Key Technology of Linear M otor M etro Track Design
摘要：介绍国外直线电机地铁线路设计参数。探讨直线电机地铁的线路工程、轨道工程、隧道及车站、
减振降噪措施、车辆段及其他用房等技术，提出直线电机地铁线路设计关键参数。对即将修建的首都机场线路 设计提出最大运营速度110 km·h～ ；限制坡度6％ ；最小曲线半径150 m；采用小号道岔；站台长度按照每列车 5节编组考虑的建议。
关键词：地铁；直线电机；线路设计；关键技术
1 引 言
在传统城市轨道交通中，轨道对车辆的运动起驱动、支承及导向作用，车辆上电动机的旋转运动通过齿轮及轮轨间的相互作用转变为车辆在轨道上的运动。车辆行驶过程中产生较大的振动。此外，地铁建设中修建隧道的费用非常昂贵，而隧道的工程造价取决于隧道断面的大小，所以在保证载客量不变的情况下，为降低工程造价，修建小断面地铁非常必要。
直线电机地铁的出现为城市轨道交通开辟了一条新的途径，它是2l世纪无人驾驶全自动地铁系统的发展方向。直线电机地铁技术比较成熟，具有造价低、振动小、噪声低、爬坡能力强、牵引能力优越、通过曲线半径小、能耗低、污染小、安全性能好等诸多优点，非常适合大中城市大中运量交通发展的要求。
直线电机地铁一般采用直线感应电动机(LIM)，其结构相当于将旋转电机切割展开成直线状，定子(初级线圈)设置在车辆上、转子(次级线圈)设置在感应轨上(见图1)。车辆平稳运行时，定子与感应轨之间的间隙控制在10 mm左右。
当初级线圈通以三相交流电时，由于感应而产生电磁力，直接驱动车辆前进。改变磁场移动方向，车辆运动的方向也随之改变。直线电机车辆的车轮只起导向和支撑作用 。 地铁地铁族地铁论坛上海地铁轨道交通北京地铁天津地铁南京地铁广州地铁深圳地铁香港地铁重庆轻轨武汉轻轨长春轻轨大连轻轨台北捷运高雄捷运8 }6 {.L6 ~1 L6 a( C# h地铁地铁族地铁论坛上海地铁轨道交通北京地铁天津地铁南京地铁广州地铁深圳地铁香港地铁重庆轻轨武汉轻轨长春轻轨大连轻轨台北捷运高雄捷运% L! d9 _+ x\" G
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2 国外直线电机地铁线路设计参数目前，加拿大温哥华空中列车、马来西亚吉隆坡PUTRAⅡ线、日本大阪7号线(鹤见绿地线)、日本东京地铁l2号线(大江户线)、英国斯卡伯勒快速运输系统、美国底特律市区运输系统、美国纽约肯尼迪机场线都采用了这种直线电机牵引制式，具体情况见表1。
地铁地铁族地铁论坛上海地铁轨道交通北京地铁天津地铁南京地铁广州地铁深圳地铁香港地铁重庆轻轨武汉轻轨长春轻轨大连轻轨台北捷运高雄捷运& j& }, `* \\* f: K1 D% o) t: H8 r2 M! c9 H$ ?- \\& ]
3 直线电机地铁线路设计相关问题 3。1 线路工程
直线电机地铁不受轮轨之间的粘着限制，具有良好的爬坡能力。常规铁路的坡度一般不超过3％- 4％ ，直线电机地铁坡度可达6％ ～8％。这使得直线电机地铁在转入地下和爬升地面时显得相当灵活，直线电机地铁从地下爬到6 m高的高架线上所需的距离约是普通地铁所需距离的1／2，这显然可大大缩短隧道长度。车体使用径向转向架，车辆可以在曲线半径很小的线路上平稳运行，轮缘力和轮轨磨耗等性能指标也大大降低。采用径向转向架后，一位轮对冲角比自导向转向架减少80％，比构架式转向架减少84％ ，导向效果极为明显。例如，
做最好的地铁生活门户论坛# W2 t! i, s\' M9 A* D% }加拿大空中列车在通过曲线半径为70 m的弯道时可以不减速。采用如此小的曲线半径一方面有利于城市轨道交通选线，另一方面可以在困难地段减少拆迁量，降低工程造价。因此直线电机地铁非常适合城市轨道交通小曲线、大坡度的需要。 直线电机铁路完全采用无人驾驶自动化控制运行，即采用车载信号，线间距计算时不用考虑列车地面信号限界，不限速会车安全量仍取400 m／Tl，MKII车辆限界半宽为1 400 mm，直线电机地铁线间距为2×1 400+400=3 200 m／Tl，这比常规地铁小，成为隧道、高架结构降低工程造价的主要原因。 3．2 轨道工程
直线电机地铁轨道主要由整体道床、走行轨、感应轨、供电轨、弹性扣件等构成。除了感应轨外，其它部分可采用传统地铁轨道结构形式。由于直线电机地铁振动低，噪声小，对轨道结构及减振降噪措施的要求比传统地铁标准要低。直线电机地铁轨道具有良好的性价比。
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中国地铁生活门户论坛涉及地铁规划、建设及地铁周边生活相关的讨论。: Y+ Y5 o+ ?( Q6 v\' G直线电机系统除可采用小号道岔外，轨道设计方面与传统地铁并无本质不同，正线道岔采用可动心轨。相应地，由于采用了直线电机感应轨和可动心轨辙叉，不能采用交叉渡线。浮置板轨道是新建地铁中常用的轨道结构形式之一。这种轨道结构是在轨道板与走行轨之间设置弹性垫层，通过隔振作用来减弱列车运行时带来的地面及结构物的振动。由于直线电机系统噪声强度小，对是否使用浮置板轨道结构并不做强制性要求。 3．3 隧道及车站
直线电机地铁车辆尺寸比传统地铁车辆尺寸小，表2列出了直线电机地铁(大江户线)与传统地铁(都营新宿线)在车辆及隧道断面方面的相关数据，前者车辆宽度只有后者的89％、高度为后者的77％。图2表示了直线电机地铁和传统地铁隧道限界的差别，前者净空断面面积只有后者的48％，前者要求的隧道断面比后者要小得多。直线电机地铁若修建在地下，可以大大减小工程量、降低工程造价 。
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直线电机地铁车站站台形式主要采用岛式或侧式，地下结构站台长度为100 1TI，地面和高架站台长度近期为80 1TI，预计远期可达到100 1TI，可供6节联挂列车停靠。岛式站台宽度一般为6 m～8 1TI，少数为10 1TI，侧式站台宽度为3 m～4 1TI。目前一般选用80 m长车站，比传统地铁100 m长车站造价约低25％。
3．4 减振降噪措施设计
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由于直线电机没有传动装置，没有空气压缩装置，转向架由柔性部件构成，轮轨表面良好的保养。此外，直线电机车辆采用再生制动、液力盘式制动，制动方式引起的噪声非常小，这使直线电机系统具有低噪声水平。
直线电机地铁噪声主要来源有三类 j：站内加速和制动产生的噪声，当列车达到一定速度后这种噪声将会消失；列车在运行中轮轨接触(轮轨几何外形)产生的轮轨噪声以及车辆通过道岔区产生的噪声。表3列出了采用直线电机牵引制式的加拿大空中列车与其它交通工具噪声水平对比结果，空中列车噪声水平比常规柴油或天然气驱动汽车、半拖挂车、传统轻轨要低。可见，直线电机地铁是目前世界上噪声最低的轨道交通系统之一。
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直线电机地铁系统固有频率较低，噪声强度小，对是否使用浮置板轨道结构并不做强制性要求。直线电机车辆制动方式引起的噪声非常小，高架结构采用混凝土箱梁后也有效地降低了二次噪声。由于系统噪声小，无需在减振降噪方面作进一步处理，这使得降噪工程造价大大降低。直线电机地铁无需使用价格昂贵的声屏障，可在高架段靠近线路的两侧与转向架脚板联合起来设置较矮的声屏障(见图3)，在噪声敏感地带、或
者是道岔区及道口地段可考虑设置大型声屏障。在高架线路两侧避让边道下方设置由吸声材料制成的混凝土来降低轮轨接触产生的滚动噪声。这种方案的优点是既可以设置在地面段也可以设置在高架段，某些噪声波能向建筑物更高一层传播，这种方案对高层建筑降噪效果比传统声屏障要好。此外隔振沟、吸声墙也在推荐范围之内。
3．5 车辆段及其它用房
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直线电机地铁允许更小的曲线半径，这使设置小型车辆段成为可能。温哥华空中列车车辆段占地仅114 600 m2，包括了控制中心、主任办公室、培训基地及除去车站操作人员有限用房之外的所有设施。车辆段除安放线路养护设备之外还建有环形轨道，车辆段绝大多数线路上列车可以实现自动化运行。3．6 小结地铁地铁族地铁论坛上海地铁轨道交通北京地铁天津地铁南京地铁广州地铁深圳地铁香港地铁重庆轻轨武汉轻轨长春轻轨大连轻轨台北捷运高雄捷运, j4 ^( ? @! h) a9 F! f) R
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总之，城市中地下管线纵横交错，小隧道断面、小曲线半径能减少地下及管线改动工程量，同时又便于施工；低噪声水平降低了降噪工程造价，有利于沿线经济开发；车辆段小型化使规划更为合理。因此在城市中采用直线电机地铁具有极大的优越性。- 中国地铁生活门户论坛涉及地铁规划、建设及地铁周边生活相关的讨论。 H6 Q7 D4 m! {( q.s\' e1 O# Y
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4 首都机场直线电机地铁线路设计建议
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通过以上分析，对首都机场直线电机地铁线路设计提出以下几点建议：
(1)依据远期乘坐快轨方式单向高峰小时客流量预测结果，取单向高峰每小时客流量为8 000堋 7 6人，最大构造速度取110 km·h～ ，最大运营速度取100 km·h～。捷运高雄捷运 n3 O d# Q% ~1 T4 ^4 }
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(2)直线电机地铁爬坡能力强，限制坡度由地铁的3％ ～4％提高到6％ ～7％，减少了土地占用及拆迁工程量。纵断面设计时应采用较大限制度，可使线路高程升降较快，降低桥梁高度，缩短隧道长度。市区内将部分地下线路改到地上或高架可降低造价50％以上。首都机场25 km线路大多都要以高架形式通过，参考国外情况，限制坡度建议取6％ 。
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(3)正线上最小曲线半径由地铁的几百米可降‘低到70 m，从而更灵活地适应地形，减小城市建筑物拆迁量，降低工程造价。鉴于机场线沿线较为平坦，建议最小曲线半径可取150 m。- 中国地铁生活门户论坛涉及地铁规划、建设及地铁周边生活相关的讨论。 \\4 Y- C9 \\ s& e\' _ (4)直线电机地铁建议采用小号道岔，不能采用交叉渡线。对是否采用浮置板轨道不作强制性限制，可根据电力通信要求设计。
(5)建议车站站台的长度按照每列车5节车厢考虑，并应考虑20％ 的预留长度。当采用无人驾驶系统时，为了降低线路造价，站台的长度缩短至所有的车厢门都在站台内即可，但应有足够长度(不小于80 m)。此外，要注意当车辆数目由4节增加为5节时，应考虑到站台与车门的配合，站台空间设计应保证站台边缘处的车门也能使用。
参 考 文 献
[1] 魏庆朝，孔永健．磁悬浮铁路[M]．北京：中国科技出版社，2003．
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[2] 阚叔愚，王连子，曾学贵，等．铁路设计理论和技术[M]．北京：中国铁道出版社，1993． [3] 北京交通大学交环所．直线电机铁路可行性研究报告[R]．北京：北京交通大学，2003．[4] 北京交通大学城市轨道研究中心．降低地铁造价及工程建设管理等若干问题研究[R]．北京：北京交通大学，2003.
