展示
2018中国土木工程学会轨道交通分会城市轨道交通技术创新推广项目
长沙磁浮快线工程
完成单位：
湖南磁浮交通发展股份有限公司、中铁第四勘察设计院集团有限公司、长沙市轨道交通集团有限公司、中国铁建股份有限公司、中车株洲电力机车有限公司、中国人民解放军国防科学技术大学、中铁二院工程集团有限责任公司、中铁二十三局集团有限公司、同济大学、西南交通大学、株洲中车时代电气股份有限公司、中铁宝桥集团有限公司、中国铁道科学研究院、中国铁建重工集团有限公司
主要完成人：
周晓明、靖仕元、刘义山、谢海林、冯钢、彭奇彪、龙志强、李拥军、杨平、鄢巨平、田宝华、林国斌、曾国锋、李晓春、张昆仑、喻柳、张 琳、徐杰、周文
一、主要技术特点描述
1.1 国内磁浮交通技术发展现状
中国是世界上第三个拥有中低速磁浮技术的国家，中低速磁浮列车系统采用非接触运行方式，与普通城市内运行的轮轨列车相比，它具有噪声低、振动小、建造成本较低、易于实施、易于维护等优点，而且由于其牵引力不受轮轨间的粘着系数影响，使其还具有的爬坡能力强，转弯半径小等特点。从20世纪80年代开始，我国的一些大学和研究机构开展了磁浮列车技术基础性研究，较早的参研单位有国防科技大学、西南交通大学、同济大学、中科院电工所和中国铁道科学院等。
（1）国防科技大学
国防科大自1989年成功研制出小型磁浮模型样车，后续相继研制成功全尺寸单悬浮架磁浮列车系统、零功率悬浮控制器、低速混合磁铁单悬浮架悬浮试验系统等，其研制的永磁电磁混合悬浮的磁浮列车已经于2012年12月研制成功，并上线进行试运行30000公里。
（2）西南交通大学
西南交通大学从1998年12月开始，在成都青城山建设了长425米的中低速磁浮列车工程试验线，研制的电磁悬浮型中低速磁浮列车于2001年8月在长春客车厂下线，2006年4月开始在青城山试验线上试运行。
（3）上海临港中低速磁浮试验线
为推进中低速磁浮系统在上海市城市轨道交通方面的应用，在上海市政府支持下，上海磁浮交通工程技术研究中心负责实施，联合西南交大等相关单位，于2007年建设了一条约1700米长的中低速磁浮交通试验线（含道岔，其中1.9米轨距，2.9米车宽），研制了一列中低速磁浮列车，其中悬浮控制器前期由西南交大（2辆车）和国防科大（1辆）负责，后期同济大学研制了磁浮车辆悬浮控制系统，实现了磁浮车辆的稳定悬浮。
（4）中车株洲电力机车有限公司
2012年，在西南交大技术支持下，中车株机公司投入近2亿元，在厂内建成1条约1600米长的试验线（含道岔，其中1.86米轨距，2.8米车宽），研制了1列3辆编组中低速磁浮列车。
（5）长沙磁浮快线
长沙磁浮快线是中国国内第一条自主设计、自主制造、自主施工、自主管理的中低速磁浮线路，标志着中国磁浮技术实现了从研发到应用的全覆盖，成为世界上少数几个掌握该项技术的国家之一。长沙是继上海之后，中国第二个开通磁浮的城市，也是湖南省践行“一带一部”的重点项目。
长沙磁浮快线连接长沙火车南站和长沙黄花国际机场，全程高架敷设，线路全长18.55公里，初期设车站3座，设计速度为每小时100公里。长沙磁浮快线于2014年5月16日开工，2015年12月26日试运行，2016年5月6日正式通车试运营。
1.2 国外磁浮技术发展情况
世界上最早的磁浮列车结构是德国工程师Kemper在1922年提出的，并申请了专利。德国后来放弃了Kemper的短定子和倒U型轨道方案，而转向长定子同步电机牵引的高速磁浮技术发展，形成了上海运营的高速磁浮系统（TR08）。
日本在德国Kemper技术专利基础上，开始中低速磁浮技术的研发，至今已经有30多年，先后研制了HSST（High Speed Surface Transport）01～05号磁浮列车。1991年4月在名古屋市建成面向应用的长1530米的中低速磁浮试验线，研制了HSST-100S型实用化磁浮列车。为迎接2005年的名古屋世界博览会，日本在1999年决定建造长8.9公里的中低速磁浮商业运营线——“东部丘陵线”。此线路于2005年3月5日正式开通运行，它的成功运行有力地证实了中低速磁浮列车的优势。
为解决大城市交通问题，韩国很早就开始发展中低速磁浮列车。2007年，在对比了三个韩国主要城市后，韩国最终将磁浮示范线选在仁川国际机场到仁川市之间。总共有三期工程，第一期建6.1公里，第二期建9.7公里，第三期建37.4公里，三期共建57公里。目前第一期工程已经完成建设工作，正在进行试运行。
鉴于近年来城市交通出现的拥堵现象，美国交通部开始研究中低速磁浮交通的可能性，并已经把磁浮列车技术的开发列入交通部发展计划，并且美国交通部支持了5类具有不同技术内涵的磁浮项目的研发，目前美国的磁浮技术正处于原理样机的开发阶段。
2.1 创新了高精度要求的中低速磁浮线路轨道设计建造技术，解决了大跨度梁设计施工、线路沉降控制、轨排道岔规模化建造等技术。
（1）采用全新梁型和施工工法，保证车、轨、梁、接触轨四者位置关系的高精度匹配，梁的建造精度在±5mm内，轨道位置关系控制在±2mm内
（2）为了保证列车满足悬浮间隙波动在±2mm范围内，运用动力仿真计算等手段，确立了桥梁、低置线路、沉降控制、轨道接头标准及施工精度控制方案
（3）创新性地采用“以直代曲热弯工艺”、“多工作面并行加工专业机床”等工艺和设备手段，解决了F轨规模化生产技术难题
2.2 突破了中低速磁浮交通的“轨排、车辆、接触轨、悬浮控制、定位测速”等关键核心技术。
（1）突破了平稳可靠的悬浮控制技术，间隙波动控制在±2mm范围内
（2）为确保磁浮道岔振动小，运用了模糊控制算法减振技术
（3）因悬浮无轮轨关系，通过在列车底部加装模拟车轮的涡流传感器，并采用多普勒雷达、加速度计融合算法，形成了独特的测速、定位方案
（4）建立了接触轨-受流器动力学关系，优化了接触轨材料、工艺和安装方案，控制了接触轨不平顺度，形成了牵引供电成套技术
2.3 参照轨道交通运营体系，结合磁浮特点，建立并完善了运营体系。编制了各类应急预案24项，各类规章制度75项，车辆及设备维修维护规程、工艺卡等200多项。列车正点率达99.8%。
（1）长沙磁浮工程投资1.95亿元人民币/正线公里，远低于地铁的5-8亿元人民币/正线公里；
（2）长沙磁浮工程列车噪声指数在5m处66分贝，低于正常说话音量；10米处的电磁辐射值为0.01微特斯拉，与环境背景辐射值相当；
（3）长沙磁浮工程列车每万人公里能耗1.97Kwh/车公里，低于长沙轨道交通地铁2号线的2.17Kwh/车公里；
（4）长沙磁浮工程列车靠电力运行，在运行过程中不会排放有害气体；没有高速转动的部件，不会在运行中产生铁粉或橡胶粉尘排放，最大限度避免环境污染。
（5）爬坡能力强，可爬70‰的坡度大于地铁的40‰；转弯半径最小为50m优于地铁的250m；运行不受天气影响；车辆抱轨运行，不会脱轨，安全舒适。
长沙磁浮快线工程是我国第一条中低速磁浮运营线，也是世界上最长的运营线，它的建成和运营标志着我国自主知识产权的中低速磁浮系统已实现工程化应用。本工程是湖南省践行“一带一路”的重点项目，也是代表“中国制造”水准的又一示范性工程和创新性工程。它将黄花机场和长沙火车南站这两个枢纽连接起来，整合成一个枢纽，带来“1+1大于2”的效应，有助于推动长沙打造成为中部地区空铁一体化交通枢纽。工程的实施推动了我国中低速磁浮交通系统总体设计能力、设备制造能力和施工安装能力的形成，并带动了机械制造、电子电气、信息技术、材料加工等相关产业发展，为加快战略性新兴产业及经济社会发展作出了深远的贡献。线路起于长沙火车南站东广场北侧，止于长沙黄花国际机场，设磁浮高铁站、磁浮㮾梨站、磁浮机场站三座车站，在高铁站和机场站通过换乘通道和连廊实现与高铁、航空的无缝连接，线路全长18.55公里，项目投资概算为46亿元。
4.1 线路轨道创新
4.1.1 优化选线，节约用地
中低速磁浮具有噪音低，转弯半径小、爬坡能力强的技术优势，相比传统轮轨交通可以更好地绕开建筑物、障碍物，选线灵活。其噪声明显低于轮轨列车，在车外测试，距运行列车10m处为65dB，轮轨车辆为74dB。其最小转弯半径为50米，最大爬坡能力为7%。本项目在穿过㮾梨镇时，设置有100米半径的弯道1处，150米半径的弯道1处，避免1处居民小区的拆迁，大大减少了工程拆迁量，节约了稀缺的土地资源。
4.1.2 全新梁型，安全可靠
中低速磁浮交通车辆采取独特的“抱轨”运行方式，对轨道平顺性要求非常高，作为轨道支承结构的桥梁，其设计标准高。顺应磁浮交通特点，采用了全新梁型方案，结构新颖，工法恰当，施工方便快捷，工期短，投资省。
（1）设计标准高
中低速磁浮交通高架桥梁设计标准较传统轮轨轨道交通更高。车辆静活载和梯度温度作用下，轨道梁竖向挠度限值分别为跨度的1/4600、1/7600，轨道梁后期变形不大于5mm；与之相比，传统轮轨轨道交通规定列车静活载作用下轨道梁竖向挠度限值为跨度的1/2000，轨道梁后期变形不大于10mm。设计单位合理确定轨道桥梁设计标准，通过车—桥耦合动力仿真计算进行验证，高架桥梁设计满足车辆安全、平稳运行需要。
（2）结构精度要求高
中低速磁浮车辆“抱轨”运行，轨道梁作为车辆走行轨道，为满足车辆限界及轨道、接触轨安装要求，混凝土梁部结构精度要求非常高，梁体顺桥向、横桥向及竖向结构尺寸允许偏差仅为±5mm。
因绿色环保，长沙磁浮快线全线采用高架修筑，因此对于墩身的沉降控制必须严格控制在5mm以内，以确保后期磁浮列车平稳运行。磁浮快线全线有平曲线、竖曲线、缓和曲线、直线等组合后主要梁型达100多种，除了现场浇筑，大部分轨道梁需在梁场进行预制，精度要求精确到毫米级。
尤其是曲线半径为400米的轨道梁，一般的预制梁模板无法满足要求，且还要占用更多的场地和增加成本。为使模板达到设计要求，提高模板的利用率，技术人员攻坚克难，最终研制出了一套全自动曲线梁模板控制系统，成功解决了磁浮轨道梁高精度、梁型多变的难题。
梁场从规划设计，到模板安装、张拉封锚、蒸汽养护、梁体信息，全部实现了生产工艺智能化。梁场张拉采用预应力同步控制系统，实现“应力”、“应变”的“智能化双控”工艺，减少人为因素影响；封锚采用智能系统，实现两平行波纹管间循环压浆，防止灌浆不匀；采用辐射式蒸汽发热器循环供热系统，达到恒温控制，环保高效，确保了轨道预制梁按控制节点完成。
（3）梁型新颖
针对车辆“抱轨”运行特点，采用简支梁结构，梁型采用并置箱梁方案，每线设置单线小箱梁，中间以5道横梁联接，整体受力，属国内首创，结构合理，外形美观，施工方便，造价低。同时，创新采用全新曲线轨道桥梁设计方法，以梁体横向偏移取代传统设计采用的梁体扭转，模板制作简单，大大降低施工难度。
4.1.3 大跨度梁 创新应用
适应节点需要，全线共设置大跨度连续梁37联，其中，跨浏阳河主桥采用（85+110+85）m连续梁，是目前中低速磁浮交通桥梁世界最大跨度。以往中低速磁浮交通桥梁跨度均不超过50m，主要原因是大跨度连续梁受收缩徐变、梁体温差影响巨大，往往伴随着很大的梁体变形发生，难以适应磁浮车辆运行对轨道平顺性的要求。设计单位通过大量的计算，研究了收缩徐变、温差对梁体变形的影响，合理确定温差计算模式，合理的结构设计，保证了桥梁行车安全、平稳需要。众多大跨度连续梁结构的成功应用，提高了中低速磁浮交通线路适应能力，推动了中低速磁浮交通技术发展，提升了中低速磁浮交通市场竞争力。
4.1.4 工法恰当 节省投资
简支梁因地制宜采取预制吊装法施工，箱梁在梁场预制，地面运输至桥位，履带吊车吊装，精调后安装横梁。简支梁施工工法选择恰当，可多点开工，方便快捷，大幅缩短工期，在保证梁部质量的前提下，投资也更省。除（85+110+85）m连续梁采取悬臂灌注法施工外，其余连续梁均采取支架现浇、一次落架法施工，单联连续梁一次浇筑混凝土最大方量约1600m³。
4.1.5 科学调度 缩短工期
由于地基环境、天气、时间等因素，运、架梁过程中存在诸多困难，同时，运梁便道狭窄、坡陡、下穿高压线等诸多因素也制约轨道梁的架运，架梁是项目建设前期最难啃的骨头。运梁车经常性陷住，尤其是在雨季，便道更是难以通行。为保证工期，各参建单位群策群力，一起研究解决办法，针对便道窄、下穿高压线无法正常使用履带机或汽车吊的忠武路特大桥，自主研发侧方位提架一体式架桥机，以满足特殊工况轨道梁的架设。在架梁工期紧张之时，建设单位协调高速公路管理部门、交警等单位，采用“夜间通过机场高速运梁来争取时间”方案，保障了项目顺利推进。
4.1.6 完善布局 实现量产
长沙磁浮快线轨排共计6710根，包括12.5米轨排用F轨4598根，10米轨排用F轨1680根，5米轨排用F轨198根，道岔所用F轨234根。项目初期，鉴于国内缺乏轨排规模化批量生产的经验，各参建单位开展了F轨机加工工艺试验及论证，确定了“材料进厂——检验——下料——调直——机加工——钻孔——涂装——组装——发运”的整套工艺方案和完善的工艺布局，创新性地采用“以直代曲热弯工艺”、“多工作面并行加工专业机床”等工艺和设备手段，解决了F轨规模化生产技术难题，为后续按期完成生产任务提供了可靠保证。
在资源调配方面，由于F轨属于细长件，长度一般在12.5米左右，需要大型机床方能加工，而承担F轨机械加工的中铁宝桥本厂现有设备生产能力无法满足时间极其紧迫的工期节点。建设单位积极协调国内生产资源，弥补产能缺口。联合山西平遥（机床5台）、天水星火（机床3台）、四川德阳联合体（机床35台）等单位共同承担F轨生产任务。针对外协单位多带来的质量控制难度大的问题，建设单位全面加强生产协调与组织管理工作，成立F轨机指挥部，统一协调生产资源，强化技术支持和现场服务力度。通过各参建单位共同努力，2015年9月7日，最后一根F轨生产出来，保证了项目工期。
4.2 系统设备创新
4.2.1 磁浮列车
（1）攻克了磁浮快线中低速磁浮列车大系统集成技术。项目采用自上而下方式对车辆进行顶层规划，通过对各子系统模块化、标准化和轻量化设计，搭建了中低速磁浮列车系统设计、制造、集成、试验和运行考核一体化技术平台，打破了国外技术垄断，填补了我国中低速磁浮车辆工程化和产业化运用领域的空白。
（2）成功研制出拥有自主知识产权的适应1860mm轨距的悬浮架。针对中低速磁浮车辆的电磁吸引悬浮支撑、载荷均匀分散的特性和适应大坡度、小曲线半径的需求，采用电磁吸引悬浮、左右模块相互解耦、轻量化、大位移的线性轴承等技术，可适应1860mm轨距运行要求，允许速度120km/h。
（3）成功研制出高可靠性的整车电气系统。攻克了直线电机牵引系统与悬浮系统的耦合技术，采用恒电流恒滑差频率控制方式，有效抑制了直线电机法向力波动对悬浮系统的不利影响，为长沙磁浮快线列车稳定、安全运行提供了保障。
（4）针对长沙磁浮快线工程车辆调试过程中出现的问题，有针对性地开展“提高制动能力”、“车辆轻量化”等技术攻关，并取得了显著效果。
4.2.2 悬浮系统
实现了我国第一条全自主中低速磁浮列车运营线车辆悬浮系统的工程化应用，有效解决了悬浮系统实际应用中的一系列问题，包括：
（1）轨道适应性。可平稳通过库内钢梁轨道、站台简支梁轨道和正线水泥梁轨道；
（2）道岔通过能力。可在多种道岔上静浮、低速和高速通过，未出现振动或发散情况；
（3）车辆负载大范围变化。可自动适应车辆空载、满载和超载工况；
（4）运行速度适应性。在静态悬浮、低速和高速运行等各种情况下悬浮系统均可保持稳定；
（5）抑制车轨耦合振动和消除轨道不平顺影响。有效抑制了悬浮系统特有的车轨耦合振动问题，同时对于轨道短波和长波不平顺有较强适应性，提高了舒适度和稳定性。
经过一年多的实际运营考核，悬浮系统表现出了高可靠性、安全性和适应性，满足了车辆在多种复杂工况下稳定运行的需求。为我国的第一条中低速磁浮运营线提供了最核心和关键的技术支撑。
4.2.3 磁浮道岔
中低速磁浮道岔系统技术，包括道岔本体及其控制系统的整套技术，涉及钢结构、机械、土建、电气控制等专业，与线路轨道、信号联锁、磁浮列车、微机监测、牵引供电等子系统均存在接口关系，是中低速磁浮系统中一项重要的综合性关键技术，整体达到国内领先水平，大大提高了中低速磁浮交通系统的适用性，为中低速磁浮交通系统的发展提供了强有力的支持。
（1）自主研究设计、制造及安装了具有自主知识产权的中低速磁浮单开道岔、三开道岔及单渡线道岔，并成功运用于国内首条中低速磁浮商业运行线，填补了我国中低速磁浮道岔工程化和产业化运用领域的空白。
（2）成功解决了车岔共振问题，通过设置TMD阻力器，调整磁浮道岔固有频率，有效避开车辆激振频率，可使车辆平稳通过道岔，大大提升乘客乘车舒适性。
（3）成功研制出安全、可靠、稳定的中低速磁浮道岔控制系统，实现了驱动系统、锁定系统与信号控制系统集成统一，保证线路正常运行。
（4）针对长沙磁浮快线试运行期间，道岔行程开关故障发生率较高的问题，开展了专项技术攻关，优化设计道岔运动控制、行程开关布置，大幅降低了故障率，保证了道岔可靠性。
4.2.4 信号系统
磁浮交通不同于传统的轮轨交通，其信号系统需根据磁浮工程特点，做特定的应用开发。如应用于磁浮工程的ATS系统，无轮轨的测速测距系统（雷达、加速度计、涡流传感器融合算法），计轴感应板模拟轮轨的列车占用检测装置等。长沙磁浮工程立足自主创新，突破了中低速磁悬浮列车信号控制瓶颈，打造了具有完全自主知识产权的中低速磁浮交通信号系统整体技术方案，并实现工程应用。满足了中低速磁浮交通行车组织和运营管理的需要，保证了列车运行安全，提高了行车效率。
4.2.5 接触轨系统
（1）道岔接触轨连续可挠度
长沙磁浮快线道岔区接触轨布置连续可挠无冲击，降低了安装施工难度，消除了道岔处折点，提高了受流稳定性。
（2）大量采用新材料
本工程接触轨系统大量采用了高强度新型铝合金材料，产品结构轻便，外形美观，耐蚀性好。
（3）接触轨倒装法施工安装
接触轨安装首次采用倒装法安装，通过专用工具首先确定绝缘支持装置相对基准的正确空间位置，初步拧紧螺栓后挂上接触轨便可轻松完成安装，无需反复调整接触轨空间位置，极大的缩短了施工安装时间。主要专用安装工具如下图所示：
（未完待续）
稿件来源：中国土木工程学会轨道交通分会
中国城市轨道交通网
www.chinametro.net
我们期待您的关注