跨座式單軌交通標(biāo)準(zhǔn)體系研究

劉 俊 武 農(nóng) 郭子煜

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

標(biāo)準(zhǔn)是人類文明進步的成果。從中國古代的“車同軌、書同文”,到現(xiàn)代工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn),都是標(biāo)準(zhǔn)化的生動實踐。積極實施標(biāo)準(zhǔn)化戰(zhàn)略,以標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動城軌行業(yè)創(chuàng)新,規(guī)定技術(shù)底線,規(guī)范行業(yè)秩序,保障建設(shè)運營質(zhì)量,對中國城市軌道交通高質(zhì)量創(chuàng)新發(fā)展具有極其重要的意義。

1965 年,中國第一條地鐵(北京地鐵1 號線)開始建設(shè),至今已有五十余年的發(fā)展歷史,截止2020 年底,地鐵通車?yán)锍踢_6280km,已發(fā)布超過250 項與城市軌道交通相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1-2],形成較為完備的標(biāo)準(zhǔn)體系,標(biāo)準(zhǔn)為城市軌道交通的建設(shè)運營、產(chǎn)業(yè)發(fā)展作出積極貢獻[3-6]。

2000 年,重慶單軌交通2 號線作為國內(nèi)第一條跨座式單軌開始建設(shè),在總結(jié)重慶單軌建設(shè)運營實踐的基礎(chǔ)上,編制國家標(biāo)準(zhǔn)3 項、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)6 項,為指導(dǎo)單軌交通的建設(shè)運營作出積極貢獻。近年來,跨座式單軌技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展[7-11],隨著蕪湖單軌即將試運行,輕型跨座式單軌實現(xiàn)工程應(yīng)用,集成化、輕量化等關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新成果具備了上升為標(biāo)準(zhǔn)的條件。而目前在編的跨座式單軌交通標(biāo)準(zhǔn)僅9 項,且覆蓋面不全,亟需構(gòu)建完整的跨座式單軌標(biāo)準(zhǔn)體系,以指導(dǎo)今后跨座式單軌設(shè)計工作。

目前,國內(nèi)幾乎沒有針對跨座式單軌系統(tǒng)制定標(biāo)準(zhǔn)體系的相關(guān)研究,僅在《城市軌道交通產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系》中包含跨座式單軌標(biāo)準(zhǔn)的框架,但未針對跨座式單軌系統(tǒng)獨有的技術(shù)特點給出具體建議。

2019 年,中國城市軌道交通協(xié)會搭建了城市軌道交通團體標(biāo)準(zhǔn)體系,該體系主要基于鋼輪鋼軌走行方式的地鐵、輕軌和有軌電車制式。如何在標(biāo)準(zhǔn)體系中體現(xiàn)膠輪走行方式的跨座式單軌獨特關(guān)鍵技術(shù),構(gòu)建單軌交通標(biāo)準(zhǔn)體系框架,是本文研究的重點。

2 跨座式單軌交通關(guān)鍵技術(shù)研究

跨座式單軌交通是一種車輛跨行于梁軌合一軌道梁上行駛的城市軌道交通制式,屬于膠輪走行系統(tǒng)。與鋼輪鋼軌走行系統(tǒng)的差異主要體現(xiàn)在車輛系統(tǒng)、軌道梁橋系統(tǒng)、道岔系統(tǒng)和供電系統(tǒng)。這4 方面的差異,也體現(xiàn)跨座式單軌最核心的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 車輛系統(tǒng)

跨座式單軌車輛與鋼輪鋼軌車輛的差異主要表現(xiàn)在車輛走行機理不同,以及轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)不同(見圖1)。鋼輪鋼軌車輛的走行是鋼輪鋼軌耦合黏著驅(qū)動形式,跨座式單軌車輛的走行是輪胎與混凝土軌道面(少量會用到鋼結(jié)構(gòu)軌道面)之間的胎軌耦合附著驅(qū)動形式。轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的不同表現(xiàn)在,鋼輪鋼軌轉(zhuǎn)向架一般是單走行輪系(四走行輪)結(jié)構(gòu),跨座式單軌轉(zhuǎn)向架一般是三輪系(走行輪系、導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪系)結(jié)構(gòu)。故獨特騎跨式膠輪走行的轉(zhuǎn)向架是跨座式單軌的關(guān)鍵技術(shù)之一。

圖1 跨座式單軌與地鐵車輛轉(zhuǎn)向架

2.2 軌道梁橋系統(tǒng)

跨座式單軌軌道梁橋系統(tǒng)與鋼輪鋼軌軌道系統(tǒng)的差異主要表現(xiàn)在軌道結(jié)構(gòu)形式的不同(見圖2)。跨座式單軌采用軌道梁橋結(jié)構(gòu),車體騎跨于軌道梁上,軌道梁不僅是承重結(jié)構(gòu),也是車輛走行的軌道,結(jié)構(gòu)精度為厘米級,軌道精度為毫米級,軌道梁的平順性直接決定車輛運行的舒適度,故跨座式單軌軌道梁橋的線性控制十分重要。

圖2 跨座式單軌軌道梁橋與地鐵軌道系統(tǒng)

另外,接觸軌、通信信號電纜等設(shè)施也敷設(shè)于軌道梁上,跨座式單軌軌道梁橋系統(tǒng)集成多種功能于一身;對于鋼輪鋼軌系統(tǒng),鋼軌敷設(shè)于橋梁結(jié)構(gòu)或路基之上,供電、通信信號等設(shè)施均獨立敷設(shè)。

2.3 道岔系統(tǒng)

跨座式單軌道岔與鋼輪鋼軌系統(tǒng)道岔在結(jié)構(gòu)形式上完全不同(見圖3),跨座式單軌道岔由機械裝置、驅(qū)動裝置和控制裝置組成,其機電一體化設(shè)備可驅(qū)動整體或數(shù)節(jié)道岔梁。鋼輪鋼軌系統(tǒng)道岔由轉(zhuǎn)轍器、尖軌、轍叉、護軌及連接部分組成,兩者差異巨大。

圖3 跨座式單軌與地鐵系統(tǒng)道岔

2.4 供電系統(tǒng)

跨座式單軌供電與鋼輪鋼軌走行系統(tǒng)的差異主要表現(xiàn)在軌道形式、受流方式、回流方式等方面。單軌交通接觸軌通常設(shè)置在軌道梁兩側(cè),車輛上的受流器滑塊與接觸軌接觸,將電流引入列車牽引電機,與鋼輪鋼軌系統(tǒng)常用的接觸網(wǎng)供電和三軌供電存在較大差異。

3 跨座式單軌交通標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及分析

3.1 已發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)

截止2020 年,已發(fā)布單軌交通標(biāo)準(zhǔn)24 項,其中國家標(biāo)準(zhǔn)3 項、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)6 項,團體標(biāo)準(zhǔn)1 項、地方標(biāo)準(zhǔn)14 項(見表1～表4)。

表1 國家標(biāo)準(zhǔn)

表3 團體標(biāo)準(zhǔn)

表4 地方標(biāo)準(zhǔn)

已發(fā)布的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)均基于重慶大型單軌實踐,包括3 項建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和6 項裝備標(biāo)準(zhǔn),為指導(dǎo)單軌交通的建設(shè)運營作出了積極的貢獻。

已發(fā)布的團體標(biāo)準(zhǔn)《輕型跨座式單軌交通設(shè)計導(dǎo)則》是中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司等多家單位為滿足越來越多城市特別是Ⅱ型大城市對軌道交通的需求,在充分總結(jié)重慶單軌經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,對輕型跨座式單軌技術(shù)開展系統(tǒng)集成創(chuàng)新和關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新,進一步的輕量化研究,降低建筑體量和景觀影響、增強其適應(yīng)能力,降低工程造價,并成功應(yīng)用于蕪湖工程實踐中,可用于指導(dǎo)輕型跨座式單軌的設(shè)計和建設(shè)。

3.2 在編標(biāo)準(zhǔn)

目前,在編的跨座式單軌交通專用標(biāo)準(zhǔn)9 項,其中國家標(biāo)準(zhǔn)2 項、團體標(biāo)準(zhǔn)7 項(見表5)。

表5 在編標(biāo)準(zhǔn)

近年來,為適應(yīng)市場需求,國內(nèi)單軌技術(shù)在重慶大型單軌的基礎(chǔ)上有了進一步創(chuàng)新發(fā)展,更加注重經(jīng)濟、環(huán)保、集成。正在編制的7 項團體標(biāo)準(zhǔn)均由蕪湖單軌的創(chuàng)新實踐上升而來,而已修編完成的國家標(biāo)準(zhǔn)《跨座式單軌交通設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》也已將輕型跨座式單軌創(chuàng)新成果納入其中,即將批準(zhǔn)發(fā)布。這些在編的團體標(biāo)準(zhǔn)主要集中在跨座式單軌交通與城市軌道交通其他制式存在較大專業(yè)技術(shù)差異領(lǐng)域,但數(shù)量仍然較少。

4 跨座式單軌交通標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建建議

中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布的團體標(biāo)準(zhǔn)體系,以基礎(chǔ)、建設(shè)、運營與開發(fā)、裝備等4 個板塊為主維度,城市軌道交通系統(tǒng)制式為輔維度,整個框架體系以鋼輪鋼軌為主、兼顧其他制式。因此,單軌交通需從自身角度出發(fā),梳理形成反映單軌專業(yè)特點的標(biāo)準(zhǔn)體系框架。重點對跨座式單軌交通車輛系統(tǒng)、軌道梁橋系統(tǒng)、道岔系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等差異較大的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行全面研究,形成符合跨座式單軌建設(shè)和專業(yè)發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)體系。按照中國城市軌道交通協(xié)會團體標(biāo)準(zhǔn)體系,軌道梁橋系統(tǒng)與設(shè)計相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)可歸于建設(shè)板塊,與產(chǎn)品相關(guān)的可歸于裝備板塊,其他的車輛系統(tǒng)、道岔系統(tǒng)、供電系統(tǒng)可歸于裝備板塊。

4.1 車輛系統(tǒng)

現(xiàn)有鋼輪鋼軌系統(tǒng)成熟的車輛設(shè)計理論不能簡單套用在跨座式單軌車輛的設(shè)計上,有必要在更深層次的車輛動力學(xué)理論、設(shè)計方法、試驗驗證方法上研究。

根據(jù)專業(yè)和功能不同,跨座式單軌車輛系統(tǒng)可劃分為車體及其內(nèi)裝、車端連接系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、走行系統(tǒng)、供風(fēng)及制動系統(tǒng)、牽引輔助系統(tǒng)、受流設(shè)備、空調(diào)/采暖和通風(fēng)系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、列車控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、走行系統(tǒng)、應(yīng)急救援裝置、專用類生產(chǎn)和維護裝備。

根據(jù)車輛系統(tǒng)的分類,跨座式單軌車輛系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)應(yīng)在動力學(xué)性能評定和試驗驗證、單軌車輛通用技術(shù)條件、組裝后的單軌車輛檢查與試驗、單軌車輛轉(zhuǎn)向架通用技術(shù)條件、單軌車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強度設(shè)計及試驗驗證、單軌車輛輪胎技術(shù)、單軌輪輞強度試驗方法、單軌車輛受電弓系統(tǒng)、單軌車輛GR 接地保護、單軌交通車輛動力電池技術(shù)條件、單軌車載救援設(shè)備配置及設(shè)備技術(shù)等方面進行標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)與研究。

4.2 軌道梁橋系統(tǒng)

根據(jù)跨座式單軌軌道梁橋結(jié)構(gòu)形式的不同,可分為簡支結(jié)構(gòu)體系和連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu)體系。在日本、韓國和中國重慶,采用簡支結(jié)構(gòu)體系,其標(biāo)準(zhǔn)跨度為22～30 m;在美國、巴西和中國蕪湖,采用連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu)體系,其標(biāo)準(zhǔn)跨度為30～35 m。根據(jù)車輛轉(zhuǎn)向架的不同,軌道梁截面寬度分為690、700、800、850 mm。針對跨座式單軌軌道梁尺寸及結(jié)構(gòu)形式的多樣化,應(yīng)在軌道梁的制作、安裝、線性調(diào)整方面制定相應(yīng)專用標(biāo)準(zhǔn),并制定與之配套的模板系統(tǒng)、運架梁裝備等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。隨著新結(jié)構(gòu)、新工藝、新材料、新檢測方法在跨座式單軌區(qū)間和車站結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造過程中的應(yīng)用,應(yīng)將技術(shù)成熟、安全可靠并經(jīng)過數(shù)據(jù)驗證的計算方法和控制指標(biāo)形成標(biāo)準(zhǔn)并納入建設(shè)板塊。

軌道梁還是各種設(shè)備的集成品,例如鑄鋼拉力支座、梁端伸縮縫、絕緣子支撐螺栓護套、供電環(huán)網(wǎng)電纜橋架、車體接地板固定套管、饋線電纜保護管、避雷器電纜保護管、計軸(信號)電纜保護管等均需集成在軌道梁上,需針對上述軌道梁橋系統(tǒng)中包含的支座及附屬品、疏散平臺、裝配化產(chǎn)品、專用類生產(chǎn)、維護以及架設(shè)設(shè)備等形成相應(yīng)的制造、安裝和驗收標(biāo)準(zhǔn),并納入裝備板塊。

作為高架系統(tǒng)的跨座式單軌,人員疏散及檢修通道設(shè)置難度較大,需針對緊急情況下人員疏散方式和檢修通道設(shè)置方式進行研究,并制定相應(yīng)的設(shè)計、驗收標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 道岔系統(tǒng)

目前,已發(fā)布的關(guān)于跨座式單軌道岔的標(biāo)準(zhǔn)有國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 37531—2019《跨座式單軌交通單開道岔》、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 1220—2018《跨座式單軌道岔設(shè)備維護與更新技術(shù)規(guī)范》。隨著技術(shù)發(fā)展和研究的深入,過岔速度快、線路適應(yīng)強的各種新型道岔不斷出現(xiàn),需對現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)進行補充或完善。

跨座式單軌道岔體系根據(jù)跨座式單軌交通類別可分為道岔、專用類生產(chǎn)和維護設(shè)備兩個方面。道岔體系包括目前市場上各類型單軌所采用的各類道岔的設(shè)計、制造、安裝、測試等內(nèi)容。專用類生產(chǎn)和維護設(shè)備體系包括在線診斷和檢測系統(tǒng)、車輛基地內(nèi)道岔的智能運維系統(tǒng)。

跨座式單軌交通正在不斷發(fā)展創(chuàng)新,不斷有新型道岔研發(fā)出來并應(yīng)用于工程實際中,從最初的跨座式單軌交通關(guān)節(jié)型和關(guān)節(jié)可撓型道岔,增加了平移型道岔、換梁型道岔、樞軸型道岔等,以后可能還有其他新型道岔被研發(fā)出來。同時,為適用于不同線路的軌寬等條件,又增加了多種道岔型號。因此,跨座式單軌道岔的標(biāo)準(zhǔn)需要不斷更新和完善。

4.4 供電系統(tǒng)

跨座式單軌車輛走行部與鋼輪鋼軌系統(tǒng)車輛不同,導(dǎo)致兩者受電形式也完全不同,需要深入研究供電系統(tǒng)相關(guān)的電氣理論、設(shè)計方法、試驗方法等,并重點在供電系統(tǒng)接地保護技術(shù)、供電系統(tǒng)接地保護裝置技術(shù)條件、供電系統(tǒng)性能評價和安全評價、接觸網(wǎng)、施工檢修專用工具、接觸網(wǎng)靜態(tài)指標(biāo)和動態(tài)指標(biāo)評價、智能監(jiān)測技術(shù)、接觸網(wǎng)作業(yè)車和專用施工機具、防雷接地和新型能源類應(yīng)用等專用標(biāo)準(zhǔn)方面開展研究工作。

在裝備類標(biāo)準(zhǔn)方面,應(yīng)重點研究接觸軌及其零部件的技術(shù)要求;在運營維護類標(biāo)準(zhǔn)方面,應(yīng)重點研究接觸軌安裝施工專用工器具、檢測檢修專用作業(yè)車輛等。

4.5 其他

裝配式施工是未來發(fā)展趨勢,在跨座式單軌建設(shè)方面,梁橋系統(tǒng)與高架車站必將成為推行重點,由此衍生出以建筑裝配式為主的裝備,需要更多的標(biāo)準(zhǔn)化支撐。

隨著《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》的發(fā)布,以新興信息技術(shù)與城軌交通深度融合為主線,發(fā)展智能系統(tǒng),建設(shè)智慧城軌是今后的創(chuàng)新發(fā)展方向。跨座式單軌作為城市軌道交通的重要組成部分,未來的重點發(fā)展方向為新興信息技術(shù)與跨座式單軌交通深度融合,應(yīng)不斷加大創(chuàng)新研究,迭代發(fā)展,并不斷補充完善相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。

另外,“碳達峰”“碳中和”作為我國“十四五”污染防治攻堅戰(zhàn)的重要目標(biāo),被首次寫入經(jīng)濟和社會發(fā)展的五年規(guī)劃。隨著國家對能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和節(jié)能環(huán)保的要求,建議結(jié)合跨座式單軌交通采用高架車站的特點,加快新能源在跨座式單軌的創(chuàng)新研究和應(yīng)用,并制訂相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語

目前,跨座式單軌領(lǐng)域相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)覆蓋尚不全面,團體標(biāo)準(zhǔn)剛剛起步,隨著跨座式單軌交通技術(shù)的不斷發(fā)展,應(yīng)將輕型跨座式單軌的各項成果上升為標(biāo)準(zhǔn),重點在跨座式單軌獨有的車輛、軌道梁橋、道岔、供電系統(tǒng)等4 個關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域進行標(biāo)準(zhǔn)化研究與建設(shè)。應(yīng)落實國務(wù)院《深化標(biāo)準(zhǔn)化工作改革》的要求,引領(lǐng)我國跨座式單軌交通行業(yè)向更高水平發(fā)展,全面提高跨座式單軌交通標(biāo)準(zhǔn)化工作水平。