懸掛式單軌旅游觀光線路主要技術標準研究

歐成章 李曉飛

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308)

1 研究背景

懸掛式單軌交通系統的發展已逐漸成熟，該系統具有占地少、適應性強、投資少、工期短等突出優點，特別適合用于中小城市交通干線、大城市交通接駁線及旅游景區觀光線路[1]。

目前，國內已建成多條懸掛式單軌試驗線(均為車輛廠內試驗線路)，尚無商業運營經驗積累及成熟的技術標準體系。許多學者進行了相關研究：黃華瑋對懸掛式單軌交通的最小曲線半徑及曲線限速值進行了研究[2]；王建才基于傾斜時變率并借鑒軌道交通的理論，推導了懸掛式單軌緩和曲線長度計算公式[3]；李濤等通過理論計算，明確了線路標準的相關參數[4]；郭臣以最大傾斜角度6.5°、最高行駛速度50 km/h的懸掛式單軌車輛為例，對懸掛式單軌交通線路的技術標準進行了研究[5]。這些研究或采用理論分析、或參照傳統軌道交通的經驗，均取得了一定的成果，但沒有結合旅游觀光線路低速、高舒適性等要求，以及軌道梁的設計、制造和安裝等因素進行綜合研究。因此，開展懸掛式單軌旅游觀光線路技術標準的分析和研究很有必要。

基于湖北恩施青云崖旅游觀光線工程實踐，結合我國中唐新能源空鐵試驗線、開封空鐵示范段、中鐵科工江夏試驗線等懸掛式單軌試驗線的經驗，分析研究懸掛式單軌旅游觀光線路主要技術標準的選取原則。

2 工程概況

湖北恩施青云崖度假區旅游觀光線采用懸掛式單軌的形式，串聯鷹嘴崖、向家山絕壁、懸壁酒店、神掌峰等景點。沿線地形、地物復雜，部分線路沿懸崖峭壁布設。線路正線全長2.1 km，均為高架線；設車站3座，車輛段1座。

3 線路平面主要技術標準

3.1 最小曲線半徑

懸掛式單軌交通將車體懸掛于軌道梁下方，通過懸掛構件連接轉向架和車體。車輛通過曲線時，離心力使車體產生傾斜，當傾斜到一定程度，限位止擋將限制車體繼續傾斜，此時車體達到最大傾斜角。如通過速度繼續增加，則離心力無法被車體地板反力的水平分量所平衡，未被平衡的離心加速度易使乘客感覺不適。

根據受力分析，曲線最小半徑主要受列車最高運行速度、未被平衡的離心加速度及車體最大允許傾角控制。

(1)列車最高運行速度

目前，國內外尚無用于觀光游覽的懸掛式單軌商業運營線路，也無類似規范、案例可參考。基于旅游觀光線路的功能定位，為使乘客擁有充裕的觀景時間和豐富的觀景體驗，結合沿線地形、地物等條件，列車最高運行速度暫定為30 km/h，限速25 km/h運行。

(2)未被平衡的離心加速度

未被平衡的離心加速度對乘客舒適度的影響試驗表明，速度在0.4～0.8 m/s2之間不會造成乘客不適。

本線為旅游觀光線路，采用透明車體，且距地面較高，在一定程度上將加劇乘客的不適感覺。根據大唐試驗線[6]、開封試驗線[7]的設計經驗及乘坐體驗，確定未被平衡的離心加速度限值為小于0.4 m/s2。

(3)車體最大允許傾角

列車運行導向軌道的軌道梁一般采用鋼結構，在緩和曲線段設置超高將造成軌道梁的制造、焊接過于復雜。根據車輛廠提供的車輛資料，懸掛式單軌列車最大允許傾角為6°(傾角6°相當于輪軌系統設置超高158 mm，已大于地鐵的最大超高值120 mm)，故懸掛式軌道梁不再考慮設置超高。

根據對懸掛式單軌列車的受力分析，可得其通過曲線時的速度-半徑關系

(1)

式中R——線路曲線半徑/m；

g——重力加速度/(9.8 m/s2)；

ν1——列車縱向通過速度/(m/s)；

ν2——列車縱向通過速度/(km/h)；

αy未——未被平衡的離心加速度/(m/s2)；

αmax——車體橫向偏移的最大傾角/(°)。

根據對最小曲線半徑影響因素的分析，結合本線列車最高運行速度、未被平衡的離心加速度、車體最大傾角，確定線路正線最小曲線半徑為50 m。

3.2 緩和曲線設置

為保持列車曲線運行的平穩性，在曲線與直線之間設置緩和曲線，以承擔曲率半徑、軌道超高、軌距加寬等過渡任務。

懸掛式單軌車體能自由擺動，以適應離心力的變化，當曲線半徑大于或等于150 m時，按限速25 km/h計算，此時離心加速度對舒適度影響不大，故曲線半徑R≥150 m時可不設緩和曲線。

懸掛式單軌不存在超高及軌距加寬，緩和曲線長度主要受未被平衡橫向加速度的時變率β控制，根據試驗線的乘坐體驗，時變率β取0.3 mm/s3較為適宜，緩和曲線長度按式(2)選取，即

(2)

式中L——緩和曲線長度/m；

ν——列車最高運行速度/(km/h)；

R——曲線半徑/m。

為降低軌道梁的設計、制造和安裝難度，提升乘客舒適度，應避免一根軌道梁上存在三種線形，故緩和曲線的最小長度為20 m，圓曲線及夾直線最小長度也應參照該原則設置。

4 線路縱斷面主要技術標準

4.1 正線最大坡度

線路最大坡度取決于車輛性能，根據國內車輛廠提供的資料，國內懸掛式單軌車輛的爬坡能力均可達到100‰。

平面轉彎半徑小是懸掛式單軌的主要優點之一。由于采用橡膠輪胎，通過小半徑曲線時列車附加力增大。因此，應對線路最大坡度進行適當折減。

大唐新能源空鐵試驗線的列車最高運行速度為60 km/h，線路最大縱坡為60‰。該試驗線總計20 000 km的安全運行實踐驗證了最大坡道采用60‰是適宜的[9]。

本線最高運行速度為30 km/h，速度較低，沿線為復雜的山地地形，結合試驗線的實踐經驗，確定正線最大坡度為60‰。

4.2 豎曲線設置

在變坡點處設置圓曲線型豎曲線將有效改善變坡點處的豎向舒適度。舒適度由豎向加速度指標進行評價，有

(3)

式中av——豎向加速度/(m/s2)；

V——行車速度/(km/h)；

Rsh——豎曲線半徑/m。

根據國外資料，豎向加速度av的取值范圍較寬，為0.08 ～0.31 m/s2。

為打造最佳的乘車體驗，豎向加速度取0.08 m/s2，此時Rv=V2，經計算，豎曲線最小半徑為1 000 m。

兩相鄰坡段之間是否設置豎曲線主要受變坡點處修正值的控制。《地鐵設計規范》(GB50157)規定，兩相鄰坡段的坡度代數差≥2‰時，應在變坡點設置圓曲線型的豎曲線[10]，而代數差<2‰時，變坡點的修正值可忽略不計。

結合旅游觀光線性質，從提升乘客舒適度及觀景體驗的角度，當兩相鄰坡段的坡度代數差≥2‰時，應在變坡點設置圓曲線型的豎曲線。

4.3 坡段長度

為使列車長度范圍內只有一個變坡點，避免列車通過變坡點時的附加力疊加和頻繁變化，坡段最小長度應大于遠期列車長度，并保證相鄰豎曲線間有足夠的夾直線長度。在設計中，坡段長度往往受夾直線長度控制。

根據試驗線的經驗，一節軌道梁存在三種線形將增加制造和安裝的難度，因此，確定相鄰豎曲線間夾直線的最小長度為20 m。

5 結束語

(1)平面曲線最小半徑應根據列車最高運行速度、未被平衡的離心加速度及車體最大允許傾角計算確定。

(2)懸掛式單軌線路中的緩和曲線僅承擔曲率半徑由R-∞的過渡；當離心加速度不大時，可不設緩和曲線，以方便軌道梁的設計及制造。設置緩和曲線時，其長度根據未被平衡橫向加速度的時變率計算確定。

(3)根據車輛性能并考慮曲線折減后，線路正線的最大坡度采用60‰是合理的。

(4)兩相鄰坡段的坡度代數差≥2‰時，應在變坡點設置圓曲線型的豎曲線，豎曲線半徑按V2(V為最高運行速度/(km/h))計算確定。

(5)坡段最小長度應大于遠期列車長度。

(6)平面圓曲線、緩和曲線、夾直線及縱斷面夾直線的最小長度按一節軌道梁不出現三種線形的原則確定。