跨坐式單軌車輛基地咽喉區(qū)線路平面優(yōu)化研究

劉曉云 劉 俊 周宇正

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

跨坐式單軌是一種中等運量的軌道交通系統(tǒng)，具有投資少、周期短、適用性強等優(yōu)點[1]。其車輛基地屬于大型建設(shè)工程，占地多、投資大。因此，如何合理利用城市有限的土地資源，充分考慮運輸組織、工藝要求、城市總體規(guī)劃和周邊配套等各方面要求并節(jié)省工程投資，是車輛基地設(shè)計中的重要問題[2]。

在鐵路與軌道交通的站場設(shè)計領(lǐng)域，高華對常見車輛基地布置形式進(jìn)行了優(yōu)缺點分析，指出貫通式布置形式適合于平行緊鄰線路的狹長用地，縱列式適用于一般狹長地塊，橫列式對用地橫向?qū)挾纫筝^高[4]；羅宏偉建立了線路(包括道岔)的幾何拓?fù)浯鎯Y(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了平縱橫信息共享和聯(lián)動設(shè)計[5]；黃登指出，車站可視為股道的集合，股道可視為由直線線路、曲線線路、單開道岔、復(fù)式交分道岔、車擋等實體的集合，將這些實體設(shè)計為構(gòu)件對象，使其具有相應(yīng)的專業(yè)設(shè)計信息及行為特征，對其進(jìn)行連接編緝等操作，形成站場股道，最終可形成任意復(fù)雜的站場平面圖[6]；王煥棟等認(rèn)為在站場平面設(shè)計中應(yīng)對設(shè)備圖元進(jìn)行實體抽象，以線路為例，可抽象出線路類型、軌枕、線路起終點等實體屬性[7]；蒲浩等基于本體建模理論與方法，以概念的屬性來表達(dá)設(shè)備的空間約束條件，將設(shè)備修改后的聯(lián)動操作抽象為本體的函數(shù)，將站場專業(yè)中的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)定義為本體的公理[7]。以往研究大多關(guān)注車輛基地的整體布置或是鋼輪鋼軌系統(tǒng)站場的平面設(shè)計，很少涉及跨坐式單軌咽喉區(qū)圖形特點以及優(yōu)化分析的研究。以下從其道岔和線路的基本特性出發(fā)[8]，對跨坐式單軌咽喉區(qū)設(shè)計做針對性的研究和探討。

1 跨坐式單軌道岔的類型及特點

跨坐式單軌道岔采用與軌道梁相似的梁式結(jié)構(gòu)，由一組互相聯(lián)結(jié)、關(guān)節(jié)間可轉(zhuǎn)動的鋼箱梁組成。單軌道岔由道岔梁、指形接手組、十字形鉸、尾軸等部件組成[9]。

1.1 按結(jié)構(gòu)形式區(qū)分

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，跨坐式單軌可分為樞軸形和關(guān)節(jié)形(包含關(guān)節(jié)可撓形)兩種類型(見圖1)[10-12]。樞軸形道岔結(jié)構(gòu)包括：道岔梁、支承組件、驅(qū)動裝置和鎖定裝置；其中道岔梁的尾端通過轉(zhuǎn)動組件與基礎(chǔ)底板表面轉(zhuǎn)動式連接。關(guān)節(jié)形道岔由道岔結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)轍驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成，其轉(zhuǎn)轍驅(qū)動系統(tǒng)通過減速器帶動擺臂繞減速器中心軸回轉(zhuǎn)實現(xiàn)道岔梁的橫移。道岔結(jié)構(gòu)由多節(jié)道岔梁組成，梁與梁之間具有一定的轉(zhuǎn)角。樞軸形道岔系統(tǒng)的最大開數(shù)為4，關(guān)節(jié)形道岔的最大開數(shù)為5。

圖1 樞軸形道岔(左)和關(guān)節(jié)形道岔(右)

1.2 按功能區(qū)分

可將道岔依據(jù)其開數(shù)進(jìn)行劃分，以關(guān)節(jié)形道岔為例，可分為單開、對開、三開、五開，共4種道岔類型。

其中，三開道岔和五開道岔都可在直向和左右兩側(cè)轉(zhuǎn)換，三開道岔左右兩側(cè)的位置具有相同的轉(zhuǎn)角，五開道岔左右兩側(cè)各具有兩個岔路；與三開道岔相比，五開道岔不僅具有連接岔路多的優(yōu)勢，還可把與道岔直向交角更大的線路連接到道岔，可實現(xiàn)更短距離的線路匯集。

2 優(yōu)化目標(biāo)

咽喉區(qū)的優(yōu)化目標(biāo)是實現(xiàn)工程經(jīng)濟(jì)性與技術(shù)性的平衡與統(tǒng)一。根據(jù)車輛基地的設(shè)計特點，可將咽喉區(qū)優(yōu)化目標(biāo)分為定量和定性兩類，定量目標(biāo)[13]包含縮減咽喉區(qū)長度、線路長度、使用道岔數(shù)量、用地面積等；定性目標(biāo)包括工藝流暢，功能合理，外形美觀等。

3 設(shè)計前提與要求

3.1 車輛基地平面布置類型

根據(jù)站段關(guān)系，車輛基地分為貫通式布置和盡端式布置兩種。

(1)貫通式布置

貫通式布置是指其運用庫線為貫通式布置，庫兩端均設(shè)置咽喉區(qū)，并設(shè)置出入線分別與兩個車站(或區(qū)間)接軌，兩個咽喉區(qū)通過走行線聯(lián)通。

(2)盡端式布置

現(xiàn)狀國內(nèi)城市軌道交通車輛基地盡端式布置大多分為順向并列式和反向縱列式兩種，如北京地鐵古城車輛基地、平西府車輛基地。順向并列式為檢修庫和運用庫并列布置，運用庫和檢修庫通過咽喉區(qū)的牽出線連接；反向縱列式為檢修庫和運用庫縱列布置，運用庫和檢修庫需“之”字形折返調(diào)車。

與盡端式布置相比，貫通式布置工藝要求復(fù)雜，占地面積大，線路長，在城市土地資源日益緊缺的現(xiàn)狀下，一般不做優(yōu)先考慮，貫通式布置和盡端式布置的咽喉區(qū)設(shè)計參數(shù)和基本優(yōu)化規(guī)律相同，故以盡端式布置的咽喉區(qū)作為案例進(jìn)行分析。

3.2 線路設(shè)計參數(shù)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[14]，咽喉區(qū)優(yōu)化相關(guān)參數(shù)取值如下：

(1)車場線曲線半徑一般采用75 m，困難條件采用50 m。

(2)在正線及配線上，圓曲線最小曲線長度不宜小于15 m，困難時不應(yīng)小于10 m，車場線可按不小于3 m控制，車場線按不小于15 m控制。

(3)兩相鄰曲線間和道岔間夾直線最小長度為10 m。

(5)相鄰線間距不小于4.5 m。

4 咽喉區(qū)特點分析

車輛基地咽喉區(qū)的功能是通過道岔將場線收束，最終匯集到出入線上，其布置應(yīng)保證通過能力、作業(yè)安全和一定的作業(yè)效率。為了節(jié)約用地和減少線路長度，道岔的布置應(yīng)緊湊，使線路在盡量短的長度內(nèi)收束到出入線上。

4.1 平行錯移反向曲線連接

在條件允許的情況下，出入線與車場線以平行關(guān)系最為常見，兩條平行錯移線路通過反向曲線連接[15](見圖2)，在常見的雙出入線設(shè)計中，為平衡兩條出入線的作業(yè)量，在車場規(guī)模較大時，線群一般至少被劃分2部分，分別銜接兩條出入線，這時，兩個線群可被視為兩個反向曲線組。

圖2 咽喉區(qū)反向曲線示意

4.2 線群反向曲線連接

圖3為國內(nèi)某跨坐式單軌車輛基地的平面布置，咽喉區(qū)線路劃分為兩個線群，分別和兩條出入線連接，其中線群1包括4條停車線、1條預(yù)留線；線群2包括4條列檢線、1條月檢線和2條檢修線；因停車作業(yè)頻繁，故4條列檢線配套連接一條出入線。從圖3可知，兩個線群均存在一條徑路，該徑路包含有一組反向曲線。

圖3 線群反向曲線案例

5 重要變量分析

在設(shè)計過程中，以上特點導(dǎo)致跨坐式單軌咽喉區(qū)優(yōu)化設(shè)計過程中存在4個控制變量。

5.1 出入線位置

出入線位置應(yīng)依據(jù)車輛基地周邊規(guī)劃、地形情況，并結(jié)合站段關(guān)系進(jìn)行擺放。設(shè)置試車線的車輛基地可將車場布置為出入線鄰試車線(房屋外置)和出入線與試車線間夾設(shè)房屋(房屋內(nèi)置)兩種類型(見圖4)。在停車場的設(shè)計中，因沒有試車線，一般將出入線放置在車場的一側(cè)，以減少對土地的分割。

在車場線和出入線平行的前提下，出入線垂向位置決定兩線的距離，這會影響線群的傾角，進(jìn)而影響道岔的組合方式以及關(guān)鍵徑路等重要變量。因此，出入線位置是咽喉區(qū)線路平面優(yōu)化的全局變量。

圖4 車輛基地平面布置類型

5.2 道岔組合方式

在車場線數(shù)目較多時，往往需要布置多組道岔。以48列位停車場為例，其中的8號和10號道岔可以有如圖5的三種連接方式，但方案②和方案③使得10號道岔的傾角加大和道岔尾上移，即使使用最小半徑也無法與車場線連接，故方案無法成立。

吉林化工學(xué)院圖書館與吉林省圖書館聯(lián)盟、吉化研究院圖書館等單位開展了館際互借服務(wù)；同時與Calis，Cashl，NSTL簽訂了文獻(xiàn)傳遞協(xié)議，可提供外文期刊論文、外文學(xué)位論文、標(biāo)準(zhǔn)等多種文獻(xiàn)類型的文獻(xiàn)傳遞服務(wù)。

在給定車輛基地規(guī)模的前提下，道岔的連接及同一線群所有道岔的組合方式往往具有一個較為固定的最優(yōu)方案。在出入線位置確定之后，應(yīng)考慮道岔兩端反向曲線的垂向投影距離，對組合道岔進(jìn)行大致的估算和擺放，并留有適當(dāng)?shù)挠嘣！?yōu)化后的道岔布置如圖6所示。

圖5 道岔組合方式

圖6 線群道岔組合方式

5.3 關(guān)鍵徑路

關(guān)鍵徑路是對咽喉區(qū)優(yōu)化影響最大的徑路，經(jīng)歸納，主要有如下三個特征：

① 連接車場線和出入線，具有貫通性；

② 此徑路串聯(lián)起來的道岔數(shù)目最多；

③ 入場前道岔通過道岔中間岔路搭接車場線。

關(guān)鍵徑路的傾角決定整個線群的傾角，是咽喉區(qū)設(shè)計的控制因素，故在設(shè)計中，應(yīng)主要關(guān)注關(guān)鍵徑路的傾角。

圖7 咽喉區(qū)關(guān)鍵徑路

如圖7所示，由兩條出入線引出的線群中，內(nèi)側(cè)的線群一般不是影響整個咽喉區(qū)長度的控制因素，外側(cè)線群因其與出入線垂向距離大，在同樣角度的前提下，匯聚到出入線需要的水平距離會相應(yīng)增大。因此，主要通過優(yōu)化最外側(cè)線群的道岔布置來縮減整個咽喉區(qū)長度。在外側(cè)線群的道岔組合方式確定后，主要任務(wù)就是在滿足設(shè)計參數(shù)的前提下，將關(guān)鍵徑路及其所串聯(lián)最后道岔的徑路連通，其余徑路一般相對較為自由，對咽喉區(qū)整體優(yōu)化的控制程度較小。

5.4 接入不同出入線的線群間距

在設(shè)計過程中，為使咽喉區(qū)以及線路長度變短，應(yīng)盡量將外側(cè)線群最靠近出入線道岔的傾角加大，但受最小線群間距的約束，該傾角存在極限值。線群傾角確定后，道岔的布置方向即得到了確定，從而咽喉區(qū)的長度也基本得到確定。

6 設(shè)計過程

6.1 確定出入線位置

首先在房屋外置和房屋內(nèi)置兩種布置形式中選用一種。房屋外置將出入線與試車線間留出一定間距，滿足布置環(huán)形道路、管線溝渠以及結(jié)構(gòu)安全距離的要求；房屋內(nèi)置需要結(jié)合房屋及其他設(shè)施設(shè)備的布置情況，將出入線布置在車場線中間的位置。

6.2 劃分線群

車輛基地的布置以運用庫為中心、檢修庫為重點、其他庫為跟隨、牽出線為中轉(zhuǎn)，在此設(shè)置原則上，功能相近或聯(lián)系緊密的車間應(yīng)集中布置或建設(shè)為聯(lián)合廠房。

在線群劃分時，應(yīng)結(jié)合車場線的配比情況，運用庫中的列檢線宜與檢修庫相鄰布置，即線路按使用頻次依次橫向排列。

6.3 確定道岔數(shù)量及配比

跨坐式單軌道岔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加上其附屬平臺工程，整體造價較高。同時，道岔的數(shù)量將影響咽喉區(qū)的長度，進(jìn)而影響用地和土建工程。因此，車輛基地規(guī)模和線群組合方式確定后，需確定咽喉區(qū)的道岔使用數(shù)量及配比。一般情況下，宜優(yōu)先考慮最小道岔數(shù)量作為設(shè)計方案。道岔數(shù)量配比可根據(jù)徑路增加法確定。其中，N開道岔最大可將1條線路分岔到N條線路上，即可使徑路增加N-1個。以五開道岔系統(tǒng)為例，1個五開道岔可以增加4條徑路，1個三開道岔可以增加2條徑路，1個單開(對開)道岔可以增加1條徑路。故可以通過式(1)來確定各種道岔的數(shù)量

N場-N出入≤4x+2y+z(1)

其中：N場——車場線的數(shù)量；

N出入——出入線的數(shù)量；

x——五開道岔的數(shù)量；

y——三開道岔的數(shù)量；

z——單開和對開道岔的數(shù)量。

初步確定方案時，為節(jié)約成本，應(yīng)盡量多使用五開道岔，因此，y、z取0，x取使式(1)等號成立時解的取整值或取整值減去1。即(x，y，z)的初始取值為(int(N場-N出入)/4，0，0)或(int(N場-N出入)/4-1，0，0)；此時，不等式右邊小于或等于左邊。然后結(jié)合道岔布置和線群劃分為y、z取值，取值范圍為0，1，2，且三開道岔和單開(對開)道岔的使用數(shù)量一般不超過2個(y+z≤2)，即最多利用三開和單開道岔增加4條徑路。道岔數(shù)量x，y，z的取值盡量使式(1)成為等式，或右邊比左邊大1(此時道岔富余1個岔路)。

以48列位停車列檢停車場為例，包括16條停車線，8條列檢線，1條洗車線，共25條車場線，通過2條出入線連接正線；由式(1)可知，可確定5個五開、1個三開及1個單開的道岔數(shù)量配比。

6.4 道岔布置

車輛基地咽喉區(qū)常見形狀為“半鐘”形或“半梭”形，當(dāng)出入線位于車場一側(cè)，咽喉區(qū)形狀為“半鐘”形；房屋內(nèi)置時，出入線和車場中部大致對齊，此時咽喉區(qū)形狀為“半梭”形。道岔布置的一般原則是“由內(nèi)到外，向心布置”，即鄰靠出入線的股道先布置道岔，并將道岔岔首指向出入線。由咽喉區(qū)輪廓的特征可知，內(nèi)側(cè)道岔與出入線形成的夾角較小，外側(cè)道岔的夾角較大。

6.5 線路連接

在滿足設(shè)計要求的前提下，將道岔通過直線和曲線連接起來，使咽喉區(qū)成為貫通的徑路。在滿足曲線最小長度的前提下，曲線半徑，線間距、夾直線長度等參數(shù)優(yōu)先采用最小值。在線路連接過程中，通過平移、旋轉(zhuǎn)道岔來進(jìn)行微調(diào)。

7 優(yōu)化規(guī)律總結(jié)和案例分析

在車輛基地工藝順暢、功能滿足的前提下，為實現(xiàn)工程的經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)考慮咽喉區(qū)的進(jìn)一步優(yōu)化。

咽喉區(qū)的定量優(yōu)化目標(biāo)可通過工程量來衡量，具有越小越好的特征。在線路設(shè)計參數(shù)取規(guī)范允許最小值的情況下，重要變量的調(diào)整常常能使咽喉區(qū)工程量進(jìn)一步減小，如圖8所示。

圖8 優(yōu)化規(guī)律

以48列位停車列檢車輛基地的咽喉區(qū)設(shè)計為例(見圖9)，車輛基地共37條車場線，2條出入線，咽喉區(qū)配有8個五開道岔，2個三開道岔，其中存在一個閑置岔路。在圖9的設(shè)計方案中，咽喉區(qū)長266.01 m，最外側(cè)股道距出入段線131.30 m，兩個線群間距為5.7 m，尚有余裕，但7號道岔與曲線夾直線為3.5 m，且與1號道岔間通過負(fù)向曲線連接；另外，1號道岔與出入線也通過負(fù)向曲線連接，設(shè)置負(fù)向曲線會使道岔與出入線搭接的徑路延長。因此，在此設(shè)計中，出入線股道距離最外側(cè)股道太近，導(dǎo)致了咽喉區(qū)長度較長，應(yīng)考慮從調(diào)整出入線位置入手，來優(yōu)化整個咽喉區(qū)的設(shè)計。

圖9 48列位停車列檢車輛基地咽喉區(qū)初始方案(單位：m)

將出入線下移10 m，將1號和5號道岔位置對調(diào)，適當(dāng)調(diào)整線群劃分，使關(guān)鍵徑路上只存在一正一負(fù)兩條曲線。同時，將線群2順時針旋轉(zhuǎn)，并壓縮線群之間的線間距。通過調(diào)整，該方案關(guān)鍵徑路上負(fù)向曲線的轉(zhuǎn)角為42°47′，且切線水平，咽喉區(qū)長度縮短至217.38 m(見圖10)。

圖10 48列位停車列檢車輛基地咽喉區(qū)優(yōu)化后方案(單位：m)

經(jīng)比較，優(yōu)化前的方案中，1號道岔與出入線的夾角只有8°38′，在該方案的關(guān)鍵徑路中，1號道岔前的曲線在轉(zhuǎn)至水平方向后，又向右上方旋轉(zhuǎn)了4°4′(見圖11)，這種關(guān)鍵徑路存在不止一條反向曲線以及線路走向出現(xiàn)反復(fù)的情況，是咽喉區(qū)不夠緊湊合理的特征，一般需要進(jìn)行相關(guān)調(diào)整來壓縮咽喉區(qū)長度，以減少占地面積和工程量。

圖11 優(yōu)化前后對比

8 結(jié)束語

綜上所述，車輛基地咽喉區(qū)平面優(yōu)化設(shè)計，需要從其整體圖形特點(宏觀)，線群關(guān)系、關(guān)鍵徑路、道岔布置(中觀)，以及線間距、夾直線和曲線長等設(shè)計細(xì)節(jié)(微觀)統(tǒng)籌把握。另一方面，在專業(yè)序列里，需要考慮不同出入線的作業(yè)均衡、工程節(jié)約等因素。