跨座式單軌交通標準體系研究

劉 俊 武 農 郭子煜

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

標準是人類文明進步的成果。從中國古代的“車同軌、書同文”,到現代工業規模化生產,都是標準化的生動實踐。積極實施標準化戰略,以標準驅動城軌行業創新,規定技術底線,規范行業秩序,保障建設運營質量,對中國城市軌道交通高質量創新發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,至今已有五十余年的發展歷史,截止2020 年底,地鐵通車里程達6280km,已發布超過250 項與城市軌道交通相關的國家標準或行業標準[1-2],形成較為完備的標準體系,標準為城市軌道交通的建設運營、產業發展作出積極貢獻[3-6]。

2000 年,重慶單軌交通2 號線作為國內第一條跨座式單軌開始建設,在總結重慶單軌建設運營實踐的基礎上,編制國家標準3 項、行業標準6 項,為指導單軌交通的建設運營作出積極貢獻。近年來,跨座式單軌技術不斷創新發展[7-11],隨著蕪湖單軌即將試運行,輕型跨座式單軌實現工程應用,集成化、輕量化等關鍵技術和創新成果具備了上升為標準的條件。而目前在編的跨座式單軌交通標準僅9 項,且覆蓋面不全,亟需構建完整的跨座式單軌標準體系,以指導今后跨座式單軌設計工作。

目前,國內幾乎沒有針對跨座式單軌系統制定標準體系的相關研究,僅在《城市軌道交通產品標準體系》中包含跨座式單軌標準的框架,但未針對跨座式單軌系統獨有的技術特點給出具體建議。

2019 年,中國城市軌道交通協會搭建了城市軌道交通團體標準體系,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。如何在標準體系中體現膠輪走行方式的跨座式單軌獨特關鍵技術,構建單軌交通標準體系框架,是本文研究的重點。

2 跨座式單軌交通關鍵技術研究

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。與鋼輪鋼軌走行系統的差異主要體現在車輛系統、軌道梁橋系統、道岔系統和供電系統。這4 方面的差異,也體現跨座式單軌最核心的關鍵技術。

2.1 車輛系統

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

圖1 跨座式單軌與地鐵車輛轉向架

2.2 軌道梁橋系統

跨座式單軌軌道梁橋系統與鋼輪鋼軌軌道系統的差異主要表現在軌道結構形式的不同(見圖2)。跨座式單軌采用軌道梁橋結構,車體騎跨于軌道梁上,軌道梁不僅是承重結構,也是車輛走行的軌道,結構精度為厘米級,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

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

2.3 道岔系統

跨座式單軌道岔與鋼輪鋼軌系統道岔在結構形式上完全不同(見圖3),跨座式單軌道岔由機械裝置、驅動裝置和控制裝置組成,其機電一體化設備可驅動整體或數節道岔梁。鋼輪鋼軌系統道岔由轉轍器、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道岔

2.4 供電系統

跨座式單軌供電與鋼輪鋼軌走行系統的差異主要表現在軌道形式、受流方式、回流方式等方面。單軌交通接觸軌通常設置在軌道梁兩側,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,與鋼輪鋼軌系統常用的接觸網供電和三軌供電存在較大差異。

3 跨座式單軌交通標準現狀及分析

3.1 已發布標準

截止2020 年,已發布單軌交通標準24 項,其中國家標準3 項、行業標準6 項,團體標準1 項、地方標準14 項(見表1～表4)。

表1 國家標準

表3 團體標準

表4 地方標準

已發布的國家標準和行業標準均基于重慶大型單軌實踐,包括3 項建設標準和6 項裝備標準,為指導單軌交通的建設運營作出了積極的貢獻。

已發布的團體標準《輕型跨座式單軌交通設計導則》是中鐵工程設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,在充分總結重慶單軌經驗的基礎上,對輕型跨座式單軌技術開展系統集成創新和關鍵技術創新,進一步的輕量化研究,降低建筑體量和景觀影響、增強其適應能力,降低工程造價,并成功應用于蕪湖工程實踐中,可用于指導輕型跨座式單軌的設計和建設。

3.2 在編標準

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

表5 在編標準

近年來,為適應市場需求,國內單軌技術在重慶大型單軌的基礎上有了進一步創新發展,更加注重經濟、環保、集成。正在編制的7 項團體標準均由蕪湖單軌的創新實踐上升而來,而已修編完成的國家標準《跨座式單軌交通設計標準》也已將輕型跨座式單軌創新成果納入其中,即將批準發布。這些在編的團體標準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技術差異領域,但數量仍然較少。

4 跨座式單軌交通標準體系構建建議

中國城市軌道交通協會發布的團體標準體系,以基礎、建設、運營與開發、裝備等4 個板塊為主維度,城市軌道交通系統制式為輔維度,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,梳理形成反映單軌專業特點的標準體系框架。重點對跨座式單軌交通車輛系統、軌道梁橋系統、道岔系統、供電系統等差異較大的專業標準進行全面研究,形成符合跨座式單軌建設和專業發展的標準體系。按照中國城市軌道交通協會團體標準體系,軌道梁橋系統與設計相關的標準可歸于建設板塊,與產品相關的可歸于裝備板塊,其他的車輛系統、道岔系統、供電系統可歸于裝備板塊。

4.1 車輛系統

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

根據專業和功能不同,跨座式單軌車輛系統可劃分為車體及其內裝、車端連接系統、車門系統、走行系統、供風及制動系統、牽引輔助系統、受流設備、空調/采暖和通風系統、乘客信息系統、列車控制系統、照明系統、走行系統、應急救援裝置、專用類生產和維護裝備。

根據車輛系統的分類,跨座式單軌車輛系統標準建設應在動力學性能評定和試驗驗證、單軌車輛通用技術條件、組裝后的單軌車輛檢查與試驗、單軌車輛轉向架通用技術條件、單軌車輛轉向架構架強度設計及試驗驗證、單軌車輛輪胎技術、單軌輪輞強度試驗方法、單軌車輛受電弓系統、單軌車輛GR 接地保護、單軌交通車輛動力電池技術條件、單軌車載救援設備配置及設備技術等方面進行標準化建設與研究。

4.2 軌道梁橋系統

根據跨座式單軌軌道梁橋結構形式的不同,可分為簡支結構體系和連續剛構結構體系。在日本、韓國和中國重慶,采用簡支結構體系,其標準跨度為22～30 m;在美國、巴西和中國蕪湖,采用連續剛構結構體系,其標準跨度為30～35 m。根據車輛轉向架的不同,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構形式的多樣化,應在軌道梁的制作、安裝、線性調整方面制定相應專用標準,并制定與之配套的模板系統、運架梁裝備等相關標準。隨著新結構、新工藝、新材料、新檢測方法在跨座式單軌區間和車站結構的設計和制造過程中的應用,應將技術成熟、安全可靠并經過數據驗證的計算方法和控制指標形成標準并納入建設板塊。

軌道梁還是各種設備的集成品,例如鑄鋼拉力支座、梁端伸縮縫、絕緣子支撐螺栓護套、供電環網電纜橋架、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中包含的支座及附屬品、疏散平臺、裝配化產品、專用類生產、維護以及架設設備等形成相應的制造、安裝和驗收標準,并納入裝備板塊。

作為高架系統的跨座式單軌,人員疏散及檢修通道設置難度較大,需針對緊急情況下人員疏散方式和檢修通道設置方式進行研究,并制定相應的設計、驗收標準。

4.3 道岔系統

目前,已發布的關于跨座式單軌道岔的標準有國家標準GB/T 37531—2019《跨座式單軌交通單開道岔》、行業標準JT/T 1220—2018《跨座式單軌道岔設備維護與更新技術規范》。隨著技術發展和研究的深入,過岔速度快、線路適應強的各種新型道岔不斷出現,需對現有標準進行補充或完善。

跨座式單軌道岔體系根據跨座式單軌交通類別可分為道岔、專用類生產和維護設備兩個方面。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計、制造、安裝、測試等內容。專用類生產和維護設備體系包括在線診斷和檢測系統、車輛基地內道岔的智能運維系統。

跨座式單軌交通正在不斷發展創新,不斷有新型道岔研發出來并應用于工程實際中,從最初的跨座式單軌交通關節型和關節可撓型道岔,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準需要不斷更新和完善。

4.4 供電系統

跨座式單軌車輛走行部與鋼輪鋼軌系統車輛不同,導致兩者受電形式也完全不同,需要深入研究供電系統相關的電氣理論、設計方法、試驗方法等,并重點在供電系統接地保護技術、供電系統接地保護裝置技術條件、供電系統性能評價和安全評價、接觸網、施工檢修專用工具、接觸網靜態指標和動態指標評價、智能監測技術、接觸網作業車和專用施工機具、防雷接地和新型能源類應用等專用標準方面開展研究工作。

在裝備類標準方面,應重點研究接觸軌及其零部件的技術要求;在運營維護類標準方面,應重點研究接觸軌安裝施工專用工器具、檢測檢修專用作業車輛等。

4.5 其他

裝配式施工是未來發展趨勢,在跨座式單軌建設方面,梁橋系統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,需要更多的標準化支撐。

隨著《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》的發布,以新興信息技術與城軌交通深度融合為主線,發展智能系統,建設智慧城軌是今后的創新發展方向。跨座式單軌作為城市軌道交通的重要組成部分,未來的重點發展方向為新興信息技術與跨座式單軌交通深度融合,應不斷加大創新研究,迭代發展,并不斷補充完善相應標準。

另外,“碳達峰”“碳中和”作為我國“十四五”污染防治攻堅戰的重要目標,被首次寫入經濟和社會發展的五年規劃。隨著國家對能源結構調整和節能環保的要求,建議結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新研究和應用,并制訂相應的標準。

5 結語

目前,跨座式單軌領域相關的國家標準和行業標準覆蓋尚不全面,團體標準剛剛起步,隨著跨座式單軌交通技術的不斷發展,應將輕型跨座式單軌的各項成果上升為標準,重點在跨座式單軌獨有的車輛、軌道梁橋、道岔、供電系統等4 個關鍵技術領域進行標準化研究與建設。應落實國務院《深化標準化工作改革》的要求,引領我國跨座式單軌交通行業向更高水平發展,全面提高跨座式單軌交通標準化工作水平。