懸掛式單軌交通車輛基地站場設計關鍵技術研究

臧 向

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 430063, 武漢)

懸掛式單軌交通(簡稱“空軌交通”)是車體懸掛于軌道梁或索軌下方行駛的一種中低運量軌道交通[1],其系統最大運能為1.5萬人/h[2],具有安全可靠、集約用地、噪聲低、地形適應能力強、工程投資低、建設周期短等優點。其敷設方式多為高架,主要適用于旅游線路及中低運量的地方通勤線路?？哲壗煌ㄆ鹪从诘聡?在日本及德國等國家已安全運營多年[3]。而在國內,懸掛式單軌除了成都、開封等地建設有試驗線之外,尚未有已經開通運營的線路。空軌交通行業技術標準以及湖北省空軌交通地方標準正在送審中,對空軌交通車輛基地設計具有重要的指導作用[4]。本文充分借鑒吸收地鐵、輕軌等建設成果,參照空軌交通各地方標準,以武漢光谷生態大走廊空軌旅游線工程(以下簡稱“光谷空軌”)龍泉山車輛段為例,對空軌交通車輛基地站場設計的關鍵技術,如站場總平面、道岔選型、場坪標高、運用庫單線列位的選擇等進行設計分析,并總結創新點,提出相應的結論和建議。

1 空軌交通系統概況

空軌交通的車輛懸掛于軌道梁之下。軌道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,并包容車廂的車架。軌道梁由支柱支撐[5],支柱一般為鋼結構柱,可設置Y型、倒L型和門式等多種結構。軌道梁為下部開口的箱型鋼梁,車輛走行輪與導向輪均置于箱型梁內,沿梁內設置的軌道運行。車輛改變行車方向時,通過箱型軌道梁內可動軌的水平移動實現[6]?？哲壗煌ǜ鶕鋺业跹b置形式,可分為對稱式和非對稱式,如圖1所示。對稱式在載客量和舒適性上優勢明顯,是發展的主流。

圖1 空軌交通系統示意圖

2 空軌交通車輛基地站場設計

2.1 總平面設計

從工程投資以及本工程近期配屬車輛數量考慮,空軌交通車輛基地規模僅考慮本工程所需近期規模。本文以光谷空軌龍泉山車輛段為例,結合其用地形狀、段址位置、用地范圍及地形條件,根據站段關系及主要控制因素,對車輛段總平面布置方案進行了研究。車輛段采用停車列檢庫、檢修庫并列的盡端式布置方案,該方案結合周邊條件,整體布局緊湊合理。受車輛段用地性質及所處位置限制,該車輛段不具備上蓋物業開發條件。龍泉山車輛段總平面設計具體方案如圖2所示。

圖2 龍泉山車輛段總平面布置圖

龍泉山車輛段為全自動駕駛車輛段。為避免侵占基本農田,該車輛段呈東西向布置,出入線由場地東北側引入車輛段。檢修庫、試車線設置在南側,停車列檢庫并列布置在檢修庫北側。受段址長度限制,停車列檢線設置為1線2列位。調機工程車庫設于咽喉所夾地塊。洗車庫設于出入段線咽喉區,洗車線采用貫通布置方案。受用地條件限制,試車線全長約550 m。綜合樓、物資總庫、材料棚、蓄電池間、易燃品庫設在咽喉區南側。污水處理站、牽引降壓混合變電所設置在咽喉區北側地塊內。主要的辦公、生產作業及輔助作業區相對集中,方便作業。車輛段設2個出入口,主出入口位于車輛段東側,綜合樓附近;次出入口位于車輛段西北側。段內道路采用環形布置,滿足消防需求。車輛段圍墻內占地約11 hm2。

因軌道梁為高架,空軌交通車輛基地站場排水基本等同于高架車輛段站場排水。龍泉山車輛段背靠龍泉山景區,側溝排水需同時考慮龍泉山山洪水流量。車輛段引用海綿車輛段概念,股道間的站場雨水通過植草溝及海綿滲水系統匯入道路雨水系統。車輛段預留區域及周邊側溝排水采用混凝土溝,最終排入車輛段北側既有小河。

2.2 總平面設計創新點

1) 優化洗車庫位置,如圖3所示?？哲壊捎每蓜有拘偷啦?一組道岔約375萬元,造價較高。龍泉山車輛段在總平面布置設計時,為盡量減少道岔數量,創新性地將洗車庫置于出入線上,可減少2組道岔,有效降低造價約750萬元。洗車方式改為了貫通式洗車,較傳統往復式洗車工藝流程(如圖4所示)更加便捷。同時,有效減少了軌道梁長度約280 m以及相應的橋墩等土建工程。

圖3 龍泉山車輛段洗車庫布置及洗車流線示意圖

2) 優化咽喉區道岔與橋墩布置形式。空軌道岔前端及后端均需設置橋墩,為保證橋墩設置美觀整齊,車輛段咽喉區道岔盡可能采用上下對稱布置形式,如圖5所示。此種布置形式不僅保證軌道梁可以共用門式墩,美觀整潔,有效解決段內小曲線半徑地段離心力較大問題,同時達到節省造價的目的。

3 空軌交通車輛基地道岔選型

空軌交通道岔根據其換軌原理主要分為可動芯型、換梁型和樞軸型等。國內已經研發的空軌道岔只有可動芯型單開道岔,如圖6所示。為避免研發時間過長、研發費用較高的風險,光谷空軌項目道岔選用了可動芯型單開道岔,其轉轍效率高,結構輕巧、靈活,通過組合可滿足不同場合的需求,有利于節省用地。缺點是造價較高,每組道岔造價大概在375萬～400萬元。

空軌交通可動芯型道岔系統由控制部分和結構部分組成?？哲壍啦沓卷椖克玫膯伍_道岔外,還包括三開道岔及五開道岔。在咽喉區,若采用1組三開道岔,其功能相當于采用2組單開道岔;若采用1組五開道岔,其功能相當于5組單開道岔。經咨詢相關道岔廠家,三開道岔造價大約在700萬～750萬元之間,即若采用1組三開道岔,可節約大約50萬元,且養護維修工作量較少。后續可進一步與道岔廠家合作,加大道岔的研發力度,以進一步優化站場布置,降低工程造價。

4 空軌交通車輛基地場坪標高

空軌交通車輛基地的場坪標高與傳統城市軌道交通車輛基地的場坪標高定義有一定的區別?？哲壗煌ň€路為高架線路,車輛及軌道被淹的風險較小?？哲壗煌ㄜ囕v基地的場坪標高,主要是指重要庫房及單體的標高?？哲壗煌ㄜ囕v基地場坪標高的制定除了依據百年水位資料,還應綜合考慮段址周邊既有或規劃道路標高、土石方平衡標高、段內管線銜接標高、重要設施標高以及出入段線縱坡條件等因素。

場坪標高一般可以通過加權平均法、熵權法或者層次分析法等方法得出。而在實際工程項目中,對于影響因素較復雜的段場,往往還需要召開專家論證會,以保證場坪標高設定的合理性。

龍泉山車輛段南側為龍泉山,段址周邊地勢南高北低。區域內現狀為一駕校,地勢平坦,標高在21.20～24.10 m之間,兩處通段道路銜接處標高分別為21.12 m和19.40 m。選址范圍百年一遇內澇水位為22.21 m。車輛段土方平衡標高為22.20 m?；緹o其他控制性標高。根據以上諸多因素,龍泉山車輛段場坪標高定為22.71 m,軌行面標高定為27.52 m。

該車輛段設計引入了不等場坪概念。東側預留發展用地及咽喉區場坪標高結合現狀地勢定為21.00 m。這可減少土石方約0.9萬m3,基本實現填挖方平衡,從而有效降低了工程造價。

5 空軌交通車輛基地運用庫單線列位選擇

空軌交通車輛基地在設計時,如何選擇運用庫各庫單線列位,對工程投資、工藝流程、總平面布局以及運營的便捷性等都將產生重大影響。若C表示空軌交通系統能力(系統最大開行對數,單位為對/h),Cx表示空軌交通車輛基地停車列檢1線x列位咽喉收發車能力,經研究,在進路不受其他工藝流程干擾的情況下,運用庫各庫單線列位選擇計算公式為:

(1)

式中:

n——段內平行進路個數,單位個;

Lkx——1線x列位庫內進路長度,單位m;

Loi——進路i庫外進路長度,單位m;

vk—列車庫內行車速度,單位km/h;

vo—列車庫外行車速度,單位km/h;

∑ti—信號轉換、道岔轉換及其他冗余時間總和,單位s。

那么,當Cx≥C時,則停車列檢1線x列位滿足運營需求。也可通過式(2)對Cx進行估算:

(2)

式中:

Lo——庫外平均進路長度,單位m;

∑t——平均1條進路信號轉換、道岔轉換及其他冗余時間總和,單位s。

Lkx和Lo在空軌交通車輛基地內的設置如圖7中所示。

圖7 空軌交通車輛基地平面示意圖

空軌交通車輛基地的信號控制和其他城市軌道交通的一樣,調車作業可采用長短進路結合,而列車入庫作業則采用長進路形式。當1列車從進入車輛基地開始到進入庫內指定列位期間信號鎖閉,形成1個閉塞區間,期間不能有其他車輛進入該進路。如果車輛基地的2根出入線可同時入庫,對于庫型為盡端式的車輛基地則可形成2個平行進路;貫通式車庫的段場可做到兩端出車,其平行進路加倍。

以龍泉山車輛段為例,該工程采用盡端式庫型布置。受道岔側向通過速度影響,其系統能力C為24對/h;若不考慮洗車作業干擾,段內平行進路個數n取2個;受道岔側向通過速度及作業平臺限制,vk取5 km/h,vo取15 km/h。以運用庫停車列檢位選取1線5列位為例,Lo取385 m(具體數值根據段場規模和采用的列位數而定),庫內進路長度Lk5取235 m(具體數值根據信號設置要求和遠期列車長度而定),∑t約為20 s,則根據式(2)可估算出C5為25.56對/h,大于車輛段的系統能力24對/h,滿足需求。

在不考慮其他作業干擾的理想條件下,空軌交通車輛基地最多可采用1線5列位。但是在實際項目中,單線列位數要根據具體方案布置,扣除洗車作業等其他干擾產生的影響,同時還需要綜合考量列車出庫的順利性和快捷性,通過多方案比選論證后方可確定。

6 結語

1) 合理選用道岔型號,可實現降低造價和縮短咽喉雙贏。可以結合車輛基地實際規模情況,聯合道岔廠家加快三開道岔及五開道岔的研發進度,并在咽喉布置時通過不同道岔選型組合設置同時實現縮短咽喉和降低造價的目的。

2) 空軌交通車輛基地在制定場坪標高時,可結合車輛基地實際控制因素,通過引入不等場坪設計理念,有效節約土石方工程量,更好銜接周邊的市政道路。

3) 合理設置運用庫單線列位數,有效降低造價。結合車輛基地形狀將運用庫停車列檢線設置為“1線3列位”或者“1線4列位”。也可進一步研究信號分段解鎖的設置情況,通過降低進路平均占用時間,達到提高咽喉收發車能力的目的,從而進一步增加運用庫單線列位數及降低道岔的使用組數。

4) 優化站場咽喉區布置,提高工藝流程的順暢度?？哲壗煌橹械瓦\量系統制式,其系統能力通常小于城市軌道交通的。因此,空軌交通車輛基地在咽喉布置時,可以創新性地將洗車庫放于出入線上,在節約道岔使用組數的同時優化了洗車工藝流程。

5) 咽喉布置時宜同時考慮橋墩布置形式。空軌交通車輛基地咽喉區道岔設計宜結合橋梁橋墩的布置情況,盡可能采用上下對稱布置形式,以保證美觀,減少小曲線半徑所產生的離心力大的問題。