上海市軌道交通16號(hào)線工程開(kāi)工時(shí)間：2009年10月；竣工時(shí)間：2014年12月。工程針對(duì)市域地鐵快線高運(yùn)行速度下帶來(lái)的運(yùn)營(yíng)模式、車輛研制、授電方式、地下區(qū)間、高架橋梁、軌道結(jié)構(gòu)等建設(shè)難題進(jìn)行了系統(tǒng)的科學(xué)研究，在新系統(tǒng)、新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備等方面形成了技術(shù)創(chuàng)新。該工程共申請(qǐng)國(guó)家專利39項(xiàng)，其中發(fā)明專利5項(xiàng)、實(shí)用新型專利27項(xiàng)；專著1部；規(guī)范2本。該工程的部分研究成果已應(yīng)用于其他新建軌道交通項(xiàng)目的規(guī)劃和設(shè)計(jì)中。

一、大客流高速1500V接觸軌授流市域軌道交通新系統(tǒng)

（一）快慢車組合及靈活編組運(yùn)營(yíng)組織模式

1．研究背景

16號(hào)線客流具有強(qiáng)度較低、平均乘距長(zhǎng)、高峰和平峰客流差異較大、呈現(xiàn)潮汐現(xiàn)象的特征，主要以組團(tuán)客流交換為主，直達(dá)客流占全線客流的比例達(dá)到32%，具有開(kāi)行快車的需求。

圖1 16號(hào)線遠(yuǎn)期組團(tuán)OD比例圖

2．快慢車組合運(yùn)營(yíng)方案

結(jié)合工程實(shí)際情況并吸收國(guó)外長(zhǎng)大線路快慢車組合運(yùn)營(yíng)的經(jīng)驗(yàn)，采用定性和定量相結(jié)合的方法重點(diǎn)研究了運(yùn)營(yíng)組織模式、列車運(yùn)行交路和列車編組方案。從理論上對(duì)開(kāi)行快慢車組合運(yùn)行的組織形式與條件、快慢車的越行條件、越行地點(diǎn)、越行次數(shù)以及相關(guān)影響因素進(jìn)行重點(diǎn)分析，提出列車交路、列車編組和運(yùn)輸能力等的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

根據(jù)客流特征及運(yùn)行圖鋪劃設(shè)置越行站，越行站位置和運(yùn)行圖的安排相互配合，通過(guò)預(yù)先停車或延遲發(fā)車等措施來(lái)調(diào)整快慢車的發(fā)車間隔，從而使越行站移至客流量較小的車站。越行站配線采用雙島四線型式。當(dāng)快車通過(guò)越行車站時(shí)，在保證安全的前提下，出站進(jìn)路提前辦理，道岔提前鎖閉至指定位置，系統(tǒng)控制快車依據(jù)運(yùn)營(yíng)預(yù)先編制的時(shí)刻表經(jīng)由越行站的直行軌道越行慢車，快車和慢車的到通、通發(fā)能力為60s，快慢車的越行依據(jù)時(shí)刻表自動(dòng)運(yùn)行。

開(kāi)行直達(dá)車、大站車和普通車的快慢車組合運(yùn)營(yíng)的模式，有效地節(jié)省了乘客總的出行時(shí)間，減少了車輛的配置數(shù)量，使上海地鐵平均旅行速度提升40%，可實(shí)現(xiàn)臨港新城至龍陽(yáng)路36min直達(dá)并與已有軌道交通網(wǎng)絡(luò)換乘。車輛選型在初、近、遠(yuǎn)期分別按3節(jié)和3+3節(jié)的靈活編組，遠(yuǎn)期高峰時(shí)開(kāi)行6節(jié)編組，平峰時(shí)開(kāi)行3節(jié)編組車輛，提高了運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平和運(yùn)營(yíng)效益，達(dá)成降低綜合成本的效果。

圖2 三種列車停站示意圖

3．主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

首次研究在長(zhǎng)大市域軌道交通快速線路上采用快慢車組合及靈活編組運(yùn)營(yíng)組織模式，形成相關(guān)的設(shè)計(jì)理論與方法，并得到運(yùn)營(yíng)實(shí)施。

（二）120km/h直流1500V接觸軌授流的A型車輛

1．研究背景

市域軌交平均站間距大且平均乘距長(zhǎng)，乘客對(duì)旅行速度和舒適度有較高需求；為滿足景觀和供電系統(tǒng)維修方便及時(shí)的需要，兼顧資源共享，采用直流1500V接觸軌授流方式。因此，在車體、轉(zhuǎn)向架、牽引和制動(dòng)、與接觸軌的接口技術(shù)等多個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行科研攻關(guān)，研制中高速直流1500V接觸軌授流的A型車輛，以適應(yīng)市域軌道交通發(fā)展的必然需求。

2．時(shí)速120km直流1500V接觸軌授流的A型車輛

（1）動(dòng)力配置與性能

采用WTB+MVB全冗余分布式總線控制方式，國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)在線靈活編組需求；牽引系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)向架控制和國(guó)內(nèi)首創(chuàng)半動(dòng)車（2-B0）動(dòng)力配置模式，在有效控制車輛軸重≤16t的同時(shí)，整體提高3節(jié)編組列車正線故障運(yùn)營(yíng)能力和救援效率。通過(guò)研發(fā)“城軌車輛牽引供電系統(tǒng)”新技術(shù)（專利號(hào)：ZL201220672799.5），實(shí)現(xiàn)列車牽引受流能力的提升，輔以基礎(chǔ)制動(dòng)選用盤式制動(dòng)，成功實(shí)現(xiàn)A型地鐵列車最高運(yùn)營(yíng)速度等級(jí)提升20%的目標(biāo)。

（2）高速、高電壓、大電流接觸軌授流

針對(duì)DC1500V接觸軌授流大電流、高沖擊世界級(jí)難題，通過(guò)對(duì)氣動(dòng)受流器（專利號(hào)：ZL201220434338.4，ZL201220679131.3）及其檢測(cè)（專利號(hào)：ZL201220442408.0）和監(jiān)測(cè)（專利號(hào)：ZL201220391386.X）方法的研究，在國(guó)際上首次成功解決了時(shí)速120kmA型車的DC1500V接觸軌授流技術(shù)難題。

（3）復(fù)合型牽引方式

通過(guò)研發(fā)“城軌車輛的蓄電池與受電弓牽引供電系統(tǒng)”（專利號(hào)：ZL201220673205.2）和“城軌車輛的蓄電池與受流器牽引供電系統(tǒng)”（專利號(hào)：ZL201220672821.6），國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)集電靴及受電弓受流和蓄電池應(yīng)急牽引三種牽引方式的集成，滿足正線、段場(chǎng)、無(wú)電區(qū)等線路條件下無(wú)縫切換的供電模式，充分提高列車在郊縣運(yùn)營(yíng)的可使用性和維修保養(yǎng)的安全性。

（4）安全性與舒適性

通過(guò)研發(fā)新型ZMA120型轉(zhuǎn)向架（專利號(hào)：ZL201020668985.2）以及新型輪盤制動(dòng)轉(zhuǎn)向架（專利號(hào)：ZL201220132846.7），并對(duì)構(gòu)架側(cè)梁下蓋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化（專利號(hào)：ZL201220374912.1），配置車輛走行部故障診斷裝置和系統(tǒng)（專利號(hào)：ZL201220544896.6），確保列車在120km/h條件下安全可靠運(yùn)營(yíng)，且運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)≤2.5，達(dá)到速度等級(jí)80km/h同等水平。通過(guò)“車門安全回路”（專利號(hào)：ZL201220407657.6）的研發(fā)，使得市域軌道交通列車車門在確保安全的前提下可由乘客自行開(kāi)關(guān)。

全景（120kmh DC1500V授電A型車行駛圖）

圖3 動(dòng)力轉(zhuǎn)向架三維圖及構(gòu)架強(qiáng)度計(jì)算模型

3．主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

國(guó)際首創(chuàng)時(shí)速120km直流1500V接觸軌授流的A型車，形成專利12項(xiàng)。

（三）時(shí)速120km直流1500V接觸軌系統(tǒng)

1．背景

16號(hào)線大部分區(qū)域位于東海之濱，地勢(shì)平坦空曠，臺(tái)風(fēng)多、雷電多，線路應(yīng)急搶險(xiǎn)布點(diǎn)不可能很密集，維護(hù)成本也隨著線路距城市中心區(qū)的距離增大而明顯增大，設(shè)計(jì)需要考慮更少維護(hù)成本的供電方式。

2．速度等級(jí)120km/h的直流1500V鋼鋁復(fù)合接觸軌供電系統(tǒng)

靴軌良好授流是安全運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵，針對(duì)120km/h速度等級(jí)的DC1500V接觸軌系統(tǒng)（見(jiàn)圖3），進(jìn)行接觸軌跨距布置與120km/h速度的系統(tǒng)性分析、全線接觸軌斷口處端部彎頭與車輛集電靴適應(yīng)性系統(tǒng)分析、全線接觸軌與車輛匹配情況系統(tǒng)性分析等。在細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)上，對(duì)端部彎頭坡度、膨脹接頭及中心錨節(jié)安裝型式進(jìn)行改良和更新。

圖4 集電靴現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

提出基于軌道基樁控制網(wǎng)進(jìn)行軌道交通接觸網(wǎng)、軌的測(cè)量方法（專利申請(qǐng)?zhí)枺?01310222084.9），自主研制了“時(shí)速120km的直流1500V接觸軌系統(tǒng)”配套施工新設(shè)備，包括：“接觸軌綜合測(cè)量?jī)x”（專利號(hào)：ZL201320190409.5），將接觸軌的導(dǎo)高和拉出值誤差不大于±5mm，提高到不大于±3mm；“多功能限界檢測(cè)車”（專利號(hào)：ZL201320236030.3），自動(dòng)合成直線、曲線等不同結(jié)構(gòu)斷面下的設(shè)備限界檢查；“模擬鋼軌模具”，在線路尚未鋪軌的條件下，模擬鋼軌定位從而達(dá)到接觸軌測(cè)量定位的目的；“拉軌工具”，使接觸軌對(duì)接縫間隙從原來(lái)1mm減小到0.5mm。運(yùn)營(yíng)實(shí)踐證明，時(shí)速120km直流1500V接觸軌授流將軌道交通供電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本降低了70%。

3．主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

首次研發(fā)了120km/h速度等級(jí)直流1500V鋼鋁復(fù)合接觸軌供電成套設(shè)計(jì)施工技術(shù)，配套研制了相關(guān)的施工設(shè)備，形成專利3項(xiàng)，完成專著《120km/h接觸軌設(shè)計(jì)規(guī)范及施工驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（中國(guó)鐵道出版社2013年）。

二、時(shí)速120km市域軌道交通設(shè)計(jì)新技術(shù)

（一）設(shè)置中隔墻的“單洞雙線”盾構(gòu)法區(qū)間新構(gòu)造

1．研究背景

常規(guī)地鐵區(qū)間多采用內(nèi)徑5.5m的盾構(gòu)隧道，當(dāng)列車速度高達(dá)120km時(shí)隧道內(nèi)將產(chǎn)生“活塞風(fēng)效應(yīng)”，即隧道內(nèi)空氣產(chǎn)生非穩(wěn)定流，且隧道內(nèi)外形成一定壓差，隧道內(nèi)壓力變化將導(dǎo)致乘客耳膜不適，甚至可能損害設(shè)備與結(jié)構(gòu)，為此，需要提出一種新的結(jié)構(gòu)形式解決此問(wèn)題。

2．單洞雙線大盾構(gòu)及中隔墻技術(shù)

為滿足在地鐵列車高速運(yùn)營(yíng)情況下乘客的舒適度，并兼顧逃生通道設(shè)置與防災(zāi)減災(zāi)的要求，基于“大型化、工廠化、機(jī)械化”的理念，發(fā)明一種帶隔墻的“單洞雙線”結(jié)構(gòu)形式（專利號(hào)：ZL200910246077.6），即通過(guò)在大斷面盾構(gòu)隧道中央設(shè)置中隔墻分隔上下行車線，實(shí)現(xiàn)“單洞雙線”。借助彈性鉸圓環(huán)法、彈性地基梁法和連續(xù)介質(zhì)有限元法等建立結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)分析模型，并對(duì)自重、地層荷載和地層長(zhǎng)期固結(jié)沉降作用下的結(jié)構(gòu)變形與內(nèi)力進(jìn)行了系統(tǒng)分析?；诜治鼋Y(jié)果，提出了在中隔墻與隧道管片之間設(shè)置120mm間隙的分離式連接細(xì)部構(gòu)造（專利號(hào)：ZL201010596275.8）。

與傳統(tǒng)的地鐵區(qū)間隧道相比，新的結(jié)構(gòu)形式在隧道通風(fēng)方面，活塞風(fēng)量的增加有利于有效排除列車運(yùn)行余熱而使隧道溫度降低；在壓力控制方面，消除區(qū)間進(jìn)出洞處、過(guò)中間風(fēng)井處最不利錯(cuò)車工況下的壓力變化疊加帶來(lái)的舒適度影響；在安全疏散方面，在縱向應(yīng)急通道寬度較窄的約束條件下，每隔300m設(shè)置一組相鄰區(qū)間的旁通門，增強(qiáng)系統(tǒng)安全性，且無(wú)須設(shè)置眾多的中間逃生井或輔助隧道。

3．主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

發(fā)明了一種帶隔墻的“單洞雙線”新構(gòu)造，建立新結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析模型，基于計(jì)算結(jié)果給出了隔墻與襯砌管片連接的細(xì)部構(gòu)造，獲得授權(quán)發(fā)明專利2項(xiàng)。

圖5 單洞雙線大盾構(gòu)及中隔墻實(shí)景圖

（二）車輛段光伏節(jié)能發(fā)電新技術(shù)

1．研究背景

利用光伏發(fā)電技術(shù)為地鐵車輛段提供電能，不僅可以減少地鐵對(duì)市網(wǎng)電能的需求，節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本；還可積極響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排政策，有效推動(dòng)我國(guó)可再生能源的發(fā)展。軌道交通車輛段運(yùn)營(yíng)時(shí)間長(zhǎng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠得到充分的利用，產(chǎn)生的電能可以用來(lái)供車輛段的照明和動(dòng)力設(shè)備使用。

2．車輛段光伏節(jié)能發(fā)電新技術(shù)

通過(guò)對(duì)氣象條件環(huán)境條件的研究，根據(jù)車輛段停車庫(kù)頂空間面積開(kāi)闊的特點(diǎn)，研發(fā)了太陽(yáng)能與建筑一體化技術(shù)進(jìn)行太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電，包括：兆瓦級(jí)光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)件一體化、兆瓦級(jí)光伏并網(wǎng)接入技術(shù)、高效晶硅太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。

圖6 光伏組件安裝圖

3．主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

首次系統(tǒng)提出將光伏系統(tǒng)與軌道交通停車庫(kù)相結(jié)合的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)，建成10MW光伏示范系統(tǒng)，年均發(fā)電量858.3萬(wàn)kWh，年減排溫室氣體7115噸，減排煙塵569噸。