轻型跨座式单轨交通工程轻量化研究

轻型跨座式单轨交通工程轻量化研究

彭芃

中铁工程设计咨询集团有限公司北京100055

摘要：现代轻型跨座式单轨是一种中运量的轨道交通系统制式，具有投资少、周期短、智能环保、适用性强等特点，但单轨系统设计标准目前主要借鉴于轨道交通系统标准，设计接口与常规轨道交通相仿，导致整个单轨系统规模偏大，没有充分发挥单轨系统技术特点。实现单轨系统轻量化，可以更好突出其优点，提升其适用性。本文以整个单轨交通工程系统为研究对象，分别从车辆技术、线路设计、区间桥梁及疏散平台、设备系统、高架车站五个方面对单轨系统进行了轻量化研究，分别指出了轻量化的方向，并结合汕头单轨交通工程进行了案例分析，可以为今后类似系统设计提供参考依据和实际经验。

关键词：跨座式单轨；轨道交通；轻量化；中小运量

跨座式单轨系统指通过单根轨道来支撑、稳定和导向，车体骑跨在轨道梁上运行的轨道交通系统制式。现代轻型跨座式单轨是一种中运量的轨道交通系统制式，采用电力驱动，橡胶轮胎运行，具有噪声、振动小，环境影响小，爬坡能力强，转弯半径小，建设周期短，工程投资低，景观优美等特点，可适用于中小城市轨道交通骨干线及大中城市的加密线或作为旅游线、区域内部线等。我国重庆市自2005年以来，相继开通的轨道交通2号线、3号线均采用跨座式单轨系统制式，充分发挥了其对“山城”复杂地形适应能力强、环境影响小、景观效果好的特点，自开通以来运行良好。目前，在芜湖、汕头、吉林、顺德等城市均在开展跨座式单轨系统的规划及建设工作，其中芜湖轨道交通1号线、2号线采用于2016年通过了初步设计评审，目前已全面进入实施阶段，计划2020年通车运营【1-2】。

为进一步提高跨座式单轨系统适应性，发挥跨座式单轨的系统优势，为中小城市及旅游区等提供更好的轨道交通解决方案，结合汕头市轨道交通1号线工程案例，对单轨系统轻量化进行研究。

1车辆技术轻量化研究及方向

单轨车辆是跨座式单轨系统的关键核心技术，只有确定了车辆技术体系才能进一步选择与之匹配的道岔、混凝土轨道梁及其他配套的机电设备系统，而不同单轨车辆技术之间的区别主要体现在其完全不同于地铁和轻轨的转向架结构上。跨座式单轨的生产厂家中，日立和庞巴迪在国内外应用比较广泛，其中日本东京羽田机场线、多摩单轨、我国重庆市轨道交通2号线、3号线等均采用了日立单轨；而美国佛罗里达坦帕国际机场单轨、美国拉斯韦加斯、巴西圣保罗、沙特阿拉伯利雅得等单轨项目均采用庞巴迪列车。日立单轨列车可分为大型、中型、小型三种，庞巴迪单轨目前最新的型号为INNOVIA300型。此外，国内还有比亚迪“云轨”列车、青岛四方（样车）等厂家生产的车辆，其中比亚迪生产的车辆已在其产业园区内小范围应用，青岛四方生产的车辆仍为样车，暂未投入使用。

1.1牵引供电电压对车站规模的影响

庞巴迪、比亚迪牵引供电电压采用DC750V直流供电，而重庆长客、青岛四方采用DC1500V直流供电。供电电压的不同将导致牵引变电所间距的变化，并直接影响沿线车站的规模。一般来说，采用DC750V直流供电的系统，牵引变电所的间距约2～3km，即2~3个车站；采用DC1500V牵引变电所的间距约5～6km，即4~5个车站。

1.2列车最高运行速度对轻量化的影响

列车最高运行速度的提高，可有效提升运营线路的旅行速度，进而提升系统整体运输效率，降低全线配属列车的数量。配属车数量的减少，一方面降低了车辆采购费用，更重要的是可相应缩减车辆基地的规模，达到车辆基地轻量化的目的。当然，线路的旅行速度还与车站站间距、线路运行条件、停站时间、折返时间、出入段场时间等因素有关，单纯的提高车辆最高运行速度并不一定能提升全线的旅行速度，况且线路速度目标值的确定从根本上说与线路功能定位直接相关。但总体来说，目前跨座式单轨各车型最高运行速度均按照80km/h设计，没有更高车速的车辆与市域线或城市快速线等速度要求偏高的线路匹配是跨座式单轨系统的一大短板，基于互联互通资源共享因素的考虑，可能会影响其未来的推广。

1.3车体尺寸对车站规模的影响

（1）车辆长度与车站规模的关系

目前国内各跨座式单轨厂家，包括已投入使用或仍在研发阶段的车型，其车辆单位长度对应的定员数量差别不大。以6辆编组的车辆为例单位长度定员最大的为庞巴迪（11.5），最小的重庆长客的A型及B型车（10.8）。因此，对于同一条线路，车辆型号对于车站规模（车站长度）的影响并不大。

（2）车辆断面与车站规模的关系

本次研究对重庆长客A型车、庞巴迪INNOVIA300、比亚迪云轨三种列车的横断面进行对比。从结构净高看，庞巴迪与比亚迪结构净高（轨道梁下结构板顶至车顶限界）分别为5800mm和5835mm，要求差别很小，重庆长客A型实际结构净高要求6200mm，比前两种车型要求高。但考虑到跨座式单轨主要采用高架敷设，大部分车站站台位于车站顶层，车站土建规模基本不受净高控制。从车辆限界对车站横向尺寸要求看，比亚迪车辆轨道梁中线至站台边缘间距为1690mm，至侧墙间距为2300mm，其横向限界要求比其他两种车型略大，比重庆长客A型车每侧宽约100mm，整体宽400mm。整体分析，各车型在车辆尺寸及限界上有一定的差异，但差值不大，对车站规模的影响比较小，从系统轻量化的角度考虑优化空间不大。

2线路设计轻量化研究

线路方案决定了线路走向、车站数量以及配线设置等基本规模，对轨道交通与周边环境的协调关系具有重大影响，因此以轻量化理念为指导的线路方案优化是跨座式单轨交通系统轻量化设计的重要组成部分。

2.1合理设置车站间距

车站间距是影响轨道交通系统规模的重要指标，它直接影响线路的车站数量等土建规模，进而影响通信、信号等各设备系统的数量，并影响全线旅行速度、车辆配置等，对全线工程规模和工程投资有基础性影响。跨座式单轨交通制式通常被中运量轨道交通系统采用，应用于大城市的辅助线路和中小城市的骨干线路，具备适当增加站间距的客流条件，因此在满足服务功能的前提下，根据规划和现状条件，宜分段合理设置站间距，实现系统轻量化。

2.2优化减少配线数量

跨座式单轨交通道岔区需要设置道岔平台桥，故障车停车线等配线还会进一步增加区间线路的股道数量，这些都对跨座式单轨交通的体量、规模及景观效果产生重大影响，因此合理控制配线数量是线路轻量化设计的重要方法。通过适当调整车站位置、调整场段接轨位置等方法，统筹考虑全线配线设置，可优化减小配线数量，达到轻量化的设计理念。此外，根据运营组织的需求和各类运营风险发生的概率，可考虑适当加大配线设置间距，仅仅在非正常运营条件下，牺牲部分运营调整的便利性，以减少配线规模。

2.3线路路由选择红线较宽的道路

跨座式单轨交通通常采用高架敷设方式，工程将成为城市景观的重要组成部分，因此实现工程景观效果的轻量化也是跨座式单轨交通系统轻量化设计的重要内容。在狭窄道路条件下，轨道交通不可避免地对道路空间形成覆盖、遮挡，且与路侧相邻建构筑物距离较近，形成庞大、压抑的观感。为避免这样的景观效果，跨座式单轨交通应该尽量选择红线较宽的道路敷设，并设置合理的线路标高，使轨道交通与城市环境更加协调美观。

2.4配合相关专业优化线路局部方案【4】

通过优化线路曲线半径，合理设置节能坡，可以改善线路运营条件，提高旅行速度，降低全线车辆配置数量。减少线路路中路侧敷设位置的转换，从而减少非标准墩的设置，实现区间结构的轻量化。

3区间桥梁及疏散平台轻量化研究

3.1从结构纵向分析，结构受力体系的选择【5】

目前，考虑到跨座式单轨轨道梁的特殊性，适用于轨道梁的常用结构体系有两种，分别为简支体系和连续刚构体系。简支体系具有受力明确、构造简单、施工方便周期短的优点，但该体系轨道梁接头较多、跨度相对较小（一般22m～24m）、伸缩缝及支座数量多，带来舒适性较差、景观协调性差、造价及后期养护费用较高等问题。连续刚构体系纵向桥跨大（一般30m），整体工程体量小，城市景观效果好，且不设置支座，显著降低了工程造价，从系统轻量化的角度考虑，应优先选择该体系。但连续刚构体系采用先简支后连续的施工工艺，对施工技术要求高，对基础沉降的控制也较为严格。因此，在选择桥梁结构体系时，还应该结合沿线地质条件、抗震要求综合确定。

3.2线间距的优化与疏散平台的选择是区间轻量化的关键因素

跨座式单轨纵向疏散平台主要设置方式有两种：一种是在与车门大致平齐的高度设置疏散平台，并在平台上设置栏杆抓手，乘客沿平台纵向疏散；另外一种，是在车门平齐高度设置一级疏散平台，并在轨道梁底面位置设置二级疏散平台，乘客通过钢爬梯或楼梯下至二级疏散平台，再沿纵向进行疏散。以下以比亚迪车型为例，说明区间疏散平台设置与线间距的选择。

一级疏散方式所需线间距4800mm，疏散方向为车厢→疏散平台→车站；疏散平台净宽度不小于1100mm；平台中间位置设置栏杆，栏杆间隔设置，间隔宽度650mm以保证乘客的疏散安全。二级疏散方式所需线间距4400mm，疏散方向为车厢→一级平台→二级平台→车站；其中一级平台净宽度不小于600mm（人流站立宽度），二级平台考虑轨道梁内侧与一级平台之间净宽约1000mm；一级平台双侧设置300mm高栏杆，以确保乘客通过一、二级平台间的转换钢爬梯安全下至二级平台。

综合比选两种设置方式的优缺点，可见二级疏散方案优化了线间距的宽度，有效降低了区间及相邻侧式车站的体量，实现了土建规模的轻量化。但是，二级疏散方案也存在在紧急疏散时，一级平台宽度小且无栏杆攀附而造成的跌落风险等不利因素。建议后续进一步加强车体自身疏散能力的研究，一方面提高疏散的安全性及疏散效率，另一方面也可继续优化区间线间距，实现系统的轻量化。

4设备系统轻量化研究

4.1供电系统的轻量化

（1）外电源引入方案选择是系统轻量化的关键点

城市轨道交通的外部电源方案应根据线网规划和城市电网规划进行设计，从供电方式分主要有：集中式供电、分散式供电和混合式供电。相对于另外两种方案，混合式供电方案可靠性低、管理不便，且还需部分设置主变电所，方案整体缺点较多，只适用于部分特殊情况下供电方案的选择。集中供电方案需单独建造轨道交通工程专用的主变电所，占地大、一次性投资高，不利于系统轻量化的实现；而分散式供电虽然不需要设置主变电所，但存在部分车站设置开闭所后规模偏大，管理复杂，电源接入稳定性较差等缺点。在实际工程建设过程中，经与当地供电部门沟通，汕头市轨道交通1号线工程拟采用集中供电方案，将城市轨道交通主变电所与规划建设的城市主变电所结合设置，主变电站的建设由当地电力部门负责，并给出中压供电接口，轨道交通不再单独设置主变电所，既解决了轨道交通单独设置主变带来的征地及投资问题，又避免了分散式供电方案过多设置开闭所导致沿线车站规模增加、管理复杂等问题，有效优化系统规模。

（2）变电所的设置方案

目前国内外轨道交通的牵引降压变电所布置方式主要采用房屋式布置方式，在地面场地特别紧张的场合偶尔采用箱式布置方式。箱式变电所占地面积较小，对周围环境的影响也相对较小，因此在城市用电容量较小的民用电方面得到了广泛应用。箱式所最大的隐患是由于设备紧密布置且集成化安装，一旦设备故障或开关柜、变压器故障或者炸裂，故障影响范围极大，整所均需要退出运行，且维修恢复时间很长，因此基本上在有轨电车等小运量或者旅游项目上才有所应用，中运量或城市主干线基本无应用实例。

（3）牵引网

牵引网的供电电压也是系统轻量化的关键。目前的单轨列车供电系统主要包含DC750V和DC1500V两种电压等级。采用DC1500V供电等级，可有效增大线上牵引变电所设置间隔，降低车站土建规模。

4.2弱电系统轻量化

轨道交通弱电系统主要包括通信系统、信号系统、火灾自动报警系统（FAS）、环境与设备监控系统（BAS）、综合监控系统（ISCS）、自动售检票系统（AFC）等。弱电系统轻量化主要通过以下两个途径实现：

（1）明确功能需求，实现系统优化

跨座式单轨属于中运量轨道交通系统制式，运量等级1～3万，介于有轨电车与地铁之间，运量适用范围比较大，主要采用高架方式敷设。对于不同运量的线路，由于车站及线上客流负荷不同，车站及车辆基地等功能需求不同，弱电的系统配置也有所不同。例如，对于通信系统，运量如果达到地铁系统运量时，车站客流大，管理功能要求高，车站规模大，各种机电及辅助设备就会多，监控采集的信息大，通信存储及传输数据量就会大；反之，车站客流偏小，车站规模小，机电及辅助设备少，监控采集的信息小，通信系统负荷及配置就会降低。因此，对于跨座式单轨系统，分层级确定运量等级及系统配置是解决系统优化的有效途径。

（2）采用新技术、新工艺实现系统优化。

弱电系统采用的通信、监控、存储等技术是世界上最先进的技术领域。在安全可靠的前提下，采用新技术、新工艺，如通信系统的大容量无线传输系统、智能识别系统等，可有效的降低土建及设备规模，实现系统的轻量化。

5高架车站轻量化研究

5.1车站站位的选择

高架车站按设置位置不同可分为路中高架车站、路侧高架车站。路中高架车站，线路沿道路红线内绿化带敷设，车站站厅及站台高架于道路上方，为满足道路功能要求，车站一般设置为高架单层或高架双层。路侧高架车站全部或部分设置于道路红线外侧地块内，体量小，对交通视线无遮挡，景观通透性好，但路侧设站需要单独征地，两端区间切割邻近地块，工程实施难度较大。大部分情况下，轨道交通都是利用市政道路作为敷设通道，沿道路红线内的绿化带设置。在场地条件比较空旷或城市更新需要大面积拆迁的区域，做好区间与相邻地块的协调关系，可考虑采用路侧高架设站的方式，降低车站体量，减少景观遮挡。

5.2车站站型的选择

设置在路中的标准高架车站，地面层架空供道路通行，地上一层为站厅层，地上二层为站台层。标准高架车站从站台形式上可分为岛式车站、侧式车站两种类型。岛式车站管理集中、使用方便，左右线站台和站内垂直交通设备共用，利用率高能很好的解决客流潮汐现象；土建规模相对较小，但轨行区在悬挑梁端部，荷载不利布置，柱底弯矩大、偏心较大，震动时，悬挑梁端部振幅相对较大，需加大结构断面尺寸以满足使用要求；架空部分需采用双墩或大截面单墩结构，占用道路空间大，区间景观略差。侧式车站结构受力好，架空层单柱截面尺寸小，对路中绿化带宽度要求相对低、区间景观好；但也存在车站站台分开，乘客使用及管理不便，车站规模偏大等缺陷。整体上说，高架标准车站选用哪种站型应当因地制宜，根据实际情况确定。在道路及周边用地条件好、视觉通透的区域建议优先采用功能好、规模小的岛式车站；但在城市核心区（尤其是旧城）由于道路条件紧张，用地不足，岛式车站的实施难度非常大，且区间在站端的喇叭口对城市的景观及视觉影响非常大，建议采用侧式车站。

6小结

本文对跨座式单轨交通工程轻量化进行了研究，可以得出以下结论：

（1）单轨车辆是跨座式单轨的关键核心技术，车辆对供电电压的需求，直接影响牵引变电所的间距，进而影响全线车站规模，影响轻量化效果，而车体尺寸、车站断面对车站规模影响较小。

（2）线路设计可以通过适当增加站间距、减少配线数量、线路敷设优先选择红线较宽的道路等方法实现轻量化。

（3）有条件情况下，桥梁优先选择连续刚构体系，并选择合适的疏散方式。

（4）设备系统选择上，供电系统优先选择集中式供电系统，减少沿线车站规模，从而实现轻量化；弱电系统可根据运量需求，合理配置，宜采用新技术、新工艺等措施，实现全线系统的轻量化。

（5）在道路条件及用地条件较好的情况下，优先选择功能好、规模小的岛式车站，实现轻量化；在道路条件紧张、区间站端有配线时采用侧式车站。

参考文献

[1]武农，雷慧峰，郭锴.跨座式单轨作为中等规模城市轨道交通模式的适应性分析[J].隧道建设，2015（7）：623-628.

[2]仲建华.跨座式单轨交通在我国的应用和创新[J].都市快轨交通，2014（4）：1-5.

[3]彭华春，赵志军.吴江单轨桥梁选型研究[J].铁道工程学报，2014（8）：44-48.

[4]王仕春.跨座式单轨交通线路设计[J].铁道工程学报，2007（10）：72-75.

[5]郭峰，朱尔玉，仲建华.跨座式单轨交通应急梁超高设置及限速研究[J].北京交通大学学报，2012（2）：73-76.