都在4000萬美圓左右，有的還不包括列車車輛的購置費用。和這些在建或已建項目相比，上海磁懸浮鐵路的造價要低得多。2004年吳祥明先生被任命為新組建的中國磁懸浮交通工程和發展中心的負責人，這清楚地表明中國要大力推廣和應用磁懸浮技術，相關計劃已在考慮和醞釀之中，如在上海修建一條長7km的磁懸浮延長線和上海火車站相連；從上海向西南方向修建一條磁懸浮高速軌道與距其163km的杭州相連，如果建成，這將成為世界上第一條城際磁懸浮交通線。 美國自1998年開始也在考慮發展磁懸浮技術，并擬修建一條磁懸浮試驗線，目前有六個項目在考慮之中：其中兩條位于南加里佛里亞，一條從拉斯維加斯到加里佛里亞的安那漢，一條從亞特蘭大到田納西州的查塔努加，剩下的兩條，一條從巴提馬到華盛頓，另一條連接匹茲堡國際機場和周圍地區。磁懸浮科技的先進性和其成本效益在上海磁懸浮鐵路項目上得到了很好的考證，該項目是中、德兩國工程師的杰出成就，也代表了地面高速交通的新水平。 ------本文摘自美國土木工程協會刊物《土木工程雜志》2004年11月刊