懸掛式單軌在山區旅游軌道中的適應性分析

李文榮

(中鐵四院集團新型軌道交通設計研究有限公司，江蘇蘇州 215009)

1 概述

懸掛式單軌作為一種輕型、中等速度、中等運量的交通制式，是當前發展綠色、環保、輕型、便捷交通模式的方向，可以作為山地景區旅游觀光軌道的制式選擇之一。

多位學者曾對懸掛式單軌系統的應用進行了探究，鐘異瑩等[1]研究了懸掛式單軌在山地城市交通系統中的應用可行性，認為懸掛式單軌在山地城市具有較好的適應性和應用前景，但該研究僅分析了懸掛式單軌作為山地城市公共交通方式的適應性，未對山地旅游景區等特殊區域的應用進行進一步的分析；余浩偉等[2]從經濟性角度對其進行研究，認為懸掛式單軌屬于小運量軌道交通，特別適用于旅游景區，但未結合實例分析其在山地景區中的應用；孫彪[3]從旅游體驗的角度出發，從視覺體驗、觀光體驗、乘坐體驗等視角，提出了懸掛式單軌列車的設計方向，但未對懸掛式單軌系統制式的適應性進行分析。

綜合前述研究，結合懸掛式單軌制式的技術特點及山地旅游景區的環境特點，從多方面分析懸掛式單軌在山區旅游軌道中的適應性，為懸掛式單軌未來的應用提供借鑒。

2 山區旅游軌道介紹

山區旅游軌道是獨立運行于山地景區、以旅游觀光為主要目的的軌道交通系統。與城市軌道交通不同，山區旅游軌道不僅需要克服地勢陡峭、相對高差大的復雜地形條件，還應盡量降低對周邊環境的影響，對系統制式的主要技術標準有特殊要求。

2.1 山區旅游軌道的特點

(1)旅游軌道一般為獨立的軌道交通系統，采取獨立的運營管理模式。

(2)具有票價自主定價權，可根據實際運營情況和旅客經濟能力合理定價，有利于項目運營的可持續性。

(3)客流存在明顯的潮汐出行特征，早晚高峰明顯，并且淡、旺季客流差異較大，運輸組織需在系統能力范圍內盡可能地適應不同時間段的客流變化規律，滿足游客出行需求。此外，還需保證一定的服務頻率，為游客進出景區及欣賞沿線風景提供便捷的服務。

2.2 制式選型原則

(1)系統服務水平滿足需求

山區旅游軌道的客流特征不同于傳統的國有鐵路和城市軌道交通模式，具有客流較小、流向較為單一、客流隨淡旺季變化明顯、早晚高峰客流集中等特點。因此，軌道制式既要能夠滿足高峰小時客流運輸要求，還需編組靈活，較好地適應山區旅游淡/旺季不同時段的客流量[4]。

(2)工程建設與景觀和諧

山區旅游軌道的工程建設應當遵循環境保護與開發并重的原則，繞避景區的核心景點，且注意保護景區生態，嚴格遵循城市總體規劃和環境功能區劃。因此，山區旅游軌道應當選擇占地面積小、施工和運營對周邊環境影響小的制式，使工程與周邊景觀相協調。

(3)充分體現旅游產品屬性

作為旅游景區的重要旅游產品，山區旅游軌道是景區旅客旅游觀光的主要交通方式，應將其與旅游開發相結合，打造旅游景觀，成為獨特的旅游產品。應在滿足旅游觀光的要求之外，以“新型、美觀、舒適、經濟、環保”的原則選擇軌道制式，充分體現旅游產品的屬性。

(4)保證經濟合理性

山區旅游軌道項目一般采取獨立的運營管理模式，具有票價自主定價權，可根據實際運營情況和旅客經濟能力合理定價，有利于項目運營的可持續性。但同時，其作為公共交通服務的屬性被弱化。因此，項目本身需具備一定的營收能力，在保證觀光體驗功能的前提下，盡可能選擇與工程投資相適應的車輛制式，以維持項目的健康、有序和可持續性發展。

3 旅游觀光軌道交通制式介紹

通過調研國內外山區旅游觀光鐵路制式運營案例與新型軌道交通制式研發等情況，用于旅游觀光鐵路的制式主要有窄軌鐵路、齒軌鐵路、纜索鐵路、跨坐式單軌、懸掛式單軌等。

3.1 米軌鐵路

米軌鐵路是利用動力機車牽引、軌距為1 000 mm的鋼輪鋼軌制式系統，俗稱小火車。相較于標準輪軌系統，較小的軌距可有效減小車體尺寸，縮減建筑限界，降低工程建設難度和建設成本。

米軌鐵路最小轉彎半徑為100 m，最大爬坡能力為30‰，采用內燃機或電力機車牽引，最高速度可達120 km/h以上，較適宜作為山區或景區內的旅游觀光，如云南建水古城旅游觀光火車、四川嘉陽觀光鐵路等。

3.2 齒軌鐵路

齒軌鐵路是在兩條軌道中間對向設置兩塊縱向鋼板，鋼板中間每隔一定距離橫向放置鋼橫擋，通過機車的齒輪嚙合使列車前進[6-7]。

齒軌鐵路坡度適應能力強，最大爬坡能力可達480‰。在大坡度地段，可縮短展線長度，減小橋隧比例，縮短建設工期，節約成本。但采用齒軌驅動時，其旅行速度不高，一般不超過25 km/h。齒軌鐵路比較適宜觀光旅游，在山地景區具有獨特優勢。齒軌鐵路在國外有較大范圍的應用，如瑞士少女峰、皮拉圖斯山，德國巴伐利亞楚格峰，美國華盛頓山等齒軌鐵路，但國內尚無應用案例。

3.3 纜索鐵路

纜索鐵路是一種介乎索道與鐵路之間的交通系統，全程使用纜繩牽引車輛在固定軌道上運行。與其他牽引方式動力不同，其車輛自身不帶動力，需修建專門的動力車庫，常用于山區[5]。

纜索鐵路多用于一座山的登頂，其線路較短(一般不超過2 km)，運行速度約10 km/h；適用于大坡度地形，最大爬坡能力可達500‰，較適用于短距離、大坡度、小運量的運輸要求。應用案例有澳大利亞新南威爾士纜索鐵路、香港太平山纜車、重慶長壽纜車等。

3.4 跨座式單軌

跨座式單軌通過單根軌道梁來支撐、穩定和導向，車體騎跨在軌道梁上運行[8]。

跨座式單軌宜優先采用高架形式敷設，能夠充分利用上層空間，占地面積較小。其最小轉彎半徑為50 m，最大爬坡能力為60‰，對地形有良好的適應性，兼具安全準時、快速靈活、舒適方便等特點，典型的實例有美國迪士尼世界單軌、深圳歡樂干線、曲江跨座式單軌、銀川花博園云軌等。

3.5 懸掛式單軌

懸掛式單軌是單軌系統的另一種形式，亦稱為空軌、空鐵等，其車體懸掛于導向梁下運行，導向梁一般采用鋼制箱型中空斷面，內含集電靴、通信電纜、導軌、運行軌及車架等[9]。

懸掛式單軌以高架形式敷設為主，最小轉彎半徑為50 m，最大爬坡能力可達100‰，最高運行速度為70 km/h[13]。在國外的應用案例較多，如德國多特蒙德、伍伯塔爾、杜塞爾夫，日本千葉、湘南、名古屋等空鐵工程，國內應用主要有成都中唐空鐵試驗線、青島四方試驗線。

以下主要對懸掛式單軌在山區旅游軌道中的適應性進行分析。

4 懸掛式單軌的適應性分析

4.1 自然環境適應性

(1)地形環境

山區旅游軌道沿線所經區域一般地形較為崎嶇，地勢陡峭，自然坡度與相對高差大，部分地段還可能出現巖溶地貌，地質條件復雜。

懸掛式單軌以高架形式敷設為主，車輛采用橡膠輪胎，正線最小轉彎半徑可至50 m。相較于米軌、齒軌等制式，其轉彎半徑較小，可有效減少線路展線長度，降低工程投資；相較于跨座式單軌，其爬坡能力更強，可減少對沿線山體的開挖，從而有效降低邊坡支擋及防護工程數量，大大減少對沿線潛在的崩塌滑流等地質災害的工程防護措施，對山區復雜的地形地貌及環境具有較好的適應能力。

總體上來說，懸掛式單軌能夠在多變的地形、地貌及地理環境中建造，可以架設在地形起伏較大的山區內，能在一定范圍內有效避開現有建筑物。

(2)氣候環境

山地景區的氣候隨地形變化較大，影響光、熱、水的再分配。因此，山地景區較容易出現雨雪、霜凍及大風天氣。

懸掛式單軌車輛走行輪包裹于導向梁內，受雨雪、霜凍天氣的影響小，即使是在大雪天氣下也可正常運行。其走行部結構如圖1所示。另根據文獻[10]，在10級風力下，懸掛式單軌(空車)橫向加速度為ay=0.323 m/s2，滿足軌道交通中0.4的舒適度要求，橫向平穩性指標Wzy=1.878，也滿足文獻[10]中提出的低于2.5的要求，能夠適應較強等級的大風。另外，也可以在山間橫風處設置風速監控及預警系統，做好大風的防范措施。

圖1 懸掛式單軌走行部結構

總體而言，懸掛式單軌制式對山地景區的氣候環境適應性較強。

4.2 輸送能力適應性

山區旅游軌道的客流特征不同于傳統的國有鐵路和城市軌道交通模式，具有客流較小、流向較為單一、客流隨淡旺季變化明顯、高峰客流集中等特點[11]。系統制式既要能夠滿足高峰小時客流運輸要求，還需編組靈活，能較好地適應山區旅游線淡/旺季不同時段的客流量。

旅客對旅游觀光軌道乘坐舒適度要求較高。為充分發揮懸掛式單軌的觀光體驗效果，車箱可采用全坐席方式。懸掛式單軌的編組較為靈活，可2～7輛編組，能夠靈活應對不同時段的客流需求。

以某旅游觀光軌道旺季客流預測為例，其高峰小時最大斷面客流近期為984人次/h，遠期為1 267人次/h。懸掛式單軌系統能力按24對/h考慮，在全坐席定員3編組方案下，系統輸送能力為1 536人次/h，可滿足該線近、遠期高峰小時斷面客流，如表1所示。在滿足旺季客流需求的情況下，淡季則可通過減小列車編組的方式節約運營成本。

表1 某旅游軌道旺季客流預測及列車編組方案

4.3 軌道結構適應性

山區旅游軌道系統制式選擇應滿足如下要求：節約用地，盡量避免因工程建設造成現有景區的地塊切割、景觀破壞，將其融入自然之中，使游客能體驗到觀光線與自然景觀和諧一體、相互輝映的景致。

懸掛式單軌以高架形式敷設為主，其軌道結構主要包括軌道梁與支撐墩柱[12]。軌道梁截面采用底部開口的箱形截面，箱梁的下翼緣兼做軌道，車輛懸掛于軌道梁下方；支撐墩柱用來懸掛軌道梁；單線一般采用倒L形，雙線一般采用Y形，如圖2所示。

圖2 懸掛式單軌軌道結構

軌道梁及墩柱可采用鋼結構或混凝土結構。在山地景區中，若采用混凝土結構，施工周期較長，質量控制難度大，且在滿足車輛轉向架限界條件下，橫截面尺寸較大，影響景觀通透性。若采用鋼結構，梁截面尺寸小，自身恒載小，結構輕便，視覺效果通透，與景區更加協調；由于其上部結構輕便，橋墩尺寸小，基礎工程量也少，并且采用工廠制造，質量可靠，安裝方便。

采用懸掛式單軌制式時，在部分景區可以利用其結構特點將乘車觀光與步行觀光相結合，在軌道梁上部設置沿線路貫通的觀景通道，通過車站實現交通轉換，增強線路的旅游觀光屬性。

4.4 牽引供電方式適應性

山區旅游軌道項目所在地一般地勢起伏較大，線路條件復雜，牽引供電方式應優先考慮安全性和可靠性。

懸掛式單軌車輛的牽引供電方式較為靈活，既可以采用車載儲能供電制式(如成都中唐空鐵試驗線)，也可以采用接觸軌供電制式(如青島四方試驗線)，見圖3。

圖3 接觸軌供電

對于車載儲能供電制式來說，山區旅游軌道可能存在較多的長大坡度區間，對車載儲能單元的續航能力有較高的要求，需結合工程實際條件及供電系統的各種運行方式，詳細核算、驗證車輛儲能單元的續航能力。若因車輛續航能力不足導致車輛在區間臨時停車，將對全線正常運營帶來較大影響。

而接觸軌供電方式技術較為成熟，可靠性較高，在國內外已建成的地鐵或輕軌項目中使用比較廣泛，其標稱電壓一般為DC750V或DC1500V。該供電方式需全線敷設接觸軌及回流軌，且需要間隔3.5～4 km設置牽引變電所，引起工程投資的增加。另外，山地景區一般外部電力資源比較薄弱，存在變電所選址及后期運營維護困難等問題。

具體的牽引供電制式選擇應當結合線路長度及周圍環境靈活選擇。

4.5 故障救援方式適應性

懸掛式單軌的故障救援方式主要有以下三種：(1)列車自救疏散；(2)救援列車救援疏散；(3)地面救援疏散[14]。

列車自救疏散指的是列車發生故障時，靠自身動力運行或利用線路坡度滑行至鄰近車站，然后進行乘客疏散，這種方式較適用于列車未發生嚴重故障、可以繼續運行或滑行且不會使故障加重的情況。救援列車救援疏散指的是列車出現故障并失去動力時，同一線路上的救援車從故障車的端部靠近，乘客由司機室的逃生門疏散(亦稱為縱向法)，如圖4所示；雙線線路上，救援車可通過平行線路停在故障車旁，乘客由橫向渡板從故障車疏散至救援車中(亦稱為橫向法)，如圖5所示。地面救援是通過地面救援汽車將乘客疏散至地面的方式。

圖4 縱向救援法

圖5 橫向救援法

圖6 日本江之島線救援螺旋樓梯

4.6 體驗性及觀光效果

懸掛式單軌結構纖細輕盈，與周圍景觀具有良好的協調性，亦可根據線路所處位置的不同以及周圍景觀情況，進一步研究梁體及墩柱的涂裝方案和車站外裝方案，使得懸掛式單軌與所在區域環境背景和主要文化背景相協調，符合城市環境特征及整體景觀打造要求。

懸掛式單軌車輛懸掛在導向梁之下，并采用墩柱支撐，游客俯瞰視角好，能夠盡覽景區景色。同時，車輛可采用大天窗，地板局部可采用鋼化玻璃，乘客在車廂內可欣賞腳下景色，帶來奇特的視覺體驗[15]，如圖7所示。

圖7 車廂內部觀光效果

另外，懸掛式單軌可對橋梁上部進行特殊的設計，結合沿線景觀規劃，將上部空間打造成一條與懸掛式單軌相輔相成、穿梭于人與自然之間的空中觀光走廊，既給游客帶來獨特的觀賞體驗感，又能夠與周邊景色相融合，形成有機整體，如圖8所示。

圖8 軌道梁景觀步行道

4.7 經濟可行性分析

作為旅游產品，懸掛式單軌在車票價格方面具有較大的自主權，其經營屬性較強，擔負著為投資者賺取一定回報的使命。同時，作為景區內部主要的交通方式，是景區發展的重要基礎設施。因此，票價應從旅游客流消費水平、運營公司效益等多方面綜合考慮。

以前述某旅游觀光軌道項目為例，結合該項目特點、游客和沿線居民經濟承受力、旅游推薦行程，并參考國內外旅游線路的票制、票價，推薦采用計程計時票價制。同時，根據不同的旅客類型，制定不同的基準票價率。

(1)旅游客流

針對旅游客流，該項目采用空鐵制式，車輛經過特殊設計，為游客提供了絕佳的觀景視角和舒適的觀賞環境，較國內外一般旅游線路特點鮮明，優勢明顯，票價率可高于目前國內外一般旅游鐵路，單程車票總價可參照國內外相近旅行時間線路票價制定，全線平均票價率按4元/(人·km)。

(2)沿線居民

對于沿線居民，該項目單程旅行時間短于景區大巴旅行時間，同時能夠提供較好的乘車環境、較高的服務頻率，便捷沿線居民的日常出行。因此，票價率按高于目前大巴票價率確定，但應遠少于旅游客流票價率。全線平均票價率按1元/(人·km)。

通過財務分析，該項目財務內部收益率為3.65%，大于行業基準收益率(3%)，項目投資回收期為22.98年，表明財務評價可行。

5 結論

(1)懸掛式單軌轉彎半徑小、爬坡能力強，且受雨雪、霜凍天氣的影響小，對山區的地形和氣候環境有較強的適應性。

(2)懸掛式單軌編組靈活，可通過靈活的編組方案滿足山區旅游軌道淡旺季不同時段的客流需求。

(3)懸掛式單軌的軌道宜采用鋼結構，以使其結構輕便，視覺通透，與周邊環境相協調。

(4)懸掛式單軌的牽引供電方式主要有車載儲能供電和接觸軌供電，可以根據線路的長度、周邊環境條件靈活選擇。

(5)對山區旅游軌道交通來說，懸掛式單軌的故障救援方式存在較大的局限性，應以列車自救和工程救援車救援為主。

(6)懸掛式單軌車廂內部視角通透，觀光效果好，軌道梁上部空間可以做成觀光步道，給游客帶來獨特體驗，形成獨特的景區特色。

(7)從經濟可行性方面來說，其票價可由旅游景區自主定價，應從旅游客流消費水平、運營公司效益等方面綜合考慮后制定。