懸掛式單軌交通線路設計

李 濤，余浩偉，姜 梅

（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

1 懸掛式單軌交通概況

1.1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

在國外，懸掛式單軌(以下簡稱“空軌”)是一種成熟的交通制式，主要運用于德國和日本，目前已經(jīng)運營了6條線路。最早是德國1901年開通運營的伍珀塔爾線，為一條貨運線。最近的是德國1993年開通的杜塞爾多夫線。

我國空軌還處于研究階段，但近幾年發(fā)展較迅速，我國在引進國外技術的基礎上進行自主研發(fā)，并不斷改進，取得了一些可喜的成果，掌握了較多的核心技術。目前，在陜西韓城、峨眉樂山、貴州黃果樹、三亞等地已經(jīng)啟動了可研或建設工作。

1.2 懸掛式單軌交通的特點

空軌交通具有以下優(yōu)點：線路平面轉(zhuǎn)彎半徑靈活，爬坡能力強，線路適應性強；占地少，運行噪聲小，對生態(tài)環(huán)境的破壞小；車輛轉(zhuǎn)向架置于軌道梁內(nèi)運行，不易脫軌，運行安全可靠；受風雨雪天氣影響小，幾乎全天候運行，與環(huán)境適應性好；車輛內(nèi)視野無遮擋、景觀效果好；采用全鋼結(jié)構(gòu)，工廠預制，建設時間短。另外，建設成本相對較低(一般為1.0億～2.0億元/km)。

1.3 懸掛式單軌交通的結(jié)構(gòu)形式

目前，空軌車輛具有幾種不同的車型。日本空軌車輛車型較大，德國空軌車輛車型較小，兩種車輛的結(jié)構(gòu)差異較大。其中大型車、中型車的車輛結(jié)構(gòu)較為簡潔，轉(zhuǎn)向架與車體為剛性連接，車體通過曲線時產(chǎn)生的離心力，通過在軌道梁上設置超高予以平衡。而小型車的轉(zhuǎn)向架與車體之間通過中心銷進行連接，車輛通過曲線時所產(chǎn)生的離心力會使車輛本身發(fā)生偏轉(zhuǎn)，以自動平衡離心力，軌道梁一般不設置超高。

我國已經(jīng)成型的車輛是結(jié)合日本和德國的兩種結(jié)構(gòu)形式，進行自主創(chuàng)新。目前車體的結(jié)構(gòu)形式主要參考德國的標準，轉(zhuǎn)向架與車體之間通過中心銷進行連接，車輛通過曲線時發(fā)生偏轉(zhuǎn)，為非完全自由偏轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，設置有減振器和止擋對其進行部分限制，車輛通過曲線半徑時的受力關系較為復雜，為動態(tài)變化關系，與車輛結(jié)構(gòu)密切相關，見圖1。

圖1 車輛通過平面曲線時受力Fig.1 Stress pattern of the vehicle passing through the plane curve

根據(jù)目前已經(jīng)成型的車輛，車輛長度一般在10～12 m，車寬2.3～2.5 m；車輛構(gòu)造速度65 km/h，最高運行速度60 km/h；最大坡度理論上可達6°(104‰)如圖2所示。

車輛限界是根據(jù)計算車輛輪廓線和限界計算參數(shù)，在正常狀態(tài)下以最高速度運行，考慮偏載、側(cè)風、橫向加速度、制造誤差、輪軌間隙、磨耗量、變形量等因素引起的車體擺動所形成的最大動態(tài)包絡線，用以控制車輛制造、制定站臺和安全門的限界。不同廠家提供的車輛資料存在差異，待車輛廠確定后，根據(jù)車輛廠家提供的車輛參數(shù)、車輛限界、設備限界，調(diào)整限界設計，見圖3。

通常情況下，商業(yè)運營的空軌線路，采用雙線設計。直線段線間距應滿足車輛限界的需求，并預留足夠的余量。曲線段線間距除滿足車輛限界需求外，還應考慮車輛的橫向偏移。不同半徑下的偏移量可進行計算，一般可要求限界專業(yè)提資，見圖4。

圖2 空軌車輛總體布置Fig.2 The layout of sky rail vehicle

圖3 區(qū)間直線地段車輛限界Fig.3 The vehicle delimitation of the straight section

圖4 區(qū)間直線地段雙線高架建筑限界Fig.4 The twoline overhead architecture delimitation of straight section

2 線路平面設計

2.1 主要技術標準

2.1.1 圓曲線半徑的選擇

1) 最小曲線半徑。根據(jù)圖1，未被平衡的離心力可通過式(1)計算：

式中：m為列車質(zhì)量；aq為未被平衡離心加速度，參考城軌，一般情況下取 0.4 m/s2，困難情況下選用0.8 m/s2[1-2]；g為重力加速度，取值9.81 m/s2；v為列車通過速度， km/h；R為曲線半徑m；α為車輛允許偏轉(zhuǎn)角：類似于輪軌車輛超高的橫坡角。普通鐵路是按車輛傾翻安全度決定超高橫坡角最大值[2]。空軌車輛不存在翻車的情況，因而可以設置較大的偏轉(zhuǎn)角。但在曲線上也有臨時停車的可能，考慮到臨時停車時乘客的舒適度，參考德國、日本已建線路設置情況，相當超高值暫定為12%，對應最大偏轉(zhuǎn)角為6.843°。

通過式(2)計算，可得出以下結(jié)論：

正線曲線半徑一般應大于150 m，困難情況下應大于100 m。

2) 輔助線及車場線曲線半徑應大于50 m。

3) 車站原則上設于直線上，但困難地段需設于曲線上時，應經(jīng)限界、站臺門、軌道等專業(yè)確認。一般情況下，要求車站部分曲線半徑不小于300 m，特殊情況下允許減小至250 m。

4) 相鄰圓曲線及最短夾直線長度：由于緩和曲線起、終點處的曲率變化不連續(xù)，當列車通過時，會對列車產(chǎn)生一定的沖擊作用，從而產(chǎn)生振動[3]。夾直線和圓曲線最小長度必須滿足列車通過時，前后兩次振動不疊加，以保證乘客舒適度要求，即車輛在前一個緩和曲線產(chǎn)生的振動衰減后，再進入第二個緩和曲線。夾直線和圓曲線的最小長度就是需要的振動衰減的時間距離。

式中：v為列車通過速度，km/h，可取最高設計速度。n為振動衰減的振動數(shù)，次，日本地鐵取值1.5～2.5，國內(nèi)磁浮研究成果為0.5～1，鐵路設計規(guī)范為1.5～2，綜合考慮取1.5[3]。T為振動周期，s，主要由車輛的懸掛決定，日本地鐵取值為1.2～1.6 s，西南交通大學通過中低速磁浮進行的理論分析和仿真計算取1.5 s，鐵路設計規(guī)范為1 s，綜合考慮暫取1.2 s，國內(nèi)有下線車輛后再進一步研究。

取v為最高設計速度，即60 km/h，則最小夾直線長度和最小圓曲線長度不小于30 m。考慮到最小夾直線長度和最小圓曲線長度過長，會降低選線靈活度，并增大工程量。一般應大于15 m，特殊情況下不應小于一節(jié)車的長度。

2.1.2 緩和曲線的選擇

1) 正線上在直線與圓曲線(圓曲線半徑R≤1 000 m)之間，為適應曲率的變化，需設置緩和曲線過渡。

2) 緩和曲線形式：參考鐵路及地鐵，可采用高次拋物線形式。

3) 緩和曲線長度：緩和曲線長度的確定，主要考慮未被平衡的離心加速度時變率和偏轉(zhuǎn)角時變率[4]，需要注意的是，車輛制造商應特別考慮彈簧的剛度和偏轉(zhuǎn)角時變率之間的互相匹配，確保通過緩和曲線后不發(fā)生大幅度的來回搖擺，保證乘客舒適度。一般參考表1進行選擇。

2.1.3 曲線加寬及超高

轉(zhuǎn)向架與車體之間通過中心銷進行連接，車輛通過曲線時所產(chǎn)生的離心力會使車輛本身發(fā)生偏轉(zhuǎn)，以自動平衡離心力，故軌道梁設計時不用考慮加寬和超高。

2.2 線路平面設計方法

目前我國國內(nèi)規(guī)劃和實施的幾條空軌交通項目，大多均定位為旅游觀光交通，常常位于景區(qū)范圍內(nèi)，或者城市客運樞紐至景區(qū)的連接線。因此，懸掛式軌道交通的選線與城市軌道交通中的地鐵和輕軌相比有所區(qū)別。一般來說，由于沒有進入城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃、城市交通規(guī)劃，甚至沒有進入城市總體規(guī)劃，故在空軌選線時，需要進行較大范圍的選線，進行多個路徑的方案比選。

為了做好路徑比選工作，需要收集相應的設計基礎資料，如沿線規(guī)劃資料、地形圖、管網(wǎng)、道路或公路規(guī)劃紅線、建(構(gòu))筑物資料、客流調(diào)查資料、規(guī)劃軌道交通線路、沿線火車站、航空港、輪船碼頭、沿線旅游景點及場鎮(zhèn)分布等。根據(jù)相關資料，進行分析、統(tǒng)計和比較，以選擇最佳的路徑方案[5]。

表1 建議采用的緩和曲線長度Tab.1 The proposed length of demulcent Curve

線路平面設計，按照以下幾種布置形式進行論述。

1) 路中走行。空軌沿現(xiàn)狀或者規(guī)劃道路走行時，若道路較寬，且路中布設有2～3 m以上的分隔帶時，線路應盡量選擇沿路中走行，按道路中央分隔帶中心布置，使空軌中線與道路中線完全重合，并盡量滿足在橋墩設計時采用獨柱墩的要求，可減少對路側(cè)環(huán)境的不良影響，同時房屋拆遷少，投資省，景觀好。

若現(xiàn)狀道路線型標準較低，與空軌線型標準不匹配，很難將空軌中線與既有道路中心完全重合。在這些段落，為了提高空軌線路標準，在有條件的情況下，可對道路進行局部改造，優(yōu)化道路線型，以滿足空軌標準。但此舉對道路交通影響大，應征求交管部門的同意。在不得已的情況下，可與建設方協(xié)調(diào)，適當降低空軌標準，限速通過，但需征得建設方及有關職能部門的認可。

2) 路側(cè)走行。當?shù)缆仿穫?cè)綠化帶較寬時，空軌也可選擇沿道路路側(cè)走行。此種類型的布線較第一種情況略為自由，但應盡量提高線型標準，提高工程可實施性，同時減少房屋拆遷。

3) 沿河走行。當線路沿河走行或者跨越河流時，主要應考慮河道現(xiàn)狀及規(guī)劃范圍、地形及地質(zhì)條件、施工難度、工程投資以及與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)及景觀要求。另外，應調(diào)查河流級別及管理單位，查詢水務部門對河道的保護范圍要求，線路布設時，應盡量避開保護范圍。

4) 地下線路。由于空軌車體是懸掛于軌道梁下走行，若采用地下線路，同樣需要在隧道內(nèi)架設軌道梁，性價比太低，因此地下線路應盡量避免。若在山區(qū)地帶修建空軌，遇到山高彎急地帶，無法避免隧道時，應分析“高橋+短隧”、“矮橋+長隧”等方案，進行技術經(jīng)濟綜合比選，選擇性價比最佳的設計方案。同時，在隧道段內(nèi)，應研究布置形式，采用環(huán)梁鋼架等形式，將軌道梁架設于隧道襯砌的頂部，避免在隧道內(nèi)設置橋墩，以減少投資。如圖5所示。

圖5 隧道內(nèi)布置圖Fig.5 The layout of the tunnel

3 線路縱斷面設計

3.1 主要技術標準

3.1.1 縱坡

最大坡度是線路的主要技術標準之一，合理地確定線路最大坡度具有很重要的意義，車輛性能必須適應線路的最大坡度。主要需要滿足兩點要求：一是車輛在最大坡道上停車后，應能隨時啟動加速；二是列車通過最大坡道的速度不應過低，以免影響線路的運送能力。

我國已經(jīng)成型的空軌車輛采用了膠輪結(jié)構(gòu)，結(jié)合日本、德國懸掛式單軌交通車輛相關性能參數(shù)和線路坡度資料，確定適用于我國線路最大坡度如下：

1) 正線一般允許縱坡為50‰。在山地地區(qū)，經(jīng)技術經(jīng)濟比較，有充分依據(jù)時，最大坡度可采用60‰[1]。

2) 聯(lián)絡線、出入線的最大坡度宜采用60‰。

3.1.2 豎曲線半徑

影響空軌線路豎曲線半徑大小的主要控制因素包括：保證車輛以自由外接形式通過豎曲線、保證行車舒適度標準以及減少功能件制造的復雜程度。

乘客舒適條件所決定的最小豎曲線半徑基本原理與最小平面曲線半徑相同，均是受離心加速度的影響。當空軌列車經(jīng)過豎曲線時，會產(chǎn)生豎向離心加速度，該離心加速度的大小會影響乘客乘坐的舒適度。

參考平曲線推導辦法，空軌豎曲線半徑、離心加速度、通過速度之間的關系為：

式中：vmax為列車最高通過速度，km/h；av為豎向離心加速度，m/s2，參考城軌，建議空軌取0.1～0.2 m/s2[1-2]。

取vmax為最高運行速度，即60 km/h。av一般情況下取0.1 m/s2，根據(jù)式(5)計算，Rsh為2 779 m，取整為3 000 m。av困難情況下選用0.2 m/s2，根據(jù)式(5)計算，Rsh為1 390 m，取整為1 500 m。

3.1.3 縱斷面坡段長度

從列車運行平穩(wěn)性和乘客舒適性的角度考慮，最小坡段長度除了應滿足兩豎曲線不重疊外，還應考慮兩豎曲線間有一定的夾坡段直線長度，確保車輛在前一個豎曲線上產(chǎn)生的垂向加速度在夾坡段直線長度范圍內(nèi)完成衰減，不與下一個豎曲線上產(chǎn)生的垂向加速度疊加，其計算理論和方法與“最小夾直線長度和最小圓曲線長度”相同，夾坡段直線長度不應小于0.5v，特殊情況下，不應小于一節(jié)車的長度。

最小坡段長度可按式(6)進行計算，并宜取整為10 m的整數(shù)倍。

式中：Lp為最小坡段長度，m；Δi1、Δi2為坡度兩端相鄰坡段坡度差的絕對值；v為設計行車速度，km/h；Rsh為豎曲線半徑，m。

3.1.4 凈空

空軌車輛跨越道路時，應滿足道路凈空的要求。一般應保證車輛下端距離路面5 m以上。當跨越快速路或者高速公路時，盡量保證6 m以上凈空。應盡量避免跨越大件路，難以避免時，應征求道路管理部門的同意，并保證大件運輸?shù)膬艨招枨蟆?/p>

空軌車輛跨越不通航河流時，應滿足河流的行洪需求。應根據(jù)河流洪水位，保證車輛下端在百年洪水位以上。應盡量避免跨越通航的河流，難以避免時，應征求水務部門的同意，并保證通航船舶的凈空需求。

空軌跨越鐵路時，應滿足鐵路凈空的要求，并保證車輛下端與鐵路接觸網(wǎng)(電氣化鐵路)之間2 m以上的豎向安全距離。

3.2 線路縱斷面設計方法

線路縱斷面設計時，應首先收集沿線重要建(構(gòu))筑物基礎資料，既有規(guī)劃鐵路線、地鐵等軌道交通線路，沿線道路、橋梁、地下管線等資料。結(jié)合不同路段的技術要求與重點考慮因素，進行縱斷面設計[5]。

線路縱斷面設計，按照以下幾種布置形式進行論述。

1) 路中高架敷設。空軌沿道路路中高架敷設時，首先應根據(jù)道路等級的要求，確定道路凈空，保證車體底部與道路路面的最小凈高要求。有條件的情況下，應盡量在最小凈高要求0.5 m以上，以避免后期道路改建新鋪路面后，造成道路凈空不夠。

車站應盡量設置為平坡，高程應根據(jù)車站各層結(jié)構(gòu)高度及道路凈空等因素進行確定。

區(qū)間在滿足技術標準的情況下，應盡量采用與道路一致的坡向及型式，以保持橋墩高度基本一致，節(jié)省工程投資，提升道路景觀。高程根據(jù)道路凈空、空軌限界等因素綜合確定，并力求降低橋墩高度。

2) 路側(cè)高架敷設。空軌沿路側(cè)高架敷設時，縱斷面設計相對隨意，可不必考慮道路凈空要求，但必須滿足空軌結(jié)構(gòu)及車輛與地面的最小安全保護距離要求，同時適當考慮景觀。

3) 沿河高架敷設。當線路沿河高架敷設，或者跨越河流時，縱斷面設計主要考慮洪水位，保證防洪要求，車體應位于河流百年洪水位以上一定距離。

4) 地下線路[5]。當空軌難以避免采用地下敷設時，線路縱斷面應因地制宜。

在地面有設置排水泵房的條件時，縱斷面應盡量設計為“高車站，低區(qū)間”的凸型節(jié)能坡型式，最低點位置結(jié)合排水泵房位置進行設計。

當穿越山嶺時，若在地面設置泵房，隧道至地面的提升高度一般都較大，在經(jīng)濟上不合理；另外，在山嶺隧道施工時，難以避免會產(chǎn)生大量的涌水，增加施工難度。故山嶺隧道縱斷面設計，一般應設計為人字坡或單面坡型式[7]。

4 平縱組合技術條件

4.1 豎曲線與平面曲線重疊設置條件

當豎曲線與平面曲線重疊設置時，將使得該處的線形極為復雜，增加設計、制造、施工和后續(xù)維修保養(yǎng)的難度，在傳統(tǒng)的輪軌系統(tǒng)中，出于保持運行平穩(wěn)、乘坐舒適、降低測設工作量和施工制造難度、方便養(yǎng)護維修等因素考慮，均規(guī)定豎曲線不得與緩和曲線重疊設置。

針對空軌而言，由于其全部為鋼結(jié)構(gòu)，且走行輪直接作用在鋼梁上，沒有單獨的軌道結(jié)構(gòu)，使得鋼梁的施工、制造和后續(xù)維修保養(yǎng)難度更大，其對于豎曲線與平面曲線重疊設置條件的要求更加嚴格。

為此，考慮空軌豎曲線不得與緩和曲線重疊設置。在條件允許的情況下，豎曲線盡量不與圓曲線重疊設置；當受條件限制，豎曲線必須與圓曲線重疊設置時，應選用較大的豎曲線半徑和曲線半徑，以降低施工、制造和保養(yǎng)的難度[8]。

4.2 道岔設置條件

空軌的道岔結(jié)構(gòu)極為特殊，機械機構(gòu)多、岔尖擺動幅度大，且為懸臂結(jié)構(gòu)，對線路要求較高。

單開道岔采用單圓曲線線型，曲線半徑R=50 m，曲線出岔，轉(zhuǎn)轍角為14°2′10″，道岔區(qū)全長20 m。道岔側(cè)向最高通過速度 15 km/h，直向通過速度與直線區(qū)間相同，道岔線型如圖6所示[9]。

圖6 單開道岔線型Fig.6 The delimitation of the single open switch

為保證道岔的正常工作，道岔應設置于直線、平坡地段。道岔兩端與平、豎曲線端部，應保持一定的直線距離。正線應不小于5 m，車場線應不小于3 m[10]。

5 結(jié)語

通過認真的分析研究，提出了適用于我國懸掛式單軌交通系統(tǒng)的線路技術標準及設計方法，可作為后續(xù)空軌設計的參考。

由于國內(nèi)目前暫無成功運營的空軌線路，相應的空軌車輛也正在研發(fā)當中，無法獲得完整的車輛數(shù)據(jù)；德國、日本的空軌建設年代較為久遠，有記錄的運營數(shù)據(jù)不全。本次研究中，相關標準、參數(shù)的選取參考了大量的既有城市軌道交通制式，但是否與空軌相適應還有待后續(xù)實際運營的驗證；同時，線路參數(shù)因與車輛結(jié)構(gòu)密切相關，在目前暫無車輛參數(shù)的前提下，部分線路參數(shù)無法計算得出，僅能提出其主要方法、原則和公式。

空軌線路各項設計參數(shù)的最終確定，需在本研究報告的基礎上，結(jié)合國內(nèi)制造的車輛和實際運營實踐進行更深入的研究。