謝 毅 寇峻瑜 姜 梅 余浩偉
(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 成都 610031)
軌道交通是指基于固定線路的軌道,通過(guò)專用的軌道運(yùn)輸車輛,實(shí)現(xiàn)旅客及貨物運(yùn)輸?shù)囊环N交通方式。隨著鐵路技術(shù)的多元化發(fā)展,軌道交通呈現(xiàn)出越來(lái)越多的類型,不僅普遍應(yīng)用于長(zhǎng)距離的陸地運(yùn)輸,也廣泛運(yùn)用于中短距離的城市公共交通中。
作為國(guó)家的重要基礎(chǔ)設(shè)施、大眾化的交通工具,鐵路在中國(guó)綜合交通運(yùn)輸體系中處于骨干地位。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快和城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大,軌道交通建設(shè)進(jìn)入高速發(fā)展期,軌道交通工具在人們出行方式的選擇中發(fā)揮的作用也愈發(fā)重要。
改革開放40年來(lái),中國(guó)鐵路猶如一條騰飛的巨龍,呼嘯馳騁,取得了世人矚目的成就。本文主要針對(duì)中國(guó)鐵路的發(fā)展歷程、現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié),對(duì)鐵路技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行展望,以期為中國(guó)軌道交通的建設(shè)、規(guī)劃及發(fā)展提供參考。
中國(guó)鐵路在發(fā)展浪潮中,主要經(jīng)歷了以下6個(gè)階段。
(1)開創(chuàng)時(shí)期(1876-1893年)
1876年,中國(guó)第一條營(yíng)業(yè)性鐵路—上海吳淞鐵路建成通車,距今已有一百多年的歷史,這也開創(chuàng)了中國(guó)鐵路的先河[1]。
(2)緩慢發(fā)展時(shí)期(1894-1948年)
鐵路雖作為國(guó)家的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈,但在中國(guó)解放前發(fā)展極為緩慢,總共修建鐵路約1.3萬(wàn)km。1909年,中國(guó)自主設(shè)計(jì)和施工建造的第一條鐵路干線—京張鐵路建成通車。
(3)搶修恢復(fù)時(shí)期(1949-1952年)
新中國(guó)的成立為鐵路事業(yè)的發(fā)展開創(chuàng)了新的道路,國(guó)家開始對(duì)鐵路進(jìn)行搶修恢復(fù),鐵路事業(yè)得到迅速發(fā)展。1952年,新中國(guó)第一條鐵路—成渝鐵路建成通車,全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程增加到2.2萬(wàn)km。
(4)鐵路骨架基本形成時(shí)期(1953-1978年)
1953-1980年,中國(guó)鐵路經(jīng)過(guò)5個(gè)“五年計(jì)劃”的建設(shè),取得了輝煌的成績(jī)。至1980年底,鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)4.9萬(wàn)km,客貨換算周轉(zhuǎn)量達(dá)7 087億t×km。
(5)中國(guó)鐵路新的發(fā)展時(shí)期(1979-2002年)
自十一屆三中全會(huì)以來(lái),國(guó)民經(jīng)濟(jì)步入新的發(fā)展時(shí)期。至2003年底,中國(guó)鐵路達(dá)到7.3萬(wàn)km,居亞洲第一,世界第三。
(6)蓬勃發(fā)展新時(shí)期(2003年-至今)
2003年建成運(yùn)營(yíng)的秦沈客運(yùn)專線,全線設(shè)計(jì)時(shí)速達(dá)到200~250 km,這是中國(guó)第一條真正意義上的高速鐵路[2],也標(biāo)志著中國(guó)進(jìn)入高速鐵路時(shí)代。至2018年底,全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到13.1萬(wàn)km。
2003年起,中國(guó)鐵路大規(guī)模建設(shè)正式拉開序幕,如今中國(guó)鐵路已從最初的“追趕者”變身成世界鐵路的“領(lǐng)跑者”,尤其是中國(guó)高速鐵路實(shí)現(xiàn)了飛速發(fā)展,成為中國(guó)一張最閃亮的“名片”。
國(guó)家“四縱四橫”全面建成運(yùn)營(yíng),路網(wǎng)規(guī)模不斷增加。2018年末,全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到13.1萬(wàn)km,相比1949年增長(zhǎng)了5倍;高速鐵路從無(wú)到有,營(yíng)業(yè)里程達(dá)到了2.9萬(wàn)km,占世界高速鐵路里程的2/3,居世界第一。全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程情況,如圖1所示。
圖1 全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程情況圖
2.2.1鐵路復(fù)線率、電化率逐年提高
截止2018年底,全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程12.1萬(wàn)km,其中,復(fù)線里程7.3萬(wàn)km,復(fù)線率60.6%;電氣化里程8.7萬(wàn)km,電化率72.3%,復(fù)線率和電化率相比 2012年均有較大提升,全國(guó)鐵路復(fù)線率和電氣化率,如圖2所示。
圖2 全國(guó)鐵路復(fù)線率和電氣化率圖
2.2.2具有完整的機(jī)車車輛譜系
(1)客運(yùn)
① 速度160 km/h及以下
客運(yùn)機(jī)車:內(nèi)燃機(jī)車、電力機(jī)車。
客運(yùn)車輛:22型車輛、25型車輛。
動(dòng)力集中動(dòng)車組:CR200。
② 速度200~300 km/h
動(dòng)車組:CRH1、CRH2、CRH3、CRH5、CR300。
③ 速度300 km/h以上
動(dòng)車組:CRH380A、CRH380B、CRH380C、CRH380D、CR400。
(2)貨運(yùn)
① 速度160 km/h及以下
貨運(yùn)機(jī)車:電力機(jī)車、內(nèi)燃機(jī)車。
貨運(yùn)車輛:敞車、棚車、平車、罐車等。
② 速度200 km/h以上
貨運(yùn)動(dòng)車組:以客運(yùn)動(dòng)車組為平臺(tái)進(jìn)行改造。
2.2.3鐵路客貨列車保有量逐年增長(zhǎng)
全國(guó)鐵路客車和動(dòng)車組保有量如圖3所示,全國(guó)鐵路貨運(yùn)機(jī)輛保有量如圖4所示。從圖3、圖4可以看出,鐵路客車和動(dòng)車組保有量逐年增長(zhǎng),2018年的數(shù)量(72000、25776)相比2012年(55764、8648)分別增長(zhǎng)了29.12%和1.98倍;鐵路貨運(yùn)機(jī)輛保有量穩(wěn)中有升。
圖3 全國(guó)鐵路客車和動(dòng)車組保有量圖
圖4 全國(guó)鐵路貨運(yùn)機(jī)輛保有量圖
2.2.4復(fù)興號(hào)動(dòng)車組整體水平國(guó)際領(lǐng)先
中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組命名“復(fù)興號(hào)”并實(shí)現(xiàn)時(shí)速 350 km運(yùn)營(yíng),樹立起世界高速鐵路建設(shè)運(yùn)營(yíng)的新標(biāo)桿,該動(dòng)車組具有八大優(yōu)勢(shì):
(1)整體設(shè)計(jì)及車體、轉(zhuǎn)向架、牽引等關(guān)鍵技術(shù)具有國(guó)際領(lǐng)先水平。
(2)在254項(xiàng)重要標(biāo)準(zhǔn)中,中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)占84%。
(3)覆蓋全速度系列。350 km/h等級(jí)的CR400、250 km/h等級(jí)的CR300、160 km/h等級(jí)的CR200。
(4)壽命更長(zhǎng)。設(shè)計(jì)壽命30年(“和諧號(hào)”設(shè)計(jì)壽命為20年)。
(5)身材更好。列車阻力相比既有CRH380系列降低7.5%~12.3%,人均百公里能耗下降17%左右。
(6)安全性更高。全車部署2500余項(xiàng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn),采集各種車輛狀態(tài)信息1500余項(xiàng);可自動(dòng)報(bào)警或預(yù)警,并能根據(jù)安全策略自動(dòng)采取限速或停車措施。
(7)舒適度更高??照{(diào)系統(tǒng)充分考慮車外壓力波的影響,減小通過(guò)隧道或列車交會(huì)時(shí)旅客耳部的不適感;可提供不同的光線環(huán)境;WiFi全覆蓋;增加列車高度和座位間距。
(8)互聯(lián)互通性。不同生產(chǎn)廠家、不同技術(shù)規(guī)范和圖紙生產(chǎn)的動(dòng)車組,能重聯(lián)運(yùn)行和完全一致地控制操作;統(tǒng)一了零部件標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)了零部件可互換。
自2018年7月起,全國(guó)鐵路已配屬170.5對(duì)“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組;2019-2020年計(jì)劃將進(jìn)一步購(gòu)置復(fù)興號(hào)動(dòng)車組,其中350 km/h等級(jí)500組、250 km/h等級(jí)403組、160 km/h等級(jí)380組。
隨著鐵路網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,客貨運(yùn)量得到了大幅增長(zhǎng)。2018年國(guó)家鐵路旅客發(fā)送量達(dá)33.17億人,其中動(dòng)車組客運(yùn)量18.7億人,相比2012年分別增長(zhǎng)了76.53%和2.67倍。2012-2018年全國(guó)鐵路旅客發(fā)送量如圖5所示。
圖6 全國(guó)鐵路貨運(yùn)總量圖
全國(guó)鐵路貨運(yùn)總量如圖6所示。從圖中可以看出,2018年全國(guó)鐵路貨物總發(fā)送量完成31.91億t,貨物總周轉(zhuǎn)量 25 800億t×km,相比2017年分別增長(zhǎng)了9.32%和7.09%。
以高速、高原、高寒、重載鐵路發(fā)展為依托,工程建造、裝備制造、系統(tǒng)集成等創(chuàng)新成果顯著,自主發(fā)展能力與核心競(jìng)爭(zhēng)力不斷增強(qiáng),中國(guó)鐵路總體技術(shù)水平進(jìn)入世界先進(jìn)行列。
中國(guó)已經(jīng)形成了涵蓋高速鐵路、城際鐵路、客貨共線鐵路、重載鐵路的完整鐵路技術(shù)體系,各項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。
表1 中國(guó)鐵路技術(shù)體系表
中國(guó)正將鐵路數(shù)十年的發(fā)展成果與經(jīng)驗(yàn)同世界進(jìn)行分享,展現(xiàn)“中國(guó)速度”的非凡魅力。同時(shí)以中國(guó)鐵路技術(shù)助力全世界鐵路發(fā)展,并開展了一大批重大項(xiàng)目建設(shè),包括坦贊鐵路、蒙內(nèi)鐵路、亞吉鐵路等建成項(xiàng)目,中老鐵路、伊朗高速鐵路、莫喀高速鐵路、印尼雅萬(wàn)高速鐵路等在建項(xiàng)目。
根據(jù)國(guó)家發(fā)改委發(fā)布的《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》,預(yù)計(jì)到2020年,鐵路網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到15萬(wàn)km,其中高速鐵路約3萬(wàn)km,覆蓋80%以上的大城市;到2025年,鐵路網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到17.5萬(wàn)km左右,其中高速鐵路約3.8萬(wàn)km左右;遠(yuǎn)期,鐵路網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到20萬(wàn)km左右,其中高速鐵路約4.5萬(wàn)km左右。
在原規(guī)劃“四縱四橫”主骨架基礎(chǔ)上,增建高速鐵路,并充分利用既有鐵路,形成以“八縱八橫”主通道為骨架、區(qū)域連接線銜接、城際鐵路補(bǔ)充的高速鐵路網(wǎng),實(shí)現(xiàn)省會(huì)城市高速鐵路通達(dá)、區(qū)際之間高效便捷相連。實(shí)現(xiàn)相鄰大中城市間1~4 h交通圈,城市群內(nèi)0.5~2 h交通圈。
2020年,預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)鐵路旅客發(fā)送量約40億人次,客運(yùn)周轉(zhuǎn)量約1.7萬(wàn)億人公里,占全社會(huì)市場(chǎng)份額分別為20%、30%;鐵路貨運(yùn)量將達(dá)到45億t,貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量約3.3萬(wàn)億t×km,占全社會(huì)市場(chǎng)份額分別為8%、23%。
經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對(duì)交通運(yùn)輸提出了更高要求,形成全方位、多層次、復(fù)合型的互聯(lián)互通,構(gòu)建高效、便捷的軌道交通網(wǎng)絡(luò)體系,是必然的發(fā)展方向之一[3]。
鐵路憑借其速度快、運(yùn)量大、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等諸多優(yōu)勢(shì),已成為世界各國(guó)大力發(fā)展的交通運(yùn)輸體系,軌道交通產(chǎn)業(yè)面臨著高速發(fā)展的機(jī)遇。展望未來(lái),鐵路技術(shù)將會(huì)朝著“更快、更重、更難、更新、更廣”的維度進(jìn)一步提升。
“速度是人類永恒的追求”。受輪軌磨耗、脫軌安全性及高速受電等因素的影響,輪軌鐵路想實(shí)現(xiàn)超過(guò)400 km/h的運(yùn)營(yíng)速度具有一定難度。國(guó)內(nèi)輪軌交通的最高運(yùn)營(yíng)速度為350 km/h,中鐵二院設(shè)計(jì)的莫斯科至喀山高速鐵路設(shè)計(jì)速度400 km/h,是全世界設(shè)計(jì)時(shí)速最高的鐵路。我國(guó)上海高速磁浮是目前世界上唯一運(yùn)營(yíng)速度大于400 km/h的軌道交通,最高運(yùn)營(yíng)速度430 km/h。
為進(jìn)一步提升陸地軌道交通的速度,填補(bǔ)現(xiàn)有高速鐵路(350 km/h)與航空運(yùn)輸(800~1 000 km/h)之間的速度空白,世界各國(guó)均在“更快”的軌道交通領(lǐng)域開展技術(shù)研發(fā)。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)數(shù)十家科研院所的攻關(guān),國(guó)內(nèi)首輛600 km/h高速磁浮樣車已于2019年下線;日本研發(fā)的高溫超導(dǎo)磁浮列車的測(cè)試速度已達(dá)到 603 km/h,正在積極推進(jìn)東京品川-名古屋-大阪的磁懸浮中央新干線,最高速度500 km/h,預(yù)計(jì)將于2027年開通運(yùn)營(yíng)。此外,針對(duì)低真空管道(隧道)超高速磁浮技術(shù),中美兩國(guó)正在從原理技術(shù)層面進(jìn)行深入研究。
2019年9月19日,中共中央、國(guó)務(wù)院發(fā)布《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》,明確提出合理統(tǒng)籌安排時(shí)速600 km級(jí)高速磁懸浮系統(tǒng)、低真空管(隧)道高速列車等技術(shù)儲(chǔ)備研發(fā)。更高速度等級(jí)的軌道交通發(fā)展已上升到國(guó)家層面,將成為未來(lái)客運(yùn)軌道交通發(fā)展的主要方向。
國(guó)內(nèi)外鐵路重載運(yùn)輸技術(shù)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)表明,增加軸重是提高列車重量、擴(kuò)大線路運(yùn)輸能力的主要途徑。
我國(guó)重載鐵路技術(shù)已經(jīng)達(dá)到世界領(lǐng)先水平,構(gòu)建了涵蓋不同軸重等級(jí)的重載鐵路技術(shù)體系,系統(tǒng)掌握了30 t軸重重載鐵路機(jī)車車輛、線路設(shè)施關(guān)鍵技術(shù)。大秦鐵路普遍開行2萬(wàn)t重載組合列車,完成3萬(wàn)t重載組合列車開行試驗(yàn),年最高運(yùn)量突破4.5億t,成為世界上年運(yùn)量最大的重載線路;首列30 t軸重萬(wàn)噸重載列車已于2014年在朔黃鐵路開行;線路長(zhǎng)達(dá) 1 800 km的浩吉鐵路于2019年正式開通運(yùn)營(yíng),是世界上一次性建成投入使用里程最長(zhǎng)的重載鐵路。
但重載列車在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中暴露出了縱向沖動(dòng)大、輪軌動(dòng)作用力大、輪軌磨耗嚴(yán)重等一系列問(wèn)題[4],隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,我國(guó)重載鐵路技術(shù)已進(jìn)入系統(tǒng)提升及大規(guī)模推廣應(yīng)用階段,后續(xù)研究重點(diǎn)主要體現(xiàn)在重載鐵路養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)、重聯(lián)編組列車牽引制動(dòng)控制技術(shù)、徑向轉(zhuǎn)向架技術(shù)、更大軸重及復(fù)雜環(huán)境重載鐵路建設(shè)技術(shù)及設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)技術(shù)的創(chuàng)新性突破等方面。
隨著東部路網(wǎng)的不斷完善,中國(guó)鐵路建設(shè)主戰(zhàn)場(chǎng)逐漸向中西部地區(qū)轉(zhuǎn)移,以川藏鐵路為典型代表的西部鐵路網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)項(xiàng)目多處于復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū),區(qū)域地形條件復(fù)雜、自然環(huán)境惡劣。復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路需要克服高山峽谷等復(fù)雜地形,還要預(yù)防各種地質(zhì)災(zāi)害,例如具有山區(qū)高海拔特點(diǎn)的川藏鐵路工程就面臨著地表高寒、隧道高溫等難點(diǎn)[5]。
高溫、高寒帶來(lái)的大溫差以及高差顯著的地形條件使得山區(qū)鐵路建設(shè)遭遇巨大挑戰(zhàn),也使得常溫、低海拔環(huán)境下運(yùn)行的輪軌鐵路不能完全等同運(yùn)用到該復(fù)雜場(chǎng)景,各項(xiàng)技術(shù)、裝備均需進(jìn)行針對(duì)性的研發(fā)與創(chuàng)新。
另外,近年來(lái)中國(guó)鐵路逐步走出國(guó)門,由于海外和國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的差異性,應(yīng)根據(jù)國(guó)外習(xí)慣和環(huán)境特點(diǎn)開展線路設(shè)計(jì),結(jié)合實(shí)際的運(yùn)營(yíng)環(huán)境研發(fā)更適宜的車輛、裝備,如適用于熱帶叢林、氣候濕熱、降雨量大、施工環(huán)境差的東南亞地區(qū)的車輛、裝備等,這對(duì)中國(guó)鐵路技術(shù)的不斷創(chuàng)新提出了新的挑戰(zhàn)。
將輕量化、新材料,衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)、5G通信、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)與鐵路技術(shù)結(jié)合并推廣使用,開發(fā)新型的軌道交通裝備與車輛、提高裝備技術(shù)水平,以更好地滿足鐵路發(fā)展與建設(shè),是鐵路技術(shù)后續(xù)一段時(shí)期內(nèi)發(fā)展的總體趨勢(shì)和應(yīng)遵循的宗旨。
如車體輕量化,包括鐵路車輛建造的輕量化(高分子、復(fù)合材料等)以及鐵路車輛內(nèi)飾的全新功能性材料;衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)技術(shù)[6]等可幫助解決鐵路項(xiàng)目勘察設(shè)計(jì)中面臨的實(shí)際需求,輔助地形勘測(cè)、地質(zhì)資料獲取等;5G技術(shù)可有效提升列車故障率的檢測(cè)和保障列車運(yùn)行的安全性[7];鐵路大數(shù)據(jù)應(yīng)用可為客貨運(yùn)輸、基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)、動(dòng)車組管理、工程建設(shè)等提供指導(dǎo)[8]等。
西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與群眾出行急需大運(yùn)量、全天候的鐵路,但受人口、自然環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)等條件制約,西部地區(qū)建設(shè)軌道交通的經(jīng)濟(jì)效益較差,想將鐵路修建到中國(guó)西部山區(qū)的每一個(gè)縣城,預(yù)計(jì)在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間之內(nèi)都很難實(shí)現(xiàn)。
為改變西部地區(qū)鐵路建設(shè)處于落后狀態(tài)的局面,需要考慮從理念上進(jìn)行轉(zhuǎn)變與創(chuàng)新。改變傳統(tǒng)鐵路的單一功能定位與運(yùn)輸組織模式,提升鐵路服務(wù)的覆蓋面與吸引力。如將運(yùn)輸與旅游相融合,打造多樣化的鐵路產(chǎn)品;實(shí)行客貨物資共車共線,滿足鐵路客貨運(yùn)輸功能;開行度假專列,打造軌道上的豪華酒店等。既可促進(jìn)山區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,又能帶動(dòng)鐵路產(chǎn)業(yè)。
此外,近年來(lái)國(guó)內(nèi)興起的齒軌鐵路,可有效解決輪軌鐵路爬坡能力不足的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)特定坡度特性車型的理念突破,使鐵路沿陡峻地面修建成為可能,可大幅減少橋隧等重點(diǎn)工程,降低工程建設(shè)難度和投資。
我國(guó)軌道交通,包括高速和普速鐵路、城際和城市軌道交通均已步入黃金發(fā)展時(shí)期,這得益于路網(wǎng)規(guī)模、大幅提升的裝備水平、完整先進(jìn)的技術(shù)和裝備體系、關(guān)鍵核心技術(shù)的創(chuàng)新突破等,中國(guó)軌道交通正引領(lǐng)世界軌道交通產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。展望未來(lái),中國(guó)軌道交通正朝著互聯(lián)互通、更快、更重、更難、更新和更廣的技術(shù)層面進(jìn)一步發(fā)展。