中低速磁浮交通在市域(郊)鐵路的應用研究

邊 濤

(中鐵磁浮交通投資建設有限公司 湖北武漢 430060)

1 磁浮交通技術發展簡介

1.1 磁浮交通技術發展歷程

1842年，英國物理學家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的基礎上研發了TR02-TR09磁浮列車。

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

中國自1986年起，西南交大、國防科大、同濟大學、中國中車等院校企業先后開展了相關研究工作，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(設計最高速度100 km/h)。目前正在建設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，國內太原、洛陽、烏魯木齊、合肥等地市正在規劃磁浮線路，標志我國磁浮技術逐步成熟，磁浮軌道交通成為國家戰略新型產業項目，并廣泛投入商業應用。

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電磁懸浮EMS、超導電動懸浮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創新點

2.1 中低速磁浮交通技術原理

磁浮列車在軌道下方有環抱軌道的電磁鐵，通電后電磁鐵產生磁力吸引軌道，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。其有別于傳統軌道最大特點是沒有輪子，實現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原理示意

2.2 中低速磁浮交通技術創新點

2.2.1 自主創新，完全國產化

目前磁浮列車的核心—懸浮控制系統、懸浮轉向架主要由國防科大、西南交大、同濟大學等高校自主研發，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、探索及建設，中低速磁浮工程設計、制造、安裝、車輛等具備全產業鏈完全自主知識產權，做到了完全自主可控。

2.2.2 選線靈活，建設成本低

中低速磁浮交通爬坡坡度大(70‰)，轉彎半徑小(70 m)，可敷設在城市道路綠化帶，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，節省工程總投資。中低速磁浮交通應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，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，節省了大量照明、通風等附屬設備，牽引能耗與地鐵輕軌相當，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]；據調查，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。綜合國內軌道交通建設成本和運營成本數據統計分析，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%，綜合運營成本優勢明顯，極大降低地方財政的運營補貼。

2.2.4 綠色環保，環境更友好

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，不會在運行中產生鐵粉，最大限度避免環境污染；長沙磁浮和北京磁浮工程的環評檢測結果顯示，磁浮列車通過時線路周邊5 m環境電場強度為0.741 V/m、磁感應強度0.085 2 μT，遠遠低于現行標準限值電場強度4 000 V/m、磁感應強度100 μT[5]，不會對社會公眾和職業人員的健康產生不利影響。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”，不會發生脫軌事故，采用直線電機驅動，不會出現車輛打滑現象，更能適合雨雪天氣下正常運營，實現在戶外全天候運營；列車懸浮架下裝有走行輪，線路兩線之間設計修建鋼架疏散平臺，在火災、車輛故障等應急情況下可保障安全疏散救援，安全保障好。

2.2.6 平穩舒適，乘車體驗好

中低速磁浮列車處于懸浮狀態，與軌道無直接接觸，振動小，列車行駛平穩、乘坐舒適，每一節車廂都由20個懸浮控制器嚴密地控制8 mm的間隙，列車不會因為與軌道有間隙而出現晃動，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，顛覆了輪軸接觸運行系統，消除了安全隱患最大的轉向架走行系統，從機械化邁向電子化、智能化，所有運控相關的核心狀態信息適時在線檢測、自動告警，天然適合“狀態修”，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、市郊軌道交通和景區交通。目前長沙磁浮快線已經完成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，結構輕盈，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，乘客乘坐環境也更加舒適，車站可融入城市綜合體，實現站城一體化。

3 中低速磁浮交通在市域(郊)鐵路應用的可行性

3.1 市域(郊)鐵路定義

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

3.2 市域(郊)鐵路技術要求

新建市域(郊)鐵路線路要串聯5萬人及以上的城鎮組團和旅游景點并設站，車站按照功能適應、設施簡易、安全便捷的原則盡量設置于城鎮中心，增強交通引導和提高客流聚集。設計速度宜為100～160 km/h，平均站間距原則上不小于3 km，早晚高峰發車間隔不超過10 min。統籌生態環境保護要求和工程環保措施效果，優化選址選線，集約節約通道資源，合理確定新線敷設方式，原則上以地面建設為主，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輕軌工程費用的75%[7]7，[8]4。鼓勵多種制式，支持技術創新，推進新型裝備研發及產業化[8]17。

3.3 中低速磁浮交通與市域輪軌的對比

目前，國內符合市域(郊)鐵路技術標準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，均為傳統輪軌制式。

3.3.1 車輛主要技術參數對比

中低速磁浮車輛與市域A、B、C、D型車的主要技術參數[9]17對比見表1。

表1 車輛主要技術參數對比

從表1可以看出，中低速磁浮在爬坡能力、轉彎半徑、國產化等方面具有技術優勢。

3.3.2 主要工程技術及經濟性對比

(1)工程技術適應性對比分析

中低速磁浮最小轉彎半徑明顯小于輪軌系統，線路采用高架方式敷設，避免大量拆遷，為適應城市復雜工程環境創造了良好的基礎條件，再加上優越的爬坡性能，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，但在復雜山區地形和房屋較密集等特定外部環境下，中低速磁浮制式在工程造價方面的優勢較明顯。結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指標約為1.5～2.5億元，輪軌系統工程造價技術指標約為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，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。

(4)安全可靠性對比

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

輪軌制式的輪與軌之間為卡槽式的銜接關系，豎向不受約束。當軌道平順度超限(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。目前國內地鐵線路定員指標一般為50～60人/km，中低速磁浮線定員指標一般為25～30人/km，同等情況下，中低速磁浮要比輪軌節省定員30%～50%，人工成本相應節省。

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，顛覆了輪軸接觸運行系統，消除了安全隱患最大的轉向架走行系統，從機械化邁向電子化、智能化，所有運控相關的核心狀態信息適時在線檢測、自動告警，天然適合“狀態修”，可實現真正的“狀態修”。

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。

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

車輛維修費:磁浮車輛的懸浮控制器是電子設備，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，可明顯節省維護費用。詳見表3[9]233，[11]。

表3 國內軌道交通車輛檢修周期

綜上分析，維修成本節省比例約為50%～60%。

③牽引能耗對比

與傳統輪軌制式相比較，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勢，年運營成本較輪軌交通節省約30%～40%。

(6)環境影響對比

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。運營線附近實測數據分析對比見表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，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構更輕便、通透，且橋梁上不需要設置聲屏障，具有更好的景觀效果。

(8)產業創新效果對比

磁浮交通技術是一種綜合性系統技術，是多學科先進技術的集成，屬于技術密集型、資金密集型產業，長產業鏈的特點使得其能夠緊密帶動電磁技術、信息通訊技術、計算機網絡與控制、計算機軟件與硬件、電子、機電一體化、制造、材料科學、機車車輛、運輸工程、土木工程、系統集成等相關產業發展，提升傳統產業、推動新興產業，并由此衍生出一系列的高技術服務業，從而引導相關產業結構優化升級，形成一個高新技術產業集群，也是踐行國家“交通強國”戰略的切實需要。

綜上分析，與市域輪軌相比，中低速磁浮交通在線路選線、建設成本、運營成本、運營安全、環境影響、景觀效果、產業創新等方面具有明顯優勢。

4 結束語

在當前加快推動市域(郊)鐵路發展的國家政策背景下，中低速磁浮交通作為新一代創新型交通方式，技術已經成熟，相對于傳統輪軌交通，其自主可控、環境友好、安全舒適、技術經濟性好的優勢較為突出，契合市域(郊)鐵路技術標準要求和技術創新要求，其獨特的技術優勢能夠促進市域(郊)鐵路多制式、可持續發展，同時也能夠推動軌道交通產業創新升級，建議加快在新建市域(郊)鐵路的推廣應用。