跨座式單軌應用于市域軌道交通的展望

沈曉鵬 吳煜博

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 市域軌道交通的定義及制式要求

1.1 市域軌道交通的定義辨析

傳統的市域軌道交通、市域鐵路通常特指鋼輪鋼軌系統[1],T/CCES 2—2017《市域快速軌道交通設計規范》、T/CRS C0101—2017《市域鐵路設計規范》的適用對象也均為鋼輪鋼軌系統;市域軌道交通作為以功能、服務范圍命名的軌道交通類型,與GB/T 50546—2018《城市軌道交通線網規劃標準》中定義的快線A(服務于區域、市域,商務、通勤、旅游等多種目的)、快線B(服務于市域城鎮連綿地區或部分城市的城區,以通勤為主等多種目的)的服務功能基本一致[2]。

可以認為,無論何種系統制式,只要其敷設方式、速度、運能等關鍵技術指標符合市域客流的運輸需求和線網對市域線的功能要求,都可用于市域軌道交通。在T/CAMET 01001—2019《市域快軌交通技術規范》中,已將旅行速度50 km/h 以上、最高運行速度100～160 km/h 的軌道交通制式全部納入其中[3]。

1.2 市域軌道交通對系統制式的要求

市域軌道交通一般具有站間距大、速度高,以中運量、高架敷設為主等特點[4-6]。根據T/CAMET 01001—2019《市域快軌交通技術規范》,滿足以上要求的系統制式主要包括鋼輪鋼軌、跨座式單軌、中低速磁浮等[3],主要技術特征見表1。

表1 適用于市域線的主要系統制式對比

由表1 可知,各制式技術特征互有優劣,相對而言,跨座式單軌在地形適應性、環境影響、工期與投資等方面具有一定優勢。

鋼輪及中低速磁浮制式在市域軌道交通中的應用已相對廣泛,以下結合宜昌市軌道交通2 號線,重點對跨座式單軌在市域軌道交通領域的應用前景進行分析。

2 跨座式單軌車型概述

2.1 跨座式單軌制式

跨座式單軌是一種車輛采用橡膠輪胎,騎跨在單根軌道梁上行駛的軌道交通系統。車輛除走行輪外,在轉向架兩側還有導向輪和穩定輪,夾行于梁軌合一的軌道梁兩側,以保證車輛安全平穩行駛。跨座式單軌系統的核心技術體現在車輛轉向架、軌道梁和道岔3 個方面[7]。

跨座式單軌目前已基本實現國產化,其特點為:爬坡能力強、轉彎半徑小、噪聲低、振動小、景觀效果好,尤其適于高架敷設,有利于控制工程造價及建設工期[8-9]。

跨座式單軌作為一種公共交通工具,已在全球運營超過50 年,在日本東京、多摩、沖繩、北九州、大阪,阿聯酋迪拜,新加坡圣淘沙,馬來西亞吉隆坡,美國西雅圖、坦帕、紐瓦克、杰克森威爾、佛羅里達迪斯尼、加州迪斯尼、拉斯維加斯,俄羅斯莫斯科,韓國大邱,巴西圣保羅,印度孟買均有運營線路;在沙特利雅得、瑪瑙斯,伊朗庫姆、尼日利亞哈克特港,意大利博洛尼亞機場線等地均有在建線路[10]。目前,國內重慶市軌道交通2 號線、3 號線為已建成的跨座式單軌線路,安徽蕪湖正在進行跨座式單軌一期工程建設。

2.2 國內跨座式單軌車型分類

國內的跨座式單軌車輛類型已趨于多樣化,國內眾多廠家進行車輛研發及生產,按照跨座式單軌系統相關規范,根據車輛尺寸和載客能力,可將跨座式單軌車輛分為MA 型車和MB 型車。其中,MB 型車又按轉向架軸數的差異分為MB1型車(2 軸轉向架)、MB2型車(4 軸轉向架)[11]。

在運行速度方面,傳統的跨座式單軌車輛最高運行速度一般為80 km/h,適用于城市軌道交通,但市域軌道交通則需要速度更快的車型。在跨座式單軌車輛中,最新研制的最高運行速度達到100 km/h 及以上的共有4 種車型:最高運行速度100 km/h 的MA2-2型(青島四方,雙軸轉向架)、MB1-3型(中鐵工業,單軸轉向架)以及最高運行速度120 km/h 的MB1-2型(比亞迪,單軸轉向架)、MB2-2型(中鐵工業,雙軸轉向架)。

2.3 100～120 km/h 跨座式單軌車輛簡介

(1)MA2-2

為2019 年中車青島四方研制的新一代跨座式單軌車輛,最高運行速度100 km/h。該車采用寬輪距雙軸轉向架、輕量化鋁合金車體、永磁軸控牽引傳動等先進系統,全面提升了列車速度和牽引制動性能。

(2)MB1-2

為比亞迪研發的120 km/h 速度等級跨座式單軌車輛。2017 年12 月第一列120 km/h 速度等級跨座式單軌樣車下線,2018 年完成廠區內靜調、動調試驗。2019 年6 月開始在濟寧試驗段上進行高速運行相關試驗。

(3)MB1-3

2020 年1 月,中鐵工業開啟100 km 速度等級跨座式單軌車輛研發項目,5 月完成車輛初步設計,計劃2020 年底完成樣車制造。

(4)MB2-2

為中鐵工業正在研發制造的雙軸單軌車型,車體結構為全鋁焊接結構形式,采用雙軸轉向架,每根軸帶交流牽引電機,最高運行速為120 km/h。車輛采用700 mm 寬軌道梁,具有60‰爬坡能力。

100～120 km/h 的4 種跨座式單軌車輛主要技術參數見表2。

表2 100～120 km/h 跨座式單軌車輛主要技術參數

以上車型的差異主要體現在軸式、速度、運能等方面。在運能方面,當采用8 輛編組、系統能力30 對、5 人/m2站立密度時,MA2-2、MB1-2、MB1-3、MB2-2的輸送能力依次為3.6 萬人、2.9 萬人、2.6 萬人和1.9 萬人。各車型速度、運能都符合中運量市域軌道交通的需要,可根據不同線路對速度和運量需求選擇具體車型。

3 跨座式單軌適應性分析

考慮到市域軌道交通的功能特點和客流特征,衡量一種制式是否適用于市域軌道交通,主要應根據其速度、敷設方式等因素進行判斷。

在速度方面,跨座式單軌在技術上已具備提升至100～120 km/h 的條件,對于速度目標值在這一范圍的市域軌道交通而言,可以滿足其功能需求。

在敷設方式方面,跨座式單軌以高架為主,具有梁體結構尺寸小,重量輕,占地省,尤其對于在市區范圍或城市規劃區走行、需高架的線路,跨座式單軌在敷設方式和環保方面的優勢更為明顯。

在因地制宜選擇系統制式的指導原則下,對于速度要求適中、地面敷設難度大的線路,跨座式單軌的適應性更佳,應根據城市、線路特點選擇適宜的系統制式。

4 案例分析

4.1 項目功能定位及客流量

宜昌市軌道交通2 號線可實現中心城區沿江東拓建設目標,打破帶狀城市用地局限,拓展城市發展空間,同時串聯宜昌東站和三峽機場兩大對外客運樞紐,是宜昌市城市公共客運體系的沿江東西向骨干公交方式,也是一條承擔沿江組團間中長途及組團內部中短途客流的市域快線。

宜昌市軌道交通2 號線遠期高峰小時單向最大斷面客流為2.10 萬人次/h。受城市中心區對客流的影響,該線具有明顯的“潮汐”特征,早高峰小時斷面客流呈“向心式”。

4.2 最高運行速度分析

(1)時間目標值

《宜昌市綜合交通體系規劃》(2011-2030 年)中提出的交通服務遠期發展目標如下。

①湖北省“兩圈一帶”城市經濟圈2 h 內通達;

②“宜荊組合都市區”構建1 h 交通圈;

③市域范圍85%出行時間在45 min 以內;

④中心城區85%出行時間在30 min 以內;

⑤中心城區10 min 上快速路、15 min 上高速公路,除個別偏僻山區鎮村外,市域其他自然村30 min內能通達國省道干線公路;

⑥中心城區居民5 min 內可到達公共交通、軌道車站。

T/CAMET 0100—2019《市域快軌交通技術規范》中提出,市域快軌行車組織應實現中心城區至周邊新城、城鎮等經濟關聯地區的1 h 通達。在市域快軌和中心城區軌道交通系統內,乘客的換乘次數不宜超出2 次。

GB/T 50546—2018《城市軌道交通線網規劃標準》中提出,城市軌道交通線網規劃應保障城市軌道交通出行效率,城市主要功能區之間軌道交通系統內部出行時間應符合下列規定。

①規劃人口規模500 萬人及以上的城市,中心城區的市級中心與副中心之間不宜大于30 min;150 萬人～500 萬人的城市,中心城區的市級中心與副中心之間不宜大于20 min。

②中心城區市級中心與外圍組團中心之間不宜大于30 min,當兩者之間為非通勤客流特征時,其出行時間指標不宜大于45 min。

本線作為軌道交通項目,主要面臨地面交通系統的競爭,宜昌市現有連接宜昌市長途汽車站與三峽機場的機場巴士,全程30 km,旅行時間約1 h。若采用自駕車出行,由本項目起點站夷陵廣場站至一期工程終點三峽機場全程約32 km,旅行時間約0.8 h,考慮到早晚高峰道路較為擁堵,自駕出行的旅行時間還將進一步延長。

綜上所述,結合宜昌市相關規劃,參考有關規范的要求,并體現出軌道交通相較于其他交通方式的速度優勢,本次研究推薦本項目中心城區至遠郊中心區時間目標值為1 h 以內,中心城區至機場樞紐時間目標值為0.5 h 左右。

(2)速度目標值比選分析

結合本項目功能定位及特點,綜合考慮主流車型參數,針對80 km/h、100 km/h 和120 km/h 三個速度等級進行比選分析。

不同最高運營速度方案的旅行時間比較情況見表3。

表3 不同最高運營速度方案旅行時間及速度比較

由表3 可知,對于中心城區—機場樞紐區段各速度等級列車旅行時間相差不明顯,其中80 km/h 較120 km/h 多 2.04 min;對于遠期,120 km/h 和100 km/h 方案均能適應本項目時間目標值要求,120 km/h 方案更優。

車站間距與最高運行速度密切相關,不同的最高運行速度對于車站間距的要求不同。考慮列車起動加速和停車減速的影響,車站間距過短將限制列車速度優勢的發揮。2 號線全線運營里程49.720 km,平均站間距為2.925 km,平均站間距較常規軌道交通項目長,有條件采用較高的速度目標值。由于本線途經中心城區與外圍組團,在不同區段的車站分布情況也不盡相同,比較情況見表4。

一般情況下,從經濟性角度考慮,列車應以最高速度運行一定的距離,旅行速度達到最高運行速度的45%～50%為宜[12]。由表3、表4 可知,鑒于中心城區段線路長度較短,車站分布密集,各速度目標值旅行時間、旅行速度相差不大,中心城區段宜選用80 km/h 的速度目標值。外圍組團段運營里程35.745 km,平均站間距3.972 km,該區段線路長度較長,推薦采用較高的速度目標值,以縮短整體旅行時間。

表4 不同最高運行速度達速情況比較

(3)最高運行速度研究結論

經過以上分析,本項目外圍組團區段站間距離較大,建議采用較高的運行速度來縮短運行時分,結合時間目標值的分析,建議最高運行速度不低于100 km/h,有利于中心城區乘客在0.5h 左右抵達機場,以及外圍組團乘客實現1 h 抵達中心城區的目標。線路穿越中心城區時,穿越大量的構(建)筑物,站點密集,線路條件較差,還需考慮噪聲、振動等對沿線設施的影響,在中心城區建議采用80 km/h 的速度目標值。

4.3 系統制式分析

(1)建設條件及可供選擇的主要系統制式

根據宜昌市的城市基礎特征情況,2018 年末,全市常住人口413.59 萬,其中市區常住人口數達到152 萬人,GDP 為4064.18 億元,全年地方財政總收入361.85 億元,地方一般公共預算收入237.23 億元。2 號線單向高峰小時斷面客流2.15 萬人次,初期負荷強度0.45 萬人,滿足輕軌系統的建設條件,敷設方式應以高架為主,作為市域線,系統制式主要在鋼輪鋼軌、跨座式單軌、中低速磁浮中進行選擇[13]。

(2)敷設方式分析

鑒于2 號線途經宜昌市中心城區和外圍組團,外圍組團區段對工程敷設方式、環境敏感度等限制較少,不同制式的區別主要體現在設施設備上;中心城區段沿線建構筑較多,環保要求較高,不同系統制式差別較為明顯[14]。因此,主要針對中心城區不同系統制式的適應性進行對比分析。

本項目需穿越宜昌市老城區,受工程條件及環境敏感度影響,若采用鋼輪鋼軌B 型車,則需要大量采用地下敷設的形式,地下段長度較以高架敷設為主的跨座式單軌和中低速磁浮增加10 km,工程投資增加較多。

(3)環境適應性分析

中低速磁浮、鋼輪鋼軌制式的高架橋,對結構受力、剛度的要求較高,需采用較跨座式單軌更為粗壯的橋梁上部主梁、下部墩柱。由于大型的實體結構會遮擋日光[15],給沿線居民正常生活帶來影響,而跨座式單軌在這些方面干擾相對較小。

鋼輪鋼軌系統采用架空接觸網供電制式對市政景觀影響大,采用接觸軌供電制式,可減少對市政景觀的影響。

跨座式單軌、中低速磁浮相較于鋼輪鋼軌制式振動源強較小,噪聲影響輕微,但中低速磁浮有電磁輻射的擔憂,環評公參難度較大,3 種系統中,跨座式單軌環保優勢明顯。

由于鋼輪鋼軌系統對環境適應性欠佳,中心城區若采用該系統,一般采用地下敷設方式,導致其造價很高;中低速磁浮由于市民對電磁輻射的擔憂,在中心城區實施難度較大。

(4)工程投資對比

高架敷設時,跨座式單軌系統工程量小于中低速磁浮及鋼輪鋼軌。地下敷設時,3 種系統工程量基本相當。但由于線路技術標準、環保等因素,鋼輪鋼軌系統在中心城區部分需采用地下敷設為主[16],而跨座式單軌和中低速磁浮系統由于優良的環境適應性,可在中心城區采用高架敷設為主。

經投資匡算,2 號線一期工程采用單軌系統,投資約105 億元,采用鋼輪鋼軌系統則多為地下敷設,投資約150 億元,采用中低速磁浮總投資約130 億元,可見采用以高架敷設為主的跨座式單軌系統投資更優。

(5)運營期投入

根據重慶城市軌道交通各線統計指標,在牽引能耗方面,受滿載率等因素的綜合影響,采用跨座式單軌制式的2 號線、3 號線每車km 牽引能耗、每人km 牽引能耗指標分別與采用鋼輪鋼軌地鐵制式的1 號線、6 號線基本相當,為0.03～0.05 kW·h/(人km)(含車上輔助用電)。

根據理論計算,輕型跨座式單軌列車滿員運行時,人km 能耗指標與鋼輪鋼軌系統差異不大,且線路起伏越大、限速段越多時,列車克服重力、動能產生的能耗占比越高,其相對優勢越明顯;若考慮各時段不同制式滿載率差異以及部分單軌車型的車載電池儲能優勢,輕型跨座式單軌實際牽引能耗與鋼輪鋼軌制式基本相當。

磁浮列車雖然與軌面不接觸,阻力小,但直線電機做功效率僅為60%～65%,且懸浮也需耗電,其牽引能耗高于輕型跨座式單軌和鋼輪鋼軌系統[17-18]。

綜合考慮牽引能耗和動照能耗的運營總能耗指標,輕型跨座式單軌雖然因采用橡膠輪胎增加了摩擦阻力,但人均分擔的車體重量少,克服重力、動能做功少,電機效率高,各制式牽引能耗總體差異不大,且由于大量采用高架敷設方式,其動照能耗遠小于局部地下敷設的B 型車,運營總能耗最低。

跨座式單軌輪胎更換頻率較高,且車輛本身購置費用高,維修成本高于鋼輪鋼軌車輛;磁浮系統利用磁浮力使列車處于無接觸懸浮地平衡狀態,和軌道之間無摩擦,具有速度高、阻力小的特點,較“輪軌”系統有明顯的壽命優勢,但是針對這種無接觸式的“輪軌”關系,其制動能力相比于輪軌摩擦來說具有不可靠因素,軌排系統中支撐輪滑行面、感應板安裝面、磁極面等均需要穩定的電流支撐,一旦失去這種電磁控制,將會對列車運行將會造成嚴重危害。磁浮車輛購置費用高,跨座式單軌車輛維修費用略高于中低速磁浮。

跨座式單軌機電設備維護費較鋼輪鋼軌系統低(主要因為地下車站和區間環控設備較少);跨座式單軌投資及相應的財務費用較低;在工務養護成本方面,跨座式單軌略高于磁浮,但低于鋼輪鋼軌系統。因此,跨座式單軌在能耗、維修費以外的運營成本一般低于鋼輪鋼軌系統和磁浮系統。

整體而言,跨座式單軌運營成本低于局部地下敷設的鋼輪鋼軌系統和中低速磁浮系統。

(6)系統制式研究結論

宜昌市軌道交通2 號線的敷設范圍覆蓋了中心城區和外圍組團兩個部分,既要滿足外圍組團區段對運行時間、運營速度的要求,又要滿足中心城區區段對環境適應性和地形適應性的要求。

結合前述分析,跨座式單軌滿足120 km/h 速度要求、中運量水平,具有爬坡大、轉彎半徑小、地形適應能力強、占地少、投資低、工期短、具有良好的經濟性,噪聲低、振動小、無電磁輻射擔憂,具有良好的環境適應性,對中心城區城市空間景觀影響小,對宜昌軌道交通2 號線的建設需求適應性最優。

5 跨座式單軌發展前景分析

(1)市域軌道交通欲以跨座式單軌等高架敷設方式為主時,為順利立項,應確保所在城市符合輕軌建設條件:一般公共財政預算收入應在150 億元以上,地區生產總值在1 500 億元以上,市區常住人口在150 萬人以上。初期客運強度不低于每日每km0.4 萬人次,遠期客流規模達到單向高峰小時1 萬人次以上。

(2)對于速度要求在100～120 km/h 之間,線路經過城市中心和外圍組團的市域軌道交通線路,最適于發揮跨座式單軌在敷設條件、環境適應性等方面的優勢,制式需求與跨座式單軌的制式特點契合度最高。

(3)對于速度要求在100～120 km/h 之間,但僅走行于城市外圍的市域軌道交通線路,若不具備地面敷設條件,從工程投資、運營期成本方面考慮,也較適合采用跨座式單軌制式。

(4)從資源利用、互聯互通角度出發,系統制式的選擇應全網統籌考慮,對于中心城區骨干線網采用跨座式單軌的城市,在同等條件下,其線網中具有市域功能的線路宜優先采用跨座式單軌制式。