懸掛式單軌交通的勘察設計實踐

張 爽

(中鐵二院成都勘察設計研究院有限責任公司，四川 成都 610081)

隨著我國城市化進程的加快，城市布局多以中心城市為核心，發展分散組團，為軌道交通系統的發展提供了客觀需求。城市軌道交通在國家軌道交通產業發展政策、財政政策等相關政策的支持下，各城市對軌道交通建設熱情高漲，發展城市軌道交通能有效緩解城市交通擁堵，提升城市形象、構建高效綠色交通體系。

目前，全國已有44座城市的軌道交通獲得批復，其中42座城市都在建設地鐵，其余的1座在建設市域軌道交通，1座在建設跨座式單軌，且這些城市基本上是直轄市、省會城市和中東部的計劃單列市、副省級城市。面對目前國內城市軌道交通產業“大運量地鐵系統產業布局已基本完成，中低運量的軌道交通產業布局尚未形成”的現狀，軌道交通制式趨于向多樣化方向發展、新型軌道交通不斷涌現的態勢。繼符合建設條件的大中城市規劃建設地鐵、輕軌之后，越來越多的中小城市、旅游景區迫切要求另辟途徑，建設合適的軌道交通。

懸掛式單軌系統也借此機遇，憑借其線路適應性強、建設周期短、環境適應性好、運行安全可靠、建設成本低等自身特點，在國內新制式軌道交通系統中脫穎而出。懸掛式單軌最早起源于德國，并已在德國和日本得到成功應用，但在其他國家尚未得以推廣應用，仍屬于小眾化軌道交通。自2012年起，國內多個城市持續開展懸掛式單軌規劃等前期工作，國內的設計、鋼梁及設備制造、車輛等相關單位開始進行懸掛式單軌研究。在懸掛式單軌制式的客觀需求、商業利益的推波助瀾及地方軌道交通產業發展誘惑的多重因素下，懸掛式單軌項目遍地開花，韓城市懸掛式單軌項目就是走在前列的、國內首條開展全階段設計工作的商業運營線。

1 我國首條懸掛式單軌商業運營線設計概述

韓城市懸掛式單軌交通機場至古城段一期工程，是全國首條開展勘察設計工作的懸掛式單軌商業運營線，在全國懸掛式單軌片地開花的熱潮下，該項目在設計階段一直發揮著領頭羊的作用。

項目位于陜西省韓城市南部，是連接司馬遷祠景區、澽水河沿岸風景帶及古城景區的旅游觀光快速干線，承擔沿線景區游客、居民的出行，同時也承擔機場、高鐵、汽車客運站的客流集散，作為新型公共交通，對于升級城市交通，提升旅游形象，引進新型產業，帶動沿線經濟開發具有積極意義。

線路起于芝水河北側，經國家文史公園、澽水生態景觀帶、108國道夏陽段，止于擬建的古城游客中心附近。一期工程為全高架線路，雙線全長10.7 km，平均站間距2.07 km，最大站間距3.09 km，最小站間距1.32 km；全線設置車站6座，均為路側布置的高架側式站臺；車輛基地1處，出入段線按雙線設計。投資總額約20億元，建設工期18個月。

本項目主要設計歷程：

(1)2016年3月，項目啟動；5月，完成預可評審；7月，完成可研及批復；11月，完成PPP招標。

(2)自2016年12月起，同步開展初步設計及施工圖設計工作。

(3)2017年5月，完成主要系統設備用戶需求書；8月，完成第一版初步設計文件；9月，完成“三站兩區間”土建部分施工圖。

2 懸掛式單軌在設計實踐中遇到的問題及解決措施

2.1 車輛基本參數不確定情況下，線路的適應性研究

作為全國首條懸掛式單軌商業運營線，國內尚無任何與懸掛式單軌有關的規范、標準，車輛參數、限界均未形成統一標準，車輛的設計制造及工程的設計均在同步研究。本項目開展設計的前半部分時間里，主要控制因素在于車輛參數不完整且未穩定。

開展施工圖設計的前提條件是——準確的限界資料。在車輛參數不完整且未穩定的情況下，限界專業無法提供準確的車輛限界、設備限界等相關資料，導致線路專業無法確定線間距。基于項目正線為雙線設計，區間結構采用“Y”型墩、全鋼結構的特點，為滿足項目工期要求，促進項目往前推進，經綜合研究后，線路設計采取“左+中+右”三線模式定線：

(1)在線間距無法明確的情況下，為推動項目盡快開展定測相關工作，避免后期因線間距調整而重新進行線路測量，考慮以“中”線開放測量專業開展工作，且便于橋梁專業以“中”線布跨，實現雙益。目前懸掛式單軌列車的制造是多方并舉，各車輛制造企業均在獨自研發，依托項目推廣自家車輛，并希望在懸掛式單軌這個國內新型軌道交通領域脫穎而出，最終占領懸掛式單軌的市場。在此種車輛研發未能形成合力、規格不統一情況下，修建單軌的設計標準和技術規范同樣達不到統一，因此懸掛式單軌在國內尚未成熟應用前，采用“中線”定線方式，應該是能較好解決測量定線問題，今后其他懸掛式單軌項目，可參考本項目線路設計模式。

(2)在完整的車輛參數情況下，限界專業計算后，直線段與曲線段線間距是不等的，為便于橋梁墩柱及軌道梁設計、加工及施工的便利，經綜合比較，在投資變化不明顯的情況下，采取統一區間線間距(取大值)設計且曲線采用同心圓，以“中”線配設“左、右”線。

設計時需考慮到懸掛式單軌區間結構的特點(鋼結構工廠預制)，在選用曲線半徑時，盡量減少選用半徑的多樣化，規格3種以內較佳，便于墩、梁的模塊化生產。同心圓設計時可采用如下公式計算，配設緩和曲線長度，使曲線段“Y”型墩左、右對稱，達到最佳受力狀態。

式中：R——曲線半徑(m)；L——緩和曲線長度(m)。

2.2 關于安全線的設置問題

本項目的列車供電方式為正、負極接觸軌在軌道梁內分兩側布置，根據行車專業提供的配線方案，車輛基地接軌方案為古城游客中心站單側雙出入段線接軌方式(需立交設置入段線)，且出入段線均設置安全線。

圖1 車站配線示意圖

由于本項目車輛基地選址及古城站站址的因素，按照目前設計方案，出入段線在不改變接軌站站位的情況下是無法設置安全線的。改變古城接軌站站位后，與原地方提出的空軌古城站和擬建游客集散中心集約設置要求不符，且按具備設置安全線條件移動后，將引起大量的房屋拆遷工程；另由于本工程的特殊性，鋼結構的道岔梁是非常復雜的成套系統，需經技術經濟綜合必選后設置，此處線路臨近國道，如按設置安全線方案布置，大部分道岔梁及車擋將橫跨國道，存在一定的安全風險。據此總體組行車、線路、信號、車輛等相關專業對古城車輛基地出入段線與正線連接側線路設置安全線的必要性進行了專題研究。

為確保行車安全，地鐵設計規范中關于設置安全線的條款主要有兩條：

(1)列車從支線或車輛基地出入線進入正線前應具備一度停車條件，經過核算不能滿足信號安全距離要求時，應設置安全線。

(2)車輛基地出入線，在車站接軌點前，線路不具備一度停車條件，或停車信號機至警沖標之間小于50 m時，應設置安全線。

基于本項目線路條件，出段線采用約600 m平坡接入正線，參照地鐵設計規范可不設置安全線；入段線采用大坡度上跨接入正線，正常情況下，入段線作為單一的入段功能使用，可不設置安全線。

出段線故障情況下，如果入段線不設安全線且作為出段功能使用時，若列車失去制動力，列車將從大下坡處溜下，沖入正線，可能與正線上行方向的列車發生沖撞。為了避免失去制動力的下溜列車對正線上行方向列車造成安全隱患，經過車輛專業針對本項目列車以20 km/h初速度從坡道56‰的坡頂自由滑行(坡長120 m)至零速的運行距離的計算，在3種工況下的計算結果為：

(1)考慮V=0 km/h時(即最小阻力情況)，列車基本阻力Fw=6.726 72(KN)，運行距離s=824.5(m)；

(2)考慮V恒等于20 km/h時(恒定阻力情況)，列車基本阻力Fw=7.173 44(KN)，運行距離s=773.2(m)；

(3)考慮V初始情況等于20 km/h時(變化阻力情況)，運行距離s=729.4(m)。

由于3種工況下計算出的運行距離均不大于古城游客中心站前一區間線路長度1.3 km，最后得出如下結論：

①古城車輛基地出入段線配線不設置安全線。

②出段線故障情況下，利用入段線作為出段功能使用時，列車在出段下坡段運行過程中，必須滿足：下坡段列車最高運行速度不超過20 km/h；澽水新城站～古城游客中心站的上行區間及兩站上行站臺均無列車占用。信號專業根據上述兩點要求采取相應措施控制列車運行。

圖2 調整后車站配線示意圖

懸掛式單軌系統作為國內新制式軌道交通之一，在無規范、標準的情況下，其他制式的標準、規范可以作為參考，借鑒其經驗、教訓，但需根據懸掛式單軌項目的自身特點，充分研究出一套適合懸掛式單軌的技術方案，為進一步制定行業標準提供準備。

2.3 在新制式軌道交通及PPP合作模式下，設計與投資的協同困境

懸掛式單軌作為新型軌道交通，設計上尚無可借鑒、參考項目，而本項目又同時采用了PPP模式，設計過程中又遭遇了材料價格的大幅上漲。在諸多因素影響下，項目后期的開展舉步維艱。

項目自可研批復后，隨即便開展施工圖相關設計工作，滿足項目先期開工段的建設工期要求，初步設計工作同時進行。據2017年3月調研，韓城空軌項目因材料上漲及設計前置基礎條件變化引起的變更，預計項目建設投資將超工可投資估算總額約2億元，根據PPP項目合同“項目初步設計投資額不能超過項目投資估算，項目實際投資額以項目竣工決算后審計金額為準”的條款，此問題將對工程建設成本控制、項目施工及采購分包、項目可行性缺口補助重新測算及政府履約能力造成較大風險。

受此影響，后期設計一直圍繞優化方案、控制投資開展工作。投資控制措施主要有以下幾類：

(1)工程優化

首先考慮優化土建工程部分，其中區間結構部分費用約占整個項目工程費用的50%，因此主要優化區間軌道梁、墩、基礎結構。

(2)降低服務標準

在保證安全的原則下，進行項目投資控制，主要工程內容有：降低線路標高、降低站房裝修標準、弱化系統設備相關服務型功能。

為了控制投資，反復優化方案、結構，耗費了大量的精力、人力，且最終效果并不理想。針對此類PPP模式承建項目，要在制定設計標準及原則的同時，充分考慮到投資因素，根據投資確定項目如何開展，且工經專業應改變原傳統項目的做法(在初步設計概算中留有較大余地，只要滿足不超批復投資估算的10%，能順利通過審查，得到批復即可)，應在項目設計初期就開始介入，隨時預測、評估各專業設計投資上的變化情況及實時材料價格波動，便于掌控項目如何開展設計的方向。同時各專業也需及時將方案上的調整等情況反饋給工經專業，保持信息的暢通。PPP項目的概算編制要求更加精細化，要注意從量價組合過程中的定額選用、取費標準、費用開項各方面控制概算。

3 結束語

懸掛式單軌作為國內的新制式軌道交通之一，目前暫未形成統一的設計規范，需通過各科研機構、設計單位、車輛研發等人員的共同努力，經過試驗線、運營線的設計實踐，儲備相關科研成果和技術，以制定懸掛式單軌行業標準為目標，為懸掛式單軌設計提供指導。

本文通過參與懸掛式單軌項目的勘察設計實踐，從線路設計、行車配線、工程投資等方面，提出了開展懸掛式單軌項目中一些問題的解決措施及積累的部分經驗，供大家參考。