伊朗德黑兰地铁一、二号线综合技术研究

伊朗德黑兰地铁一、二号线综合技术研究与应用（廖国才 于松伟）摘要：本文是对“伊朗德黑兰地铁一、二号线综合技术研究与应用”课题研究报告的概要总结。德黑兰地铁一、二号线工程，是我国建国以来机电设备成套出口的最大项目，是以设计科研为龙头包括制造、安装、调试的交钥匙工程，为了突破工程难点和解决技术难题，保证工程整体上的经济性与先进性，课题对线路、限界、轨道、中低压配电系统、车站与隧道通风系统、通信信号与控制系统、车站机电设备监控系统及其施工安装等进行了系统研究，取得了两项国家实用新型专利和几十项重要科研成果，并全部成功应用于工程，效果明显，经济、社会效益显著。关键词：地铁、线路调整设计、限界检查、后张拉轨枕模具、IRM-I型轨道扣件、临时轨道工法、下部授流接触轨系统、通风噪声传递新工艺、列车监控自动ATS系统、电力监控（SCADA）系统、车站机电设备监控系统（BAS）、设备国产化。一、项目背景 伊朗德黑兰地铁一、二号线，线路全长50km，其中地下线34km，地面线16km；共设45座车站、2座车辆段、1处控制中心。该工程早在1978年就由法国索菲图咨询公司完成工程设计以及大部分隧道和车站的土建施工，后来由于两伊战争和经济原因而停止。1991年该工程实行国际招标，中国国际信托投资公司作为总承包商，北京市城建设计研究院作为设计总体单位与国内最具实力的企业组成联合体，与法国、俄罗斯等国家的大公司共同参加投标，中方经过几年的激烈竞争而中标，整个工程除土建及少量设备外的总投资为5.83亿美元。1996年合同生效，工程正式实施。 工程原设计主要依据法国的标准、车辆和设备，现在采用中国的标准、车辆和设备，两者相比存在很大差异。工程存在以下诸多难点和技术难题：1、设计程序相反 要求在20多年前就施工好的隧道内和车站设备用房内，采用不同标准和理念进行线路、限界、轨道和各设备系统设计，设计程序相反，工程难度加大。2、小洞跑大车、限界紧张 因局部隧道平面和纵断面的最大施工误差达0.619m，加上由法国小地铁车改用我国长春客车厂的大地铁车，小洞跑大车，限界紧张。3、原设计存在不足 如原设计线路平面、纵断面采用的技术标准较低，在34 km长的隧道内进行线路调整设计，量大难度大。另外，由于原设计的缺陷，造成通风系统正常通风道与事故排烟道消声不等效，需要新标准、新方法和新手段。4、地势高差大、气流组织困难 地铁一号线隧道的起点与终点地势高差达286m，最大坡度达50‰，形成了“烟囱”效应，排烟时气流组织困难。5、设计理念不同 按照法国理念及设备，设计施工的大部分车站，其设备房间及其预留孔洞较小，不适合新理念和我国地铁设备的安装要求等。6、业主要求不同 该工程是以设计科研为龙头包括制造、安装、调试的国际总承包工程，工程技术问题都连着商务问题，业主要求系统功能全、水平高、造价低。为保证系统的经济性、先进性和总体性，必须对地铁的通信信号系统、电力监控（SCADA）系统和车站机电设备监控系统（BAS），结合国内外地铁技术与设备以及计算机发展水平，开展国产化和新功能研究。 为了突破以上工程难点和解决技术难题，保证德黑兰地铁工程整体上的经济性与先进性，课题组结合工程的设计需要、现场情况、业主要求、合同条件、国内外地铁技术发展水平以及计算机技术发展水平，尤其是针对该工程难点和先进性与经济性相统一的问题，提出了课题的主要研究内容，并从理论上、标准上、方法上、工艺上、施工方法上及设备国产化实施上进行了系统研究，实现了以工程带科研、以科研促设计，保证了德黑兰地铁一、二号线工程的圆满实施。同时，开发了新技术、新工艺、新设备，积累了丰富经验。 二、主要研究内容 1、线路调整设计研究（1）原设计基础条件的分析研究；（2）确定技术标准的理论与方法的研究；（3）34km隧道限界检查及其软件的研究；（4）线路调整设计方法及其软件的研究。 2、轨道及其施工方法研究（1）IRM-Ⅰ型扣件的研究；（2）2.4m后张拉轨枕模具的研制；（3）轨道施工方法的研究。 3、中低压配电系统设计研究（1）下部授流接触轨系统(含电分段设置)的国产化研究；（2）单机组12脉波牵引整流机组的研制；（3）20kV中压网络的设计研究。 4、通风系统噪声控制设计研究（1）通风系统噪声控制新路径研究；（2）电动排烟风阀隔声性能试验。 5、通信信号及控制系统设计研究（1）通信系统研究；（2）列车自动监控ATS系统的国产化研究；（3）地铁电力监控SCADA系统的国产化研究。 6、车站机电设备监控系统BAS的国产化和新功能研究三、核心技术方案1、 线路调整设计研究 在20年前按法国标准设计并施工好的34km隧道上（7.6m宽、单洞双线）、面对存在小车改大车（地铁车宽2.6m、原17m改长19.52 m），施工误差大（最大误差达0.619m）、设计标准低（线路最小缓和曲线长为15m、最小夹直线长度为16.96m、曲线车站曲线半径为500 m、一般地段线间距为3.2 m）等困难，打破常规、大胆引用新理论、研究线路及限界新标准、采用新方法，全面进行隧道限界净空检查和线路平剖面调整设计，比如：改变线间距与超高值；有效利用单洞双线隧道空间；降低轨面标高；利用软件对每个断面进行动态测控等等。这样，克服了限界紧张的矛盾，解决了小洞跑大车的难题。2、IRM-Ⅰ型扣件的研制 德黑兰地铁采用长2.4m无挡肩后张拉轨枕， 54kg/m钢轨；条件是联络线最小曲线半径90m，最大坡度50‰。IRM-Ⅰ扣件是专门为德黑兰地铁研究设计的。其主要部件如下： 扣压件：采用我国铁路定型的B型ω弹条，材料为60Si2Mn热轧弹簧钢，用T型螺栓紧固。单个弹条扣压力为8.5 kN。解决了50‰大坡道需增加扣压力的问题。 铁垫板：材料为KTH350-10，韧性好，造价低，厚度为18mm。设铁垫板，能提高扣件保持轨距能力，并能延长扣件使用寿命。不但能改善钢筋混凝土枕的受力状态，延长其使用期限，又能增加钢轨的高低调整量。联络线曲线半径为90m，轨距需加宽16mm，为解决轨距加宽问题，铁垫板长钉孔直线段由3mm加长至14mm，增加了轨距调整量（达到+22～-26mm），解决了轨距加宽较大的技术难题。 橡胶垫板：铁垫板上下分别设一层厚10mm、16mm的橡胶垫板，均采用圆柱形粒子，增加其变形的自由面，提高弹性。 轨距垫：材料为聚酰胺66，与轨底上部接触部分，按钢轨轨底上面坡度设计为1：10，配合铁垫板，一般轨距调整量为+8～-12mm。联络线小半径曲线地段，轨距调整量为+22～-26mm，轨距垫既能调整轨距，又起到绝缘隔振作用。 螺旋道钉：材料为Q235钢，直径φ30，梯形螺纹。 尼龙套管：材料为聚酰胺66。套管距顶部36mm开始设有螺纹，这样可以增加螺旋道钉抗横向力的强度。套管耐磨，强度高，预埋在轨枕内，螺旋道钉可以取出，施工和养护维修方便。3、2.4m后张拉预应力轨枕模具的研制 2.4m后张拉预应力轨枕模具是专为德黑兰地铁研究制造的，工艺简单、自动化程度高、生产效率高，使用模具少，能在伊朗德黑兰地铁公司引进的德国“DYWDIDAG”2.6 m轨枕生产线上直接使用。其主要特点如下： （1）由于是后张拉，模具上不受张拉力，因而模具没有先张拉预应力轨枕模具那样厚重复杂，不但节省了大量制做模具的原料，而且造价大大降低。 （2）由于轨枕混凝土振动密实后即可脱模，因而模具使用周期大大缩短， 模具周转加快，不但要求配备的模具数量减少，而且生产效率大大提高，可以流水作业。 （3）由于套在芯子上的铁碗在脱模过程中留在了轨枕内，且后张拉钢筋的端部有螺纹，使接触轨连接件可以直接固定到轨枕端部的钢筋上，操作简单方便，省时省力。 （4）使用该模具生产轨枕，工艺简单，可以被生产地面铁路及地铁混凝土轨枕的多家工厂所利用，以降低成本，提高效率。 （5）使用该模具生产轨枕，振动噪音大大降低，既有利于操作工人的健康， 又利于环保。 此项技术已经获得国家实用新型专利，并使得整个德黑兰地铁工程进程提前了至少6个月。 4、轨道施工新方法研究 德黑兰地铁轨道施工要求严、工期紧，在总结中国单洞单线轨道施工方法及工艺流程的基础上，结合德黑兰地铁特点及伊方施工设备进行研究开发一种新的轨道施工方法即临时轨道法，并取得成功。轨道施工临时轨道法思路的创新点是改变了原来用小龙门吊架设左右线轨排和灌注道床混凝土的方法、充分利用了单洞双线隧道的空间和利用组装好的轨排作为轨道平板车临时轨道，使得混凝土搅拌设备和轨排装卸机具可以直接安装在轨道平板车上，实现了左右线互动和倒运，既保证了道床质量，又大大提高了工作效率，一个工作面每天进度可达120m以上。其主要施工工序：用小龙门吊铺设一条线轨道→将轨排直接铺在隧道结构底板上作为临时轨道→用行走在临时轨道上的轨道车运输混凝土和另一条线的轨排→用轨道车铺设另一条线的轨排及混凝土。 5、下部授流接触轨系统的国产化研究 下部授流接触轨系统的绝缘支架，由顶部支架、中部支架、下部支架三部分组成，共同构成悬臂结构型式。接触轨通过顶部、中部支架，悬挂在下部支架上。下部支架，则根据线路情况固定在整体道床上或碎石道床的轨枕上。防护罩靠自身弹性及支撑垫块固定在接触轨上。列车受流器通过与接触轨下底面接触滑动取电。 下部授流接触轨系统是专门为本工程开发研制的，所有零部件全部做到了国产化，此项技术已获得国家实用新型专利。该系统采用了对车辆不间断供电的短轨式电分段，该形式保证当列车通过这种电分段时车辆前后受流器有一个与接触轨接触，不会造成车辆失电，避免了产生电弧，同时还能保证列车受流器与短轨不会把电分段两侧的接触轨短接起来。 下部授流接触轨系统与上部授流接触轨系统相比，其特点如下：（1）下部授流接触轨系统通过接触轨下底面为车辆授电，而传统的上部授流接触轨系统是通过接触轨上顶面为车辆授电。（2）下部授流接触轨系统的防护罩对带电接触轨的防护性能更好，带电接触轨不容易被无意识地碰触到，能确保人身安全。（3）下部接触方式，遮挡雨雪的条件也优于上部接触方式，能确保牵引网系统的安全可靠运行。（4）下部授流接触轨系统结构简单、安装方便。（5）下部授流接触轨系统采用了短轨式电分段，而传统的上部授流接触轨系统是直接式电分段。（6）下部授流接触轨系统的防护罩、绝缘支架，均采用了玻璃钢材料；而传统的上部授流接触轨系统采用的是木板与瓷瓶。6、单机组12脉波牵引整流机组的研制 1996年本项目在国内率先开发研制出单机组12脉波整流机组，97年产品鉴定意见为“达到国际同类产品先进水平，在国内处于领先地位，填补了国内空白”。在此之前，国内水平为双机组等效12脉波整流机组；目前，在本项目单机组12脉波整流机组的基础上，国内已开发研制出双机组等效24脉波整流机组。 为德黑兰地铁工程专门开发研制的20kV AC/750V DC单机组12脉波整流机组，属国内首创。在此之前，国内城市轨道交通除引进设备外均采用双机组等效12脉波整流机组。单机组12脉波整流机组特点是，输出直流平稳、干扰波纹少、一台双输出变压器(Y,d11/Y,y0)作两台(Y/d11和Y/y0)变压器用、牵引变压器为轴向双分裂、四线圈结构，结构新、占地省、每个整流器由两个并联三相桥构成12脉波整流方式。7、20kV中压网络的设计研究 20kV中压网络，兼顾了35(33)kV电压等级输电容量大、距离长、损耗小以及10kV电压等级，设备尺寸小、价格便宜、环网接线、接线简单、保护可靠、运行灵活，可以带负荷操作，开关柜体积大为减小的特点。至今国内地铁没有采用20kV中压网络。20kV中压网络在德黑兰地铁的成功应用，为国内地铁采用20kV中压网络提供了范例。现在一些城市已经把20kV中压网络，作为可行性研究的一个比选方案。8、通风系统噪声控制的设计研究德黑兰地铁送风系统噪声控制新工艺，解决了原法国设计的通风系统中存在的“正常通风道与事故排烟道消声不等效”问题，提出“伊朗德黑兰地铁送风系统噪声控制新工艺”。其技术方案为：(1)将车站送风单元第二排烟风阀位置，由端墙位置改到正常通风道的侧墙上。(2)正常通风轴流风机产生噪声的经事故风道的新传递途径如下：经过第一道排烟风阀衰减之后，进入旁通风道；由旁通风道经过第二道排烟风阀衰减之后，进入正常通风道的消声器之前；经过消声器消声后，传至地面使之满足地面噪声标准。 另外，开发了电动排烟风阀的隔声功能，即电动风阀“在空气声隔声量测试中达到20 dB”。根据美国UL-555SB标准和“NFPA130防火标准”，通风电动风阀的功能只具有转换运行方式和满足排烟功能（耐温150℃、1小时），无隔声功能。国内、外厂家，包括知名度很高的美国Johnson Controls 公司也没有做过通风电动风阀隔声性能试验。此项实验在国内外生产厂家中属首次。9、通信信号与控制系统的设计研究 （1）通信系统的设计研究 通信系统中的程控电话、共线电话、内部电话、调度电话、广播、无线、时钟及TCC、PCC、SCADA、BAS、FAS、AFC等系统中的中心与节点间的信息通道全部通过光缆数字传输平台提供的低速数据通道完成（原标书规定全部采用铜缆完成）。另外，根据我国地铁的运营经验，专门为德黑兰地铁开发了一种全国产化的依靠光缆数字传输平台把信令和话音分开传输的调度电话系统。通信系统全部是国产设备。 （2）列车自动监控ATS系统的国产化研究 德黑兰地铁的ATS系统是根据铁路调度集中系统以及上海地铁ATS系统而开发。它结合伊朗地铁的实际情况，实现了上海地铁的所有列车运行自动监控功能，而且实现了车站RTU与计算机联锁系统之间的计算机接口通信；并由车站信号专用的无线系统实现了列车与地面ATS系统的通信，完成列车车次的追踪。这是我国城市轨道交通领域第一个国产ATS系统。 （3）地铁电力监控SCADA系统的国产化研究 德黑兰地铁应用的DFY-2000型基于局部控制网络的分布式电力监控装置，设计思想先进，软硬件结构合理，功能满足地铁系统的要求，为同类国产化系统首次应用于地铁电力监控系统，为国内领先水平。在高可靠性、大容量及对现有规约的支持方面，处于国内同类产品领先地位，把局部控制网络应用于远动装置技术达了到国际先进水平。 另外，该电力监控SCADA系统通过改进遥信采集方法，解决了由于电磁干扰、工频电压干扰、浪涌、开关抖动等造成的信号误发问题；利用现场CAN总线技术结合GPS，达到了0.1ms的对时误差；开发了基于CAN2.0协议的光纤传输系统；实现了基于电话网的远程维护；并根据用户的要求，首次实现了地铁供电的快速顺控功能。10、车站机电设备监控系统BAS的国产化研究 德黑兰地铁车站机电设备监控系统（BAS），包括传感器、控制器、通讯网络、图形化操作系统及大量应用软件，全部拥有清华同方自主知识产权。它是迄今唯一在地铁中正式运行的国产化系统。创新点是在世界上首次采用以带有光电隔离的电流环数字通讯方式，解决了地铁内对通讯系统严重的电磁干扰；首次在实际工程中开发应用了地铁环控优化调度软件、通风排烟智能分析决策软件、设备管理和故障诊断软件，在自动记录与统计各被控设备运行状况、累计运行时间、维修信息、制定检修计划等以及风机的自动顺序启动方式等方面，也是在国内地铁BAS的首创。 四、推广应用 本课题的全部研究成果、创新技术、新方法、新材料、新工艺、新软件都做到了工程化，在德黑兰地铁一、二号线工程实践中得到了应用并取得了令人瞩目的效果。一期工程E2-M2段和二期工程B1-R1段的系统联合调试均一次成功；一期工程二号线E2-M2段9.2km10个车站已于2000年2月21日顺利开通并进行商业运营，到目前为止已安全运营了二年多，二期工程B1-R1段约15 km也于2001年8月28日正式开通运营。 事实证明该工程设计合理经济、系统性能可靠、系统接口无误、设备选型合理、设备质量良好、设备安装准确、线路状态优良、列车运行平稳；受到了伊朗政府、业主及德黑兰人民高度赞扬，同时在德黑兰周边城市乃至中东地区产生了较大的震动和很好的影响；为促进中伊经贸合作起到了示范和带头作用，为我国城市轨道交通行业拓展国际市场奠定了基础，并产生了巨大的延伸效益：1、德黑兰地铁公司主动邀请中方参加德黑兰地铁四号线（22km）和机场快线（40km）的设计和建设工作，在2000年9月中伊双方已经签定了合作意向书。2、经济适用、安全可靠的德黑兰地铁系统在国际上特别是第三世界国家具有非常强的竟争力；伊朗设拉子和伊斯法罕两个城市也邀请中方去进行设计和咨询工作。哥伦比亚、叙利亚、摩罗哥、巴基斯坦等国家对德黑兰地铁模式非常感兴趣。3、本课题新技术、新标准和新工艺等研究成果，全部实现了工程化，经受了实际运营的检验，这极大地促进了我国地铁机电设备的国产化进程，并可作为我国地铁规范标准修编的重要参考，同时可直接运用到我国城市轨道交通工程的设计和建设中。 五、获奖情况 本课题研究取得了几十项重要成果和两项国家专利，经北京市建委地铁专家于2001年2月鉴定认为：“课题研究成果，突出了地铁技术的综合性与实用性，整体上达到了国际先进水平，部分成果为国际首创。可以做为我国地铁设备国产化的重要参考”。“伊朗德黑兰地铁一、二号线综合技术研究与应用”研究课题，获奖情况如下：1、获2001年度北京城建集团科学技术进步一等奖；2、 获2001年度北京市科学技术进步二等奖；3、 通过2002年度国家科学技术进步二等奖初评； 伊朗德黑兰地铁一期工程E2-M2段工程设计，获奖情况如下：1、获2002年度北京市优秀市政工程设计一等奖；2、通过国家2002年度优秀市政工程设计一等奖的专家评定。鸣谢：对参加“伊朗德黑兰地铁一、二号线综合技术研究与应用”研究课题及“伊朗德黑兰地铁一期工程E2-M2段工程设计”的全体单位与个人，表示衷心地感谢！(全文完)