直线电机系统在广州地铁5号线的应用

史海欧 孙元广

(广州地铁设计研究院有限公司 广州 510010)

1 工程概况

广州地铁5号线首期工程(滘口至文冲)线路长约32 km，22座车站，线路横贯广州东西两翼，为城市东西向的骨干线，是广州地铁迄今为止建设完成的最复杂、最困难的一条线。5号线(见图1)从2004年开工至2009年12月建成，历时5年多，2009年12月28日开通试运营，总投资约132亿元。5号线首期工程共有10座车站与其他线路换乘，系统采用了直线电机运载系统，为6辆编组的L型车。

2 工程设计特点

2.1 大客流骨干线路对广州交通和城市发展有巨大改善作用

5号线线路经过芳村区、荔湾区、越秀区、东山区、天河区和黄埔区，沿线的客流属于交通需求型:滘口—大坦沙、珠江以西段，线路主要沿城市交通走廊布设，将对外交通要道滘口和待开发的大坦沙及已发展成熟的荔湾区连成一体，有利于缓解珠江大桥交通紧张情况，同时促进大坦沙地区的发展。中山八—珠江新城段，线路沿城市主要交通走廊布设，并经过广州火车站，重点解决客流的运送，缓解客运交通紧张的情况。珠江新城以东段，将东部的天河区、黄埔区和城区中心直接连接起来，带动广州市中心尤其是珠江新城中央商务区(CBD)的发展，对促进东部地区健康发展起到巨大的导向作用。

2.2 换乘站和车站形式多

图1 广州地铁5号线线路

5号线与其他地铁线路有10座换乘站:杨箕站与已运营的1号线换乘，广州火车站与已运营的2号线换乘，珠江新城站与已运营的3号线换乘，车陂南站与4号线换乘，坦尾站、区庄站与6号线换乘，西村站预留与8号线换乘条件，鱼珠站、大沙地站预留与其他线换乘条件，滘口站预留与佛山市轨道线网的换乘条件。

其中，西场站、西村站、广州火车站、小北站、区庄站、动物园站为6座明暗挖结合的岛式车站;滘口站、坦尾站为2座高架车站。

2.3 地质复杂多变，位于城市密集交通繁忙区

5号线的环境条件非常复杂，2次穿越珠江，该区域岩溶发育，全线7次穿越断裂，施工极其困难。该线经过的主要交通繁忙道路有:内环路、环市路、花城大道、黄埔大道和大沙东路。5号线在环市路下约4.1 km的线路与内环路高架桥并行，此路段交通非常繁忙，车站的布置及施工非常困难。全线约5.4 km的线路需穿越房屋，处理房屋桩基础给工程实施带来很大的困难。5号线沿线周边受影响的建筑物共有465栋，这些建筑形式各异，地质条件及其基础形式各不相同，地铁结构与之的相互关系也各不相同。经过的构筑物主要有:既有铁路线、高架桥、既有地铁车站、人行天桥、下穿隧道、电力隧道、高压电线塔和跨河涌桥等，共约65处。

2.4 工程设计与实施难度大，但土建设计技术创新多

5号线创造了在繁忙道路下不影响地面交通而进行暗挖的车站设计技术，采取创新型站隧分离、暗挖车站的设计方案;使用了国内第1条使地铁盾构成功穿越溶洞的隧道设计技术;在国内第1次开挖了最小曲线半径只有200 m的盾构隧道;在国内第1次成功采用最大坡度为5.5%的线路设计;在国内第1次采用矿山法进行洞内桩基托换设计;在国内地铁中首次采用上下重叠暗挖站台的车站设计(动物园站上下重叠隧道净高达21 m，隧道层高最高);在广州首次采用先挖隧道后开挖车站的设计(五羊邨站)等创新技术。

2.5 国际上首次采用大运量等级的6辆编组直线电机运载系统

5号线线路西段和中段位于城市的中心区，选线困难，线路具有曲线多、半径小、坡度大的特点。首期工程曲线长度占线路总长度的41%，其中半径为200 m的曲线有2处，总长度660 m，占总曲线长度的5%;半径为250～300 m的曲线有3处，总长度1.6 km，占总曲线长度的12%;半径350 m及以上的曲线有47处，总长度11 km，占总曲线长度的83%。正线最大坡度55‰，坡道长度520 m;40‰＜i＜50‰的坡道长度 1.3 km;30‰ ＜ i≤40‰的坡道长度 2.2 km;20‰＜i≤30‰的坡道长度4 km;车辆段出入段线最大坡度58‰。

5号线采用6辆编组大运量等级直线电机运载系统(见图2)，直线电机车宽2.8 m，6辆编组长度约106.36 m，最高运行速度为90 km/h。牵引供电系统采用直流1500 V供电，正线采用接触轨受流，车辆段采用柔性架空接触网。按6辆编组载客量(定员)1402人、最大行车密度33对/h设置系统能力。

图2 广州地铁5号线直线电机车辆

3 运营情况

3.1 客流量情况

2009年12月28日，5号线首日运营10 h，运客达28万人次，当日广州5条地铁线共运客232万人次。5号线开通使广州地铁步入真正的网络时代，线网效应非常显著，1～3号线客运量平均各增长10万～15万人次。目前广州地铁开通运营8条线路共236 km，日均客运量超过480万人次，形成以1、2、3、5号线为骨干组成的放射线网，广州地铁运营线网见图3。

2010年1月，5号线工作日客流量最高达50万人次，最低也接近40万人次;回顾3号线从2007年开通，用了1年多时间，日均客运量才达到30人次万，而刚刚开通的5号线，开通次日就跨越了3号线运营1年才达到的客流量大关，且增长趋势明显。5号线2010年全年日均客流量在60万人次左右，2011年日均客运量已增长到70万人次左右，其中2011年元旦日客流量达78万人次、5月1日86.9万人次、10月1日客运量已达到了94.1万人次。

3.2 客流断面及运能

广州地铁随着2、8号线、3号线北延段的开通运营，客流迅猛增长，5号线的运能也越来越难以满足客流的需求，部分车站客流拥挤并有较多乘客滞留。拥堵基本是发生在重要换乘站之前，如上行方向基本发生在5号线与3号线的换乘站——广州火车站之前，下行方向则发生在5号线与3号线的换乘站——珠江新城站之前。

图3 广州地铁运营线网

目前，5号线高峰小时发车间隔4.5 min，旅行速度35.6 km/h，平均运距7.8 km，配属列车30列，最大运能1.7万人次/h。由于客运量的迅猛增长，运能已经难以满足客流需求。以2011年3月7日早高峰为例，高峰小时最大客流断面位于下行猎德站—珠江新城区间，为2.21万人次/h，上行方向最大断面为1.65万人次/h，位于西村—广州火车站区间，高峰小时客流断面见图4。

图4 5号线高峰小时客流断面

从图4可以看出，5号线车陂南—杨箕站段运能严重不足，导致了大量乘客的滞留。为缓解运能紧张，广州地铁2009年开展了5号线列车增购项目，2010年《广州地铁5号线增购列车项目建议书》获得国家发改委的批复，5号线增购32列，列车到位后高峰小时发车间隔可低于2.5 min，基本缓解了目前的拥挤现象。

3.3 运营牵引能耗

5号线采用一个交路运营，理论上全日平均满载率26%，其中:牵引能耗约占49%，动力照明等约占51%。5号线每车公里的牵引能耗平均为3.518 kW·h，同期的广州地铁1、2号线6辆编组A型车分别为2.475、2.393 kW·h(1、2 号线的日均客流量己超100万人次)，广州地铁主要线路2011年车公里平均牵引能耗见图5。

图5 广州地铁2011年车公里平均牵引能耗

5号线每人公里的牵引能耗为约0.06 kW·h，相对常规轮轨的1、2号线，5号线的能耗明显偏大，其主要原因是广州地铁直线电机车辆的轴重大(达13 t)，且直线电机系统本身能耗偏大，另外5号线的线路条件较差。

4 小结

5号线是广州地铁迄今为止建设完成的最复杂、最困难的一条线，在国内外地铁建设中也罕见。行走于广州繁华城区，穿越上千栋房屋、7次穿越断裂带、2次过珠江、6次穿越广茂铁路。5号线线路所经之处，把广州的“地质博物馆”“逛”了一遍:红层、花岗岩地层、灰岩地层、混合岩地层、淤泥砂层，穿越了断裂带、富水破碎地层、溶洞等。5号线在土建设计施工技术方案上综合考虑了安全性、合理性、可实施性，具有很多技术创新点。

从5号线的建设和运营情况可以看出，5号线的建设和运营支持了广州“东进、西联”战略，大力疏解了东西向的交通，带动了沿线的发展，客流量的迅猛增长说明市民对5号线的认可，建成后充分发挥了其轨道交通骨干线的作用。

5号线列车最高运行速度为90 km/h，平均站间距约为1.5 km，设计平均旅行速度42 km/h，由于直线电机车辆的启动和制动加速度小，实际正常运营时旅行速度仅为35.6 km/h，而且6辆编组定员1402人与实际运营载客量相差甚远。从5号线运营和能耗来看，系统选择应慎重，直线电机车辆应向轻量化、小型化发展，大客运量线路应尽量采用常规轮轨系统。

［1］广州地铁设计研究院有限公司，铁道第二勘察设计院.广州市轨道交通5号线首期工程设计技术要求［R］.广州，2004.

［2］广州地铁设计研究院有限公司.广州市轨道交通5号线首期工程设计总结［R］.广州，2010.

［3］广州地铁设计研究院有限公司.城市轨道交通直线电机牵引系统设计规范送审稿［S］.广州，2011.

［4］广州市地下铁道总公司.广州地铁2010年度年报［R］.广州，2011.

［5］广州市地下铁道总公司.广州地铁运营月度报告［R］.广州，2011.