直線電機系統(tǒng)在廣州地鐵5號線的應(yīng)用

史海歐 孫元廣

(廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司 廣州 510010)

1 工程概況

廣州地鐵5號線首期工程(滘口至文沖)線路長約32 km，22座車站，線路橫貫廣州東西兩翼，為城市東西向的骨干線，是廣州地鐵迄今為止建設(shè)完成的最復(fù)雜、最困難的一條線。5號線(見圖1)從2004年開工至2009年12月建成，歷時5年多，2009年12月28日開通試運營，總投資約132億元。5號線首期工程共有10座車站與其他線路換乘，系統(tǒng)采用了直線電機運載系統(tǒng)，為6輛編組的L型車。

2 工程設(shè)計特點

2.1 大客流骨干線路對廣州交通和城市發(fā)展有巨大改善作用

5號線線路經(jīng)過芳村區(qū)、荔灣區(qū)、越秀區(qū)、東山區(qū)、天河區(qū)和黃埔區(qū)，沿線的客流屬于交通需求型:滘口—大坦沙、珠江以西段，線路主要沿城市交通走廊布設(shè)，將對外交通要道滘口和待開發(fā)的大坦沙及已發(fā)展成熟的荔灣區(qū)連成一體，有利于緩解珠江大橋交通緊張情況，同時促進大坦沙地區(qū)的發(fā)展。中山八—珠江新城段，線路沿城市主要交通走廊布設(shè)，并經(jīng)過廣州火車站，重點解決客流的運送，緩解客運交通緊張的情況。珠江新城以東段，將東部的天河區(qū)、黃埔區(qū)和城區(qū)中心直接連接起來，帶動廣州市中心尤其是珠江新城中央商務(wù)區(qū)(CBD)的發(fā)展，對促進東部地區(qū)健康發(fā)展起到巨大的導(dǎo)向作用。

2.2 換乘站和車站形式多

圖1 廣州地鐵5號線線路

5號線與其他地鐵線路有10座換乘站:楊箕站與已運營的1號線換乘，廣州火車站與已運營的2號線換乘，珠江新城站與已運營的3號線換乘，車陂南站與4號線換乘，坦尾站、區(qū)莊站與6號線換乘，西村站預(yù)留與8號線換乘條件，魚珠站、大沙地站預(yù)留與其他線換乘條件，滘口站預(yù)留與佛山市軌道線網(wǎng)的換乘條件。

其中，西場站、西村站、廣州火車站、小北站、區(qū)莊站、動物園站為6座明暗挖結(jié)合的島式車站;滘口站、坦尾站為2座高架車站。

2.3 地質(zhì)復(fù)雜多變，位于城市密集交通繁忙區(qū)

5號線的環(huán)境條件非常復(fù)雜，2次穿越珠江，該區(qū)域巖溶發(fā)育，全線7次穿越斷裂，施工極其困難。該線經(jīng)過的主要交通繁忙道路有:內(nèi)環(huán)路、環(huán)市路、花城大道、黃埔大道和大沙東路。5號線在環(huán)市路下約4.1 km的線路與內(nèi)環(huán)路高架橋并行，此路段交通非常繁忙，車站的布置及施工非常困難。全線約5.4 km的線路需穿越房屋，處理房屋樁基礎(chǔ)給工程實施帶來很大的困難。5號線沿線周邊受影響的建筑物共有465棟，這些建筑形式各異，地質(zhì)條件及其基礎(chǔ)形式各不相同，地鐵結(jié)構(gòu)與之的相互關(guān)系也各不相同。經(jīng)過的構(gòu)筑物主要有:既有鐵路線、高架橋、既有地鐵車站、人行天橋、下穿隧道、電力隧道、高壓電線塔和跨河涌橋等，共約65處。

2.4 工程設(shè)計與實施難度大，但土建設(shè)計技術(shù)創(chuàng)新多

5號線創(chuàng)造了在繁忙道路下不影響地面交通而進行暗挖的車站設(shè)計技術(shù)，采取創(chuàng)新型站隧分離、暗挖車站的設(shè)計方案;使用了國內(nèi)第1條使地鐵盾構(gòu)成功穿越溶洞的隧道設(shè)計技術(shù);在國內(nèi)第1次開挖了最小曲線半徑只有200 m的盾構(gòu)隧道;在國內(nèi)第1次成功采用最大坡度為5.5%的線路設(shè)計;在國內(nèi)第1次采用礦山法進行洞內(nèi)樁基托換設(shè)計;在國內(nèi)地鐵中首次采用上下重疊暗挖站臺的車站設(shè)計(動物園站上下重疊隧道凈高達21 m，隧道層高最高);在廣州首次采用先挖隧道后開挖車站的設(shè)計(五羊邨站)等創(chuàng)新技術(shù)。

2.5 國際上首次采用大運量等級的6輛編組直線電機運載系統(tǒng)

5號線線路西段和中段位于城市的中心區(qū)，選線困難，線路具有曲線多、半徑小、坡度大的特點。首期工程曲線長度占線路總長度的41%，其中半徑為200 m的曲線有2處，總長度660 m，占總曲線長度的5%;半徑為250～300 m的曲線有3處，總長度1.6 km，占總曲線長度的12%;半徑350 m及以上的曲線有47處，總長度11 km，占總曲線長度的83%。正線最大坡度55‰，坡道長度520 m;40‰＜i＜50‰的坡道長度 1.3 km;30‰ ＜ i≤40‰的坡道長度 2.2 km;20‰＜i≤30‰的坡道長度4 km;車輛段出入段線最大坡度58‰。

5號線采用6輛編組大運量等級直線電機運載系統(tǒng)(見圖2)，直線電機車寬2.8 m，6輛編組長度約106.36 m，最高運行速度為90 km/h。牽引供電系統(tǒng)采用直流1500 V供電，正線采用接觸軌受流，車輛段采用柔性架空接觸網(wǎng)。按6輛編組載客量(定員)1402人、最大行車密度33對/h設(shè)置系統(tǒng)能力。

圖2 廣州地鐵5號線直線電機車輛

3 運營情況

3.1 客流量情況

2009年12月28日，5號線首日運營10 h，運客達28萬人次，當日廣州5條地鐵線共運客232萬人次。5號線開通使廣州地鐵步入真正的網(wǎng)絡(luò)時代，線網(wǎng)效應(yīng)非常顯著，1～3號線客運量平均各增長10萬～15萬人次。目前廣州地鐵開通運營8條線路共236 km，日均客運量超過480萬人次，形成以1、2、3、5號線為骨干組成的放射線網(wǎng)，廣州地鐵運營線網(wǎng)見圖3。

2010年1月，5號線工作日客流量最高達50萬人次，最低也接近40萬人次;回顧3號線從2007年開通，用了1年多時間，日均客運量才達到30人次萬，而剛剛開通的5號線，開通次日就跨越了3號線運營1年才達到的客流量大關(guān)，且增長趨勢明顯。5號線2010年全年日均客流量在60萬人次左右，2011年日均客運量已增長到70萬人次左右，其中2011年元旦日客流量達78萬人次、5月1日86.9萬人次、10月1日客運量已達到了94.1萬人次。

3.2 客流斷面及運能

廣州地鐵隨著2、8號線、3號線北延段的開通運營，客流迅猛增長，5號線的運能也越來越難以滿足客流的需求，部分車站客流擁擠并有較多乘客滯留。擁堵基本是發(fā)生在重要換乘站之前，如上行方向基本發(fā)生在5號線與3號線的換乘站——廣州火車站之前，下行方向則發(fā)生在5號線與3號線的換乘站——珠江新城站之前。

圖3 廣州地鐵運營線網(wǎng)

目前，5號線高峰小時發(fā)車間隔4.5 min，旅行速度35.6 km/h，平均運距7.8 km，配屬列車30列，最大運能1.7萬人次/h。由于客運量的迅猛增長，運能已經(jīng)難以滿足客流需求。以2011年3月7日早高峰為例，高峰小時最大客流斷面位于下行獵德站—珠江新城區(qū)間，為2.21萬人次/h，上行方向最大斷面為1.65萬人次/h，位于西村—廣州火車站區(qū)間，高峰小時客流斷面見圖4。

圖4 5號線高峰小時客流斷面

從圖4可以看出，5號線車陂南—楊箕站段運能嚴重不足，導(dǎo)致了大量乘客的滯留。為緩解運能緊張，廣州地鐵2009年開展了5號線列車增購項目，2010年《廣州地鐵5號線增購列車項目建議書》獲得國家發(fā)改委的批復(fù)，5號線增購32列，列車到位后高峰小時發(fā)車間隔可低于2.5 min，基本緩解了目前的擁擠現(xiàn)象。

3.3 運營牽引能耗

5號線采用一個交路運營，理論上全日平均滿載率26%，其中:牽引能耗約占49%，動力照明等約占51%。5號線每車公里的牽引能耗平均為3.518 kW·h，同期的廣州地鐵1、2號線6輛編組A型車分別為2.475、2.393 kW·h(1、2 號線的日均客流量己超100萬人次)，廣州地鐵主要線路2011年車公里平均牽引能耗見圖5。

圖5 廣州地鐵2011年車公里平均牽引能耗

5號線每人公里的牽引能耗為約0.06 kW·h，相對常規(guī)輪軌的1、2號線，5號線的能耗明顯偏大，其主要原因是廣州地鐵直線電機車輛的軸重大(達13 t)，且直線電機系統(tǒng)本身能耗偏大，另外5號線的線路條件較差。

4 小結(jié)

5號線是廣州地鐵迄今為止建設(shè)完成的最復(fù)雜、最困難的一條線，在國內(nèi)外地鐵建設(shè)中也罕見。行走于廣州繁華城區(qū)，穿越上千棟房屋、7次穿越斷裂帶、2次過珠江、6次穿越廣茂鐵路。5號線線路所經(jīng)之處，把廣州的“地質(zhì)博物館”“逛”了一遍:紅層、花崗巖地層、灰?guī)r地層、混合巖地層、淤泥砂層，穿越了斷裂帶、富水破碎地層、溶洞等。5號線在土建設(shè)計施工技術(shù)方案上綜合考慮了安全性、合理性、可實施性，具有很多技術(shù)創(chuàng)新點。

從5號線的建設(shè)和運營情況可以看出，5號線的建設(shè)和運營支持了廣州“東進、西聯(lián)”戰(zhàn)略，大力疏解了東西向的交通，帶動了沿線的發(fā)展，客流量的迅猛增長說明市民對5號線的認可，建成后充分發(fā)揮了其軌道交通骨干線的作用。

5號線列車最高運行速度為90 km/h，平均站間距約為1.5 km，設(shè)計平均旅行速度42 km/h，由于直線電機車輛的啟動和制動加速度小，實際正常運營時旅行速度僅為35.6 km/h，而且6輛編組定員1402人與實際運營載客量相差甚遠。從5號線運營和能耗來看，系統(tǒng)選擇應(yīng)慎重，直線電機車輛應(yīng)向輕量化、小型化發(fā)展，大客運量線路應(yīng)盡量采用常規(guī)輪軌系統(tǒng)。

［1］廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，鐵道第二勘察設(shè)計院.廣州市軌道交通5號線首期工程設(shè)計技術(shù)要求［R］.廣州，2004.

［2］廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司.廣州市軌道交通5號線首期工程設(shè)計總結(jié)［R］.廣州，2010.

［3］廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司.城市軌道交通直線電機牽引系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范送審稿［S］.廣州，2011.

［4］廣州市地下鐵道總公司.廣州地鐵2010年度年報［R］.廣州，2011.

［5］廣州市地下鐵道總公司.廣州地鐵運營月度報告［R］.廣州，2011.