广州地铁二号线(琶洲站至三元里站)1999年11月正式动工建设,2003年6月开通试运营,2005年12月通过国家验收。如果说广州地铁一号线是拄着洋拐杖跑起来的话,那么,二号线的建设就是广州地铁乃至全国地铁行业独立自主,不断通过外引内联,利用外国先进技术武装自己,加快发展的典范。
广州地铁一号线的土建工程实行国内招标,盾构工程面向国际招标,车辆等主要设备几乎是100%进口,全部机电设备采购费用高达60亿元人民币(含税)。在中国境内寻找和培植一大批有实力的厂家来建设地铁的念头,一直是广州地铁人多年的心愿。1998年,当全国13个城市提出要修地铁,而且无一例外地都打算用巨额资金从外国采购大量机电设备时,国务院紧急叫停了这股“地铁热”,派出由国家计委牵头的调查组到广州调研。同年6月,国务院批准了广州地铁二号线项目,条件是机电设备的国产化率要达到60%以上。之所以开了唯一的绿灯,是因为调查组在广州听到了切实可行的国产化想法。
项目启动后,广州地铁会同设计、施工、监理、制造、供货等参建单位,进行自主创新。在设计阶段,采用先进的设计理念,优化建筑设计,改善线路和周边建筑、环境之间的关系;在施工阶段,广泛选用新工艺,综合应用施工方法,在确保安全的前提下,比计划工期提前实现隧通、轨通和电通;在设备采购阶段,采用技术含量高、安全节能、环保的成熟设备,提高各机电系统的安全性、可靠性,降低运营成本;在机电安装阶段,注重解决各机电系统内和系统间的接口技术问题,保证单机设备、单个系统的先进性和系统整合后整条线路技术先进性的统一。
盾构施工技术与传统的矿山法相比,盾构法无疑是一种先进的技术,但国内不具备盾构机的设计制造能力,也缺乏相应的技术和人才,请国外的盾构公司来施工,工程造价则十分昂贵。
在二号线的建设过程中,广州地铁花大力气推广盾构工法,派出大量技术人员帮助广州建筑集团建立盾建公司,鼓励中铁隧道集团组建盾构队伍,并积极牵线搭桥,找来德国海瑞克公司与广州重型机器厂合作,为他们研制开发专门应对广州“上软下硬”复合型地层的盾构机刀盘,率先在全国掀起盾构施工技术的热潮。
面对广州异常复杂的地质条件,广州地铁突破传统思路,成功运用盾构技术穿越了珠江,穿越了客村立交桥桩基础,在广州火车站正常运营时穿越了车站股道群,并创造了当时国内盾构日掘进30米的最好成绩;在国内首次成功应用宽度15米的盾构管片,在隧道管片接缝防水设计中采用epdm弹性止水条,进一步提高地铁盾构隧道的防水效果;施工中采用激光自动导向系统sls-t进行施工测量,免除测量对施工的干扰,提高隧道施工精度;研制出新型配合比,成功应用胶结材料盾尾同步注浆技术,进一步提高了地铁隧道质量。通过二号线的建设,广州地铁总结出了一套适应于广州复合地层的盾构施工方法,为盾构法作为后续新线隧道修建主导工法奠定了基础。
地铁车辆模块化生产与车辆设备国产化1999年,广州地铁二号线车辆项目招标由中德合资的长春安达轨道车辆有限公司中标,初步概算,在保证各项技术参数与一号线车辆一致甚至有所提高的前提下,车辆的总体造价比一号线足足下降了40%。
地铁二号线盾构机正在施工
地铁二号线的架空刚性悬挂接触网
然而车辆项目合同签订后不到半年,长春安达轨道车辆有限公司的德国合资伙伴被加拿大庞巴迪公司兼并。广州地铁随即派出大量的专家,及时与庞巴迪德国制造中心的新总裁沟通,使庞巴迪公司高层认清了客观形势,迅速加强了设计制造力量,并从母厂派出大量技术人员到中国的合作厂传授技术。二号线车辆项目是长春安达轨道车辆有限公司的启动项目,为确保质量,首辆列车在德国生产。为满足2002年12月29日晓港至三元里段开通的需要,11月底,庞巴迪公司不惜增加10倍的运输成本,将赶制出来的首辆列车用飞机从德国空运至广州。
二号线车辆代表了当时国产化车辆的最高水平,首次采用模块化车体,结构优化,车厢美观,维修方便;整车设计考虑了各部件的降噪隔噪措施,降低整车噪音;采用新型转向架,改善受力条件,提高强度,提高安全性;主逆变器采用先进的igbt开关单元,减少设备体积和噪音;车辆控制和监视采用总线方式,容量大,传输控制方便。
安全节能与屏蔽门、集中供冷、刚性悬挂接触网我国早期的地铁由于技术及投资等方面的原因,均采用开放式站台,开放式站台在安全节能方面存在很大弊端,不仅列车入站噪音大,乘客落轨时有发生,而且车站空调冷风流失进入隧道,增加空调能耗,这对于全年空调季节超过5个月的广州来说,影响尤为明显。新加坡地铁在站台与隧道路轨之间设置了一道屏蔽门,成为世界上最早解决这一难题的城市地铁。在二号线总体设计阶段,广州地铁力主采用屏蔽门技术,一方面首创高温高湿地区应用屏蔽门系统的地铁环控模式,另一方面与奥的斯电梯公司一起研制出符合质量要求的产品,填补了国内此项技术空白。屏蔽门系统成功应用后,车站空调能耗降低285%,乘客意外坠轨等事故得以杜绝。
独立供冷是世界各国装有通风空调系统的地铁惯常采用的供冷模式,每个车站各有一套独立的系统,互不相通。这种供冷模式地下工程量大,对周边居民的日常生活和城市景观有不良影响。20世纪80年代,香港荃湾线和开罗地铁有过集中供冷的尝试,但供冷距离均不超过2公里。在二号线设计初期,广州地铁大胆提出在全线1824公里线路上设置4个集中供冷站的方案。方案从论证到实施,遇到了许多难题,其中最大的难题就是集中供冷要长距离输送能量,能耗大。广州地铁老中青三代专家们经过9个月的反复研究和不懈试验,通过采用集成冷冻水大温差换热和分层次控制末端温湿度技术,使集中供冷问题得以解决,使地下空间得以节约,线路与周边环境融为一体。
地铁列车的供电系统有柔性悬挂接触网、刚性接触网和三轨接触网三种模式。在广州地铁二号线之前,刚性接触网由于造价昂贵,有关公司进行技术封锁,一直少人问津。广州地铁一号线采用的是柔性悬挂接触网,结构庞大而复杂,悬挂在隧道上方的供电电缆要承受自身重量所造成的11吨张力,日积月累,产生金属疲劳,为避免金属疲劳演变成安全事故,每晚都要出动数十名巡道工对接触网进行维修保养,却无法彻底消除安全隐患。因此,在二号线总体设计阶段,广州地铁将眼光投向了造价较贵但安装后完全免维护且不会断电、没有安全隐患的刚性接触网,并首创架空刚性悬挂接触网弓网受流系统理论,建立弓网受流数学模型,开发模拟计算软件,攻克了关键部件汇流排和超低净空安装两大难题,使新技术能够高效运用。由于广州地铁大力走国产化道路,原先以为要增加几倍的投资变成了节约数百万元,线路投入运营后,每年还可降低牵引网能耗40%,节约运营管理费用150万元。自此,国产刚性接触网在国内地铁建设中蓬勃发展起来。2007年,“广州地铁二号线节能、环保和安全技术集成与应用”项目荣获“国家科技进步二等奖”。
地铁二号线的集中供冷系统
代币式非接触ic卡广州地铁一号线采用的是磁卡型自动售检票系统,磁卡寿命短,数据读写速度慢,读写精度受静电吸尘影响故障率高。针对这一问题,广州地铁一方面从投币电话及韩国科研所为百货商店研发的购物代币中得到启示,提出将传统长方形磁卡变为圆形后嵌入芯片的创意,有效地解决了磁卡无法“边回收、边读写”的难题,创造出代币式非接触式ic卡单程票;另一方面,在二号线全线开通前,成功研制出全非接触式ic卡自动售检票系统,同时还对一号线磁卡型系统进行改造,使构思全面落地,成为世界第一。
广州地铁二号线的科技创新成果,得到了国家有关部门、专家的充分肯定。在《广州地铁二号线建设与创新》科技成果鉴定会上,由17名院士、专家组成的鉴定委员会出具了这样的鉴定意见:“广州地铁二号线是国家确定的国产化依托项目,第一个使用国产化a型车辆,机电设备综合国产化率达到了714%,与一号线同口径比较,机电设备造价降低了5259%”、“广州地铁二号线坚持国家制订的机电设备国产化方针,采取多种形式,培育国内地铁相关产业,为技术创新创造条件;坚持技术创新,用系统工程理论指导系统的集成,通过技术创新提升总体技术水平”、“广州地铁二号线的技术水平处于国内领先地位,在总体上接近国际先进水平,为我国城市地铁的建设提供了成功的范例,对我国城市地铁整体水平的提高和发展起到了促进作用。”