上海市轨道交通16号线 工程科技创新与应用

上海市轨道交通16号线工程开工时间：2009年10月；竣工时间：2014年12月。工程针对市域地铁快线高运行速度下带来的运营模式、车辆研制、授电方式、地下区间、高架桥梁、轨道结构等建设难题进行了系统的科学研究，在新系统、新技术、新工艺、新设备等方面形成了技术创新。该工程共申请国家专利39项，其中发明专利5项、实用新型专利27项；专著1部；规范2本。该工程的部分研究成果已应用于其他新建轨道交通项目的规划和设计中。

一、大客流高速1500V接触轨授流市域轨道交通新系统

（一）快慢车组合及灵活编组运营组织模式

1．研究背景

16号线客流具有强度较低、平均乘距长、高峰和平峰客流差异较大、呈现潮汐现象的特征，主要以组团客流交换为主，直达客流占全线客流的比例达到32%，具有开行快车的需求。

图1 16号线远期组团OD比例图

2．快慢车组合运营方案

结合工程实际情况并吸收国外长大线路快慢车组合运营的经验，采用定性和定量相结合的方法重点研究了运营组织模式、列车运行交路和列车编组方案。从理论上对开行快慢车组合运行的组织形式与条件、快慢车的越行条件、越行地点、越行次数以及相关影响因素进行重点分析，提出列车交路、列车编组和运输能力等的设计计算方法。

根据客流特征及运行图铺划设置越行站，越行站位置和运行图的安排相互配合，通过预先停车或延迟发车等措施来调整快慢车的发车间隔，从而使越行站移至客流量较小的车站。越行站配线采用双岛四线型式。当快车通过越行车站时，在保证安全的前提下，出站进路提前办理，道岔提前锁闭至指定位置，系统控制快车依据运营预先编制的时刻表经由越行站的直行轨道越行慢车，快车和慢车的到通、通发能力为60s，快慢车的越行依据时刻表自动运行。

开行直达车、大站车和普通车的快慢车组合运营的模式，有效地节省了乘客总的出行时间，减少了车辆的配置数量，使上海地铁平均旅行速度提升40%，可实现临港新城至龙阳路36min直达并与已有轨道交通网络换乘。车辆选型在初、近、远期分别按3节和3+3节的灵活编组，远期高峰时开行6节编组，平峰时开行3节编组车辆，提高了运营服务水平和运营效益，达成降低综合成本的效果。

图2 三种列车停站示意图

3．主要创新点

首次研究在长大市域轨道交通快速线路上采用快慢车组合及灵活编组运营组织模式，形成相关的设计理论与方法，并得到运营实施。

（二）120km/h直流1500V接触轨授流的A型车辆

1．研究背景

市域轨交平均站间距大且平均乘距长，乘客对旅行速度和舒适度有较高需求；为满足景观和供电系统维修方便及时的需要，兼顾资源共享，采用直流1500V接触轨授流方式。因此，在车体、转向架、牵引和制动、与接触轨的接口技术等多个系统进行科研攻关，研制中高速直流1500V接触轨授流的A型车辆，以适应市域轨道交通发展的必然需求。

2．时速120km直流1500V接触轨授流的A型车辆

（1）动力配置与性能

采用WTB+MVB全冗余分布式总线控制方式，国内首次实现在线灵活编组需求；牵引系统采用转向架控制和国内首创半动车（2-B0）动力配置模式，在有效控制车辆轴重≤16t的同时，整体提高3节编组列车正线故障运营能力和救援效率。通过研发“城轨车辆牵引供电系统”新技术（专利号：ZL201220672799.5），实现列车牵引受流能力的提升，辅以基础制动选用盘式制动，成功实现A型地铁列车最高运营速度等级提升20%的目标。

（2）高速、高电压、大电流接触轨授流

针对DC1500V接触轨授流大电流、高冲击世界级难题，通过对气动受流器（专利号：ZL201220434338.4，ZL201220679131.3）及其检测（专利号：ZL201220442408.0）和监测（专利号：ZL201220391386.X）方法的研究，在国际上首次成功解决了时速120kmA型车的DC1500V接触轨授流技术难题。

（3）复合型牵引方式

通过研发“城轨车辆的蓄电池与受电弓牵引供电系统”（专利号：ZL201220673205.2）和“城轨车辆的蓄电池与受流器牵引供电系统”（专利号：ZL201220672821.6），国内外首创集电靴及受电弓受流和蓄电池应急牵引三种牵引方式的集成，满足正线、段场、无电区等线路条件下无缝切换的供电模式，充分提高列车在郊县运营的可使用性和维修保养的安全性。

（4）安全性与舒适性

通过研发新型ZMA120型转向架（专利号：ZL201020668985.2）以及新型轮盘制动转向架（专利号：ZL201220132846.7），并对构架侧梁下盖板结构进行优化（专利号：ZL201220374912.1），配置车辆走行部故障诊断装置和系统（专利号：ZL201220544896.6），确保列车在120km/h条件下安全可靠运营，且运行平稳性指标≤2.5，达到速度等级80km/h同等水平。通过“车门安全回路”（专利号：ZL201220407657.6）的研发，使得市域轨道交通列车车门在确保安全的前提下可由乘客自行开关。

全景（120kmh DC1500V授电A型车行驶图）

图3 动力转向架三维图及构架强度计算模型

3．主要创新点

国际首创时速120km直流1500V接触轨授流的A型车，形成专利12项。

（三）时速120km直流1500V接触轨系统

1．背景

16号线大部分区域位于东海之滨，地势平坦空旷，台风多、雷电多，线路应急抢险布点不可能很密集，维护成本也随着线路距城市中心区的距离增大而明显增大，设计需要考虑更少维护成本的供电方式。

2．速度等级120km/h的直流1500V钢铝复合接触轨供电系统

靴轨良好授流是安全运营的关键，针对120km/h速度等级的DC1500V接触轨系统（见图3），进行接触轨跨距布置与120km/h速度的系统性分析、全线接触轨断口处端部弯头与车辆集电靴适应性系统分析、全线接触轨与车辆匹配情况系统性分析等。在细节设计上，对端部弯头坡度、膨胀接头及中心锚节安装型式进行改良和更新。

图4 集电靴现场试验

提出基于轨道基桩控制网进行轨道交通接触网、轨的测量方法（专利申请号：201310222084.9），自主研制了“时速120km的直流1500V接触轨系统”配套施工新设备，包括：“接触轨综合测量仪”（专利号：ZL201320190409.5），将接触轨的导高和拉出值误差不大于±5mm，提高到不大于±3mm；“多功能限界检测车”（专利号：ZL201320236030.3），自动合成直线、曲线等不同结构断面下的设备限界检查；“模拟钢轨模具”，在线路尚未铺轨的条件下，模拟钢轨定位从而达到接触轨测量定位的目的；“拉轨工具”，使接触轨对接缝间隙从原来1mm减小到0.5mm。运营实践证明，时速120km直流1500V接触轨授流将轨道交通供电系统运营维护成本降低了70%。

3．主要创新点

首次研发了120km/h速度等级直流1500V钢铝复合接触轨供电成套设计施工技术，配套研制了相关的施工设备，形成专利3项，完成专著《120km/h接触轨设计规范及施工验收标准》（中国铁道出版社2013年）。

二、时速120km市域轨道交通设计新技术

（一）设置中隔墙的“单洞双线”盾构法区间新构造

1．研究背景

常规地铁区间多采用内径5.5m的盾构隧道，当列车速度高达120km时隧道内将产生“活塞风效应”，即隧道内空气产生非稳定流，且隧道内外形成一定压差，隧道内压力变化将导致乘客耳膜不适，甚至可能损害设备与结构，为此，需要提出一种新的结构形式解决此问题。

2．单洞双线大盾构及中隔墙技术

为满足在地铁列车高速运营情况下乘客的舒适度，并兼顾逃生通道设置与防灾减灾的要求，基于“大型化、工厂化、机械化”的理念，发明一种带隔墙的“单洞双线”结构形式（专利号：ZL200910246077.6），即通过在大断面盾构隧道中央设置中隔墙分隔上下行车线，实现“单洞双线”。借助弹性铰圆环法、弹性地基梁法和连续介质有限元法等建立结构体系的力学分析模型，并对自重、地层荷载和地层长期固结沉降作用下的结构变形与内力进行了系统分析。基于分析结果，提出了在中隔墙与隧道管片之间设置120mm间隙的分离式连接细部构造（专利号：ZL201010596275.8）。

与传统的地铁区间隧道相比，新的结构形式在隧道通风方面，活塞风量的增加有利于有效排除列车运行余热而使隧道温度降低；在压力控制方面，消除区间进出洞处、过中间风井处最不利错车工况下的压力变化叠加带来的舒适度影响；在安全疏散方面，在纵向应急通道宽度较窄的约束条件下，每隔300m设置一组相邻区间的旁通门，增强系统安全性，且无须设置众多的中间逃生井或辅助隧道。

3．主要创新点

发明了一种带隔墙的“单洞双线”新构造，建立新结构的力学分析模型，基于计算结果给出了隔墙与衬砌管片连接的细部构造，获得授权发明专利2项。

图5 单洞双线大盾构及中隔墙实景图

（二）车辆段光伏节能发电新技术

1．研究背景

利用光伏发电技术为地铁车辆段提供电能，不仅可以减少地铁对市网电能的需求，节约运营成本；还可积极响应国家节能减排政策，有效推动我国可再生能源的发展。轨道交通车辆段运营时间长，光伏发电系统能够得到充分的利用，产生的电能可以用来供车辆段的照明和动力设备使用。

2．车辆段光伏节能发电新技术

通过对气象条件环境条件的研究，根据车辆段停车库顶空间面积开阔的特点，研发了太阳能与建筑一体化技术进行太阳能光伏并网发电，包括：兆瓦级光伏发电系统构件一体化、兆瓦级光伏并网接入技术、高效晶硅太阳能发电系统。

图6 光伏组件安装图

3．主要创新点

首次系统提出将光伏系统与轨道交通停车库相结合的设计与施工技术，建成10MW光伏示范系统，年均发电量858.3万kWh，年减排温室气体7115吨，减排烟尘569吨。