低運量跨座式交通系統需求及技術方案研究

楊 陽，徐銀光，曾永平，宋曉東，鄢紅英，徐 浩

(中鐵二院工程集團有限責任公司科研院(產業中心)，成都 610031)

引言

城市軌道交通系統按照運量不同可分為大運量、中運量、低運量3種形式，目前，跨座式單軌系統一般為中運量系統。2004年重慶開通國內首條跨座式單軌線路，跨座式單軌系統在重慶取得了較大的成功。但由于該系統造價、運維成本、運量等問題使其推廣應用受到了一定的限制。對跨座式單軌系統與其他軌道交通制式進行對比，探索跨座式單軌發展趨勢，提出低運量跨座式交通技術方案，以期為跨座式單軌交通系統發展提供依據。

1 跨座式單軌發展趨勢及應用前景

1.1 跨座式單軌系統發展趨勢

2004年重慶跨座式單軌線路建成，該系統采用橡膠輪-PC混凝土梁的型式，能夠適應60‰坡度，造價在3億元/km左右。軌道梁采用高架形式，具有較好的景觀效果，較好地滿足了重慶市對軌道交通適應大坡度、投資小的需求。2011年重慶跨座式單軌3號線開通，跨座式單軌系統在重慶應用效果良好[1-3]。

2010年5月初，北京S1線“環境影響評價”公示，意味著國內首條中低速磁懸浮列車線路建設已進入實質性論證階段。2016年5月長沙磁浮快線開通運營，標志著中低速磁浮系統正式投入工程應用[4-5]。中低速磁浮技術的成熟應用對跨座式單軌系統產生了較大的沖擊，兩者均屬于中運量軌道交通運輸工具，車體寬度均在2.8m左右，運量相當。磁浮列車爬坡能力更強，可在坡度為100‰的線路上平穩運行[6]；磁浮列車采用常導短定子驅動技術，運行過程中無機械接觸，可避免跨座式單軌膠輪與軌道梁摩擦產生的粉塵；磁浮列車具有更好平穩性，運行速度可達160 km/h甚至更高，是跨座式單軌系統運行速度的2倍[7]。中低速磁浮軌道梁同樣采用高架的形式，不占用公共交通路權，節約用地；中低速磁懸系統造價為2億～3億元/km，與跨座式單軌基本相同甚至更低。由于中低速磁浮技術的成熟應用，跨座式單軌系統在中運量軌道交通制式中失去了競爭力[8]。

在運營速度、載客量更高的市域鐵路領域，由于跨座式單軌交通系統車輛、軌道梁結構的限制，運行速度、載客量向上提升能力有限。顯然跨座式單軌系統無法滿足市域鐵路應用需求[9-10]。在中運量城市軌道交通制式及市域鐵路領域中跨座式單軌均沒有競爭力，跨座式單軌應在其他運量制式中探索發展方向[11]。

在低運量軌道交通制式中，高峰小時1萬人運量的軌道交通制式中能與低運量跨座式單軌相競爭的只有低地板有軌電車系統和懸掛式單軌系統。其中，低地板有軌電車系統是一種地面軌道交通工具，其行駛軌道通常不高出街道路面，造價約1億元/km。該系統一般采用獨立路權的形式，對地面公共交通資源占用較多，增加交通負擔[12]。如有軌電車采用高架形式，將會使造價大幅增高，以國內某城市線路規劃為例，當50%的線路采用高架形式時，造價為1.8億元/km，極其不經濟。有軌電車若與汽車共用路權時，運營效率則會變得很低，失去其軌道交通本身優勢[13-14]。

懸掛式單軌系統和低運量跨座式單軌系統均采用高架形式，爬坡能力相同。懸掛式單軌系統造價在1.5億～2億元/km[15-16]。在工程量方面，由于跨座式單軌系統車輛在軌道梁上方行駛，而懸掛式單軌系統車輛在軌道梁下方行駛，因此，跨座式單軌系統軌道梁高度要低于懸掛式單軌系統軌道梁，在同等建設規模的情況下，跨座式單軌工程量少[17]。此外，懸掛式單軌系統軌道梁采用鋼結構，跨座式單軌系統軌道梁采用混凝土結構，且跨座式單軌系統道岔等設施相對簡單、價格低。混凝土梁相對于鋼梁運營維護更加方便。通過對低運量跨座式單軌系統進行優化，其單位造價將會低于懸掛式單軌系統[18-19]。

綜上分析，跨座式單軌系統在低運量軌道交通制式中具有不占用地面交通資源、造價低等優點，具有絕對性優勢，跨座式單軌系統應向低運量方向發展。

1.2 市場應用前景

目前，我國已有近百個城市規劃了約3萬km的地鐵線網，有200多個城市具備發展中低運量新制式軌道交通的條件，并已規劃超過5 000 km的新制式線網。已獲得城市軌道交通建設項目批復的城市有44個，規劃新建線路總規模4 705 km，總投資計劃超2萬億元；低運量軌道交通產業進入快速發展期，行業潛力巨大。

交通運輸與旅游融合發展已成為旅游業轉型發展的新趨勢[20]。數據顯示，全國景區景點中A級景區10 300多個，包括5A級259個、4A級3 034個。按每個4A級以上景區到當地交通樞紐距離10～15 km估算，全國旅游軌道市場總體規模約為30 000～50 000 km，我國旅游交通發展迅速且市場潛力巨大，但具有高端特色的旅游軌道交通系統尚屬空白。

低運量跨座式單軌系統可用于大型城市的補充線及聯絡線，中小型城市的主要公共交通線路，也可用于高端特色的旅游軌道交通線路，市場前景廣闊。

1.3 小結

低運量跨座式單軌系統在低運量軌道交通制式中具有極大優勢，適用范圍廣，市場前景廣闊。但目前國內尚無低運量跨座式單軌交通系統工程應用及研究案例。對跨座式單軌低運量需求進行分析，研究低運量跨座式單軌交通車輛轉向架、橋梁結構、道岔等關鍵技術，確定各專業總體技術條件。研究一種系統的體量、工程造價和運營成本均大幅低于中大型跨座式單軌交通系統的新型低運量跨座式單軌系統。

2 低運量跨座式單軌交通需求分析

綜合分析低運量軌道交通發展趨勢，明確跨座式單軌在低運量軌道交通中的市場競爭力分析，研究跨座式單軌的低運量需求，確定低運量跨座式交通系統功能定位、運能、經濟性指標等內容。

2.1 國內軌道交通發展趨勢分析

經過多年發展，我國城軌交通正在由以地鐵為主，逐步轉變為地鐵、單軌、現代有軌電車、市域快軌和中低速磁浮交通等多種制式協調發展，中低運量城市軌道交通的市場需求日趨旺盛。一是國內城市軌道交通建設由經濟發達地區向欠發達地區發展，城市主城區向周邊區域延伸，由一線城市向二三線城市逐步鋪開；二是大城市外圍新城、中等城市對中低運量軌道交通系統有很大需求；三是單軌、有軌電車、市域快軌、磁浮交通等中低運量軌道交通相較地鐵大運量軌道交通具有投資省、工期短等特點，更易于實施。另外，旅游與軌道交通融合發展對中低運量軌道交通增添了新的市場需求。

2.2 跨座式單軌的低運量需求分析

傳統跨座式單軌基本均為中等運量軌道交通，軸重一般約11 t，運能一般為2萬～4萬人/h，投資約3.5億元/km。隨著城市經濟和旅游業的發展，市場對跨座式單軌交通提出了低運量的需求。主要體現在以下方面。

2.2.1 運能低量化

(1)車輛定員少量化

參考地鐵車輛和公交車車輛的座椅布局、輪椅布局、車門布局等，結合相關城軌交通車輛規范、標準，并參考國內外相關城軌車輛尺寸，梳理了低運量跨座式可能適用的6種車體尺寸(寬/m×長/m)的候選車型：2.5×12.0、2.5×10.0、2.4×12.0、2.4×10.0、2.3×10.0、2.3×8.0，開展了6種車寬的車輛在不同站立標準(站席區的站立標準：5人/m2、6人/m2和8人/m2)下的車輛定員計算。以2.5 m×12.0 m車型8人/m2為例，地鐵式布局車輛定員為144人和公交式布局為143人兩種布局方式的列車定員差異不明顯。

(2)車輛編組短量化

根據CJJ/T114—2007《城市公共交通分類標準》，跨座式單軌交通系統適用于中低運量的分類，其列車長度為60～85 m，結合輕量化設計的需求，低運量跨座式單軌列車長度不宜超過60 m。

對于車長12 m的車型，不宜超過5輛編組；對于車長10 m的車型，不宜超過6輛編組；對于車長8 m的車型，不宜超過7輛編組。

(3)系統運能低量化

根據GB50458—2088《跨座式單軌交通設計規范》中規定，系統遠期設計最大行車密度不應少于24對/h列車。計算輕型跨座式單軌系統運能，結果顯示：采用站立定員5人/m2標準，上述6種車型的運能為2 256～11 952人/h；采用站立定員6人/m2標準，上述6種車型的運能為2 544～13 368人/h。考慮到我國的經濟發展和旅游景區游客對舒適度的要求較高，推薦站立人員定員標準為5人/m2。

綜上所述，跨座式交通車輛采用站立定員標準5人/m2，可以滿足2 250～11 950人/h內不同等級的運能需求。

2.2.2 結構輕型化

新型跨座式單軌輕量化在結構上主要體現在以下方面。

車輛小型化：既有中大運量的跨座式單軌車輛寬度基本尺寸為2.8～3.0 m，車輛外形尺寸越小越有利于下部基礎結構輕量化，但過小的車輛外形尺寸將會造成運輸能力過低，且車輛寬度將會影響到座椅布置以及車上設備布置，綜合分析，本小型化跨座式單軌車輛寬度推薦為2.4 m。

軸重輕量化：既有中大運量的跨座式單軌車輛軸重為11 t，新型低運量跨座式單軌車輛軸重應在滿足列車運輸能力的前提下軸重盡量低。

橋梁輕型化：由于車輛軸重輕，軌道橋梁荷載量減少，橋梁結構設計可更為輕盈，跨距可適當增大。

2.2.3 經濟合理化

新型跨座式單軌輕量化的經濟合理化主要體現在以下兩個方面。

(1)土建工程投資降低：車輛小型化和軸重輕量化，引起軌道橋梁結構輕型化，梁跨增大，限界變小，最終體現為土建投資降低。

(2)機電設備配備優化：低運量的跨座式單軌主要運用在地形復雜的中等城市城郊線和旅游線，其客流量不大，運營的行車密度不高，對機電系統的配置要求也較高密度的地鐵系統有所降低。只有合理地配備與運營需求相匹配的機電系統，簡約化配置，才能進一步有效降低工程投資。

綜上所述，新型低運量跨座式交通的需求主要體現在運能低量化、結構輕型化、經濟合理化三方面。要滿足低運量需求，并非簡單將中大型車輛按比例縮小，而是設計新的車輛、轉向架結構形式，在保證爬坡大、轉彎半徑小、安全等前提下實現車輛輕量化、配套設施簡約化，繼而優化橋梁結構、道岔等核心部件，降低工程投資和后期運營維護成本。

3 低運量跨座式交通技術方案

由于低運量跨座式單軌系統行車、線路、限界、供電、通信、信號、車輛基地等技術條件與傳統中大型跨座式單軌系統差異較小，主要對車輛、橋梁結構、道岔等核心部件進行重點研究，其他專業在此不再贅述。

3.1 車輛

3.1.1 車輛編組方案

列車的連接形式主要有鉸接和非鉸接形式，鉸接形式如圖1所示，兩車輛共用一個轉向架，通過鉸接形式連接。對于n輛編組的列車有n+1個轉向架，較非鉸接形式的列車減少n-1個轉向架。

圖1 鉸接結構示意

使用鉸接結構最大的優點是減少了轉向架數量，列車不再需要車鉤緩沖裝置，提高列車的曲線通過性能。

本研究提出了鉸接形式的4編組，非鉸接形式的3編組車輛方案，如圖2所示。其他編組形式可在上述編組形式的基礎上增減車體數量實現。列車主要技術參數列于表1。

圖2 列車編組

表1 列車主要技術參數

3.1.2 轉向架方案

鉸接轉向架如圖3所示，主要由構架、驅動傳動裝置、基礎制動裝置、中央懸掛裝置、走行輪總成、導向輪總成、穩定輪總成等部分組成。鉸接結構主要包括MC1車體連接臂、MC車連接臂、環軸承、搖枕等部件。其中，沙漏簧位于構架垂向支撐梁兩端，搖枕坐落于沙漏簧上。環軸承坐落于搖枕中央，其中，內環、外環、中環通過螺栓與搖枕緊固連接。外環通過MC車連接臂與MC車連接，內環通過MC1車連接臂與MC1車連接。當車輛過彎時，兩相鄰車體(如MC1車與MC車)通過MC1車連接臂、MC車連接臂帶動環軸承內外環形成相對轉動，以便順利通過曲線線路。

圖3 鉸接式單軌轉向架

非鉸接轉向架靠旁承支撐車體(圖4)，無環軸承及連接臂裝置，其余與鉸接式單軌轉向架結構相同。包含構架、2套牽引傳動系統、2套走行輪裝置、1套鉸接式牽引懸掛裝置，側布式導向輪裝置等；構架呈“日”字形，端部橫梁掛有4套導向輪裝置，中間橫梁裝有1套鉸接式的牽引懸掛裝置，側邊的垂向梁掛有2套導向輪裝置，構架中空處掛有2套牽引電機及齒輪箱，且制動盤及制動裝置直接套于電機軸上，牽引電機對角布置。

圖4 非鉸接單軌轉向架

3.2 橋梁

3.2.1 并置軌道梁

目前，已通車運營及正在施工中的跨座式單軌交通工程均采用矩形或工字形軌道梁，支座采用價格高昂的鑄鐵抗拉支座，如圖5(a)所示，其中，鑄鐵抗拉支座占橋梁總投資比例極高[21]。從降低工程造價的角度出發，設計提出了在兩并置的軌道梁間設置端橫梁的結構，如圖5(b)所示。該結構可以避免采用價格昂貴的鑄鐵抗拉支座，使用普通球形支座即可滿足工程設計要求，有效降低工程費用。結合車輛特點，對軌道梁結構尺寸進行優化，軌道梁截面尺寸為700 mm×1500 mm，橋跨布置優先采用30 m簡支梁，曲線段標準跨采用25 m簡支梁，20 m簡支梁作為調跨使用。

圖 5 重慶輕軌高架橋

3.2.2 梁上梁結構

該結構上層為承軌梁、下層為橋梁結構。下層梁部為橋梁的主要受力部分，上層承軌梁主要將列車的豎向荷載傳遞至下部橋梁結構，如圖5(b)所示。承軌梁高度僅需滿足車輛限界要求即可。承軌梁為跨座式單軌車輛的走行直接接觸部分，軌道超高及梁體扭轉要求可通過調整承軌梁的兩個腹板方便地實現。承軌梁施工可以待下部梁體施工完成后，再在梁上立模澆筑承軌梁，承軌梁的施工精度易于保證。

3.2.3 橋墩方案

參考重慶跨座式單軌和汕頭比亞迪跨座式單軌試驗線工程的橋墩結構形式，再結合景觀效果，確定采用板式墩，墩頂設置蓋梁。板式墩順橋向兩側采取挖槽增加立體效果，墩的四角設半徑R=100 mm圓弧導角，蓋梁采用梯形截面形式。如圖6所示。

圖6 橋墩結構形式(單位：mm)

3.3 道岔

根據道岔結構形式不同，跨座式單軌道岔主要有關節型道岔、關節撓型道岔、平移型道岔、樞軸型道岔、換梁型道岔和轉動式道岔。不同道岔形式如圖7所示。

圖7 跨座式單軌道岔結構形式

對不同形式的道岔優缺點進行綜合分析，對于低運量跨座式單軌，平移式道岔、換梁型道岔、關節可撓型道岔和轉動式道岔均為可行的道岔結構，平移式道岔和換梁型道岔在橫向上占用空間大；轉動式道岔對橋墩高度要求較高，且實現難度較大；關節可撓型道岔在重慶跨座式單軌中服役性能良好，具有較好的安全性、可靠性并能保證列車運行的平穩性，且關節可撓型道岔對線間距的適應性更強，因此，推薦采用關節可撓型道岔方案。

關節可撓型道岔主要由道岔梁、接縫板、連接裝置、驅動裝置、鎖定裝置、臺車、走行軌、道岔固定端轉動裝置和控制裝置組成，如圖8所示。

圖8 關節可撓型道岔組成

為適應新型低運量跨座式單軌橋梁的跨度及截面型式，單開道岔理論長度(梁縫中心線間距離)30 m，曲線半徑為189 m。道岔的最高側向通過速度為25 km/h，直向通過速度與區間直線通過速度相同，道岔線型如圖9(a)所示。單渡線道岔理論長度(梁縫中心線間距離)60 m，由兩組單開道岔梁拼接而成，在渡線道岔中部設置門式橋墩。曲線半徑為189 m。道岔的最高側向通過速度為25 km/h，直向通過速度與區間直線通過速度相同，道岔線型如圖9(b)所示。

圖9 關節可撓型道岔線型參數(單位：mm)

4 低運量跨座式單軌交通模擬設計研究

通過對低運量跨座式單軌交通關鍵技術進行系統性的研究，明確了低運量跨座式單軌交通主要專業技術標準。為驗證總體技術方案，以國內某懸掛式線路為例，開展模擬設計，綜合分析造價指標。

該線路全長11.302 km，均采用高架敷設，共設置4座車站，其中，1座換乘站，平均站間距為3.168 km。設置1座車輛基地。

列車采用低運量跨座式單軌列車，初、近、遠期均為2輛固定編組，最高運行速度為80 km/h。

根據客流預測，低運量跨座式單軌交通模擬設計需滿足初、近、遠期高峰小時最大斷面650，1 277人次/h及1989人次/h的要求。

研究確定了供電系統、弱電系統、車輛基地等各專業技術方案，并進行投資估算。結果顯示新型低運量跨座式交通系統技術經濟指標為1.45億元/正線km。

該線路采用懸掛式單軌的技術經濟指標為1.91億元/正線km，采用新型低運量跨座式交通系統后技術經濟指標減少0.45億元/正線km。主要體現在跨座式交通系統軌道梁采用預制PC梁，較懸掛式單軌采用的鋼制橋墩、梁及軌道梁更為經濟；跨座式單軌車輛基地規模較懸掛式單軌規模小等方面。

5 結論

通過對跨座式單軌交通系統發展趨勢進行分析，認為低運量跨座式單軌系統在低運量軌道交通制式中更具競爭性。對低運量跨坐式單軌車輛、橋梁、道岔技術方案及關鍵參數進行研究，提出了鉸接式和非鉸接式跨座式單軌車輛、轉向架方案及關鍵技術參數；提出了采用普通球支座的并置梁方案，可有效降低了軌道投資；確定了跨座式單軌關節可撓型道岔技術方案及關鍵參數。以國內某空鐵線路為例，開展模擬設計，結果顯示新型低運量跨座式交通系統技術經濟指標1.45億元/km，經濟型優勢明顯。

本研究在保證安全的前提下實現車輛輕量化、配套設施簡約化，從而降低了工程投資和后期運營維護成本。隨著新型城市化建設推進及旅游產業的大力發展，低運量跨座式單軌交通系統應用空間將會越來越廣泛。