上海磁懸浮高速軌道摘要：本文摘自美國(guó)土木工程協(xié)會(huì)刊物《土木工程雜志》，介紹了上海磁懸浮高速軌道的背景、特點(diǎn)、作用、原理及部分技術(shù)參數(shù)。上海磁懸浮科技的實(shí)踐，代表了地面高速交通的新水平。關(guān)鍵詞：上海磁懸浮高速軌道系統(tǒng)磁懸浮列車德本磁懸浮列車 在中國(guó)華東沖擊平原上蜿蜒盤踞著一座長(zhǎng)達(dá)30公里的高科技混凝土軌道橋，一眼望過去，該橋普通得不會(huì)引起任何人的關(guān)注，但這可不是一座普通的橋梁。這是一條高架雙導(dǎo)軌定向線路，是世界上第一條磁懸浮高速鐵路商業(yè)運(yùn)營(yíng)線，它連接著上海城區(qū)和30公里以外的浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)。這個(gè)全新的系統(tǒng)不僅填補(bǔ)了傳統(tǒng)鐵路運(yùn)輸和航空運(yùn)輸之間的技術(shù)和時(shí)間的空白，而且開辟了安全可靠、高速低耗、維修少的地面交通新紀(jì)元。 上海磁懸浮高速軌道系統(tǒng)引進(jìn)德國(guó)先進(jìn)技術(shù)，由中、德兩國(guó)的工程技術(shù)人員共同參與完成，該項(xiàng)目的竣工和投入運(yùn)營(yíng)是國(guó)際合作在工程技術(shù)、制作工藝和建筑領(lǐng)域的成功范例。 上海磁懸浮列車往返穿梭于上海龍陽(yáng)路站和浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)，最高時(shí)速可達(dá)430公里，單程只需8分種，每列車上有464個(gè)座位,自2003年初開始商業(yè)運(yùn)營(yíng)以來，已經(jīng)輸送了近200萬名旅客。在交通高峰期，上海磁懸浮列車每10分鐘一班。該軌道系統(tǒng)的業(yè)主方---上海磁懸浮交通發(fā)展有限公司在2004年7月的一份報(bào)告中提到，由于該系統(tǒng)采用電腦控制，它的到發(fā)站時(shí)間準(zhǔn)確率高達(dá)99.7%,這是其它任何交通系統(tǒng)所無法比擬的。目前該列車的運(yùn)行時(shí)間段為早晨8點(diǎn)到下午5：30，但在不久的將來，其運(yùn)營(yíng)時(shí)間可望延長(zhǎng)到每日18個(gè)小時(shí)。 磁懸浮列車啟動(dòng)時(shí)快速平穩(wěn)，如果不看窗外，旅客根本意識(shí)不到已經(jīng)出站。只需四分鐘，列車就可加速到其最高時(shí)速/430公里，由于從最高時(shí)速到終點(diǎn)站停車前需要3分鐘的減速時(shí)間，所以上海磁懸浮列車在其8分鐘的行程中只有52秒保持在最高時(shí)速。當(dāng)列車在最高時(shí)速行駛的狀態(tài)下，乘客能感覺到一些輕微的顫動(dòng)，但列車依然非常平穩(wěn)，旅客依然可以在走道里行走自如。除了速度優(yōu)勢(shì)外，磁懸浮列車的舒適性不僅比一般列車好，而且在相同時(shí)速下，其車廂內(nèi)部的噪音要低得多。 在修建磁懸浮鐵路之前，連接龍陽(yáng)路站和浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)的是一條六車道公路，通過該公路從龍陽(yáng)路站到機(jī)場(chǎng)需要45分鐘的車程，而乘坐磁懸浮列車只需8分鐘就可抵達(dá)。除了大大縮短這段路程的行車時(shí)間外，磁懸浮鐵路給上海帶來的便利遠(yuǎn)不止這些。由于一列磁懸浮列車可最多有8節(jié)車廂，其旅客運(yùn)載量是公路的好幾倍，這就無需再修建額外的公路來緩解日益膨脹的城市交通。而且整條磁懸浮線路是高架軌道，沒有平交路口，不存在交通行車干擾，其乘客的安全性就得到了保障。 上海磁懸浮高架軌道線路在有些地段和公路交匯，在沒有交匯的地段，線下區(qū)域可以作為農(nóng)業(yè)、工業(yè)和商業(yè)用地。現(xiàn)在上海已計(jì)劃修建該磁懸浮線路的延長(zhǎng)線，使其延伸至市區(qū)直至更遠(yuǎn)。該計(jì)劃如果實(shí)現(xiàn)，那么房地產(chǎn)業(yè)將會(huì)在磁懸浮車站周圍尋求到廣闊的發(fā)展空間，這種聯(lián)動(dòng)性發(fā)展在其它建有高速軌道的國(guó)家已不鮮見。 2004年1月在華盛頓召開的交通運(yùn)輸研討會(huì)年度會(huì)議上，上海磁懸浮交通發(fā)展有限公司的總裁吳祥明曾指出，鑒于對(duì)中國(guó)國(guó)內(nèi)的燃油供應(yīng)緊張的考慮，政府正在考慮以電力驅(qū)動(dòng)的高速鐵路來替代公路運(yùn)輸和以燃油驅(qū)動(dòng)的運(yùn)輸方式的可行性。因?yàn)殡S著中國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，人均能源消耗量將不可避免地增加，對(duì)燃油的需求也將上升。為了支持該觀點(diǎn)，他列舉了美國(guó)現(xiàn)在的人均能源消耗量是中國(guó)11倍的例子。）目前世界上只有日本和德國(guó)具有高速軌道技術(shù)，在基于該技術(shù)的系統(tǒng)選擇上，上海磁懸浮交通發(fā)展有限公司的官員傾向于采用德國(guó)的常導(dǎo)磁懸浮技術(shù)，因?yàn)樵撓到y(tǒng)具有速度快、維修少和舒適性好的特點(diǎn)。在修建該磁懸浮線路前，只有一條6車道公路連接上海城區(qū)與浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)。隨著交通的日漸擁擠，為了避免再增加公路項(xiàng)目，修建磁懸浮鐵路就提上了日程，因?yàn)榇艖腋≤壍肋\(yùn)輸是改善該段交通狀況的最快速最可靠方式。除其速度優(yōu)勢(shì)以外，磁懸浮鐵路還具有能耗低，壽命周期費(fèi)用少的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。在對(duì)未來線路建設(shè)的規(guī)劃中，這些官員認(rèn)為可以修建長(zhǎng)距離的磁懸浮線路(時(shí)速可達(dá)500里)，這樣人們?cè)谝惶斓臅r(shí)間里不僅可以使去參加千里之外的會(huì)議而且還可以于當(dāng)日返回。通過修建該“實(shí)驗(yàn)段”，就可以收集、分析電子運(yùn)輸系統(tǒng)在商業(yè)運(yùn)營(yíng)中一些參數(shù)為日后的長(zhǎng)距離磁懸浮鐵路建設(shè)提供參考依據(jù)。 2000年的夏天，對(duì)磁懸浮技術(shù)非常關(guān)注的朱镕基總理曾安排上海磁懸浮交通發(fā)展有限公司的工程師們?nèi)サ聡?guó)Emsland地區(qū)考察一條30公里長(zhǎng)的磁懸浮實(shí)驗(yàn)線，該線路修建于20世紀(jì)80年代。在德國(guó)期間，中國(guó)的工程師們與德國(guó)參與磁懸浮技術(shù)開發(fā)的各家公司（Siemens,Thy-ssenKrupp,CDM,Transrapid,andMaxB..gl）都做了接觸，并利用這次寶貴的機(jī)會(huì)參觀了線路的運(yùn)行、評(píng)估分析了磁懸浮定向系統(tǒng)和運(yùn)行數(shù)據(jù)。所有這些德國(guó)公司后來都與上海磁懸浮交通發(fā)展有限公司簽訂了設(shè)計(jì)和修建上海磁懸浮系統(tǒng)的合約。其中MaxB..gl公司被選為導(dǎo)軌工程的主要咨詢公司，因?yàn)槠溟_發(fā)的混合軌道梁非常適合運(yùn)用于上海磁懸浮項(xiàng)目。 德國(guó)磁懸浮列車的基本原理是把線性同步電動(dòng)機(jī)里的“轉(zhuǎn)子”布置在機(jī)車上，而將“定子”鋪設(shè)在導(dǎo)軌上，“轉(zhuǎn)子”和“定子”間產(chǎn)生的磁性相互作用，推動(dòng)列車前進(jìn)。至于列車的懸浮是由機(jī)車上的電腦控制系統(tǒng)來操縱的，當(dāng)機(jī)車上的電磁被吸向?qū)к墪r(shí)，這個(gè)電腦控制系統(tǒng)將對(duì)電磁力進(jìn)行檢查并自動(dòng)加以調(diào)整。磁懸浮車廂的另外一個(gè)重要特點(diǎn)就是鑄鋁支承臂的設(shè)計(jì)，這些支承臂環(huán)繞在導(dǎo)軌頂部懸臂周圍，支承臂上的懸浮磁鐵被吸向懸臂下面的“定子”時(shí)，兩者之間相互作用，從而保證了列車在任何速度的行駛中都不可能脫軌。 不管荷載有多大、速度有多快，通過機(jī)車上的控制系統(tǒng)，車廂支承臂上的懸浮磁鐵和導(dǎo)軌上“定子”之間的距離以及導(dǎo)行磁鐵和鋼導(dǎo)軌之間的距離都始終保持在10mm左右（誤差在2mm之內(nèi)）。磁懸浮列車的電力是通過穿行于整條導(dǎo)軌線路兩側(cè)“定子”中的三相電纜來供應(yīng)的，當(dāng)龍陽(yáng)路站的控制中心將電流從軌道旁的變電站以80公里以上的時(shí)速輸送到這些電纜上的時(shí)候，產(chǎn)生的電磁波將驅(qū)動(dòng)磁懸浮列車加速、前行......。為了預(yù)防導(dǎo)軌電力突然中斷，列車上還備有電池組可以提供持續(xù)的后備電源。 上海磁懸浮鐵路線路的最終選定：一是由于沿線沒有什么障礙物，二是由于它的起點(diǎn)是上海地鐵交通二號(hào)線龍陽(yáng)路站，旅客換乘方便，從這個(gè)地鐵站，旅客在15分鐘內(nèi)就可以到達(dá)市區(qū)。由于項(xiàng)目用地的限制排除了采用直線線路的可能性，為了最大程度地發(fā)揮磁懸浮列車的速度優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)者們選擇了一種彎曲度比較緩和的“S”形線路。 該線路位于周期性地震活動(dòng)帶上，加上該區(qū)域?yàn)檐浫跣詻_擊土壤，這就給該線路的混凝土和鋼筋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的支撐工作增加了難度。為了解決該問題，采用了可以抵御高達(dá)里氏7.5級(jí)地震的鋼筋混凝土支承墩（1.81.8m,8m高）。這些支承墩安放在深2m,邊長(zhǎng)10~12m的樁帽上，樁帽下打入20~24根基樁，每根基樁的直徑為60cm，這些基樁被打入地下70m深處以抵御地震。 為了取得每根基樁所在位置的地下土層的數(shù)據(jù)，中方在磁懸浮鐵路沿線采用了多種方法進(jìn)行了地質(zhì)勘察。這些勘察方法包括鉆孔勘探（359個(gè)標(biāo)準(zhǔn)貫入式鉆孔和230個(gè)錐形貫入式試驗(yàn)孔）、開口勺鉆勘探、謝貝爾薄壁取樣勘探、地下水抽樣以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?？辈旃ぷ髟?000年10月7至12月2日期間展開。德國(guó)CDM公司核對(duì)了勘探取得的土壤數(shù)據(jù)并據(jù)此選取了能確保磁懸浮列車平穩(wěn)可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)。這些土壤數(shù)據(jù)同樣可以用于磁懸浮線路的短、長(zhǎng)期沉降分析以及基樁的變形預(yù)測(cè)。 磁懸浮線路對(duì)土工的要求非常高，必須能夠滿足結(jié)構(gòu)變形限制和基礎(chǔ)在動(dòng)態(tài)荷載下長(zhǎng)期保持穩(wěn)定的要求，所以必須對(duì)軌道梁的支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行認(rèn)真的分析。由于導(dǎo)軌的最大允許變形值僅為10mm，而各種各樣的沉降都有可能引起變形，包括固化引起的沉降，二次固化或徐變引起的塑性沉降，自重引起的沉降，來自車輛周期性荷載引起的沉降，動(dòng)態(tài)荷載引起的彈性沉降以及運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的沉降等等。德國(guó)CDM公司為此開發(fā)了一套分析系統(tǒng)用來研究各種原因引起的沉降，并為磁懸浮鐵路及高速軌道的建設(shè)建立了一個(gè)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)，這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)可以提供各種土壤沉降的信息。該數(shù)據(jù)庫(kù)配上從現(xiàn)場(chǎng)獲取的數(shù)據(jù)就可以對(duì)具體的變形情況進(jìn)行綜合性分析，為導(dǎo)軌線路的精確定位提供幫助。 因?yàn)橹扉F基總理的任期于2003年初結(jié)束，基于政治因素的考慮，上海磁懸浮鐵路的首發(fā)式定在2002年12月31號(hào)，因此工期非常緊張。 為了滿足工期緊的要求，選擇合適的導(dǎo)軌材料就顯得尤為重要。德國(guó)Emsland地區(qū)的磁懸浮實(shí)驗(yàn)線上安裝有三種軌道梁，它們分別是：混凝土軌道梁、鋼軌道梁和鋼筋混凝土混合型軌道梁?；旌狭撼省癟”型，長(zhǎng)62m,寬2.8m,高2m，重290噸。在分別對(duì)三種軌道梁從運(yùn)行、磨損、噪音、成本、運(yùn)輸和熱膨脹等方面進(jìn)行詳細(xì)分析后，上海磁懸浮交通發(fā)展有限公司的工程師決定采用混合梁的設(shè)計(jì)，因?yàn)樗Y(jié)合了混凝土梁（剛度大、噪音吸收好和成本低）和鋼梁（制作精密）的優(yōu)點(diǎn)。如果采用混凝土梁，在一些鋼構(gòu)件，如“定子”和“導(dǎo)軌”等所附著的灌漿區(qū)，其耐久性和精密度較差，這些部位就需要長(zhǎng)期的保養(yǎng)和維修，從而引發(fā)費(fèi)用的問題。而鋼梁的精密度雖然符合要求，但其不規(guī)則膨脹特性在具體的使用中就存在著缺陷，比如由于陽(yáng)光照射導(dǎo)致不同部位受熱不均就可引發(fā)不規(guī)則膨脹。除了其不規(guī)則膨脹特性外，在多節(jié)車輛駛過鋼梁時(shí)，鋼梁還會(huì)產(chǎn)生較大幅度的搖擺和振動(dòng)，雖然這些問題可以克服，但費(fèi)用高昂，而且從制作的角度看，需要耗費(fèi)更多鋼材和更長(zhǎng)的制作時(shí)間?；谶@些比較，混合軌道梁就占據(jù)了優(yōu)勢(shì)。 上海磁懸浮交通發(fā)展有限公司和德國(guó)MaxB..gl公司的工程師將“T”型混合型軌道梁重新設(shè)計(jì)成“I”型以增加其剛度，（高2.2m,寬2.8m），而且為了便于在施工期間的運(yùn)輸，將其長(zhǎng)度也縮短到25m。雖然修改后的設(shè)計(jì)提高了乘坐的舒適性，但同時(shí)增加了混合梁的總重量，而且使噪音向上傳輸。 由于上海磁懸浮交通發(fā)展有限公司計(jì)劃在將來修建一個(gè)大的磁懸浮鐵路網(wǎng)絡(luò)，這次制作的軌道梁除了要滿足嚴(yán)格的變形要求外，還必須具有一定的可變性，也就是說這些軌道梁必須方便運(yùn)輸，并適于在多處使用。因此這次為上海磁懸浮鐵路設(shè)計(jì)的所有單跨梁都可以聯(lián)結(jié)起來組成雙跨梁。 在18個(gè)月不到的時(shí)間里，中、德兩國(guó)的工程師和建設(shè)隊(duì)伍就制作安裝了共計(jì)2,777根軌道梁。為了便于軌道梁的吊裝，在磁懸浮線路的一側(cè)鋪設(shè)了一條臨時(shí)軌道線作為龍門吊車的走行線。 2002年12月31日，上海磁懸浮列車如期成功地舉行了首發(fā)式，在此鼓舞下，上海磁懸浮交通發(fā)展有限公司決定在周末對(duì)公眾開放該系統(tǒng)，但周一到周五依然繼續(xù)調(diào)試、安全認(rèn)證等工作。直到2004年4月，上海磁懸浮整條線路才開始正式全面投入運(yùn)營(yíng)。該磁懸浮系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性極高，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用比傳統(tǒng)的低速輪軌鐵路系統(tǒng)養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低33%，只相當(dāng)于傳統(tǒng)高速軌道系統(tǒng)的一半，而傳統(tǒng)高速軌道的最大時(shí)速也要比磁懸浮系統(tǒng)慢130km。 上海磁懸浮交通發(fā)展有限公司認(rèn)為該磁懸浮鐵路是一個(gè)極其成功的項(xiàng)目，其價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過10.2億美圓的總投資價(jià)格。據(jù)吳先生介紹，10.2億美圓包括導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)和建造費(fèi)用；15輛機(jī)車的購(gòu)置費(fèi)；變電站的修建費(fèi)；維修養(yǎng)護(hù)線，維修養(yǎng)護(hù)設(shè)施及鋼轉(zhuǎn)轍器的費(fèi)用；輔助設(shè)施的購(gòu)置費(fèi)以及建設(shè)期間支付利息的費(fèi)用。按主線30公里計(jì)算，平均每公里的造價(jià)為3975.9萬美圓。如果不包括輔助設(shè)施，導(dǎo)軌本身每公里的建造 費(fèi)用自然要低一些，而且隨著新的施工和制作技術(shù)的進(jìn)步其建造費(fèi)用會(huì)進(jìn)一步降低。 吳先生還介紹，與四年前建造的東方明珠高架軌道每公里4457.8萬美圓的造價(jià)相比，磁懸浮鐵路每公里的造價(jià)只是許多地鐵項(xiàng)目造價(jià)的一半。其它的傳統(tǒng)高速鐵路，如韓國(guó)正在修建的漢城到釜山的高速鐵路，德國(guó)剛完工的法蘭克福到科隆段高速鐵路以及荷蘭在建的一條高速鐵路，每公里的造價(jià)也大約都在4000萬美圓左右，有的還不包括列車車輛的購(gòu)置費(fèi)用。和這些在建或已建項(xiàng)目相比，上海磁懸浮鐵路的造價(jià)要低得多。2004年吳祥明先生被任命為新組建的中國(guó)磁懸浮交通工程和發(fā)展中心的負(fù)責(zé)人，這清楚地表明中國(guó)要大力推廣和應(yīng)用磁懸浮技術(shù)，相關(guān)計(jì)劃已在考慮和醞釀之中，如在上海修建一條長(zhǎng)7km的磁懸浮延長(zhǎng)線和上?；疖囌鞠噙B；從上海向西南方向修建一條磁懸浮高速軌道與距其163km的杭州相連，如果建成，這將成為世界上第一條城際磁懸浮交通線。 美國(guó)自1998年開始也在考慮發(fā)展磁懸浮技術(shù)，并擬修建一條磁懸浮試驗(yàn)線，目前有六個(gè)項(xiàng)目在考慮之中：其中兩條位于南加里佛里亞，一條從拉斯維加斯到加里佛里亞的安那漢，一條從亞特蘭大到田納西州的查塔努加，剩下的兩條，一條從巴提馬到華盛頓，另一條連接匹茲堡國(guó)際機(jī)場(chǎng)和周圍地區(qū)。磁懸浮科技的先進(jìn)性和其成本效益在上海磁懸浮鐵路項(xiàng)目上得到了很好的考證，該項(xiàng)目是中、德兩國(guó)工程師的杰出成就，也代表了地面高速交通的新水平。 ------本文摘自美國(guó)土木工程協(xié)會(huì)刊物《土木工程雜志》2004年11月刊