懸掛式單軌車輛基地集約化設(shè)計

錢科元，王孔明，徐銀光，張茂帆，何安靜

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

懸掛式單軌系統(tǒng)具有特殊的結(jié)構(gòu)形式，車輛基地設(shè)計與傳統(tǒng)軌道交通車輛相比在檢修工藝、橋梁、軌道、限界、站場等專業(yè)設(shè)計均有所不同。在檢修工藝方面，國內(nèi)已有一些研究成果，其中對懸掛式單軌運(yùn)用檢修情況、國內(nèi)車輛檢修修程修制、檢修作業(yè)內(nèi)容、檢修工藝及設(shè)備、綜合維修體系等方面進(jìn)行了研究[1-4]。在橋梁設(shè)計方面，懸掛式單軌系統(tǒng)橋梁系統(tǒng)同傳統(tǒng)地鐵橋梁結(jié)構(gòu)上存在較大差異，懸掛式單軌橋梁采用下部開口的箱形軌道梁和3種結(jié)構(gòu)形式(倒L形、T 形、門形)的橋墩，對于橋墩和箱形軌道梁連接方式，國內(nèi)目前主要有牛腿支座及銷軸連接兩種，相關(guān)學(xué)者對橋梁箱形軌道梁、橋墩、連接方式、伸縮縫進(jìn)行了研究[5-7]。在軌道設(shè)計方面，懸掛式單軌系統(tǒng)道岔同地鐵車輛段所采用的道岔存在較大差異，國內(nèi)對懸掛式單軌道岔結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、道岔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計研究[8-9]。在限界設(shè)計方面，懸掛式單軌車輛在結(jié)構(gòu)上與地鐵車輛存在較大差異，國內(nèi)對懸掛式單軌限界計算方法、分析方法等方面進(jìn)行了研究[10-15]。

由于懸掛式單軌車輛、道岔特殊的結(jié)構(gòu)形式，車輛段內(nèi)需設(shè)置橋梁，布設(shè)橋墩，橋墩需結(jié)合橋梁直曲線跨度要求、道岔布置情況(道岔與車場線連接處需布置橋墩)、限界要求進(jìn)行合理布置。在站場設(shè)計方面，需結(jié)合懸掛式單軌車輛性能參數(shù)(如最大爬坡能力，最小轉(zhuǎn)彎半徑)、道岔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(道岔與道岔連接無需設(shè)置夾直線)、橋墩布置情況(滿足站場車場線設(shè)計，但橋墩可能無空間布置)、限界要求等因素來設(shè)置最優(yōu)的車輛段車場線平面布置方案。另外，懸掛式單軌架空建設(shè)，車輛轉(zhuǎn)向架走行在箱形軌道梁內(nèi)，場坪確定與地鐵車輛段設(shè)計也存在一定差異。上述這些方面，國內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)文獻(xiàn)分析。

近些年來，我國對懸掛式單軌系統(tǒng)核心關(guān)鍵子系統(tǒng)車輛、橋梁、道岔等領(lǐng)域進(jìn)行了攻關(guān)，目前，已具有自主知識產(chǎn)權(quán)，能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)鍵子系統(tǒng)國產(chǎn)化。但懸掛式單軌屬于小運(yùn)量交通系統(tǒng)，工程投資卻達(dá)到1.5億～2.6億元/ km[16-17]，相對其他小運(yùn)量的交通系統(tǒng)，整體造價仍然較高，市場推廣進(jìn)度較為緩慢。據(jù)不完全統(tǒng)計，近年來共有30多項(xiàng)懸掛式單軌制式工程咨詢、設(shè)計項(xiàng)目，僅有5項(xiàng)最終落地項(xiàng)目(含4條廠區(qū)試驗(yàn)線項(xiàng)目)。

車輛基地作為軌道交通項(xiàng)目的重要組成部分，懸掛式單軌車輛基地工程造價指標(biāo)占總工程費(fèi)用比例為6.8%～12.23%[17]。若能通過一些技術(shù)手段降低懸掛式單軌車輛基地工程投資，將有效減少總工程費(fèi)用投資。不同項(xiàng)目車輛基地工程造價指標(biāo)與總工程費(fèi)用比例存在差異，主要是受車輛基地功能定位以及規(guī)模大小影響。

因此，有必要在不影響車輛基地基本使用功能的前提下，結(jié)合懸掛式單軌系統(tǒng)特點(diǎn)，對新能源懸掛式單軌車輛基地進(jìn)行集約化設(shè)計。以西南某市項(xiàng)目為例，對車輛基地集約化設(shè)計方法進(jìn)行探討。

1 新能源懸掛式單軌系統(tǒng)介紹(圖1)

圖1 新能源懸掛式單軌車輛

懸掛式單軌系統(tǒng)，車輛懸掛在箱形軌道梁下方，箱形軌道梁架空建設(shè)，屬于空中軌道交通，具有良好的視野。同時不占用地面路權(quán)，對地面既有交通系統(tǒng)幾乎無影響。懸掛式單軌車輛轉(zhuǎn)向架隱藏在箱形軌道梁內(nèi)部，轉(zhuǎn)向架采用橡膠輪胎走行、導(dǎo)向，爬坡能力強(qiáng)，最大爬坡能力達(dá)80‰。線路適應(yīng)性好，最小曲線半徑達(dá)30 m。同時，還具有運(yùn)營安全可靠、建設(shè)周期短、景觀效果好等技術(shù)亮點(diǎn)。

新能源懸掛式單軌車輛在供電方式上有所差異，新能源懸掛式單軌車輛采用車載磷酸鐵鋰蓄電池包作為動力源[18]，供電電壓等級為DC750V。每個蓄電池包由236個單體電池串聯(lián)組成，動力包的容量能達(dá)到211.5 kW ·h，每個動力車的轉(zhuǎn)向架間設(shè)置1個動力包。在平直道上的續(xù)航里程為130～180 km。車載蓄電池包電量SOC從20%充至100%所需充電時間約1.5 h。

2 車輛基地功能定位及設(shè)計規(guī)模

2.1 功能定位分析

車輛基地是懸掛式單軌車輛運(yùn)用檢修作業(yè)的場所，車輛基地首要任務(wù)是需滿足車輛停放、日常保養(yǎng)、維修任務(wù)。同時結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，降低工程投資，對全面、重點(diǎn)較高修程車輛檢修采用返廠修，對維修難度大、專業(yè)素質(zhì)要求高的部件維護(hù)采用委外或返廠修理。考慮國內(nèi)懸掛式單軌換輪修里程已能達(dá)到10萬km水平，綜合分析，車輛基地應(yīng)承擔(dān)換輪修及以下修程的檢修任務(wù)。

另外，懸掛式單軌系統(tǒng)是一個集車輛、橋梁、道岔、軌道、房建、通信、信號等多系統(tǒng)于一體的復(fù)雜交通系統(tǒng)。各系統(tǒng)間相輔相成，缺一不可，只有保證其他系統(tǒng)狀態(tài)良好，才能確保懸掛式單軌車輛安全、高效運(yùn)行。因此，除車輛系統(tǒng)以外的其他各系統(tǒng)的維護(hù)、保養(yǎng)也至關(guān)重要，可結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，在項(xiàng)目沿線單獨(dú)設(shè)置綜合維修工區(qū)或共享現(xiàn)有線網(wǎng)的綜合維修工區(qū)，也可將綜合維修功能統(tǒng)籌規(guī)劃在車輛基地內(nèi)。結(jié)合本項(xiàng)目里程短且未與成都現(xiàn)有線網(wǎng)連通的特點(diǎn)，車輛基地應(yīng)整合綜合維修功能。

車輛及其他系統(tǒng)的維護(hù)、維修、保養(yǎng)作業(yè)過程中，需使用到各種各樣的材料、工具器械、零部件配件以及勞保用品，因此，傳統(tǒng)的軌道交通車輛基地通常設(shè)置有物資總庫，負(fù)責(zé)承擔(dān)軌道交通各系統(tǒng)配件、材料、物資的管理、采購、存儲等任務(wù)。本項(xiàng)目里程較短、車站等附屬設(shè)施設(shè)備系統(tǒng)相對較少，車輛基地內(nèi)可不單獨(dú)設(shè)置物資總庫，只需設(shè)置物資存放備品間，各系統(tǒng)配件、材料、物資管理、采購部門可由相關(guān)部門兼任。

懸掛式單軌系統(tǒng)各子系統(tǒng)的檢修、維護(hù)是一項(xiàng)技術(shù)活動，有必要對工作人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，車輛基地作為開展檢修、維護(hù)工作的集中地，在車輛基地內(nèi)設(shè)置培訓(xùn)中心，有利于技術(shù)人員培訓(xùn)工作開展，因此，車輛基地應(yīng)承擔(dān)技術(shù)人員培訓(xùn)功能。

懸掛式單軌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，導(dǎo)致該系統(tǒng)列車故障救援和人員疏散困難和復(fù)雜[19]。車輛基地內(nèi)更有必要配備用于列車故障救援的設(shè)施設(shè)備，當(dāng)列車發(fā)生故障時，承擔(dān)起全線列車故障救援任務(wù)。經(jīng)上述內(nèi)容分析，懸掛式單軌車輛基地功能定位總結(jié)見表1。

表1 車輛基地功能定位及任務(wù)范圍

2.2 設(shè)計規(guī)模

按照懸掛式單軌車輛的修程修制，并結(jié)合車輛基地功能定位，確定車輛基地設(shè)計規(guī)模。詳見表2。

表2 車輛段設(shè)計規(guī)模 列位

3 車輛基地集約化設(shè)計

3.1 路基高程-臺階式場坪

車輛基地的場坪高程是工程設(shè)計的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，直接影響工程建設(shè)的合理性和經(jīng)濟(jì)性[20]。西南某市項(xiàng)目車輛基地位于久盛造紙廠東南側(cè)、斜江河邊畔，為原西南某縣砂石料場，局部施工棄土堆填。區(qū)段范圍內(nèi)，地形平坦，地面高程介于502～505 m，相關(guān)水利部門提出車輛基地處百年洪水位高程為506.21 m。

GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定沿海或江河附近的車輛基地必須按照100年一遇的洪水位確定場坪高程，車輛基地的車場線路肩設(shè)計高程不應(yīng)小于1/100洪水頻率標(biāo)準(zhǔn)的潮水位、波浪爬高值和安全高之和。按照該標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計地鐵車場線路肩高程，將能有效確保車場線、重要設(shè)施設(shè)備不會被洪水淹沒。

地鐵車輛車體位于轉(zhuǎn)向架上方，轉(zhuǎn)向架走行在地面軌道上，走行軌面為車輛的最低點(diǎn)。而懸掛式單軌系統(tǒng)，線路架空建設(shè)，車體懸掛在轉(zhuǎn)向架的下方，轉(zhuǎn)向架走行在箱形軌道梁內(nèi)，車輛底部為車輛的最低點(diǎn)。車輛底部高程直接由箱形梁走行軌面高程和相關(guān)車輛參數(shù)決定，和場坪高程無直接關(guān)系。考慮到上述因素，地鐵標(biāo)準(zhǔn)對車輛基地車場線高程設(shè)計要求不一定完全適合懸掛式單軌車輛系統(tǒng)。

西南某市車輛基地可劃分為咽喉區(qū)、庫區(qū)、廠前區(qū)三大區(qū)域。咽喉區(qū)是車場線集中交匯區(qū)域，場坪內(nèi)未設(shè)置重要的設(shè)施設(shè)備；庫區(qū)是車輛運(yùn)用檢修的重要場所，設(shè)置有重要的設(shè)施設(shè)備(變電所、充電站等)。廠前區(qū)是整個車輛基地工作人員生活、辦公區(qū)域，設(shè)置有公寓樓、食堂等生產(chǎn)生活住房，未設(shè)置重要的設(shè)施設(shè)備。結(jié)合懸掛式單軌車輛特點(diǎn)，車輛基地庫區(qū)場坪參照地鐵設(shè)計規(guī)范，按百年一遇洪水位高程確定，并考慮潮水位、波浪爬高值的影響。庫區(qū)場坪高程確定為507.47 m。而場坪上未設(shè)置重要設(shè)施設(shè)備的咽喉區(qū)、廠前區(qū)的場坪高程參照周邊臨近居民宅基地地基高程504.5 m設(shè)計。車輛基地內(nèi)采用“臺階式的場坪”，能減少車輛基地土石方量2.8萬m3。若按土方購置價50元/m3計算，可減少工程投資140萬元。

根據(jù)該項(xiàng)目車輛走行軌面至車輛底部距離參數(shù)(3.66 m)以及運(yùn)用庫內(nèi)車輛檢修作業(yè)的空間需求(不考慮作業(yè)人員從車輛底部通行)，車場線(不含洗車線)高程與運(yùn)用庫庫區(qū)場坪(含建筑硬化地平面層)之間的關(guān)系為：車場線高程=庫區(qū)場坪高程+4.9 m。車輛基地的車場線走行軌面高程為512.37 m。在車輛基地咽喉區(qū)車場線處車輛底部高程為508.71 m，此值大于庫區(qū)場坪高程，能夠確保懸掛式單軌車輛不會被洪水淹沒。另外，車輛基地咽喉區(qū)處布置有橋墩承臺，由于咽喉區(qū)場坪未按百年洪水位高程設(shè)置，橋梁承臺存在被洪水淹沒的可能。經(jīng)分析，車輛基地場坪填料采用B組填料，透水后對橋梁樁基礎(chǔ)不會產(chǎn)生負(fù)摩阻力，即咽喉區(qū)橋墩被大水浸泡后，能確保安全。

3.2 停車/列檢庫1線多列位布置

為便于運(yùn)用、檢修作業(yè)，傳統(tǒng)地鐵車輛基地停車/列檢庫列位布置均按照1線2列位設(shè)計。考慮到該市項(xiàng)目所運(yùn)用的空鐵列車(2輛編組)長度遠(yuǎn)小于地鐵(6/8輛編組)列車長度。結(jié)合項(xiàng)目選址用地情況，項(xiàng)目車輛基地的停車列檢庫按1線4列位設(shè)計，減少了咽喉區(qū)道岔數(shù)量的使用。

空鐵車輛道岔是一種新型道岔，目前國內(nèi)還未有廣泛使用，其造價較高，經(jīng)詢問相關(guān)廠家道岔造價能達(dá)到400萬元/組。

經(jīng)計算，停車/列檢庫列位布置按1線4列位設(shè)置，近期能減少咽喉區(qū)道岔數(shù)量達(dá)到3組，按照咨詢的道岔單價計算，近期投資可減少1 200萬元左右。

3.3 利用正線試車

傳統(tǒng)地鐵車輛基地內(nèi)通常會在車輛基地內(nèi)設(shè)置1條試車線，便于新車/檢修車進(jìn)行動態(tài)調(diào)試。根據(jù)西南某市項(xiàng)目車輛參數(shù)計算基地應(yīng)設(shè)置長0.8 km的試車線。

由于該項(xiàng)目正線里程K14+900～K15+900區(qū)間，存在730 m長最大坡度為4‰的直線段，僅在端部存在曲線半徑200 m，緩和曲線長370 m的曲線段，能滿足車輛最高速度60 km/h的試車要求。另外，考慮該項(xiàng)目主要承擔(dān)旅游觀光而非市內(nèi)通勤功能，夜間非運(yùn)營時段較長，利用正線試車也不會對正線檢修造成大的影響。

因此，利用正線試車，既能節(jié)省工程投資，減少車輛基地的占地規(guī)模，又不會對運(yùn)營、檢修造成大的影響。考慮新車/檢修車動態(tài)調(diào)試、信號系統(tǒng)測試均利用正線區(qū)間進(jìn)行作業(yè)，基地內(nèi)不設(shè)置試車線，進(jìn)而減少0.8 km的試車線工程投資。經(jīng)計算，減少工程投資4 430萬元(包含橋梁、道岔、車擋投資)。

3.4 合理設(shè)計充電站

西南某市項(xiàng)目車輛采用車載蓄電池作為動力牽引源，車輛基地內(nèi)需設(shè)置充電站為車載蓄電池充電。充電站設(shè)計應(yīng)滿足如下原則。

(1)充電站布置需靠近負(fù)荷及變電所，減少電纜敷設(shè)量。

(2)蓄電池充電應(yīng)充分利用夜間的低谷電，綜合考慮蓄電池充電時長，列車檢修作業(yè)工藝要求，確定所有配屬列車在夜間為蓄電池充電的最佳輪次，并計算充電站夜間容量大小需求。

(3)考慮到列車最大續(xù)航里程只有180 km，日間行車列車存在回庫內(nèi)補(bǔ)充電工況，充電站容量大小需滿足列車日間運(yùn)營時段同時在庫內(nèi)充電容量的需要。

(4)結(jié)合列車蓄電池夜間、日間充電工況，按照兩者間較大容量需求來設(shè)計充電站并配置充電機(jī)設(shè)備數(shù)量。

按照以上原則，列車蓄電池夜間充電分2批次進(jìn)行，并經(jīng)核實(shí)夜間充電站容量能夠滿足日間充電工況充電容量需求。相對夜間同時為所有列車充電減少了7臺充電設(shè)備的配置，減少近期工程投資近560萬元。同時，通過優(yōu)化夜間充電輪次數(shù)降低了車輛基地內(nèi)變壓器容量，減少運(yùn)營后期基本電費(fèi)開支，若按照每月每千伏安28元計算，每月可節(jié)省基本電費(fèi)開支近9.8萬元。

3.5 設(shè)置綜合檢修列位

由車輛基地設(shè)計規(guī)模計算可知，遠(yuǎn)期車輛基地的換輪、三月檢列位計算規(guī)模為0.51、0.54列位，設(shè)計分別按照1列位設(shè)計。項(xiàng)目考慮設(shè)置綜合檢修列位，換輪列位兼顧了空軌車輛、工程車輛臨修、新車上線的任務(wù)，三月檢線列位也兼顧了工程車輛的日常檢修任務(wù)。通過整合空鐵列車/工程車運(yùn)用、檢修、新車上線、車輛落車等功能，既能充分利用換輪、三月檢檢修臺位，具有更多有用功能，直接利用空鐵列車的檢修設(shè)備設(shè)施，不增加相應(yīng)的工程投資。同時，減少了巡檢工程車停放/檢修列位、臨修/新車上線列位的設(shè)置，有效控制了車輛基地的占地規(guī)模。

3.6 運(yùn)用列車兼顧調(diào)機(jī)功能

新能源懸掛式單軌車輛采用車載蓄電池作為動力源，續(xù)航里程130～180 km，無需正線接觸軌供電。正線懸掛式單軌車輛發(fā)生故障時，只要在續(xù)航里程范圍內(nèi)，可利用故障列車臨近的運(yùn)用列車對故障列車上的乘客進(jìn)行疏散，并和故障列車進(jìn)行聯(lián)掛將故障列車送回臨近車站或車輛基地。

新能源懸掛式單軌列車通常由2～3輛動力車編組而成，列車長度較短，僅23～36m。用于庫內(nèi)車輛調(diào)車、轉(zhuǎn)線作業(yè)，對其他股道車輛運(yùn)行不會造成太大的影響。另外，空鐵列車(AW0)能將另一列停在60‰坡道上的超員(AW3)載荷工況的故障列車牽引(或推送)至最近的車站，清客后繼續(xù)以不小于20 km/h的速度牽引(或推送)至車輛段。

利用車載蓄電池為懸掛式單軌列車提供動力的特點(diǎn)，讓其承擔(dān)列車正線故障救援，車場內(nèi)調(diào)車、轉(zhuǎn)線的功能。可減少蓄電池調(diào)機(jī)工程車輛設(shè)備配置，降低工程投資。

4 車輛基地的總平面方案

車輛基地由咽喉區(qū)、運(yùn)用庫庫區(qū)、廠前區(qū)三大區(qū)域組成。咽喉區(qū)主要布置了橋墩、預(yù)留調(diào)機(jī)工程車庫(呈盡端式布置)，該區(qū)域場坪高程為504.5 m左右。運(yùn)用庫庫區(qū)主要由運(yùn)用庫及環(huán)形道路組成。運(yùn)用庫(呈盡端式布置)由5條1線4列位的停車/列檢庫、2條1線1列位三月檢/換輪/臨修庫、洗車庫和運(yùn)轉(zhuǎn)綜合樓、檢修綜合樓組成，布置在段址的南端。運(yùn)用庫庫區(qū)的場坪高程為507 m左右。廠前區(qū)主要由綜合樓、公寓樓、廣場及停車區(qū)域組成，綜合樓設(shè)置了食堂、綜合維修、辦公、培訓(xùn)及各專業(yè)設(shè)備設(shè)施用房。廠前區(qū)高程為505 m左右。

為滿足建筑消防要求，車輛基地內(nèi)設(shè)有環(huán)形運(yùn)輸?shù)缆泛拖赖缆罚O(shè)2處出入口。主出入口設(shè)在車輛基地的東北側(cè)，與既有機(jī)耕道相連通向大新路；次出入口設(shè)在車輛基地西北側(cè)，與既有機(jī)耕道相連。車輛基地總平面布置如圖2所示，車輛基地鳥瞰效果如圖3所示。

圖2 車輛基地總平面布置

圖3 車輛基地鳥瞰效果

建標(biāo)104—2008《城市軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定車輛段(定修級)的占地指標(biāo)按900 m2/輛(不含預(yù)留用地)控制，西南某市項(xiàng)目全段總占地規(guī)模為3.17 hm2，車輛占地指標(biāo)僅為879.7 m2/輛(含預(yù)留停車列位、預(yù)留調(diào)機(jī)工程車庫用地)，可見該車輛基地設(shè)計已充分利用狹小的三角形地塊，車輛平均占地指標(biāo)低。

5 結(jié)論

(1)小運(yùn)量的懸掛式單軌交通系統(tǒng)，車輛基地內(nèi)可不單獨(dú)設(shè)置物資總庫，設(shè)置一定數(shù)量的物資存放備品間即可。建議車輛基地按照換輪/臨修級別設(shè)計，盡量控制車輛基地規(guī)模。

(2)懸掛式單軌系統(tǒng)站場專業(yè)設(shè)計需考慮車輛、道岔結(jié)構(gòu)參數(shù)特點(diǎn)，考慮橋梁橋墩布置、限界要求。

(3)懸掛式單軌車輛基地的場坪高程，可分區(qū)域確定，即懸掛式單軌車輛基地可設(shè)計成臺階式場坪。

(4)充電站設(shè)計需充分利用夜間低谷電，設(shè)計總?cè)萘坑梢归g、日間較大的充電容量需求確定。夜間充電容量需求大小，可通過提高夜間充電輪次來減少。

(5)“臺階式的場坪”“1線多列位”“利用正線試車”“合理設(shè)計充電站”“綜合檢修列位”“運(yùn)用列車兼顧調(diào)機(jī)功能”等技術(shù)方法適用于懸掛式單軌車輛基地設(shè)計，且方法可行，能夠減少車輛基地工程投資，效果顯著。

(6)通過集約化設(shè)計，車輛基地充分利用了狹小的三角形地塊的面積，車輛占地指標(biāo)低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)。