寧波現代有軌電車工程設計特點

■　張志偉

寧波現代有軌電車工程設計特點

■張志偉

為減輕寧波市鄞州區城市公共交通壓力、增強鄞州區公共交通覆蓋、構建一體化公共交通系統、推進綠色環保交通建設，引導新城區合理布局發展及形成現代有軌電車產業示范效應，在鄞州區發展中運量有軌電車系統，可以優化鄞州新區城市交通結構，快速提高公交服務水平。重點介紹項目設計方案及設計特點，對設計過程中存在的重難點進行分析研究，為后續有軌電車項目的工程設計提供借鑒。

有軌電車；設計特點；儲能式供電；橋式軌道；信號優先

1　概述

完善的城市公共交通應該是運用多種交通工程建立起來的適合不同服務類型、不同運量等級的多層次城市公共客運交通體系。現代有軌電車是在傳統有軌電車基礎上，通過現代技術的全面升級改造發展起來的一種先進交通工具，現代有軌電車具有綠色環保、造價低、建設工期短、運量適中等特點，可以彌補地鐵投資大、建設周期長等不足，有效解決組團交通和接駁交通等中低運量客運走廊的交通問題。在國內日益受到一些大中城市的青睞。有軌電車可以作為軌道交通線網的組成部分，形成大、中容量交通方式互為補充，構建較為豐富和完整的軌道交通體系［1-2］。

2　工程重點線站位方案比選

寧波市鄞州區現代有軌電車實驗線一期工程主要位于鄞州新城區及姜山鎮境內，線路全長8.1 km，均為地面線，兩端預留延伸條件。線路起自南大東路站，沿天童南路、鄞州大道、寧南南路、寧南北路，敷設至嵩江中路路口南側的寧南立交南站。全線設置12座車站、1座車輛基地和1個控制中心。全線平均站間距723 m，最大站間距1 020 m，最小站間距465 m，交通樞紐站與地鐵3號線接駁。

根據線網規劃，起終點線路大致走向通道基本已定，重點比選的線站位應為線路中段的南部商務區。南部商務區是鄞州區重要的人口集散地，線路沿線人流量較大，商業、教育等相關配套設施聚集，是鄞州區乃至寧波市重點發展區域；同時寧波規劃的地鐵3號線也覆蓋此片區，為盡可能發揮現代有軌電車的作用，實現與快速軌道交通及常規公交合理銜接，有必要對此段線路進行同精度多方案比選。

2.1線路方案

工程前期預選了三套方案（見圖1）。

圖1　三套方案示意圖

方案一：泰康中路方案。線路出茶桃路站后，沿天童南路—泰康中路—寧南南路路徑行進，泰康中路—鄞縣大道段在寧南路道路東側敷設，其余段均在道路路中地面敷設。在天童南路與鄞州大道路口設鄞州大道站，在天童南路與泰康中路路口處設南部商務區站。

方案二：鄞州大道方案。線路出茶桃路站后，沿天童南路—鄞州大道—寧南南路路徑行進，在鄞州大道段沿北側綠化帶敷設，線路拐入寧南路后，沿道路路中地面敷設。在鄞州大道中段與地鐵3號線構建綜合交通樞紐站，在寧南南路—泰康中路路口設南部商務區站。

方案三：首南中路方案。線路出茶桃路站后，沿天童南路—首南中路—寧南南路路徑行進，在首南中路—鄞縣大道段沿東側敷設，在首南中路段沿路北側敷設，其余路段為路中地面敷設。在鄞州大道—天童南路路口設鄞州大道站，在天童南路—泰康中路路口設南部商務區站。

2.2方案比選

按照客流吸引、工程實施難度等方面對三套方案進行比較，具體見表1。

經過綜合比選，推薦方案二。鄞州大道方案具有如下優點：線路沿線用地以居住、商業、政府組團用地和市政交通設施用地為主；現狀有在建交通樞紐、在建羅蒙環球城等項目，客流覆蓋好，與地鐵3號線車站無縫接駁，線路設置于道路綠化帶，對車行交通影響小，道路北側綠化帶可設置故障列車停車線，滿足運營組織要求，利于運營應急措施的實施。

表1　線路方案比選

3　車輛選型

3.1走行方式比選

現代有軌電車根據走行方式不同主要可分為鋼輪鋼軌和膠輪導軌2種制式（見圖2、圖3），各有其優勢與不足，其不同的特點適應不同的工程需求。

經過綜合比選可以得出：

（1）鋼輪鋼軌現代有軌電車更加節能。

（2）鋼輪鋼軌現代有軌電車可靠性、安全性更高。

（3）鋼輪鋼軌現代有軌電車車輛性價比高、選擇性大，可引入競爭機制，有利于車輛價格談判；膠輪導軌現代有軌電車易造成壟斷，且性價比低。

（4）鋼輪鋼軌現代有軌電車后期運營維護成本較低。

（5）鋼輪鋼軌現代有軌電車車輛自身外觀多樣，可根據城市特點進行專門設計，與城市景觀協調性好。

圖2　鋼輪鋼軌現代有軌電車

圖3　膠輪導軌現代有軌電車

3.2供電方式比選

鋼輪鋼軌現代有軌電車的供電方式可采用接觸網供電和無接觸網供電方式，其中無接觸網供電方式主要有超級電容供電、APS供電和電磁感應供電3種。

鄞州區有軌電車車輛推薦選用100%低地板有軌電車，100%低地板有軌電車采用該3種無接觸網供電方式對城市景觀的影響程度基本一致，但APS及電磁感應供電車輛其線路基礎設施成本、能源使用成本、維護成本較高，可靠性相對較低。相對而言，100%低地板超級電容車輛，其技術與經濟優勢更為明顯［3］。

3.3比選結論

從整個有軌電車系統所產生的社會效益上看，無架空接觸網現代有軌電車是有軌電車系統進一步發展的方向，儲能式牽引供電系統是實現無架空接觸網的重要發展方向之一，能夠滿足現代城市對節能環保、城市景觀的需求。

因此，結合鄞州區的發展戰略定位、工程定位、景觀等要求，車輛采用最高速度70 km/h的100%低地板、鋼輪鋼軌、區間無觸網、儲能式現代有軌電車，利用儲能裝置車輛能夠無接觸網運行（車站停車充電儲能，區間放電驅動行駛）。儲能裝置可實現能量的高效和循環利用，達到綠色節能的雙重目標。

4　道床及路基結構設計

考慮到寧波地層特點，軟弱土層非常厚，線路所處區域地質條件復雜，有軌電車的路基是修建在承載能力較差的軟弱土層，通常需要深挖采用優質填料置換軟弱土層，因此無論是優質填料的來源還是被換土層產生的廢土，對生態環境都會產生很大影響，而且施工棄土與回填的優質填料都需要大量土方運輸，增加周邊道路負擔，并加大環境塵土或污染路面；如不進行深層處理則工后沉降量、沉降差較大，無法滿足軌道要求。工程結合以往經驗及工程特點對路基及道床結構進行綜合比選。

4.1道床結構比選

4.1.1普通軌道結構

軌道結構高度（軌頂連線與線路中心線的交點至結構底板頂面）主要考慮鋼軌、扣件及軌枕的安裝高度，并考慮整體道床的穩定性、可施工性及一定的結構施工誤差包容性等，普通軌道結構路基不做硬化層，軌道結構高度下需各增加200 mm厚C30混凝土墊層和二灰砂礫墊層，并嚴格控制工后沉降。軌道結構在專用路權（區間）地段設置一定的橫坡，有利于道床范圍內的排水。

4.1.2橋式軌道結構

橋式軌道結構技術適用于各種土質地基，尤其在軟弱地基（含填土）、濕陷性黃土地基或寒冷地區。可使得軌下基礎穩定、均勻和耐久，整個軌道具有較高的平順性和穩定性。該技術具有以下優點：

（1）克服傳統地基加固方法存在的加固效果不確定、工后地基沉降較大及沉降穩定所需時間很長等缺點，采用此路基具有沉降小、穩定、可控或易修復的優點；

（2）標準化、模塊化工廠生產，在工廠預制的生產環境穩定，鋼筋混凝土制品養護到位，產品質量高、外形美觀；

（3）施工機具簡單，實現機械化和流水線作業，施工效率高，工期短，同時可極大減少土方開挖、回填、裝卸及運輸等有損自然環境的工程量；

（4）軌道線路免維護，當路基出現沉降時軌道的可修復性強，即使路基差異沉降導致軌面不平順的高度調整要求達到80 mm，也可利用夜間停運的天窗時間修復而不影響次日日常運營。

一般地段每隔12.5 m采用橋式結構設置縱梁，蓋梁和縱梁間需考慮連接措施，縱梁及軌枕采用C45混凝土。將橋梁結構和軌道結構有機結合在一起。在特殊地段為減少管線遷改等因素的影響可采用非標準塊，但非標準塊的長度不應超過12.5 m，且長度是軌枕間距的整數倍，非標準塊間的間隙大于3 mm時采用瀝青混凝土填充。軌道結構與基礎結構之間設置橋梁支座以調整軌道標高。

4.1.3方案比選分析

普通軌道結構與橋式軌道結構經濟技術比選見表2。

根據以上分析，結合寧波地質條件及線路結構的完整性、少維護性，采用橋式軌道方案。橋式軌道主要由PHC管樁、蓋梁、路基梁組成，軌道通過扣件直接安裝于路基梁上，蓋梁與樁剛性連接，路基梁以簡支連接擱置于蓋梁上。

4.2路基加固處理

路基處理措施應結合地區地質條件、有軌電車荷載情況、沉降標準及驗算分析情況綜合確定，一般可考慮采用沖擊碾壓、換填、中粗砂夾土工格柵、塑料排水板、袋裝砂井、強夯（置換）、堆（超）載預壓、水泥（砂漿）攪拌樁、高壓旋噴樁、預應力鋼筋混凝土管樁、CFG樁、樁網結構、樁筏結構、樁板結構等加固措施對地基進行處理。

由于本工程沿線廣泛分布有飽和軟土，厚度大，主要為淤泥質粉質黏土、淤泥質黏土，基本承載力σ0=50～60 kPa，具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、抗剪強度低、靈敏度高、極易發生蠕動和擾動的特點，根據TB 10106—2010《鐵路工程地基處理技術規程》和寧波地區的建設經驗，CFG樁等不適宜采用。綜合比選，工程采用PHC管樁方案，在安全可靠性、對環境的影響性、對道路交通的干擾性均具有顯著優勢［4-5］。

“橋式軌道+PHC管樁”方案主要優點：

（1）路基承載能力較高，適應性較好，可滿足軌道對承載力的要求。

（2）在工廠預制PHC管樁，樁身質量較易保證。

（3）沉降與差異沉降可控。路基工程可以根據寧波軟弱土層厚度大的特點，采用樁基穿透軟弱土，以相對較好的地層作為樁基持力層，從而獲得較高的樁側摩阻力及樁端阻力，并可根據承載力與沉降控制調整樁長與樁徑。

（4）對道路交通影響較小。因管樁為預制，打樁施工周期較短，對道路影響較小。

（5）對環境影響較小。現場打設預制樁不會產生泥漿等污染。

（6）因采用橋式軌道方案，預制路基梁為主要傳力構件，將車輛荷載傳給PHC管樁，路基土層不承受上部車輛荷載，不需設置基床表層與底層。現場挖方量小，施工速度快。

（7）可依靠路基梁跨越大部分與有軌電車線路相交的管線，節約管線改遷投資，縮短工期。

表2　普通軌道結構與橋式軌道結構經濟技術比較

5　交通組織與信號優先

5.1重點交通組織方案

5.1.1有軌電車左轉通過路口交通組織

有軌電車由天童南路路中向西轉向鄞州大道北側綠化帶。鄞州大道西進口直行方向及左轉方向與有軌電車有交通沖突，東進口直行方向和右轉方向與有軌電車有交通沖突；天童南路北進口直行方向和右轉方向與有軌電車有交通沖突，南進口左轉方向與有軌電車有交通沖突；有軌電車運行與道路交通沖突嚴重。

在原交通信號燈相位中新增有軌電車獨立相位，并在西北象限增設右轉信號燈（含非機動車右轉燈、行人專用信號燈），用以控制有軌電車通過時天童南路北轉西的右轉車輛，保證運營安全（見圖4、圖5）。

圖4　有軌電車左轉通過路口交通組織示意圖

圖5　天童南路/鄞州大道路口交通信號相位示意圖

圖6　有軌電車右轉通過路口交通組織示意圖

5.1.2有軌電車右轉通過路口交通組織

有軌電車運行方向為由鄞州大道北側綠化帶向北轉向寧南南路路中，鄞州大道直行方向不受有軌電車影響，東進口右轉和西進口左轉均會與有軌電車產生交通沖突，南進口目前尚未開通，開通后直行方向也會與有軌電車產生交通沖突。

為有軌電車限界內新設2處信號燈（相位：右線同東進口直行、左線同南進口左轉），有軌電車按燈控組織行駛，市政道路信號燈相位維持不變；新設東轉北右轉信號燈（含非機動車右轉燈、行人專用信號燈），用以控制有軌電車通過時鄞州大道東轉北的右轉車輛，整個路口信號燈應系統聯動控制（見圖6、圖7）。

5.2信號優先方案

項目車輛采用儲能式100%低地板4模塊有軌電車，車身長約36.5 m，最高運行速度70 km/h。高峰小時列車開行對數：初期9對、近期14對、遠期20對。初、近期實驗線計算旅行速度21 km/h，遠期為23 km/h。全線共有20個路口（含出入車輛段路口），其中2處人行過街路口。全線路段為專享路權，路口為共享路權，與地面社會交通在路口平交。道路交通信號系統采用SCATS，具有信號優先功能，能根據有軌電車行車計劃設置有軌電車綠波相位，實現有軌電車信號相對優先。

圖7　寧南南路/鄞州大道路口交通信號相位示意圖

寧波有軌電車信號系統與道路交通信號系統共同實現有軌電車計劃駕駛綠波通行加主動請求的方案。

5.2.1信號優先原理

由鄞州區交警支隊與運營單位商定有軌電車到達路口的運營期時間計劃，此運營計劃設置于SCATS中央控制系統，SCATS根據電車運營期時間計劃中有軌電車的通行需求設置電車獨立相位的開放綠燈時機，電車工程設置的路口控制器與SCATS的ITS設備就近采用串口數字接口（或干接點），主要用于檢測道路交通信號控制器的電車獨立相位開放狀態，觸發電車路口信號機開放；同時，發送晚點列車的優先路口通行請求及晚點時分至SCATS/ITS，用于SCATS調控路口信號相位開放時長，提供晚點電車優先通行條件［6］。

電車早點到達路口等待運行計劃規定的時間相位；準點到達路口按運行計劃通行；晚點到達路口時，電車到達觸發及晚點時分信息通過電車路口信號優先控制器向路口SCATS/ITS發送通行優先請求，插入相位，實現電車通行信號的相對優先。

5.2.2有軌電車對道路交通信號系統的縱向配時要求

假設有軌電車經過的每個路口都剛好是有軌電車通過相位，做列車的牽引計算。根據牽引計算做出列車通過各個路口的全天相位需求。

5.2.3道路交通信號系統交叉口配時

道路交通信號系統根據有軌電車行車計劃的縱向綠波配時要求，在有軌電車經過的各路口進行有軌電車的計劃獨立綠波相位配時。滿足有軌電車行車組織按計劃駕駛綠波通過各個路口。

5.2.4路口信號控制構成

（1）有軌電車信號系統：信號優先控制器、信標、路口有軌電車專用信號機。

（2）市政道路交通信號系統：交通信號控制器SCATS及路口交通信號機。

（3）有軌電車遵守路口專用信號機顯示行車。路口信號控制構成見圖8。

圖8　路口信號控制構成圖

5.2.5虛擬接近、到達、離去點的位置設置要求

虛擬到達點的位置距路口停車線的距離為L2，L2必須保證司機5 s的反應時間后有軌電車在限速速度下采用常用制動能夠停在路口停車線前。

虛擬接近點距離到達點的距離為L3，L3指信號優先時信號優先控制器將列車接近信息傳遞到市政交通信號控制器并將信號燈相位切換到有軌電車通行相位的時間內列車走行的距離。

虛擬離去點離路口的距離為L4，L4=37 m，為有軌電車的長度。

5.2.6典型路口虛擬點布置計算

（1）路口技術參數：路口推薦速度暫定30 km/h；路口寬為20 m。

（2）虛擬接近、到達、離去位置設置。L1=20 m（路口停車線間寬度）；L2為列車從30 km/h采用常用制動停到路口前的距離，常用制動運行距離為37 m，再考慮司機5 s反應時間列車走行距離42 m，留上5 m的富余量后，按84 m考慮；L3為路口信號控制器收到優先請求后到優先信號開放這段時間內（路口信號優先請求提前20 s給路口信號控制機）列車走過的距離，按平均速度30 km/h考慮，L3=30 km/h×20 s=166.6 m。

5.2.7典型路口有軌電車信號燈最小白圈（信號）時間計算

有軌電車在到達點處，有軌電車信號相位由直白燈（允許信號）變換為白圈燈時，有軌電車司機應制動讓列車停在路口停車線前。當有軌電車越過路口到達點后有軌電車直白相位變換為白圈時，此時白圈時間應能保證有軌電車在路口的規定限速下通過路口。

白圈時間：t白圈=（L1+L2+L4）/（30 km/h）=（20+84+37）/（8.33 m/s）=17 s。

5.2.8接口關系

有軌電車信號與道路交通信號系統接口示意見圖9。

圖9　有軌電車信號與道路交通信號系統接口示意圖

（1）路口接口。接口形式：干接點。接口內容：有軌電車路口通過干接點形式將有軌電車的優先請求和接近、到達、離去路口信息傳送給道路交通信號系統；道路交通信號系統將當前信號機狀態信息和相位信息傳遞給有軌電車信號優先控制器。

（2）中央接口。接口形式：數據接口。接口內容：有軌電車運營綜合自動化將列車時刻表計劃和時鐘信息傳遞給道路交通SCATS中央系統，道路交通信號系統將優先模式信息及有軌電車經過的道路交通信號系統的相位信息傳送給有軌電車運營綜合自動化系統。

6　結論

（1）有軌電車是綜合交通系統的有機組成部分，但有別于一般軌道系統，有軌電車并非獨享運行空間，受到沒有完全分離的交叉口制約，并不能達到真正軌道系統具有的運行速度和準時性。有軌電車的服務水平取決于空間通行權的“優先程度”及需要增加工程造價的設施“分離程度”，對于相關沖突和建設方案的不同抉擇，會形成具有很大功能差異的系統。國內尚未形成完善成熟的規劃設計體系，在項目決策建設前，從城市和交通實際情況出發，開展頂層設計工作，特別是有必要在綜合交通規劃指導下，明確建設目標和功能定位，制定合理的規劃設計體系。

（2）目前我國在實際交通管理中對有軌電車控制的相關法規還很缺失。為確保運營管理有法可依，應盡快從法制層面制訂出完善的現代有軌電車運營管理辦法，平衡有軌電車與其他主體的道路利用權利，明確現代有軌電車和其他車輛、行人的相互關系、責任，保障有軌電車、社會車輛、行人的運行安全。

（3）信號優先是在原有道路交叉口信號系統SCATS相位插入行車計劃，有軌電車的速度和車身長度是交叉口信號控制方案設計的控制要素，其信號控制水平及系統穩定性有待優化提高。

（4）有軌電車在車道上的布設形式有布設在道路中央、布設在道路兩側、布設在道路單側三種情況，建議有軌電車應優先布設在道路中央，結合城市規劃和線路周邊地塊控制情況，其次考慮布設在道路兩側或道路單側，重點是要跟整個道路和片區整體形象相聯系、相協調。

［1］ 李秋義.我國現代有軌電車軌道系統技術發展的思考［J］.城市軌道交通研究，2014（10）：122-125.

［2］ 張子棟.有軌電車系統規劃設計研究［J］.城市交通，2013（4）：30-38.

［3］ 張相寧，李明高，劉宇，等.100%低地板有軌電車車體設計［J］.中國鐵路，2014（6）：111-113.

［4］ 深圳市城市交通規劃設計研究中心軌道二所.深圳市首條現代有軌電車線路開工建設—現代有軌電車研究體系思考與實踐［R］.深圳，2015.

［5］ 深圳市市政設計研究院有限公司.寧波市鄞州區現代有軌電車實驗線一期工程可行性研究、總體設計、初步設計［R］.深圳，2015.

［6］ 吳勝權，黃振暉，曹源.有軌電車路權配置與信號系統選擇［J］.中國鐵路，2014（8）：97-99.

張志偉：深圳市市政設計研究院有限公司，工程師，廣東深圳，518000

責任編輯高紅義

U239.5

A

1672-061X（2016）04-0032-07