伊朗德黑蘭地鐵一、二號線綜合技術研究與應用（廖國才 于松偉）摘要：本文是對“伊朗德黑蘭地鐵一、二號線綜合技術研究與應用”課題研究報告的概要總結。德黑蘭地鐵一、二號線工程，是我國建國以來機電設備成套出口的最大項目，是以設計科研為龍頭包括制造、安裝、調試的交鑰匙工程，為了突破工程難點和解決技術難題，保證工程整體上的經濟性與先進性，課題對線路、限界、軌道、中低壓配電系統、車站與隧道通風系統、通信信號與控制系統、車站機電設備監控系統及其施工安裝等進行了系統研究，取得了兩項國家實用新型專利和幾十項重要科研成果，并全部成功應用于工程，效果明顯，經濟、社會效益顯著。關鍵詞：地鐵、線路調整設計、限界檢查、后張拉軌枕模具、IRM-I型軌道扣件、臨時軌道工法、下部授流接觸軌系統、通風噪聲傳遞新工藝、列車監控自動ATS系統、電力監控（SCADA）系統、車站機電設備監控系統（BAS）、設備國產化。一、項目背景 伊朗德黑蘭地鐵一、二號線，線路全長50km，其中地下線34km，地面線16km；共設45座車站、2座車輛段、1處控制中心。該工程早在1978年就由法國索菲圖咨詢公司完成工程設計以及大部分隧道和車站的土建施工，后來由于兩伊戰爭和經濟原因而停止。1991年該工程實行國際招標，中國國際信托投資公司作為總承包商，北京市城建設計研究院作為設計總體單位與國內最具實力的企業組成聯合體，與法國、俄羅斯等國家的大公司共同參加投標，中方經過幾年的激烈競爭而中標，整個工程除土建及少量設備外的總投資為5.83億美元。1996年合同生效，工程正式實施。 工程原設計主要依據法國的標準、車輛和設備，現在采用中國的標準、車輛和設備，兩者相比存在很大差異。工程存在以下諸多難點和技術難題：1、設計程序相反 要求在20多年前就施工好的隧道內和車站設備用房內，采用不同標準和理念進行線路、限界、軌道和各設備系統設計，設計程序相反，工程難度加大。2、小洞跑大車、限界緊張 因局部隧道平面和縱斷面的最大施工誤差達0.619m，加上由法國小地鐵車改用我國長春客車廠的大地鐵車，小洞跑大車，限界緊張。3、原設計存在不足 如原設計線路平面、縱斷面采用的技術標準較低，在34 km長的隧道內進行線路調整設計，量大難度大。另外，由于原設計的缺陷，造成通風系統正常通風道與事故排煙道消聲不等效，需要新標準、新方法和新手段。4、地勢高差大、氣流組織困難 地鐵一號線隧道的起點與終點地勢高差達286m，最大坡度達50‰，形成了“煙囪”效應，排煙時氣流組織困難。5、設計理念不同 按照法國理念及設備，設計施工的大部分車站，其設備房間及其預留孔洞較小，不適合新理念和我國地鐵設備的安裝要求等。6、業主要求不同 該工程是以設計科研為龍頭包括制造、安裝、調試的國際總承包工程，工程技術問題都連著商務問題，業主要求系統功能全、水平高、造價低。為保證系統的經濟性、先進性和總體性，必須對地鐵的通信信號系統、電力監控（SCADA）系統和車站機電設備監控系統（BAS），結合國內外地鐵技術與設備以及計算機發展水平，開展國產化和新功能研究。 為了突破以上工程難點和解決技術難題，保證德黑蘭地鐵工程整體上的經濟性與先進性，課題組結合工程的設計需要、現場情況、業主要求、合同條件、國內外地鐵技術發展水平以及計算機技術發展水平，尤其是針對該工程難點和先進性與經濟性相統一的問題，提出了課題的主要研究內容，并從理論上、標準上、方法上、工藝上、施工方法上及設備國產化實施上進行了系統研究，實現了以工程帶科研、以科研促設計，保證了德黑蘭地鐵一、二號線工程的圓滿實施。同時，開發了新技術、新工藝、新設備，積累了豐富經驗。 二、主要研究內容 1、線路調整設計研究（1）原設計基礎條件的分析研究；（2）確定技術標準的理論與方法的研究；（3）34km隧道限界檢查及其軟件的研究；（4）線路調整設計方法及其軟件的研究。 2、軌道及其施工方法研究（1）IRM-Ⅰ型扣件的研究；（2）2.4m后張拉軌枕模具的研制；（3）軌道施工方法的研究。 3、中低壓配電系統設計研究（1）下部授流接觸軌系統(含電分段設置)的國產化研究；（2）單機組12脈波牽引整流機組的研制；（3）20kV中壓網絡的設計研究。 4、通風系統噪聲控制設計研究（1）通風系統噪聲控制新路徑研究；（2）電動排煙風閥隔聲性能試驗。 5、通信信號及控制系統設計研究（1）通信系統研究；（2）列車自動監控ATS系統的國產化研究；（3）地鐵電力監控SCADA系統的國產化研究。 6、車站機電設備監控系統BAS的國產化和新功能研究三、核心技術方案1、 線路調整設計研究 在20年前按法國標準設計并施工好的34km隧道上（7.6m寬、單洞雙線）、面對存在小車改大車（地鐵車寬2.6m、原17m改長19.52 m），施工誤差大（最大誤差達0.619m）、設計標準低（線路最小緩和曲線長為15m、最小夾直線長度為16.96m、曲線車站曲線半徑為500 m、一般地段線間距為3.2 m）等困難，打破常規、大膽引用新理論、研究線路及限界新標準、采用新方法，全面進行隧道限界凈空檢查和線路平剖面調整設計，比如：改變線間距與超高值；有效利用單洞雙線隧道空間；降低軌面標高；利用軟件對每個斷面進行動態測控等等。這樣，克服了限界緊張的矛盾，解決了小洞跑大車的難題。2、IRM-Ⅰ型扣件的研制 德黑蘭地鐵采用長2.4m無擋肩后張拉軌枕， 54kg/m鋼軌；條件是聯絡線最小曲線半徑90m，最大坡度50‰。IRM-Ⅰ扣件是專門為德黑蘭地鐵研究設計的。其主要部件如下： 扣壓件：采用我國鐵路定型的B型ω彈條，材料為60Si2Mn熱軋彈簧鋼，用T型螺栓緊固。單個彈條扣壓力為8.5 kN。解決了50‰大坡道需增加扣壓力的問題。 鐵墊板：材料為KTH350-10，韌性好，造價低，厚度為18mm。設鐵墊板，能提高扣件保持軌距能力，并能延長扣件使用壽命。不但能改善鋼筋混凝土枕的受力狀態，延長其使用期限，又能增加鋼軌的高低調整量。聯絡線曲線半徑為90m，軌距需加寬16mm，為解決軌距加寬問題，鐵墊板長釘孔直線段由3mm加長至14mm，增加了軌距調整量（達到+22～-26mm），解決了軌距加寬較大的技術難題。 橡膠墊板：鐵墊板上下分別設一層厚10mm、16mm的橡膠墊板，均采用圓柱形粒子，增加其變形的自由面，提高彈性。 軌距墊：材料為聚酰胺66，與軌底上部接觸部分，按鋼軌軌底上面坡度設計為1：10，配合鐵墊板，一般軌距調整量為+8～-12mm。聯絡線小半徑曲線地段，軌距調整量為+22～-26mm，軌距墊既能調整軌距，又起到絕緣隔振作用。 螺旋道釘：材料為Q235鋼，直徑φ30，梯形螺紋。 尼龍套管：材料為聚酰胺66。套管距頂部36mm開始設有螺紋，這樣可以增加螺旋道釘抗橫向力的強度。套管耐磨，強度高，預埋在軌枕內，螺旋道釘可以取出，施工和養護維修方便。3、2.4m后張拉預應力軌枕模具的研制 2.4m后張拉預應力軌枕模具是專為德黑蘭地鐵研究制造的，工藝簡單、自動化程度高、生產效率高，使用模具少，能在伊朗德黑蘭地鐵公司引進的德國“DYWDIDAG”2.6 m軌枕生產線上直接使用。其主要特點如下： （1）由于是后張拉，模具上不受張拉力，因而模具沒有先張拉預應力軌枕模具那樣厚重復雜，不但節省了大量制做模具的原料，而且造價大大降低。 （2）由于軌枕混凝土振動密實后即可脫模，因而模具使用周期大大縮短， 模具周轉加快，不但要求配備的模具數量減少，而且生產效率大大提高，可以流水作業。 （3）由于套在芯子上的鐵碗在脫模過程中留在了軌枕內，且后張拉鋼筋的端部有螺紋，使接觸軌連接件可以直接固定到軌枕端部的鋼筋上，操作簡單方便，省時省力。 （4）使用該模具生產軌枕，工藝簡單，可以被生產地面鐵路及地鐵混凝土軌枕的多家工廠所利用，以降低成本，提高效率。 （5）使用該模具生產軌枕，振動噪音大大降低，既有利于操作工人的健康， 又利于環保。 此項技術已經獲得國家實用新型專利，并使得整個德黑蘭地鐵工程進程提前了至少6個月。 4、軌道施工新方法研究 德黑蘭地鐵軌道施工要求嚴、工期緊，在總結中國單洞單線軌道施工方法及工藝流程的基礎上，結合德黑蘭地鐵特點及伊方施工設備進行研究開發一種新的軌道施工方法即臨時軌道法，并取得成功。軌道施工臨時軌道法思路的創新點是改變了原來用小龍門吊架設左右線軌排和灌注道床混凝土的方法、充分利用了單洞雙線隧道的空間和利用組裝好的軌排作為軌道平板車臨時軌道，使得混凝土攪拌設備和軌排裝卸機具可以直接安裝在軌道平板車上，實現了左右線互動和倒運，既保證了道床質量，又大大提高了工作效率，一個工作面每天進度可達120m以上。其主要施工工序：用小龍門吊鋪設一條線軌道→將軌排直接鋪在隧道結構底板上作為臨時軌道→用行走在臨時軌道上的軌道車運輸混凝土和另一條線的軌排→用軌道車鋪設另一條線的軌排及混凝土。 5、下部授流接觸軌系統的國產化研究 下部授流接觸軌系統的絕緣支架，由頂部支架、中部支架、下部支架三部分組成，共同構成懸臂結構型式。接觸軌通過頂部、中部支架，懸掛在下部支架上。下部支架，則根據線路情況固定在整體道床上或碎石道床的軌枕上。防護罩靠自身彈性及支撐墊塊固定在接觸軌上。列車受流器通過與接觸軌下底面接觸滑動取電。 下部授流接觸軌系統是專門為本工程開發研制的，所有零部件全部做到了國產化，此項技術已獲得國家實用新型專利。該系統采用了對車輛不間斷供電的短軌式電分段，該形式保證當列車通過這種電分段時車輛前后受流器有一個與接觸軌接觸，不會造成車輛失電，避免了產生電弧，同時還能保證列車受流器與短軌不會把電分段兩側的接觸軌短接起來。 下部授流接觸軌系統與上部授流接觸軌系統相比，其特點如下：（1）下部授流接觸軌系統通過接觸軌下底面為車輛授電，而傳統的上部授流接觸軌系統是通過接觸軌上頂面為車輛授電。（2）下部授流接觸軌系統的防護罩對帶電接觸軌的防護性能更好，帶電接觸軌不容易被無意識地碰觸到，能確保人身安全。（3）下部接觸方式，遮擋雨雪的條件也優于上部接觸方式，能確保牽引網系統的安全可靠運行。（4）下部授流接觸軌系統結構簡單、安裝方便。（5）下部授流接觸軌系統采用了短軌式電分段，而傳統的上部授流接觸軌系統是直接式電分段。（6）下部授流接觸軌系統的防護罩、絕緣支架，均采用了玻璃鋼材料；而傳統的上部授流接觸軌系統采用的是木板與瓷瓶。6、單機組12脈波牽引整流機組的研制 1996年本項目在國內率先開發研制出單機組12脈波整流機組，97年產品鑒定意見為“達到國際同類產品先進水平，在國內處于領先地位，填補了國內空白”。在此之前，國內水平為雙機組等效12脈波整流機組；目前，在本項目單機組12脈波整流機組的基礎上，國內已開發研制出雙機組等效24脈波整流機組。 為德黑蘭地鐵工程專門開發研制的20kV AC/750V DC單機組12脈波整流機組，屬國內首創。在此之前，國內城市軌道交通除引進設備外均采用雙機組等效12脈波整流機組。單機組12脈波整流機組特點是，輸出直流平穩、干擾波紋少、一臺雙輸出變壓器(Y,d11/Y,y0)作兩臺(Y/d11和Y/y0)變壓器用、牽引變壓器為軸向雙分裂、四線圈結構，結構新、占地省、每個整流器由兩個并聯三相橋構成12脈波整流方式。7、20kV中壓網絡的設計研究 20kV中壓網絡，兼顧了35(33)kV電壓等級輸電容量大、距離長、損耗小以及10kV電壓等級，設備尺寸小、價格便宜、環網接線、接線簡單、保護可靠、運行靈活，可以帶負荷操作，開關柜體積大為減小的特點。至今國內地鐵沒有采用20kV中壓網絡。20kV中壓網絡在德黑蘭地鐵的成功應用，為國內地鐵采用20kV中壓網絡提供了范例。現在一些城市已經把20kV中壓網絡，作為可行性研究的一個比選方案。8、通風系統噪聲控制的設計研究德黑蘭地鐵送風系統噪聲控制新工藝，解決了原法國設計的通風系統中存在的“正常通風道與事故排煙道消聲不等效”問題，提出“伊朗德黑蘭地鐵送風系統噪聲控制新工藝”。其技術方案為：(1)將車站送風單元第二排煙風閥位置，由端墻位置改到正常通風道的側墻上。(2)正常通風軸流風機產生噪聲的經事故風道的新傳遞途徑如下：經過第一道排煙風閥衰減之后，進入旁通風道；由旁通風道經過第二道排煙風閥衰減之后，進入正常通風道的消聲器之前；經過消聲器消聲后，傳至地面使之滿足地面噪聲標準。 另外，開發了電動排煙風閥的隔聲功能，即電動風閥“在空氣聲隔聲量測試中達到20 dB”。根據美國UL-555SB標準和“NFPA130防火標準”，通風電動風閥的功能只具有轉換運行方式和滿足排煙功能（耐溫150℃、1小時），無隔聲功能。國內、外廠家，包括知名度很高的美國Johnson Controls 公司也沒有做過通風電動風閥隔聲性能試驗。此項實驗在國內外生產廠家中屬首次。9、通信信號與控制系統的設計研究 （1）通信系統的設計研究 通信系統中的程控電話、共線電話、內部電話、調度電話、廣播、無線、時鐘及TCC、PCC、SCADA、BAS、FAS、AFC等系統中的中心與節點間的信息通道全部通過光纜數字傳輸平臺提供的低速數據通道完成（原標書規定全部采用銅纜完成）。另外，根據我國地鐵的運營經驗，專門為德黑蘭地鐵開發了一種全國產化的依靠光纜數字傳輸平臺把信令和話音分開傳輸的調度電話系統。通信系統全部是國產設備。 （2）列車自動監控ATS系統的國產化研究 德黑蘭地鐵的ATS系統是根據鐵路調度集中系統以及上海地鐵ATS系統而開發。它結合伊朗地鐵的實際情況，實現了上海地鐵的所有列車運行自動監控功能，而且實現了車站RTU與計算機聯鎖系統之間的計算機接口通信；并由車站信號專用的無線系統實現了列車與地面ATS系統的通信，完成列車車次的追蹤。這是我國城市軌道交通領域第一個國產ATS系統。 （3）地鐵電力監控SCADA系統的國產化研究 德黑蘭地鐵應用的DFY-2000型基于局部控制網絡的分布式電力監控裝置，設計思想先進，軟硬件結構合理，功能滿足地鐵系統的要求，為同類國產化系統首次應用于地鐵電力監控系統，為國內領先水平。在高可靠性、大容量及對現有規約的支持方面，處于國內同類產品領先地位，把局部控制網絡應用于遠動裝置技術達了到國際先進水平。 另外，該電力監控SCADA系統通過改進遙信采集方法，解決了由于電磁干擾、工頻電壓干擾、浪涌、開關抖動等造成的信號誤發問題；利用現場CAN總線技術結合GPS，達到了0.1ms的對時誤差；開發了基于CAN2.0協議的光纖傳輸系統；實現了基于電話網的遠程維護；并根據用戶的要求，首次實現了地鐵供電的快速順控功能。10、車站機電設備監控系統BAS的國產化研究 德黑蘭地鐵車站機電設備監控系統（BAS），包括傳感器、控制器、通訊網絡、圖形化操作系統及大量應用軟件，全部擁有清華同方自主知識產權。它是迄今唯一在地鐵中正式運行的國產化系統。創新點是在世界上首次采用以帶有光電隔離的電流環數字通訊方式，解決了地鐵內對通訊系統嚴重的電磁干擾；首次在實際工程中開發應用了地鐵環控優化調度軟件、通風排煙智能分析決策軟件、設備管理和故障診斷軟件，在自動記錄與統計各被控設備運行狀況、累計運行時間、維修信息、制定檢修計劃等以及風機的自動順序啟動方式等方面，也是在國內地鐵BAS的首創。 四、推廣應用 本課題的全部研究成果、創新技術、新方法、新材料、新工藝、新軟件都做到了工程化，在德黑蘭地鐵一、二號線工程實踐中得到了應用并取得了令人矚目的效果。一期工程E2-M2段和二期工程B1-R1段的系統聯合調試均一次成功；一期工程二號線E2-M2段9.2km10個車站已于2000年2月21日順利開通并進行商業運營，到目前為止已安全運營了二年多，二期工程B1-R1段約15 km也于2001年8月28日正式開通運營。 事實證明該工程設計合理經濟、系統性能可靠、系統接口無誤、設備選型合理、設備質量良好、設備安裝準確、線路狀態優良、列車運行平穩；受到了伊朗政府、業主及德黑蘭人民高度贊揚，同時在德黑蘭周邊城市乃至中東地區產生了較大的震動和很好的影響；為促進中伊經貿合作起到了示范和帶頭作用，為我國城市軌道交通行業拓展國際市場奠定了基礎，并產生了巨大的延伸效益：1、德黑蘭地鐵公司主動邀請中方參加德黑蘭地鐵四號線（22km）和機場快線（40km）的設計和建設工作，在2000年9月中伊雙方已經簽定了合作意向書。2、經濟適用、安全可靠的德黑蘭地鐵系統在國際上特別是第三世界國家具有非常強的竟爭力；伊朗設拉子和伊斯法罕兩個城市也邀請中方去進行設計和咨詢工作。哥倫比亞、敘利亞、摩羅哥、巴基斯坦等國家對德黑蘭地鐵模式非常感興趣。3、本課題新技術、新標準和新工藝等研究成果，全部實現了工程化，經受了實際運營的檢驗，這極大地促進了我國地鐵機電設備的國產化進程，并可作為我國地鐵規范標準修編的重要參考，同時可直接運用到我國城市軌道交通工程的設計和建設中。 五、獲獎情況 本課題研究取得了幾十項重要成果和兩項國家專利，經北京市建委地鐵專家于2001年2月鑒定認為：“課題研究成果，突出了地鐵技術的綜合性與實用性，整體上達到了國際先進水平，部分成果為國際首創。可以做為我國地鐵設備國產化的重要參考”。“伊朗德黑蘭地鐵一、二號線綜合技術研究與應用”研究課題，獲獎情況如下：1、獲2001年度北京城建集團科學技術進步一等獎；2、 獲2001年度北京市科學技術進步二等獎；3、 通過2002年度國家科學技術進步二等獎初評； 伊朗德黑蘭地鐵一期工程E2-M2段工程設計，獲獎情況如下：1、獲2002年度北京市優秀市政工程設計一等獎；2、通過國家2002年度優秀市政工程設計一等獎的專家評定。鳴謝：對參加“伊朗德黑蘭地鐵一、二號線綜合技術研究與應用”研究課題及“伊朗德黑蘭地鐵一期工程E2-M2段工程設計”的全體單位與個人，表示衷心地感謝！(全文完)
