第10章 其他轨道交通轨道结构

第十章其它轨道交通方式轨道2第一节概述第二节直线电机轮轨交通第三节独轨交通第四节磁悬浮轨道交通第五节其他轨道交通形式本章内容

随着现代技术的发展.城市轨道交通领域出现了许多新的形式，除了传统的地铁和轻轨外，还有直线电机系统(又称线性电机)、独轨交通系统(又称单轨交通系统)、磁悬浮系统以及空中客车等缆索系统等。分析各种轨道交通方式的工作原理、轨道结构、车辆结构等，它们的不同点主要表现为：支撑和导向方式的不同牵引方式的不同客运量的不同1概述1）按支撑和导向方式分类钢轨/轮轨系统：导向轮与支撑轮合一，旋转/直线电机牵引胶轮系统（独轨系统为主）：导向轮与支撑轮分开，一般由旋转电机牵引索道系统：胶轮，导向轮与支撑轮合一磁悬浮系统：直线电机电磁驱动，车轨无接触，导向与驱动分开1概述2）按牵引方式分类旋转电机牵引：轮轨粘着力驱动列车直线电机牵引：非粘着力驱动内燃发动机牵引（内燃机车、内燃动车组）：粘着力驱动3）按客运量分类大运量：单向断面高峰小时>3万，全封闭线路中运量：单向断面高峰小时1-3万，全/部分封闭线路低运量：一般不封闭线路1概述1981年设计，1982年施工，1986年1月2日正式运营，贯穿大温哥华、伯那比和威斯敏斯特地区的运载系统，就成为第一个投入运营的城市轨道交通直线电机牵引的运载系统。其后又修建了包括1984年多伦多Scarborough的快速运输线，1986年温哥华的ALRT（AdvancedLightRapidTransit）系统，1987年底特律市区的乘客运输系统DPM（DowntownPeopleMover），1994年动工1998年初投入运营服务的马来西亚吉隆坡轻轨系统中的PUTRA线。2直线电机轮轨交通1）直线电机轨道交通发展概况加拿大温哥华SkyTrain1）直线电机轨道交通发展概况2直线电机轮轨交通加拿大温哥华天车新规划：延伸到UBC，要修地下隧道。根据规划，天车千禧线西延工程终点将从ArbutusStreet延伸到UBC。1）直线电机轨道交通发展概况2直线电机轮轨交通加拿大温哥华天车新规划：西延线1）直线电机轨道交通发展概况2直线电机轮轨交通马来西亚吉隆坡格兰纳再也线1）直线电机轨道交通发展概况2直线电机轮轨交通日本大江户线1）直线电机轨道交通发展概况2直线电机轮轨交通纽约肯尼迪机场线1）直线电机轨道交通发展概况2直线电机轮轨交通广州地铁4号线1）直线电机轨道交通发展概况2直线电机轮轨交通北京首都机场线1）直线电机轨道交通发展概况2直线电机轮轨交通2）直线电机轮轨系统特点电动机一般是旋转式的。圆筒形的转子被定子围绕着，定子构成磁场，利用转子中流过的电流，在转子上产生旋转力。直线电机则是把定子和转子这两个圆筒展开成板状，并相对合在一起，转子沿定子的长度方向移动，以某种方式支撑转子，使转子与定子间维持一定间隙。其原理如图：2直线电机轮轨交通2）直线电机轮轨系统特点直线电机的牵引方式有其明显的优点：可缩小车轮尺寸，可降低车厢地板面，可缩小车体断面尺寸，可减小相应的隧道断面；车辆不受轮轨之间黏着条件的限制。爬坡能力强；采用径向转向架，可在曲线半径小的线路上运行；驱动系统没有旋转部分，运行噪声可维持在较低水平等。但是，直线电机牵引方式也有其缺陷，例如直线电机要求逆变器的容量比旋转式电机的大；因为不依赖钻着，牵引可在陡坡道上进行，但由于某种原因电气制动失效时，则必须依靠机械制动；而且小半径车轮因其磨耗快，踏面研磨频繁.必须调整其角度和空隙。2直线电机轮轨交通3）轨道设计特点感应板的安装直线电机轨道交通系统采用线性感应电机驱动技术，是介于磁悬浮与轮轨系统之间的轨道系统。有别于传统轨道交通牵引模式。轨道结构与一般的地铁线路不同，感应板要安置在轨道道床上，其与钢轨、道床以及第三轨的尺寸链关系至为重要，间隙尺寸关系如右图所示：2直线电机轮轨交通3）轨道设计特点感应板的安装加拿大技术：在道床或轨枕上预埋螺栓，感应板固定在螺栓上，易调整，板端头可悬空，感应板的铺装方便。2直线电机轮轨交通3）轨道设计特点感应板的安装日本技术：在轨枕上预埋螺栓，采用扣压件扣压感应板，感应板稳定性较好，缺点是感应板的调整量很小，对轨道的要求过高，感应板规格极少且端头不能悬空，给轨道铺设设计带来极大困难。2直线电机轮轨交通3）轨道设计特点轨道受力分析一方面轨道结构承受来自车辆的随机动荷载作用，在载荷反复作用下，轨道强度受到影响，钢轨在轮轨接触处、由于巨大的接触应力可能会导致钢轨的损伤，在制动力和曲线侧向切削力的作用下又会使这种损伤加剧；由于温差、坡道及小半径的影响，无缝线路还可能会发生失稳、断轨等问题。另一方面。直线电机运载系统的轨道结构与感应板之问还存在着一定的相互作用。除了感应板会对轨道结构的形式、设计参数等有一定的影响外，轨道结构的性能也会对直线电机正常、安全使用有重要的影响。2直线电机轮轨交通4）直线电机轨道交通的轨道结构国外直线电机系统道床形式预制混凝土道床板式：结构整体强、稳定性好，轨道施工质量高，与其它工法相比，施工效率高。但造价偏高。适用于高架桥上、或路基条件较好、或施工条件比较好的线路地段。采用预制道床板的吉隆坡PUTRA线预制混凝土道床板式2直线电机轮轨交通4）直线电机轨道交通的轨道结构国外直线电机系统道床形式直联式轨道系统：将钢轨和扣件直接与道床混凝土联接，加拿大温哥华skytrain“空中列车”工程采用这种轨道，为高架线路。吉隆坡PUTRA线道岔地段直联式轨道加拿大温哥华skytrain“空中列车”2直线电机轮轨交通4）直线电机轨道交通的轨道结构国外直线电机系统道床形式长枕式整体道床:感应板安装调整快；道床厚度较大，有利于减轻隧道仰拱的变形；可采用轨排架法施工，利于轨道几何状态的调整和保持。其缺点为长枕式道床排水方式单一，只能在道床两侧设排水沟；长枕式道床与短枕式整体道床相比造价偏高。2直线电机轮轨交通4）直线电机轨道交通的轨道结构国外直线电机系统道床形式碎石道床轨道:技术成熟，结构简单，施工容易，成本较低。但稳定性相对较差，不利于轨道状态的保持，在排水不好的地段更易出现道床病害，维修量较大。轨枕中间安置感应板，钢轨外侧轨枕端部安装三/四轨，在养护时捣固比传统的碎石道床结构困难。这种结构适用于车场线或软土地基线路。2直线电机轮轨交通4）直线电机轨道交通的轨道结构国内直线电机系统轨道结构直联式轨道结构轨道交通主要采用的轨道结构形式大连城市有轨电车2直线电机轮轨交通4）直线电机轨道交通的轨道结构国内直线电机系统轨道结构短枕式整体道床用于直线电机轨道时，感应板的安装不便，若采用预埋件，则需要其在现场精确预埋，对施工精度要求较高，若采用后锚固技术，则安装工作量较大，进度慢且造价较高。地铁普遍采用2直线电机轮轨交通4）直线电机轨道交通的轨道结构国内直线电机系统轨道结构长枕式整体道床结构简单，施工方便、整体性好；轨道弹性和高低、水平的调整仅靠扣件完成，对基础适应性较差。秦沈线沙河桥长枕式轨道2直线电机轮轨交通4）直线电机轨道交通的轨道结构国内直线电机系统轨道结构板式无砟轨道结构简单、施工方便，具有较强的可维修性，对基础的适应能力强秦沈客运专线桥桥上板式轨道2直线电机轮轨交通各种轨道结构形式的比较项目碎石道床短枕式整体道床板式轨道长枕式整体道床直联式道床结构特点结构简单、弹性好、技术成熟、道床稳定性差、日常维修量大技术成熟、结构简单、施工安装定位工作量大整体性好、部件安装精确、施工质量好、进度快结构整体性好、轨道状态好、施工进度快结构简单、轨道高度低、曲线超高设置困难直线电机适应性轨枕预留感应板螺栓孔感应板安装在道床上，调整工作量大预留感应板螺栓孔预留感应板螺栓孔感应板直接安装，调整工作量大可实施性施工简单可以施工、调整工作量大施工快、现场调整工作量小轨排法施工、调整方便可以施工、施工精度要求高适应性地面线、车场线道岔、高架桥调节器高架桥道床地下线道床部分特殊地段经济指标0.6711.271.050.95实践应用性吉隆坡直线电机车场线、国内地铁、国铁国内地铁吉隆坡直线电机高架、秦沈线高架桥日本直线电机地铁、上海地铁地下线加拿大温哥华直线电机高架线、大连轻轨2直线电机轮轨交通第三节独轨交通30一、独轨交通概述（一）独轨交通简介独（单）轨交通（MonorailTransit）是一种轨道为一条带形的梁体、车辆跨坐于其上或悬挂于其下行驶的交通工具。按走行模式和构造的不同，分为跨座式独轨（StraddleMonorail）和悬挂式独轨（SuspendedMonorail）交通两种形式。跨座式独轨交通悬挂式独轨交通第三节独轨交通31一、独轨交通概述（二）国外独轨交通的发展英国人亨利▪帕默尔（HenryPalmer）在1821年创造了用马牵拉车辆骑行于木制轨道上的跨座式独轨交通，并于1824年在伦敦码头建设了一条供运货的独轨交通。1888年法国人查尔▪拉里格（CharleLarligue）为爱尔兰利斯特维尔设计建造了一条长约15km蒸汽动力客货两用的跨座式独轨，列车采用多节车辆编组，平均运速23km/h，最高速度43km/h。1898年法国人奥根▪兰根（EugenLangen）德国伍珀塔尔市设计建造了电力牵引和钢轮钢轨走行系统的悬挂式独轨交通。该线第一段工程于1901年完工并投入使用，全线通车于1903年。伍珀塔尔市悬挂式独轨交通第三节独轨交通北九州跨座式独轨交通千叶市悬挂式独轨交通多摩地区跨座式独轨交通那霸市跨座式独轨交通第三节独轨交通33一、独轨交通概述（三）我国独轨交通的发展2000年至2004年，我国独轨交通用作城市客运交通的首条线路——重庆市轨道交通2号线建成。这座跨座式独轨交通，线路由市中心解放碑地区的较场口出发，沿嘉陵江畔西行，再向南至重庆钢铁厂所在地新山村，全长18.6km。此外，跨座式独轨交通系统在中国运用的城市还有深圳。深圳建设了2条游乐园跨座型独轨线，长度分别为1.7km和4.4km。重庆市跨座式独轨交通第三节独轨交通34二、独轨交通技术特征及优缺点（一）独轨交通的优点作为城市客运交通工具的独轨交通与城市一般客运交通相比，具有以下优点。行驶速度快，运量适中适应地形能力强施工方便，造价低占地面积小，能有效利用城市空间运行安全、舒适对环境污染少对居民正常生活干扰少迪拜棕榈岛观光轻轨第三节独轨交通35二、独轨交通技术特征及优缺点（二）独轨交通的缺点列车在空中行驶，在区间万一发生故障，虽然事故列车可采用其他动力车牵引至临近车站，或采用本线或相邻线路列车将乘客接走等方式疏散乘客，但相比轻轨和地铁，其救援工作复杂，乘客只能被动等待。独轨交通的道岔系统构造比较复杂。特别是跨座式独轨道岔形体比较笨重，转换一次道岔的时间一般都需10s以上，而且列车需减速通过道岔，降低了列车平均运速，延长了折返时间，使增加行车密度受到制约。一般情况下，独轨交通的行车间隔很难低于2.5min，只能通过加大列车编组增加运量。独轨交通受轮胎承载力的限制，每一橡胶车轮的承载力不超过5.5t，每轴双轮承载力为11t，而通常采用四轴车，总载量为44t，载客量和车辆长度均受到一定的限制。同时，胶轮耐磨性差，使用寿命比钢轮短。此外，跨座式独轨交通的车站，站台面距轨道梁底板较高，为防止乘客失足跌落摔伤，需要采取安全保护措施。第三节独轨交通36三、独轨交通的适用范围独轨交通是一种组成比较灵活，完全或基本行驶在地面以上的轨道交通，具有爬陡坡、转急弯等独具的特点，能够满足各类城市的不同交通量需求，适应不同地形及道路条件，是可实现最佳效率的交通工具之一。它的适应范围比较广，从使用功能方面来分，大体可归纳为：中运量客运交通短途、低运量客运交通专用的交通工具迪斯尼乐园观光轻轨第三节独轨交通37四、独轨交通系统的组成独轨交通系统基础设施包括：车辆、轨道梁、支柱（包括托梁与基础）、道岔、车站等。跨座式独轨交通在技术系统组成中，有别于其他城市轨道交通的主要是PC轨道梁、道岔和车辆的转向架，这是这种交通制式中构造复杂，精度要求高、制作难度大的三项关键的技术组成。跨座式独轨车辆构造第三节独轨交通38四、独轨交通系统的组成1、悬挂式独轨的轨道悬挂式独轨的轨道一般系钢制，轨道梁采用箱形中空断面，内含集电轨、通信缆线、导向轨、走行轨，并包含车厢的转向架，以悬挂并使列车沿导轨运行。轨道梁的跨径，在直线路段约为30~35m,但在弯曲路段则折减为25m。墩柱亦为钢制，可根据路线状况采用标准T形、倒L形或门架形式。悬挂式独轨的转辙主要可分为“连接”及“交叉”两种。当车辆需要改变行驶方向时，可通过箱形轨道梁内可动轨的水平移动实现。（一）轨道箱型轨道梁内部装置第三节独轨交通39四、独轨交通系统的组成2、跨座式式独轨的轨道跨座式独轨交通的轨道梁，不仅是承受列车载荷的承重结构，同时是车辆运行的轨道，又是供电、信号、通信等缆线的载体，构造比较复杂。为保证行车安全和乘坐舒适的需要，梁体的制作和施工安装的质量及精度要求都很高。（一）轨道轨道梁（PC梁）平剖面图第三节独轨交通40四、独轨交通系统的组成跨座式独轨交通支托轨道梁的支柱，通常采用钢筋混凝土柱。支柱有T形、倒L形、门形以及叠式T形等。（二）支柱T型支柱、倒L型支柱以及门型支柱示意图（单位：mm）第三节独轨交通41四、独轨交通系统的组成结构上可分为关节型道岔和关节可挠型道岔。（1）关节型道岔由几节钢制短轨道梁铰接，车辆通过折线部位时冲击力较大，用于车辆低速行驶的车场线和辅助线。（2）关节可挠型道岔由几节钢制短轨道梁铰接，在梁两侧导向轮和稳定轮走行面配一套曲板装置，为曲线型道岔，构造复杂，运行平稳，舒适性好。用于车辆载客行驶的正线。（三）道岔关节可挠型道岔关节型道岔1、道岔结构类型第三节独轨交通42四、独轨交通系统的组成单渡线道岔交叉渡线道岔多开道岔（三）道岔2、道岔的形式交叉渡线道岔单渡线道岔五开道岔第四节磁悬浮轨道交通43一、磁悬浮轨道交通概述（一）磁悬浮轨道交通的发展1922年,德国HermannKenper提出电磁悬浮理论,1934年申请了专利。拟采用真空隧道技术实现1000km/h的速度1972年日本磁悬浮试验车走行成功1984年德国建成了Emsland试验线,31.5km1974年英国在德比试验,后在伯明翰建成620m线路,1984运营,1996年关闭80年代前苏联在莫斯科建成600m试验线美,加,法,韩,澳,罗等国也曾开展过试验研究2006年，上海磁浮列车示范运营线开通运营2018年，北京首条中低速磁浮轨道交通S1线开始试运营第四节磁悬浮轨道交通44一、磁悬浮轨道交通概述（一）磁悬浮轨道交通的发展北京磁悬浮示范线，又称北京地铁S1线，北京地铁门头沟线。北京地铁S1线，是北京市建设中的一条中低速磁悬浮轨道线。该线路连接北京城区与门头沟区，西起石门营站，向东至苹果园站，与6号线、1号线相接。全长10.2千米。工程总投资约6423亿元。与上海的高速磁悬浮采用德国技术不同，北京的S1线将采用中低速磁悬浮技术——中国拥有全部自主知识产权。第四节磁悬浮轨道交通45一、磁悬浮轨道交通概述（二）磁悬浮铁路的类型1、按照运行速度低速（常速）磁悬浮中速磁悬浮高速磁悬浮2、按照是否使用超导材料超导磁悬浮：日本ML技术常导磁悬浮：运捷TR、日本的HSST、我国磁悬浮运捷TR第四节磁悬浮轨道交通46一、磁悬浮轨道交通概述（二）磁悬浮铁路的类型3、按定子长度长定子直线电机磁悬浮：一般采用导轨驱动技术，列车的运行速度和运行工况由地面控制中心直接控制。长定字直线电机通常用于高速磁悬浮铁路中。短定子直线电机磁悬浮：一般采用列车驱动技术，列车的运行速度和运行工况由司机直接控制。短定子直线电机通常用在中低速磁悬浮铁路中，适用于城市轨道交通领域。

4、按导轨结构形式T形导轨U形导轨一形导轨U形导轨一形导轨第四节磁悬浮轨道交通47一、磁悬浮轨道交通概述项目日本ML德国TR日本HSST中国世纪号应用范围干线、城际干线、城际城际、市内市内速度范围超高速超高速中低速、高速中低速线圈导体低温超导常导常导高温超导直线电机长定子、同步长定子、同步短定子短定子驱动方式导轨驱动导轨驱动列车驱动列车驱动悬浮方式电动悬浮EDS电磁悬浮EMS磁吸式磁斥式导轨结构U形T形T形一形第四节磁悬浮轨道交通48二、磁悬浮轨道交通的工作原理超导磁悬浮列车的车辆上装有车载超导磁体并构成感应动力集成设备，而列车的驱动绕组和悬浮导向绕组均安装在地面导轨两侧，车辆上的感应动力集成设备由动力集成绕组、感应动力集成超导磁铁和悬浮导向超导磁铁三部分组成。当向轨道两侧的驱动绕组提供与车辆速度频率相一致的三相交流电时，就会产生一个移动的电磁场，因而在列车导轨上产生磁波，这时列车上的车载超导磁体就会受到一个与移动磁场相同步的推力，正是这种推力推动列车前进。在地面导轨上安装有探测车辆位置的高精度仪器，根据探测仪传来的信息调整三相交流电的供流方式，精确地控制电磁波形以使列车能良好地运行。第四节磁悬浮轨道交通49二、磁悬浮轨道交通的工作原理1、悬浮原理超导悬浮也叫电动悬浮。在车辆超导线圈旁边放置了地面短路线圈（也称悬浮线圈），车辆由直线同步电动机推进。当车辆产生速度时，与悬浮线圈相交链的磁通必然有所变化，如同发电机原理一样，磁通变化在悬浮线圈内产生电流与超导线圈间发生作用，从而产生了排斥力，即悬浮力。悬浮原理示意图第四节磁悬浮轨道交通50二、磁悬浮轨道交通的工作原理2、导向原理导向系统是一种侧向力来保证悬浮的机车能够沿着导轨的方向运动。必要的推力与悬浮力相类似，也可以分为引力和斥力。在机车底板上的同一块电磁铁可以同时为导向系统和悬浮系统提供动力，也可以采用独立的导向系统电磁铁。导向原理与悬浮原理相同，只是使左右线圈产生力的方向相差180°，因而相对车辆中心线的任何左右位移时，将产生回复力，像产生悬浮力一样，在没有左右位移时不产生回复力，宫崎线的导向线圈布置如图所示。导向线圈布置原理第四节磁悬浮轨道交通51二、磁悬浮轨道交通的工作原理3、驱动原理磁悬浮列车的驱动运用同步直线电动机的原理。车辆下部支撑电磁铁线圈的作用就像是同步直线电动机的励磁线圈，地面轨道内侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作用，它就像同步直线电动机的长定子绕组。从电动机的工作原理可以知道，当作为定子的电枢线圈有电时，由于电磁感应而推动电机的转子转动。超导线圈及其整个部件示意图单位：mm第四节磁悬浮轨道交通5