Đường sắt cao tốc

Đường sắt cao tốc (viết tắt ĐSCT hoặc bằng tiếng Anh HSR từ "high-speed rail"; còn gọi là Đường sắt tốc độ cao theo các phương tiện truyền thông ở Việt Nam) là một kiểu vận tải hành khách đường sắt hoạt động nhanh hơn rất nhiều so với tốc độ đường sắt thông thường. Liên minh châu Âu đã định nghĩa chi tiết tốc độ của đường sắt cao tốc là 245 km/h cho đường nâng cấp và 295 km/h trở lên với đường mới.^[1] Tại Nhật Bản các tuyến đường Shinkansen hoạt động với tốc độ hơn 260 km/h và được xây dựng bằng đường sắt khổ tiêu chuẩn và không có giao cắt đồng mức.^[2] Tại Trung Quốc, các tuyến đường sắt cao tốc quy ước hoạt động với tốc độ tối đa 350 km/h,^[3] và một tuyến maglev đạt tới tốc độ 430 km/h.

Mặc dù đường sắt cao tốc thường được thiết kế để vận chuyển hành khách, một số hệ thống cao tốc cũng thực hiện một số dịch vụ vận tải hàng hoá. Ví dụ dịch vụ thư tín Pháp La Poste sở hữu một số tàu TGV đặc biệt để chở hàng hoá thư tín.

Lịch sử

Đường sắt là hình thức vận tải số lượng lớn đầu tiên trên bộ và, trước khi ô tô bắt đầu phát triển vào đầu thế kỷ 20, nó gần như là hình thức vận chuyển độc quyền trên bộ. Từ năm 1933, các công ty tàu lửa ở châu Âu và Hoa Kỳ đã sử dụng thiết kế khí động học cho các dịch vụ vận tải bằng xe lửa cao tốc với tốc độ trung bình 130 km/h và tốc độ tối đa hơn 160 km/h. Vào thời kỳ đó người ta đã sử dụng cả loại tàu với hình dáng khí động học lẫn tàu điện nhiều toa trong các dịch vụ vận tải cao tốc.

Năm 1957, Công ty đường sắt Odakyu ở vùng thủ đô Tokyo ra mắt dịch vụ Romancecar với series tàu 3000 SE. Loại tàu này đã lập kỷ lục thế giới nhanh nhất thế giới khi chạy 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 trên đường sắt khổ tiêu chuẩn. Trong khi tìm cách giải quyết sự quá tải của những chuyến tàu vận hành trên tuyến Tokyo-Osaka, ý tưởng về đường sắt cao tốc 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 Tōkaidō Shinkansen của Nhật Bản, khởi công từ tháng 4 năm 1959 và chính thức khai trương tháng 10 năm 1964 ^[4].Tàu 0 Series 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.^[4]

Tại châu Âu, đường sắt cao tốc bắt đầu được khởi động từ Hội chợ Vận tải Thế giới ở Munich tháng 6 năm 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.

Định nghĩa đường sắt cao tốc

Có một số định nghĩa khác nhau về đường sắt cao tốc được sử dụng trên khắp thế giới và không có một tiêu chuẩn duy nhất. Hơn nữa, tùy mỗi địa phương lại có giới hạn tốc độ riêng^[1]. EC Directive 96/58 định nghĩa đường sắt cao tốc là các hệ thống xe lửa và cơ sở hạ tầng hoạt động thường xuyên với tốc độ 250 km/h trở lên trên các tuyến đường ray mới hay 200 km/h trên các tuyến đường ray có sẵn.^[1]

Tại Hoa Kỳ, đường sắt cao tốc được Cơ quan Đường sắt Liên bang Hoa Kỳ định nghĩa là có tốc độ trên 110 mph (180 km/h)^[5].

Tại Nhật Bản các tuyến Shinkansen cao tốc sử dụng khổ đường tiêu chuẩn thay vì đường khổ hẹp được dùng trên các tuyến khác. Những con tàu này hoạt động với tốc độ hơn 260 km/h và không có giao cắt đồng mức.^[2]

Tại Trung Quốc có hai cấp đường cao tốc. Thứ nhất là các tuyến chậm hơn hoạt động ở các tốc độ trong khoảng 200 và 250 km/h và có cả các toa chở hàng và chở khách. Thứ hai, các tuyến đường cao tốc chỉ để chở khách hoạt động với tốc độ tối đa lên tới 350 km/h.^[3]

Một cách định nghĩa đường sắt cao tốc khác là phải sử dụng đường sắt 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 phản lực có thể chấp nhận được đối với hành khách, các đường cong thường có bán kính hơn 5 km.

Cũng có một số đặc điểm chung cho hầu hết các hệ thống đường sắt cao tốc. Tất cả chúng đều hoạt động bằng điện thông qua cần phía trên 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. Các ghi cải tiến sử dụng đầu vào rất thấp và các góc tâm ghi cũng thường được sử dụng.

Các đoàn tàu hoạt động trên đệm từ được liệt vào tiêu chí đường sắt cao tốc do sự liên kết của chúng với các phương tiện chạy theo đường ray, tuy nhiên vì chúng không thể hoạt động được trên các tuyến đường sắt thông thường nên chúng cũng thường được xếp vào một tiêu chí riêng biệt.

Nguyên nhân cơ bản

Tại Nhật Bản và Pháp, những ý tưởng đầu tiên cho sự ra đời đường sắt cao tốc bắt nguồn từ nhu cầu ngày càng cao nhằm đáp ứng yêu cầu vận tải hành khách bằng đường sắt. Tới giữa thập niên 1950, tuyến Tōkaidō Main Line tại Nhật Bản đã hoạt động hết công suất tối đa, và tuyến Tōkaidō Shinkansen nối Tokyo và Osaka bắt đầu được xây dựng từ năm 1959. Tōkaidō Shinkansen khai trương ngày 1 tháng 10 năm 1964, đúng thời điểm tổ chức Thế vận hội mùa hè Tokyo. Tuyến đường sắt cao tốc đầu tiên ở Nhật có sự khác biệt so với các tuyến đường sau đó: tuyến đường này vốn đã rất đông đúc, việc phát triển đường bộ cao tốc sẽ rất đắt đỏ, tuy vậy chỉ với duy nhất một tuyến đường nối giữa Tokyo và Osaka đã có thể phục vụ tới một nửa dân số Nhật. Vào năm 1959 dân số thuộc tuyến đường này là 45 triệu người; ngày nay đã là hơn 65 triệu. Tuyến Tōkaidō Shinkansen là tuyến đường sắt cao tốc có số người đi lại cao nhất trên thế giới và vẫn vận chuyển số lượng hành khách nhiều hơn mọi tuyến đường sắt cao tốc khác trên thế giới cộng lại. Những tuyến đường sắt cao tốc sau này ở Nhất có mức độ phục vụ tương đương với châu Âu.

Tại Pháp, tuyến đường cao tốc chính giữa Paris và Lyon được dự đoán sẽ đạt công suất phục vụ tối đa vào năm 1970. Trong cả hai trường hợp lựa chọn xây dựng một tuyến đường sắt chỉ phục vụ hành khách cho phép các tuyến đường cao tốc thẳng hơn. Sự giảm bớt thời gian đi lại rất nhiều trên cả hai tuyến đường, khiến các thành phố chỉ còn cách nhau khoảng 3 giờ di chuyển, khiến số người đi lại tăng vọt.^[6] Chính thành công thương mại của cả hai tuyến đường đã khiến các quốc gia đó và nền kinh tế của họ mở rộng hay bắt đầu các mạng lưới đường sắt cao tốc.

Tại Hoa Kỳ trong những thập kỷ sau Thế chiến II, những cải tiến trong công nghệ ô tô và máy bay, cộng với các hạn chế chống độc quyền với các công ty đường sắt, và việc chính phủ tăng trợ cấp cho các tuyến đường bộ cao tốc và sân bay đã khiến các loại hình phương tiện này chiếm được tỷ lệ sử dụng cao hơn của dân chúng so với trước đó. Trong khi tại châu Âu và Nhật Bản, sự ưu tiên được dành cho việc khôi phục các tuyến đường sắt sau chiến tranh, thì tại Hoa Kỳ, sự ưu tiên được dành cho việc xây dựng một mạng lưới đường cao tốc liên bang và các sân bay lớn. Các hệ thống vận tải công cộng đô thị ở Hoa Kỳ đều tránh việc ưu tiên cho mở rộng đường sắt. Do sự ưu tiên của chính phủ Mỹ với đường bộ và đường hàng không và mật độ dân số thấp, các tuyến đường sắt ở Hoa Kỳ có tính cạnh tranh kém hơn so với các quốc gia châu Âu và Nhật Bản. Tuy vậy khi chi phí năng lượng gia tăng, số người đi lại bằng đường sắt đã tăng lên trên cả nước.^[7]

Tại Trung Quốc, các kế hoạch cho một mạng lưới đường sắt cao tốc lớn nhất trong lịch sử được thúc đẩy bởi sự kết hợp giữa những hạn chế về năng lực của các tuyến đường hiện có và mong muốn cắt giảm thời gian đi lại trong nước, đồng thời khuyến khích sự phát triển dọc theo tuyến đường. Kế hoạch xây dựng đã được tăng tốc khá nhiều bởi gói hỗ trợ thêm lên tới 4 nghìn tỷ Nhân dân tệ năm 2008 và một số tuyến đường dự định sẽ được hoàn thành vào năm 2013.

Việc đi lại bằng đường sắt có tính cạnh tranh cao hơn tại các vùng có mật độ dân số lớn hay tại những nơi có giá xăng đắt, bởi các đoàn tàu quy ước có hiệu năng nhiên liệu cao hơn ô tô khi số lượng người đi lớn, tương tự như các hình thức vận tải công cộng số lượng lớn khác. Rất ít các đoàn tàu cao tốc sử dụng nhiên liệu diesel hay các loại nhiên liệu hoá thạch khác nhưng các nhà máy phát điện cung cấp điện cho đoàn tàu có thể sử dụng nhiên liệu hoá thạch. Tại Nhật Bản và Pháp, nơi có các mạng lưới đường sắt cao tốc đắt đỏ nhất, một phần lớn lượng điện có từ nhiên liệu hạt nhân.^[8] Thậm chí khi sử dụng điện được sản xuất từ than đá hay dầu mỏ, các đoàn tàu vẫn có hiệu năng nhiên liệu trên hành khách trên kilômét lớn hơn ô tô thông thường bởi sự tiết kiệm thang biểu trong kỹ thuật phát điện. Các mạng lưới đường sắt, giống như đường cao tốc, đòi hỏi các khoản đầu tư tư bản cố định lớn và vì thế yêu cầu đồng thời một mật độ dân số lớn và sự đầu tư của chính phủ để có khả năng cạnh tranh so với cơ sở hạ tầng tư bản sẵn có của máy bay và ô tô. Mật độ đô thị và vận tải số lượng lớn là các yếu tố then chốt trong thành công của vận tải đường sắt châu Âu và Nhật Bản, đặc biệt tại các quốc gia như Hà Lan, Bỉ, Đức, Thuỵ Sĩ, Tây Ban Nha và Pháp.

Công nghệ

Đa phần công nghệ phía sau đường sắt cao tốc là một sự áp dụng cải tiến công nghệ đường sắt khổ tiêu chuẩn và lấy điện từ cần phía trên. Bằng cách xây dựng một cơ sở hạ tầng đường sắt mới với kỹ thuật của thế kỷ 20, gồm cả việc hạn chế các giới hạn như giao cắt đường cùng mức, dừng liên tục, một sự tiếp nối liên tục các đường cong và đường cong đảo chiều, và không chia sẻ quyền sử dụng đường với các đoàn tàu chở hàng hay tàu chở khách tốc độ thấp, các đoàn tàu luôn duy trì được tốc độ cao (250–320 km/h). Tổng chi phí sở hữu các hệ thống đường sắt cao tốc nói chung thấp hơn tổng chi phí những phương án thay thế cạnh tranh (đường cao tốc hay đường không mới). Các hệ thống của Nhật thường đắt đỏ hơn các đối thủ nhưng có độ tin cậy lớn hơn bởi chúng có đường dẫn riêng mức, không có giao cắt, và các hệ thống giám sát thảm hoạ. Dù vậy phần lớn chi phí của hệ thống Nhật Bản liên quan tới việc đào hầm qua núi, như ở Đài Loan. Những cải tiến gần đây với bánh xe đã đẩy các giới hạn tốc độ vượt quá 400 km/h, trong số các tiến bộ có các bộ điều chỉnh độ nghiêng tàu, thiết kế khí động học (để giảm lực cản, lực nâng, và tiếng ồn), phanh không khí, phanh tái hấp thu năng lượng, động cơ mạnh hơn, ghi trọng lượng động, vân vân. Một số cải tiến là để giải quyết các vấn đề, như thảm hoạ Eschede. Tốc độ kỷ lục của một tàu hoả chạy điện là 574.8 km/h được lập bởi một đoàn tàu TGV rút gọn trên một đoạn đường thẳng dài. Tốc độ kỷ lục với một tàu thương mại chưa chuyển đổi là 403.7 km/h, do tàu Class 403 của Deutsche Bahn, xếp hạng Kiểu của Đức cho Siemens Velaro, nắm giữ. Các tuyến đường cao tốc của châu Âu thường bao gồm các đoạn đường mới, nơi các con tàu chạy hết tốc độ thương mại, và một số đoạn đường cũ ở các đầu mút, gần các thành phố.

Tại Pháp, chi phí xây dựng (€10 triệu/km (US$15.1 triệu/km) chho LGV Est) đã được giảm thiểu bằng cách chấp nhận những mức độ cao dần thay vì xây dựng các đường hầm và cầu cạn. Tuy nhiên, tại đất nước Thuỵ Sĩ nhiều đồi núi, các đường hầm là không thể tránh khỏi. Bởi các tuyến đường được dành riêng để chở khách, độ dốc 3.5%, chứ không phải độ dố tối đa 1–1.5% như trước kia cho giao thông hỗn hợp, được áp dụng. Có thể cần tới những khu đất đắt đỏ hơn để xây dựng các tuyến đường thẳng hơn để giảm thiểu chi phí xây dựng cũng như chi phí hoạt động và bảo dưỡng. Tại các quốc gia khác đường sắt cao tốc được xây dựng mà không tính tới các yếu tố kinh tế đó để đường sắt cũng có thể hỗ trợ các loại hình vận tải khác, như chở hàng. Tuy nhiên kinh nghiệm cho thấy, những đoàn tàu có tốc độ thay đổi lớn gây ra sự sụt giảm đáng kể ở khả năng của tuyến đường. Vì thế, các tuyến đường vận tải hỗn hợp thường được dùng cho các đoàn tàu chở khách ban ngày, trong khi các đoàn tàu chở hàng hoạt động ban đêm. Trong một số trường hợp, các đoàn tàu cao tốc ban đêm thậm chí được chuyển thành các tuyến tốc độ thấp để nhường đường cho việc chở hàng.

Các tuyến đường sắt cao tốc theo vùng

  310–350 km/h (193–217 mph)   270–300 km/h (168–186 mph)   240–260 km/h (149–162 mph)
  200–230 km/h (124–143 mph)   Under construction   Other railways