Một số mô hình đường sắt tốc độ cao

Một đoàn tàu tốc độ cao vào ga đón khách

Quá trình phát triển ĐSTĐC trên thế giới

Sơ lược lịch sử phát triển ĐSTĐC

Đường sắt là hình thức vận tải số lượng lớn đầu tiên, với hình thức vận chuyển độc quyền trên mặt đất trước khi ô tô phát triển vào đầu thế kỷ 20. Từ năm 1933, các công ty đường sắt ở châu Âu và Hoa Kỳ đã ứng dụng thiết kế khí động học vào tàu lửa cho các dịch vụ tốc độ cao trung bình 130 km/h và tốc độ tối đa hơn 160 km/h.

Năm 1957, Công ty Đường sắt Odakyu ở Thủ đô Tokyo (Nhật Bản) ra mắt dịch vụ Romancecar với series tàu 3000 SE đã lập kỷ lục thế giới với các đoàn tàu hoạt động trên đường sắt khổ hẹp với tốc độ 145 km/h, giúp các nhà thiết kế Nhật Bản tin rằng họ có thể chế tạo các đoàn tàu an toàn và tin cậy hoạt động với tốc độ cao trên đường sắt khổ tiêu chuẩn. Trong khi nghiên cứu để giải quyết sự quá tải của những đoàn tàu trên tuyến Tokyo - Osaka, ý tưởng về ĐSTĐC ra đời.

“Tàu cao tốc” đương đại đầu tiên của thế giới với lượng chuyên chở lớn (ban đầu tối đa 12 toa) là tuyến đường sắt Tokaido Sinkansen của Nhật Bản, được xây dựng từ tháng 4/1959 và chính thức khai trương tháng 10/1964. Đoàn tàu thế hệ 0 của Shinkansen do Công ty Công nghiệp nặng Kawasaki chế tạo đã đạt tốc độ chuyên chở hành khách tối đa 210 km/h trên tuyến Tokyo - Nagoya - Kyoto - Osaka, với những cuộc thử nghiệm trước đó đạt tới tốc độ tối đa năm 1963 là 256 km/h, sau đó được phát triển mở rộng thành mạng lưới Tohoku Shinkansen và Kyushu Shinkansen. Tốc độ thiết kế tối đa của hệ thống đường ray lúc đầu là 210 km/h, nhưng sau đó với sự phát triển của công nghệ thiết kế tàu cao tốc, hiện tốc độ vận hành tối đa lên đến 270 km/h.

Tại châu Âu, ĐSTĐC bắt đầu được khởi động từ Hội chợ Vận tải thế giới ở Munich tháng 6/1965, khi tàu DB Class 103 thực hiện tổng cộng 347 chuyến đi trình diễn ở tốc độ 200 km/h giữa Munich và Augsburg. Dịch vụ thường xuyên đầu tiên ở tốc độ này là dịch vụ TEE “Le Capitole” đi từ Paris tới Toulouse sử dụng các đầu máy SNCF Class BB 9200 được chuyển đổi đặc biệt.

Tàu tốc độ cao Pháp (TGV) loại tàu tốc độ cao đầu tiên ở châu Âu. Đoạn Pari - Lyon được đưa vào khai thác thương mại từ tháng 9/1981. Sau khi thành công trong việc khai thác với tốc độ cao, mạng lưới ĐSTĐC đã được mở rộng với tổng chiều dài lên tới 1.896km. Mạng lưới đã được mở rộng ra các nước xung quanh như TGV của Thụy Sĩ, Thalys của Bỉ và Đức và Eurostar của Anh.

Ở CHLB Đức, tàu tốc độ cao được gọi là tàu tốc hành liên thành phố (ICE) được vận hành với vận tốc tối đa 200 km/h. Tàu tốc độ cao bắt đầu được đưa vào khai thác từ năm 1991 với vận tốc 250 km/h, bằng tàu ICE1 trên tuyến ICE6, gồm tuyến ĐSTĐC mới nối Mannheim với Stuttgart, muộn hơn nhiều so với việc khánh thành tuyến TGV SudEst (năm 1981). Sau khi khai thác thành công với vận tốc 250 km/h, Đức đã mở rộng mạng lưới ra cả nước và hiện đang mở rộng mạng lưới quốc tế tới các địa điểm khác như Zurich năm 1992, Vien năm 1998, Amsterdam năm 2000 với tàu ICE3, Brussel năm 2002 và Paris - Copenhagen năm 2007. Tính đến tháng 11/2011, các tuyến đang khai thác của mạng lưới tàu tốc độ cao Đức có tổng chiều dài 1.285km.

ĐSTĐC của Trung Quốc có tên gọi là CRH (có nghĩa là tàu cao tốc Trung Quốc) với tốc độ ban đầu 200 km/h. Từ năm 2007, Trung Quốc chuyển hướng sử dụng công nghệ động lực phân tán (EMU) với các đoàn tàu có tốc độ 200 km/h đầu tiên xuất hiện và có khả năng vận tải hành khách trung bình gần 200.000 hành khách mỗi ngày. Hiện nay, công nghệ ĐSTĐC ở Trung Quốc đã đạt những kỷ lục về tốc độ (400 km/h) trong những lần chạy thử.

Hiện tại, Trung Quốc thiết lập và cải thiện tốc độ với quyền sở hữu trí tuệ độc lập, cạnh tranh quốc tế mạnh mẽ và hệ thống công nghệ đường sắt ở tốc độ lớn hơn 350 km/h.

Một số quốc gia khác cũng sử dụng ĐSTĐC trên cơ sở nghiên cứu các công nghệ của các quốc gia đi trước. Tình hình xây dựng và khai thác ĐSTĐC trên thế giới tính đến năm 2012 được thống kê sau đây:

Đặc điểm ĐSTĐC

ĐSTĐC là một kiểu vận tải hành khách đường sắt hoạt động nhanh hơn rất nhiều so với tốc độ đường sắt thông thường. Đặc điểm chung cho hầu hết các hệ thống ĐSTĐC là tất cả đều hoạt động bằng điện thông qua cần lấy điện trên cao và có hệ thống tín hiệu trong toa xe cũng như không có giao cắt đồng mức, dù có một số ngoại lệ như tuyến Great Western ở Anh. Một yêu cầu chung khác của ĐSTĐC là phải sử dụng ray hàn liền để giảm các rung động của đường và sự sai lệch giữa các đoạn ray cho phép tàu đi qua với các tốc độ hơn 200 km/h, phụ thuộc vào tốc độ thiết kế, độ nghiêng và các lực có thể chấp nhận được với hành khách, các đường cong thường có bán kính lớn hơn 5.000m.

Một số công nghệ của ĐSTĐC

Phân nhóm các công nghệ ĐSTĐC

Có hai công nghệ cơ bản của ĐSTĐC là công nghệ động lực phân tán (EMU) và công nghệ động lực tập trung (PCS).

Ở Nhật Bản, hệ thống EMU (electric multiple - unit system, hệ thống động lực phân tán) được dùng cho hệ thống ĐSTĐC, điển hình là tàu Shinkansen loại E5 (Tohoku Shinkansen E5) hiện đang sử dụng hệ thống này.

Trong khi đó, các loại tàu tốc độ cao của châu Âu lại sử dụng hệ thống PCS (power concentrated system, hệ thống tập trung động lực). Điển hình cho loại hệ thống này là các tàu tốc độ cao TGV-R của Pháp. Ngoài ra, các thế hệ tiếp theo của đoàn tàu tốc độ cao đang tiếp tục triển khai công nghệ chạy trên đệm từ Maglev và công nghệ đoàn tàu nghiêng (Tilt trains), tuy nhiên chưa được áp dụng nhiều. Quá trình phát triển công nghệ ở các nước có thể phân nhóm như sau:

- Công nghệ động lực tập trung (PCS) theo TGV, được áp dụng tại Pháp, Anh, Bỉ; Eurostar ở Pháp, Bỉ, Hà Lan; ở Đức là Thalys, dựa trên công nghệ này cải tiến thành AEV, Talgo 350 (Tây Ban Nha), KTX (Hàn Quốc), Acela (Hoa Kỳ).

 - Công nghệ động lực tập trung (PCS) theo ICE, áp dụng tại Đức, Bỉ, Hà Lan, Thụy Sĩ, Áo, dựa trên công nghệ này cải tiến thành CRH3 (ICE/VelaroE (Trung Quốc).

- Công nghệ động lực phân tán (EMU) theo Shinkansen, áp dụng tại Nhật Bản, Đài Loan, một số nước thay đổi công nghệ động lực tập trung theo hướng động lực phân tán như: Đức (ICE-3), Trung Quốc (CRU2-E2-1000), Pháp (AGV-EMUs).

- Công nghệ đoàn tàu tự nghiêng: Áp dụng tại Italia (Eurostar Italia), Phần Lan, Bồ Đào Nha, Cộng hòa Séc, Slovenia, Anh (Pendolino), Thụy Sỹ (Eurostar Italia, ICN), Thụy Điển (X2000), Hoa Kỳ: Acela.

- Công nghệ tàu điện từ trường Maglev (thử nghiệm tại Đức): Được thương mại duy nhất một tuyến dài khoảng 31km nối sân bay quốc tế Pudong với trạm Metro Longyang (Thượng Hải).

Đặc điểm chính của các loại công nghệ ĐSTĐC

Công nghệ động lực phân tán (EMU) - đoàn tàu Shinkansen (Nhật Bản): Sử dụng hệ thống tuyến mới có tiêu chuẩn cao, độc lập với các tuyến đường sắt hiện hữu, đây là yếu tố quyết định để khai thác tàu tốc độ cao và cho phép nâng cao công suất vận chuyển. Hơn nữa, việc xây dựng “các tuyến chuyên vận tải hành khách tốc độ cao” loại bỏ hoàn toàn các đường ngang và áp dụng các biện pháp phòng chống thiên tai và hệ thống bảo vệ có độ tin cậy cao là hệ thống kiểm soát tàu tự động (ATC), đảm bảo khái niệm an toàn để không xảy ra tai nạn va chạm. Đây là nền tảng và đặc điểm riêng của Shinkansen. Ngoài ra, trọng lượng đầu máy toa xe được cải tiến nhẹ hơn bằng cách kiểm soát cường độ va chạm của đầu máy và sử dụng hệ thống tổ hợp động cơ điện và toa xe (EMU). Công nghệ EMU phù hợp với hạ tầng quy mô nhỏ gọn do tải trọng trục nhẹ và đảm bảo công suất vận chuyển lớn hơn do sử dụng hệ thống toa xe rộng hơn.

Ngoài ra, việc tách riêng công tác khai thác với bảo trì, ứng dụng hệ thống khai thác một chiều, hợp nhất hiệu quả khai thác tàu (không khai thác chung với tàu thường...), phát triển và ứng dụng khái niệm gốc về các biện pháp phòng chống cháy nổ, hệ thống điều độ tàu tập trung (CTC) và các công nghệ mới nhất khác đã được thực hiện để cơ cấu lại hệ thống đường sắt, phát triển hệ thống ĐSTĐC đầu tiên trên thế giới.

Thực tế khai thác cho thấy hệ thống đường sắt cao tốc Shinkansen có độ an toàn cao nhất thế giới, vận hành ổn định, vận chuyển với tốc độ cao, hiệu quả, công suất và tần suất lớn, giảm chi phí xây dựng do hạ tầng nhỏ gọn, giảm chi phí vận hành do đảm bảo hiệu suất sử dụng động lực cao. Đoàn tàu Shinkansen N700 Series mới nhất có tốc độ thiết kế tối đa 186 mph (350 km/h).

Công nghệ động lực tập trung TGV (Pháp): Đặc điểm nổi bật của TGV là tàu tốc độ cao được vận hành trên tuyến đặc biệt gọi là LGV (Ligneagvàevitesse) và trên cả đường thường trong trung tâm thành phố và ở các khu vực địa phương. Bằng cách này, Pháp có thể giảm chi phí xây dựng các tuyến mới, qua đó cải thiện dịch vụ cung cấp cho người sử dụng ĐSTĐC và nâng cao nhu cầu sử dụng ĐSTĐC.

Trong giai đoạn đầu khai thác tàu với vận tốc đối đa 200 km/h hoặc hơn được gọi là TGV. Vận tốc khai thác tối đa của TGV đã tăng lên 320 km/h. TGV được xây dựng bằng cách tránh các đoạn cong gấp. Ban đầu, bán kính cong tối đa là 4.000m. Khi vận tốc tàu tăng, bán kính cong tối đa đã tăng lên 6.000m hoặc hơn. Để đảm bảo an toàn khai thác tàu, xây dựng hàng rào để tránh người dân băng ngang qua đường trên toàn tuyến, hoàn toàn không có điểm giao cắt đồng mức. Kết cấu đường được xây dựng trên nền đá ballast trên nguyên tắc sử dụng ray hàn liền.

Hệ thống tín hiệu TVM430 là hệ thống tín hiệu đầu máy thiết kế riêng cho Pháp. Một số đoạn được lắp đặt với hệ thống kiểm soát đoàn tàu châu Âu (ETCS) - mức 2. Sử dụng hệ thống giá chuyển hướng có khớp nối cho đầu máy toa xe và khai thác tàu đường dài bằng các loại đầu máy có công suất lớn. Về thế hệ tàu tốc độ cao tiếp theo, Pháp đã phát triển các loại tàu với tên gọi Automotrice a Grvàe Vitesse AGV, gồm nhiều tổ hợp động cơ điện và toa xe có khớp nối (EMUs) với vận tốc 360 km/h.

Công nghệ động lực tập trung ICE (Đức): Đức phát triển ĐSTĐC bằng hai cách: Nâng cấp các tuyến đường sắt hiện hữu Ausbaustecke (ABS) và xây dựng các tuyến ĐSTĐC mới Neubausterecke (NBS). Trên các tuyến này, tàu tốc độ cao được gọi là tàu tốc hành liên thành phố (ICE) được vận hành với vận tốc tối đa 200 km/h hoặc hơn. Tàu tốc độ cao bắt đầu được đưa vào khai thác từ năm 1991, muộn hơn nhiều so với việc khánh thành tuyến TGV SudEst (năm 1981). Đến nay, hãng Siemens đã phát triển đoàn tàu Velaro HSR với tốc độ thiết kế tối đa 236 mph (380 km/h).

Công nghệ Trung Quốc - đoàn tàu CRH: Giai đoạn đầu sử dụng công nghệ động lực tập trung (PCS) áp dụng đoàn tàu CRH3 trên cơ sở công nghệ ICE3/Velaro3 của Đức. Từ năm 2007, tiếp cận công nghệ EMU, chỉ vài năm sau đã chuyển đổi thành công nghệ phát triển độc lập và đã đạt đến trình độ tiên tiến trên thế giới, là trường hợp điển hình phát triển ĐSTĐC thành công. Năm 2009, đoàn tàu CRH380 ra đời, sử dụng công nghệ EMU tốc độ lớn hơn 350 km/h. 

 Ưu, nhược điểm của các công nghệ đường sắt cao tốc

Ưu, nhược điểm của hệ thống động lực tập trung và phân tán

Hệ thống động lực tập trung (PCS) thường được sử dụng ở châu Âu cho các loại tàu TGV, ICE1, ICE2...

Bảng tổng hợp ưu và nhược điểm của hệ thống PCS và hệ thống EMU như sau:

Hệ thống động lực phân tán (EMU) đã được Shinkansen ứng dụng thành công trên tàu cao tốc. Một số quốc gia đã chuyển đổi hệ thống (PCS) sang hệ thống (EMU) cho các đoàn tàu thế hệ mới. Ví dụ ở Đức, đoàn tàu thế hệ ICE3 ứng dụng hệ thống EMU mặc dù trước đó các thế hệ đoàn tàu ICE1 và ICE2 ứng dụng hệ thống PCS. Ngoài ra ở Pháp, thế hệ đoàn tàu AGV gần đây cũng ứng dụng hệ thống này thay thế cho hệ thống TGV. Có thể thấy sử dụng hệ thống động lực phân tán là xu hướng chính trong phát triển đầu máy toa xe tốc độ cao hiện nay và tương lai.

So sánh ưu, nhược điểm

Qua thực tế phát triển các loại hình công nghệ cho ĐSTĐC của các nước khác nhau có thể tóm tắt đặc điểm chính của các loại hình công nghệ như sau:

Công nghệ Shinkansen: Sử dụng hệ thống tuyến mới có tiêu chuẩn cao, độc lập với các tuyến đường sắt khác, cho phép khai thác tàu tốc độ cao, an toàn và nâng cao công suất vận chuyển; phù hợp với hạ tầng quy mô nhỏ gọn do tải trọng trục nhẹ và đảm bảo công suất vận chuyển lớn hơn do sử dụng hệ thống toa xe rộng hơn. Tuy nhiên, yêu cầu tiêu chuẩn kỹ thuật khắt khe.

Công nghệ TGV: Đặc điểm nổi bật của TGV là tàu tốc độ cao được vận hành trên tuyến đặc biệt gọi là LGV (Ligneagvàevitesse) và trên cả đường thường trong trung tâm thành phố và ở các khu vực địa phương, tính liên thông cao và giảm chi phí bảo trì hạ tầng. Tuy nhiên, các thế hệ tàu tốc độ cao tiếp theo đã phát triển các loại tàu với tên gọi AGV, gồm nhiều tổ hợp động cơ điện và toa xe có khớp nối (EMUs).

Công nghệ ICE: Hệ thống xây dựng mới Neubausterecke (NBS) không chỉ dành riêng cho phát triển đoàn tàu tốc độ cao mà còn cho cả các tuyến đường sắt hỗn hợp, vì vậy đảm bảo tính liên thông cao và giảm chi phí bảo trì hạ tầng.

Hệ thống cung cấp động lực sử dụng hệ thống điện áp AC15kV tần số 16-2/3 Hz, là hệ thống cấp điện thông thường của các tuyến đường sắt hiện hữu. Các thế hệ đoàn tàu ICE đầu tiên sử dụng công nghệ động lực tập trung PCS nhưng sau đó đoàn tàu ICE 3 đã phát triển trên hệ thống động lực phân tán EMU.

Xu thế phát triển công nghệ

Công nghệ động lực phân tán (EMU) có ưu điểm vượt trội tập trung ở tốc độ cao, an toàn, năng lực vận chuyển lớn, tải trọng trục nhỏ, kết cấu hạ tầng nhỏ gọn, tiết kiệm. Công nghệ đường sắt cao tốc hiện tại và tương lai của thế giới theo xu hướng này.

Về tổ chức khai thác xây dựng hệ thống đường sắt cao tốc dùng chung cho đường sắt đô thị và đường sắt hỗn hợp có ưu điểm tính liên thông cao, hiệu suất khai thác lớn, tiết kiệm kinh phí bảo trì hạ tầng nhưng phải có hệ thống điều khiển và tổ chức khai thác tốt để đảm bảo an toàn. Yêu cầu về hạ tầng tuyến ĐSTĐC của thế giới đều theo xu thế tăng bán kính đường cong lớn hơn 6.000m