上海磁悬浮高速轨道

上海磁悬浮高速轨道摘要：本文摘自美国土木工程协会刊物《土木工程杂志》，介绍了上海磁悬浮高速轨道的背景、特点、作用、原理及部分技术参数。上海磁悬浮科技的实践，代表了地面高速交通的新水平。关键词：上海磁悬浮高速轨道系统磁悬浮列车德本磁悬浮列车 在中国华东冲击平原上蜿蜒盘踞着一座长达30公里的高科技混凝土轨道桥，一眼望过去，该桥普通得不会引起任何人的关注，但这可不是一座普通的桥梁。这是一条高架双导轨定向线路，是世界上第一条磁悬浮高速铁路商业运营线，它连接着上海城区和30公里以外的浦东国际机场。这个全新的系统不仅填补了传统铁路运输和航空运输之间的技术和时间的空白，而且开辟了安全可靠、高速低耗、维修少的地面交通新纪元。 上海磁悬浮高速轨道系统引进德国先进技术，由中、德两国的工程技术人员共同参与完成，该项目的竣工和投入运营是国际合作在工程技术、制作工艺和建筑领域的成功范例。 上海磁悬浮列车往返穿梭于上海龙阳路站和浦东国际机场，最高时速可达430公里，单程只需8分种，每列车上有464个座位,自2003年初开始商业运营以来，已经输送了近200万名旅客。在交通高峰期，上海磁悬浮列车每10分钟一班。该轨道系统的业主方---上海磁悬浮交通发展有限公司在2004年7月的一份报告中提到，由于该系统采用电脑控制，它的到发站时间准确率高达99.7%,这是其它任何交通系统所无法比拟的。目前该列车的运行时间段为早晨8点到下午5：30，但在不久的将来，其运营时间可望延长到每日18个小时。 磁悬浮列车启动时快速平稳，如果不看窗外，旅客根本意识不到已经出站。只需四分钟，列车就可加速到其最高时速/430公里，由于从最高时速到终点站停车前需要3分钟的减速时间，所以上海磁悬浮列车在其8分钟的行程中只有52秒保持在最高时速。当列车在最高时速行驶的状态下，乘客能感觉到一些轻微的颤动，但列车依然非常平稳，旅客依然可以在走道里行走自如。除了速度优势外，磁悬浮列车的舒适性不仅比一般列车好，而且在相同时速下，其车厢内部的噪音要低得多。 在修建磁悬浮铁路之前，连接龙阳路站和浦东国际机场的是一条六车道公路，通过该公路从龙阳路站到机场需要45分钟的车程，而乘坐磁悬浮列车只需8分钟就可抵达。除了大大缩短这段路程的行车时间外，磁悬浮铁路给上海带来的便利远不止这些。由于一列磁悬浮列车可最多有8节车厢，其旅客运载量是公路的好几倍，这就无需再修建额外的公路来缓解日益膨胀的城市交通。而且整条磁悬浮线路是高架轨道，没有平交路口，不存在交通行车干扰，其乘客的安全性就得到了保障。 上海磁悬浮高架轨道线路在有些地段和公路交汇，在没有交汇的地段，线下区域可以作为农业、工业和商业用地。现在上海已计划修建该磁悬浮线路的延长线，使其延伸至市区直至更远。该计划如果实现，那么房地产业将会在磁悬浮车站周围寻求到广阔的发展空间，这种联动性发展在其它建有高速轨道的国家已不鲜见。 2004年1月在华盛顿召开的交通运输研讨会年度会议上，上海磁悬浮交通发展有限公司的总裁吴祥明曾指出，鉴于对中国国内的燃油供应紧张的考虑，政府正在考虑以电力驱动的高速铁路来替代公路运输和以燃油驱动的运输方式的可行性。因为随着中国现代化进程的加快，人均能源消耗量将不可避免地增加，对燃油的需求也将上升。为了支持该观点，他列举了美国现在的人均能源消耗量是中国11倍的例子。）目前世界上只有日本和德国具有高速轨道技术，在基于该技术的系统选择上，上海磁悬浮交通发展有限公司的官员倾向于采用德国的常导磁悬浮技术，因为该系统具有速度快、维修少和舒适性好的特点。在修建该磁悬浮线路前，只有一条6车道公路连接上海城区与浦东国际机场。随着交通的日渐拥挤，为了避免再增加公路项目，修建磁悬浮铁路就提上了日程，因为磁悬浮轨道运输是改善该段交通状况的最快速最可靠方式。除其速度优势以外，磁悬浮铁路还具有能耗低，寿命周期费用少的竞争优势。在对未来线路建设的规划中，这些官员认为可以修建长距离的磁悬浮线路(时速可达500里)，这样人们在一天的时间里不仅可以使去参加千里之外的会议而且还可以于当日返回。通过修建该“实验段”，就可以收集、分析电子运输系统在商业运营中一些参数为日后的长距离磁悬浮铁路建设提供参考依据。 2000年的夏天，对磁悬浮技术非常关注的朱镕基总理曾安排上海磁悬浮交通发展有限公司的工程师们去德国Emsland地区考察一条30公里长的磁悬浮实验线，该线路修建于20世纪80年代。在德国期间，中国的工程师们与德国参与磁悬浮技术开发的各家公司（Siemens,Thy-ssenKrupp,CDM,Transrapid,andMaxB..gl）都做了接触，并利用这次宝贵的机会参观了线路的运行、评估分析了磁悬浮定向系统和运行数据。所有这些德国公司后来都与上海磁悬浮交通发展有限公司签订了设计和修建上海磁悬浮系统的合约。其中MaxB..gl公司被选为导轨工程的主要咨询公司，因为其开发的混合轨道梁非常适合运用于上海磁悬浮项目。 德国磁悬浮列车的基本原理是把线性同步电动机里的“转子”布置在机车上，而将“定子”铺设在导轨上，“转子”和“定子”间产生的磁性相互作用，推动列车前进。至于列车的悬浮是由机车上的电脑控制系统来操纵的，当机车上的电磁被吸向导轨时，这个电脑控制系统将对电磁力进行检查并自动加以调整。磁悬浮车厢的另外一个重要特点就是铸铝支承臂的设计，这些支承臂环绕在导轨顶部悬臂周围，支承臂上的悬浮磁铁被吸向悬臂下面的“定子”时，两者之间相互作用，从而保证了列车在任何速度的行驶中都不可能脱轨。 不管荷载有多大、速度有多快，通过机车上的控制系统，车厢支承臂上的悬浮磁铁和导轨上“定子”之间的距离以及导行磁铁和钢导轨之间的距离都始终保持在10mm左右（误差在2mm之内）。磁悬浮列车的电力是通过穿行于整条导轨线路两侧“定子”中的三相电缆来供应的，当龙阳路站的控制中心将电流从轨道旁的变电站以80公里以上的时速输送到这些电缆上的时候，产生的电磁波将驱动磁悬浮列车加速、前行......。为了预防导轨电力突然中断，列车上还备有电池组可以提供持续的后备电源。 上海磁悬浮铁路线路的最终选定：一是由于沿线没有什么障碍物，二是由于它的起点是上海地铁交通二号线龙阳路站，旅客换乘方便，从这个地铁站，旅客在15分钟内就可以到达市区。由于项目用地的限制排除了采用直线线路的可能性，为了最大程度地发挥磁悬浮列车的速度优势，设计者们选择了一种弯曲度比较缓和的“S”形线路。 该线路位于周期性地震活动带上，加上该区域为软弱性冲击土壤，这就给该线路的混凝土和钢筋基础结构的支撑工作增加了难度。为了解决该问题，采用了可以抵御高达里氏7.5级地震的钢筋混凝土支承墩（1.81.8m,8m高）。这些支承墩安放在深2m,边长10~12m的桩帽上，桩帽下打入20~24根基桩，每根基桩的直径为60cm，这些基桩被打入地下70m深处以抵御地震。 为了取得每根基桩所在位置的地下土层的数据，中方在磁悬浮铁路沿线采用了多种方法进行了地质勘察。这些勘察方法包括钻孔勘探（359个标准贯入式钻孔和230个锥形贯入式试验孔）、开口勺钻勘探、谢贝尔薄壁取样勘探、地下水抽样以及现场测量。勘察工作在2000年10月7至12月2日期间展开。德国CDM公司核对了勘探取得的土壤数据并据此选取了能确保磁悬浮列车平稳可靠运行的基础设计参数。这些土壤数据同样可以用于磁悬浮线路的短、长期沉降分析以及基桩的变形预测。 磁悬浮线路对土工的要求非常高，必须能够满足结构变形限制和基础在动态荷载下长期保持稳定的要求，所以必须对轨道梁的支承结构进行认真的分析。由于导轨的最大允许变形值仅为10mm，而各种各样的沉降都有可能引起变形，包括固化引起的沉降，二次固化或徐变引起的塑性沉降，自重引起的沉降，来自车辆周期性荷载引起的沉降，动态荷载引起的弹性沉降以及运营产生的沉降等等。德国CDM公司为此开发了一套分析系统用来研究各种原因引起的沉降，并为磁悬浮铁路及高速轨道的建设建立了一个土壤数据库，这个数据库可以提供各种土壤沉降的信息。该数据库配上从现场获取的数据就可以对具体的变形情况进行综合性分析，为导轨线路的精确定位提供帮助。 因为朱镕基总理的任期于2003年初结束，基于政治因素的考虑，上海磁悬浮铁路的首发式定在2002年12月31号，因此工期非常紧张。 为了满足工期紧的要求，选择合适的导轨材料就显得尤为重要。德国Emsland地区的磁悬浮实验线上安装有三种轨道梁，它们分别是：混凝土轨道梁、钢轨道梁和钢筋混凝土混合型轨道梁。混合梁呈“T”型，长62m,宽2.8m,高2m，重290吨。在分别对三种轨道梁从运行、磨损、噪音、成本、运输和热膨胀等方面进行详细分析后，上海磁悬浮交通发展有限公司的工程师决定采用混合梁的设计，因为它结合了混凝土梁（刚度大、噪音吸收好和成本低）和钢梁（制作精密）的优点。如果采用混凝土梁，在一些钢构件，如“定子”和“导轨”等所附着的灌浆区，其耐久性和精密度较差，这些部位就需要长期的保养和维修，从而引发费用的问题。而钢梁的精密度虽然符合要求，但其不规则膨胀特性在具体的使用中就存在着缺陷，比如由于阳光照射导致不同部位受热不均就可引发不规则膨胀。除了其不规则膨胀特性外，在多节车辆驶过钢梁时，钢梁还会产生较大幅度的摇摆和振动，虽然这些问题可以克服，但费用高昂，而且从制作的角度看，需要耗费更多钢材和更长的制作时间。基于这些比较，混合轨道梁就占据了优势。 上海磁悬浮交通发展有限公司和德国MaxB..gl公司的工程师将“T”型混合型轨道梁重新设计成“I”型以增加其刚度，（高2.2m,宽2.8m），而且为了便于在施工期间的运输，将其长度也缩短到25m。虽然修改后的设计提高了乘坐的舒适性，但同时增加了混合梁的总重量，而且使噪音向上传输。 由于上海磁悬浮交通发展有限公司计划在将来修建一个大的磁悬浮铁路网络，这次制作的轨道梁除了要满足严格的变形要求外，还必须具有一定的可变性，也就是说这些轨道梁必须方便运输，并适于在多处使用。因此这次为上海磁悬浮铁路设计的所有单跨梁都可以联结起来组成双跨梁。 在18个月不到的时间里，中、德两国的工程师和建设队伍就制作安装了共计2,777根轨道梁。为了便于轨道梁的吊装，在磁悬浮线路的一侧铺设了一条临时轨道线作为龙门吊车的走行线。 2002年12月31日，上海磁悬浮列车如期成功地举行了首发式，在此鼓舞下，上海磁悬浮交通发展有限公司决定在周末对公众开放该系统，但周一到周五依然继续调试、安全认证等工作。直到2004年4月，上海磁悬浮整条线路才开始正式全面投入运营。该磁悬浮系统的运行可靠性极高，养护费用比传统的低速轮轨铁路系统养护费用低33%，只相当于传统高速轨道系统的一半，而传统高速轨道的最大时速也要比磁悬浮系统慢130km。 上海磁悬浮交通发展有限公司认为该磁悬浮铁路是一个极其成功的项目，其价值远远超过10.2亿美圆的总投资价格。据吴先生介绍，10.2亿美圆包括导轨的设计和建造费用；15辆机车的购置费；变电站的修建费；维修养护线，维修养护设施及钢转辙器的费用；辅助设施的购置费以及建设期间支付利息的费用。按主线30公里计算，平均每公里的造价为3975.9万美圆。如果不包括辅助设施，导轨本身每公里的建造 费用自然要低一些，而且随着新的施工和制作技术的进步其建造费用会进一步降低。 吴先生还介绍，与四年前建造的东方明珠高架轨道每公里4457.8万美圆的造价相比，磁悬浮铁路每公里的造价只是许多地铁项目造价的一半。其它的传统高速铁路，如韩国正在修建的汉城到釜山的高速铁路，德国刚完工的法兰克福到科隆段高速铁路以及荷兰在建的一条高速铁路，每公里的造价也大约都在4000万美圆左右，有的还不包括列车车辆的购置费用。和这些在建或已建项目相比，上海磁悬浮铁路的造价要低得多。2004年吴祥明先生被任命为新组建的中国磁悬浮交通工程和发展中心的负责人，这清楚地表明中国要大力推广和应用磁悬浮技术，相关计划已在考虑和酝酿之中，如在上海修建一条长7km的磁悬浮延长线和上海火车站相连；从上海向西南方向修建一条磁悬浮高速轨道与距其163km的杭州相连，如果建成，这将成为世界上第一条城际磁悬浮交通线。 美国自1998年开始也在考虑发展磁悬浮技术，并拟修建一条磁悬浮试验线，目前有六个项目在考虑之中：其中两条位于南加里佛里亚，一条从拉斯维加斯到加里佛里亚的安那汉，一条从亚特兰大到田纳西州的查塔努加，剩下的两条，一条从巴提马到华盛顿，另一条连接匹兹堡国际机场和周围地区。磁悬浮科技的先进性和其成本效益在上海磁悬浮铁路项目上得到了很好的考证，该项目是中、德两国工程师的杰出成就，也代表了地面高速交通的新水平。 ------本文摘自美国土木工程协会刊物《土木工程杂志》2004年11月刊