跨坐式单轨车辆基地咽喉区线路平面优化研究

2019-04-18刘晓云周宇正

铁道勘察 2019年2期

刘晓云刘俊周宇正

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

跨坐式单轨是一种中等运量的轨道交通系统，具有投资少、周期短、适用性强等优点[1]。其车辆基地属于大型建设工程，占地多、投资大。因此，如何合理利用城市有限的土地资源，充分考虑运输组织、工艺要求、城市总体规划和周边配套等各方面要求并节省工程投资，是车辆基地设计中的重要问题[2]。

在铁路与轨道交通的站场设计领域，高华对常见车辆基地布置形式进行了优缺点分析，指出贯通式布置形式适合于平行紧邻线路的狭长用地，纵列式适用于一般狭长地块，横列式对用地横向宽度要求较高[4]；罗宏伟建立了线路(包括道岔)的几何拓扑存储结构，实现了平纵横信息共享和联动设计[5]；黄登指出，车站可视为股道的集合，股道可视为由直线线路、曲线线路、单开道岔、复式交分道岔、车挡等实体的集合，将这些实体设计为构件对象，使其具有相应的专业设计信息及行为特征，对其进行连接编缉等操作，形成站场股道，最终可形成任意复杂的站场平面图[6]；王焕栋等认为在站场平面设计中应对设备图元进行实体抽象，以线路为例，可抽象出线路类型、轨枕、线路起终点等实体属性[7]；蒲浩等基于本体建模理论与方法，以概念的属性来表达设备的空间约束条件，将设备修改后的联动操作抽象为本体的函数，将站场专业中的规范和标准定义为本体的公理[7]。以往研究大多关注车辆基地的整体布置或是钢轮钢轨系统站场的平面设计，很少涉及跨坐式单轨咽喉区图形特点以及优化分析的研究。以下从其道岔和线路的基本特性出发[8]，对跨坐式单轨咽喉区设计做针对性的研究和探讨。

1 跨坐式单轨道岔的类型及特点

跨坐式单轨道岔采用与轨道梁相似的梁式结构，由一组互相联结、关节间可转动的钢箱梁组成。单轨道岔由道岔梁、指形接手组、十字形铰、尾轴等部件组成[9]。

1.1 按结构形式区分

根据结构形式的不同，跨坐式单轨可分为枢轴形和关节形(包含关节可挠形)两种类型(见图1)[10-12]。枢轴形道岔结构包括：道岔梁、支承组件、驱动装置和锁定装置；其中道岔梁的尾端通过转动组件与基础底板表面转动式连接。关节形道岔由道岔结构、转辙驱动系统、控制系统组成，其转辙驱动系统通过减速器带动摆臂绕减速器中心轴回转实现道岔梁的横移。道岔结构由多节道岔梁组成，梁与梁之间具有一定的转角。枢轴形道岔系统的最大开数为4，关节形道岔的最大开数为5。

图1 枢轴形道岔(左)和关节形道岔(右)

1.2 按功能区分

可将道岔依据其开数进行划分，以关节形道岔为例，可分为单开、对开、三开、五开，共4种道岔类型。

其中，三开道岔和五开道岔都可在直向和左右两侧转换，三开道岔左右两侧的位置具有相同的转角，五开道岔左右两侧各具有两个岔路；与三开道岔相比，五开道岔不仅具有连接岔路多的优势，还可把与道岔直向交角更大的线路连接到道岔，可实现更短距离的线路汇集。

2 优化目标

咽喉区的优化目标是实现工程经济性与技术性的平衡与统一。根据车辆基地的设计特点，可将咽喉区优化目标分为定量和定性两类，定量目标[13]包含缩减咽喉区长度、线路长度、使用道岔数量、用地面积等；定性目标包括工艺流畅，功能合理，外形美观等。

3 设计前提与要求

3.1 车辆基地平面布置类型

根据站段关系，车辆基地分为贯通式布置和尽端式布置两种。

(1)贯通式布置

贯通式布置是指其运用库线为贯通式布置，库两端均设置咽喉区，并设置出入线分别与两个车站(或区间)接轨，两个咽喉区通过走行线联通。

(2)尽端式布置

现状国内城市轨道交通车辆基地尽端式布置大多分为顺向并列式和反向纵列式两种，如北京地铁古城车辆基地、平西府车辆基地。顺向并列式为检修库和运用库并列布置，运用库和检修库通过咽喉区的牵出线连接；反向纵列式为检修库和运用库纵列布置，运用库和检修库需“之”字形折返调车。

与尽端式布置相比，贯通式布置工艺要求复杂，占地面积大，线路长，在城市土地资源日益紧缺的现状下，一般不做优先考虑，贯通式布置和尽端式布置的咽喉区设计参数和基本优化规律相同，故以尽端式布置的咽喉区作为案例进行分析。

3.2 线路设计参数

根据相关规范[14]，咽喉区优化相关参数取值如下：

(1)车场线曲线半径一般采用75 m，困难条件采用50 m。

(2)在正线及配线上，圆曲线最小曲线长度不宜小于15 m，困难时不应小于10 m，车场线可按不小于3 m控制，车场线按不小于15 m控制。

(3)两相邻曲线间和道岔间夹直线最小长度为10 m。

(5)相邻线间距不小于4.5 m。

4 咽喉区特点分析

车辆基地咽喉区的功能是通过道岔将场线收束，最终汇集到出入线上，其布置应保证通过能力、作业安全和一定的作业效率。为了节约用地和减少线路长度，道岔的布置应紧凑，使线路在尽量短的长度内收束到出入线上。

4.1 平行错移反向曲线连接

在条件允许的情况下，出入线与车场线以平行关系最为常见，两条平行错移线路通过反向曲线连接[15](见图2)，在常见的双出入线设计中，为平衡两条出入线的作业量，在车场规模较大时，线群一般至少被划分2部分，分别衔接两条出入线，这时，两个线群可被视为两个反向曲线组。

图2 咽喉区反向曲线示意

4.2 线群反向曲线连接

图3为国内某跨坐式单轨车辆基地的平面布置，咽喉区线路划分为两个线群，分别和两条出入线连接，其中线群1包括4条停车线、1条预留线；线群2包括4条列检线、1条月检线和2条检修线；因停车作业频繁，故4条列检线配套连接一条出入线。从图3可知，两个线群均存在一条径路，该径路包含有一组反向曲线。

图3 线群反向曲线案例

5 重要变量分析

在设计过程中，以上特点导致跨坐式单轨咽喉区优化设计过程中存在4个控制变量。

5.1 出入线位置

出入线位置应依据车辆基地周边规划、地形情况，并结合站段关系进行摆放。设置试车线的车辆基地可将车场布置为出入线邻试车线(房屋外置)和出入线与试车线间夹设房屋(房屋内置)两种类型(见图4)。在停车场的设计中，因没有试车线，一般将出入线放置在车场的一侧，以减少对土地的分割。

在车场线和出入线平行的前提下，出入线垂向位置决定两线的距离，这会影响线群的倾角，进而影响道岔的组合方式以及关键径路等重要变量。因此，出入线位置是咽喉区线路平面优化的全局变量。

图4 车辆基地平面布置类型

5.2 道岔组合方式

在车场线数目较多时，往往需要布置多组道岔。以48列位停车场为例，其中的8号和10号道岔可以有如图5的三种连接方式，但方案②和方案③使得10号道岔的倾角加大和道岔尾上移，即使使用最小半径也无法与车场线连接，故方案无法成立。

吉林化工学院图书馆与吉林省图书馆联盟、吉化研究院图书馆等单位开展了馆际互借服务；同时与Calis，Cashl，NSTL签订了文献传递协议，可提供外文期刊论文、外文学位论文、标准等多种文献类型的文献传递服务。

在给定车辆基地规模的前提下，道岔的连接及同一线群所有道岔的组合方式往往具有一个较为固定的最优方案。在出入线位置确定之后，应考虑道岔两端反向曲线的垂向投影距离，对组合道岔进行大致的估算和摆放，并留有适当的余裕。优化后的道岔布置如图6所示。

图5 道岔组合方式

图6 线群道岔组合方式

5.3 关键径路

关键径路是对咽喉区优化影响最大的径路，经归纳，主要有如下三个特征：

① 连接车场线和出入线，具有贯通性；

② 此径路串联起来的道岔数目最多；

③ 入场前道岔通过道岔中间岔路搭接车场线。

关键径路的倾角决定整个线群的倾角，是咽喉区设计的控制因素，故在设计中，应主要关注关键径路的倾角。

图7 咽喉区关键径路

如图7所示，由两条出入线引出的线群中，内侧的线群一般不是影响整个咽喉区长度的控制因素，外侧线群因其与出入线垂向距离大，在同样角度的前提下，汇聚到出入线需要的水平距离会相应增大。因此，主要通过优化最外侧线群的道岔布置来缩减整个咽喉区长度。在外侧线群的道岔组合方式确定后，主要任务就是在满足设计参数的前提下，将关键径路及其所串联最后道岔的径路连通，其余径路一般相对较为自由，对咽喉区整体优化的控制程度较小。

5.4 接入不同出入线的线群间距

在设计过程中，为使咽喉区以及线路长度变短，应尽量将外侧线群最靠近出入线道岔的倾角加大，但受最小线群间距的约束，该倾角存在极限值。线群倾角确定后，道岔的布置方向即得到了确定，从而咽喉区的长度也基本得到确定。

6 设计过程

6.1 确定出入线位置

首先在房屋外置和房屋内置两种布置形式中选用一种。房屋外置将出入线与试车线间留出一定间距，满足布置环形道路、管线沟渠以及结构安全距离的要求；房屋内置需要结合房屋及其他设施设备的布置情况，将出入线布置在车场线中间的位置。

6.2 划分线群

车辆基地的布置以运用库为中心、检修库为重点、其他库为跟随、牵出线为中转，在此设置原则上，功能相近或联系紧密的车间应集中布置或建设为联合厂房。

在线群划分时，应结合车场线的配比情况，运用库中的列检线宜与检修库相邻布置，即线路按使用频次依次横向排列。

6.3 确定道岔数量及配比

跨坐式单轨道岔结构复杂，加上其附属平台工程，整体造价较高。同时，道岔的数量将影响咽喉区的长度，进而影响用地和土建工程。因此，车辆基地规模和线群组合方式确定后，需确定咽喉区的道岔使用数量及配比。一般情况下，宜优先考虑最小道岔数量作为设计方案。道岔数量配比可根据径路增加法确定。其中，N开道岔最大可将1条线路分岔到N条线路上，即可使径路增加N-1个。以五开道岔系统为例，1个五开道岔可以增加4条径路，1个三开道岔可以增加2条径路，1个单开(对开)道岔可以增加1条径路。故可以通过式(1)来确定各种道岔的数量

N场-N出入≤4x+2y+z(1)

其中：N场——车场线的数量；

N出入——出入线的数量；

x——五开道岔的数量；

y——三开道岔的数量；

z——单开和对开道岔的数量。

初步确定方案时，为节约成本，应尽量多使用五开道岔，因此，y、z取0，x取使式(1)等号成立时解的取整值或取整值减去1。即(x，y，z)的初始取值为(int(N场-N出入)/4，0，0)或(int(N场-N出入)/4-1，0，0)；此时，不等式右边小于或等于左边。然后结合道岔布置和线群划分为y、z取值，取值范围为0，1，2，且三开道岔和单开(对开)道岔的使用数量一般不超过2个(y+z≤2)，即最多利用三开和单开道岔增加4条径路。道岔数量x，y，z的取值尽量使式(1)成为等式，或右边比左边大1(此时道岔富余1个岔路)。

以48列位停车列检停车场为例，包括16条停车线，8条列检线，1条洗车线，共25条车场线，通过2条出入线连接正线；由式(1)可知，可确定5个五开、1个三开及1个单开的道岔数量配比。

6.4 道岔布置

车辆基地咽喉区常见形状为“半钟”形或“半梭”形，当出入线位于车场一侧，咽喉区形状为“半钟”形；房屋内置时，出入线和车场中部大致对齐，此时咽喉区形状为“半梭”形。道岔布置的一般原则是“由内到外，向心布置”，即邻靠出入线的股道先布置道岔，并将道岔岔首指向出入线。由咽喉区轮廓的特征可知，内侧道岔与出入线形成的夹角较小，外侧道岔的夹角较大。

6.5 线路连接

在满足设计要求的前提下，将道岔通过直线和曲线连接起来，使咽喉区成为贯通的径路。在满足曲线最小长度的前提下，曲线半径，线间距、夹直线长度等参数优先采用最小值。在线路连接过程中，通过平移、旋转道岔来进行微调。

7 优化规律总结和案例分析

在车辆基地工艺顺畅、功能满足的前提下，为实现工程的经济性，应考虑咽喉区的进一步优化。

咽喉区的定量优化目标可通过工程量来衡量，具有越小越好的特征。在线路设计参数取规范允许最小值的情况下，重要变量的调整常常能使咽喉区工程量进一步减小，如图8所示。

图8 优化规律

以48列位停车列检车辆基地的咽喉区设计为例(见图9)，车辆基地共37条车场线，2条出入线，咽喉区配有8个五开道岔，2个三开道岔，其中存在一个闲置岔路。在图9的设计方案中，咽喉区长266.01 m，最外侧股道距出入段线131.30 m，两个线群间距为5.7 m，尚有余裕，但7号道岔与曲线夹直线为3.5 m，且与1号道岔间通过负向曲线连接；另外，1号道岔与出入线也通过负向曲线连接，设置负向曲线会使道岔与出入线搭接的径路延长。因此，在此设计中，出入线股道距离最外侧股道太近，导致了咽喉区长度较长，应考虑从调整出入线位置入手，来优化整个咽喉区的设计。

图9 48列位停车列检车辆基地咽喉区初始方案(单位：m)

将出入线下移10 m，将1号和5号道岔位置对调，适当调整线群划分，使关键径路上只存在一正一负两条曲线。同时，将线群2顺时针旋转，并压缩线群之间的线间距。通过调整，该方案关键径路上负向曲线的转角为42°47′，且切线水平，咽喉区长度缩短至217.38 m(见图10)。

图10 48列位停车列检车辆基地咽喉区优化后方案(单位：m)

经比较，优化前的方案中，1号道岔与出入线的夹角只有8°38′，在该方案的关键径路中，1号道岔前的曲线在转至水平方向后，又向右上方旋转了4°4′(见图11)，这种关键径路存在不止一条反向曲线以及线路走向出现反复的情况，是咽喉区不够紧凑合理的特征，一般需要进行相关调整来压缩咽喉区长度，以减少占地面积和工程量。