悬挂式单轨交通系统关键技术及适应性分析

赵 阳

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

1 悬挂式单轨交通系统发展概述

近年来，随着我国城市轨道交通的蓬勃发展，各地对于系统制式的选择日趋多样化，根据各地人口、经济情况的不同因地制宜地采用多层次、多制式轨道交通方式的趋势开始显现[1]。除传统地铁之外的中低运量轨道交通系统也越来越受到二、三线城市的青睐，悬挂式单轨作为其中的一种，以对地面道路占用少、施工简便、乘坐体验好等特点逐渐进入人们的视野。

悬挂式单轨又称“空轨”，最早起源于20世纪初的德国，随后在世界多地小范围建设运营，但其中大部分为长度不足1 km的旅游线路，不具有借鉴意义。经过梳理，目前世界范围内作为主要客运交通工具使用的线路共有5条，其中3条位于德国，2条位于日本，分别为德国伍珀塔尔悬挂式单轨、多特蒙德工业大学H-Bahn、杜塞尔多夫机场SkyTrain、日本湘南江之岛线以及千叶都市单轨电车。

德国伍珀塔尔线：伍珀塔尔市悬挂式单轨线路于1901年投入正式运营，时至今日已成功运营百余年。其线路全部采用高架敷设，长度13.3 km，其中10 km位于Wupper河正上方10～12 m高处，另外3.3 km线路沿Valley大道布设，设站20座，自1997年起正式成为城市地标，为目前世界运营时间最长的悬挂式单轨线路。

德国多特蒙德工业大学H-Bahn：为解决多特蒙德工业大学南北两校区的通勤问题，学校于1984年开通了悬挂式单轨线路H-Bahn，线路长度3.2 km，设站5座，并在Dortmund Universität S站与市域S1线接驳，值得注意的是，本条线采用了全自动无人驾驶技术(UTO)。

德国杜塞尔多夫机场SkyTrain：该条线路开通运营于2002年，为杜塞尔多夫国际机场的配套交通接驳设施，线路长度2.5 km，设站4座，串联了长途火车站、机场停车楼和A/B/C航站楼，并预留远期延伸至展览中心条件，全程仅需要6.5 min[2]，同样采用全自动无人驾驶技术。

日本湘南江之岛线：线路位于湘南神奈川县境内，线路北起镰仓市大船，南至藤泽市江之岛，全长6.6 km，设站8座，采用单线运行模式，在车站部分设置双线进行会让。该条线路于1970年通车运营，最高运行速度75 km/h，旅行速度达28.8 km/h[3]。

日本千叶都市单轨电车：线路位于千叶市，线路总长15.2 km，由长度3.2 km的1号线和12 km的2号线组成，设站18座，其中包括3座换乘站，1988年开通运营。

上述5条线路主要特征如表1所示。

表1 世界主要悬挂式单轨运营线路特征参数

2 关键技术

2.1 走行方式

悬挂式单轨列车按走行方式主要分为浪琴型及SAFEGE型(图1)，其中浪琴型以伍珀塔尔线的设计者浪琴(Eugen Langen)命名，这种转向架又被称为非对称悬挂钢轮钢轨转向架，其主要特点是单根钢轨铺设在钢制桁架梁上，U形踏面钢制车轮骑跨在钢轨之上，车厢通过布置在轨道梁外侧的悬挂构件悬吊于桁架梁下方。

图1 浪琴型及SAFEGE型转向架

另一种被称为SAFEGE型的走行方式出现较晚，但目前应用最为广泛。其最早在1960年由法国的几家公司共同研制成功，随后德国西门子、日本三菱重工等厂家均受此启发研制出具有各自特点的SAFEGE转向架悬挂式单轨车辆及轨道梁系统[4]。

浪琴型转向架出现最早，构造简单，一个转向架上仅有2个车轮，外形类似自行车，最小转弯半径仅9 m。但由于其采用钢轮钢轨，受黏着系数的影响，最大纵坡为40‰，且走行时噪声、振动均较大，也曾经发生过车轮碰到检修时留在轨道上的抓钩导致脱轨致死的事故。SAFEGE型转向架具有4个走行轮及4～8个不等的导向轮(充气轮或非充气轮)，车辆通过悬挂构件悬吊于轨道梁中间开口位置的正下方。通过对比发现，SAFEGE转向架虽然转弯半径不如浪琴型，但爬坡能力更强，受天气影响更小，噪声、振动等均小于浪琴型，且基本不存在脱轨问题，优势明显，因此近年来建成及新规划线路均采用该种走行方式。

2.2 车辆

目前德国和日本的悬挂式单轨车辆在车辆尺寸、供电制式、定员等方面均存在一定差异，其技术参数如表2所示。

表2 世界主要悬挂式单轨运营线路车辆参数[5-9]

通过表2可以看出，除伍珀塔尔悬挂式单轨车辆采用两头长中间短的三模块编组形式外，其余线路均采用常见的每辆等长的编组方式。从供电制式看，只有采用西门子SIPEM车型的H-Bahn和SkyTrain为交流400 V供电制式，其余线路均采用直流750 V或1 500 V的供电制式。其他几个方面，伍珀塔尔目前最新型的GTW15列车转弯半径最小(9 m)，西门子SIPEM的爬坡能力最强(约105‰)，三菱重工的5000型列车无论在车辆尺寸，定员(228人/列)以及运行速度等方面均优于其他车型。

2.3 轨道系统

悬挂式单轨轨道系统根据走行方式的不同差异较大，其中浪琴型的钢轨断面与地铁中常见的60钢轨类似，通过扣件紧固在钢桁架梁上，结构较为简单。SAFEGE型悬挂式单轨的轨道系统更为复杂，其组成包括轨道梁、墩柱、道岔等部分。轨道梁采用矩形断面、下部开口的薄壁钢箱截面简支轨道梁，梁体内部集成了包括走行轨、供电、信号、通信、隔音等几乎所有设备(图2)，其在直线上一般采用30 m跨度，在曲线或道岔区采用25 m跨度，列车通过悬吊装置悬挂于轨道梁下方。转向架走行轮与钢箱梁下部开口两侧的梁体接触形成走行面，导向轮紧贴钢箱梁侧壁起到导向作用。受车辆尺寸、荷载等因素影响，德国和日本的悬挂式单轨轨道梁尺寸各不相同，其中德国轨道梁横截面内部尺寸为1 100 mm(高)×780 mm(宽)，日本轨道梁横截面尺寸为1 410 mm(高)×1 490 mm(宽)[10]，日本的轨道梁横截面尺寸大于德国。

图2 轨道系统横断面

悬挂式单轨单线一般采用倒L形桥墩，双线一般采用T形桥墩，道岔区或多线并行区采用门形或球拍形桥墩。如图3所示。墩身采用钢管混凝土结构，盖梁采用钢结构，墩梁连接处由梁部牛腿通过盆式橡胶支座与桥墩顶部水平悬挑梁向下伸出的牛腿对接实现墩与梁连接。

图3 桥墩形式

悬挂式单轨道岔可分为整体平移式道岔和可动轨道岔两种，浪琴型与SAFEGE型悬挂式单轨均有整体平移式道岔，但总体应用较少。可动轨道岔为SAFEGE型轨道系统独有，且应用最为广泛，其转辙原理与普通铁路的可动心轨道岔类似，通过中间一根可动轨的转动实现车辆行驶方向的改变。如图4所示。

图4 可动轨道岔转辙原理

2.4 车站

悬挂式单轨车站型式可依据车站所处的线路条件、功能要求并结合周边环境情况、地质情况和施工工法来确定。按使用功能划分，可分为一般车站和换乘车站；按站台类型划分，可分为岛式站台、侧式站台和混合式站台车站；按线路敷设方式划分可分为地下车站、半地下车站、地面车站和高架车站。一般来说，悬挂式单轨的车站以高架站为主，湘南江之岛线以及多特蒙德工业大学H-Bahn由于采用单线运营，在车站处设双线进行会让，因此站台均为岛式。伍珀塔尔线、杜塞尔多夫SkyTrain以及千叶线均采用高架侧式站台(图5)。车站根据所处位置的不同可灵活设为地面一层站，地上两层、三层站等形式，另外可根据后期客流变化情况灵活预留加站条件[11]。

图5 千叶线市役所前站(高架三层侧式站)鸟瞰

2.5 信号

历经百余年的发展，目前世界主要已运营及规划悬挂式单轨线路均采用基于无线通信的移动闭塞系统(CBTC)，包括列车自动监控系统(ATS)、列车自动运行系统(ATO)以及列车自动保护子系统(ATP)，可以确保列车安全准时的运行，有效避免人为操作的失误，以及超时、冒进、追尾等事故。部分线路可实现全自动无人驾驶(UTO)，高峰时期列车追踪间隔可降至40 s[12]。

2.6 救援方式

悬挂式单轨线路在发生故障或其他紧急情况时主要采用的救援方式包括：纵向救援疏散、横向救援疏散、垂向救援疏散。

2.6.1 纵向救援疏散

当列车在区间发生故障或灾害情况并停止运行时，同一线路上的救援车从故障列车前部或尾部接近故障列车，在前后车司机的协同下，救援列车停在合适的位置。前后车司机同时打开司机室前部的紧急疏散门，将平常收纳于司机室顶棚的纵向渡板搭接在故障车和救援车的门槛上，并将安全绳挂到逃生门预留的吊环螺钉上，从而形成逃生通道。乘客在司机的指挥下通过逃生通道疏散至救援车辆内，随后救援车辆行驶至最近车站，引导乘客疏散。如图6所示。

图6 纵向救援疏散

2.6.2 横向救援疏散

在复线区间的线路上，当车辆出现故障不能够继续前进时，平行线路上的救援列车将车站上备用的横向渡板带至事故现场，救援列车停在故障列车一侧。并将车门打开至一定宽度，随后把横向渡板伸出将故障车与救援车车门连通，并将其固定，构成带扶手的救援通道，乘务人员指挥乘客通过救援通道疏散到救援列车。如图7所示。

图7 横向救援疏散

2.6.3 垂向救援疏散

垂向救援包括云梯救援和逃生滑道救援两种。当故障列车停留在便于救援车辆行驶的道路上方时，可考虑利用消防云梯等设备让乘客从侧门进行疏散。当车辆底部距离地面较近，且车辆下方具备合适的疏散条件(无社会车辆通行、地面相对平整等条件)时，还可考虑通过设置在车辆司机室地板面的紧急逃生滑道设施使乘客滑至地面实现疏散。如图8所示。

图8 垂向救援疏散

3 适应性分析

从悬挂式单轨的发展趋势来看，目前主流市场更倾向于选择SAFEGE型悬挂式单轨系统，受篇幅所限，下面仅对该型悬挂式单轨的适应性进行综合分析。

3.1 优缺点分析

3.1.1 主要优点

(1)地形适应能力强

悬挂式单轨列车的爬坡能力远强于地铁，最大坡度可达100‰，最小曲线半径一般能达到30 m，能够适应绝大部分地区线路敷设要求，尤其适用于地形起伏较大的山区、河谷地带。

(2)占地面积小

悬挂式单轨敷设时一般设置半径1.5 m以下的单柱墩[13]，即线路沿路中敷设时仅需要3～4 m宽的绿化带即可满足立墩条件，与其运量相仿的有轨电车在敷设时则需预留7～10 m宽绿化带[14]。在路侧敷设时桥墩间隙可作停车区域使用，最大程度减少用地浪费。

(3)施工简便、工期短

悬挂式单轨线路轨道梁及墩柱施工时仅需要先在地面进行钻孔打桩，再用螺栓将墩柱和桩基进行锚固，最后吊装预制好的轨道梁即可，工序十分简便。另外由于悬挂式单轨把地铁、轻轨制式中的轨道、路面、通信信号设备、隔音屏等全部集成到轨道梁中，在工厂中预先批量生产，再到现场进行安装调试，所以大大节省了现场施工的时间，仅需要约半年便能完成全部轨道梁的架设[15]。如图9所示。

图9 墩柱及轨道梁施工步骤

(4)景观效果好

悬挂式单轨轨道梁采用集成化设计，梁体之外再无常见的线缆、架空接触网、排水管道等附属设施，与地铁、轻轨、跨座式单轨的高架线路相比体量很小，对景观影响程度更小，其简洁明快的外观本身也构成了一道亮丽的风景线。乘客在车厢中可以凭高欣赏沿途景色，得到感官上的享受。线路既可沿河道修建，也可随山势起伏，与自然景观相得益彰。

(5)噪声小

由于走行部完全包覆在几乎封闭的轨道梁体内，且车轮全部为橡胶轮胎，车辆行驶时噪声很小。经过测算，当车辆以50 km/h的速度通过时，在距轨道7.5 m处的噪声仅为65 dB[16]。因此，与其他轨道交通制式相比悬挂式单轨线路可更靠近居住密集区及高校、医院等传统意义上的噪声敏感点，路由选择更加灵活。

3.1.2 主要缺点

(1)性价比较低

目前全国范围内尚无建成通车的悬挂式单轨项目，缺少实际投资数据，但不少城市已完成前期工程可行性研究，从几条线的研究结果来看，综合造价基本介于1.5～2亿元人民币/正线公里，甚至超过与其同为中低运量的有轨电车的平均造价(表3、表4)。

表3 国内部分有轨电车综合造价统计[17]

表4 国内部分规划悬挂式单轨综合造价统计

考虑到悬挂式单轨仅能适应最大约1万人/h·方向的客流(部分文献提出其可适应2万人的高峰断面客流，是基于类似日本湘南的3辆编组列车结合H-Bahn理论最小40 s的行车间隔且为单方向发车不考虑折返的极端情况下的理论数值，现实中难以实现，90 s间隔已是极限)，而有轨电车在适应客流与其基本一致[18]的情况下国内施工及运营经验更加丰富、产业链更为完备，加之悬挂式单轨造价目前普遍高于有轨电车，造成其性价比相对较低。

(2)审批难度较大

根据国务院下发的“国办发[2018]52号”文件，国家在进一步提高地铁审批门槛的同时，明确提出将除有轨电车以外的城市轨道交通项目统一由省级发展改革部门根据国家批准的城市轨道交通建设规划，按照相关程序审批(核准)，未列入建设规划的项目不得审批(核准)，严禁以市政配套工程、有轨电车、工程试验线、旅游线等名义违规变相建设地铁、轻轨项目。有轨电车项目由省级发展改革部门负责审批(核准)，并做好与相关规划的统筹衔接。悬挂式单轨因其系统特点在我国一般被作为旅游观光线路进行规划设计，通常也未纳入城市轨道交通线网及建设规划与地铁、轻轨等一并考虑，因此容易触碰政策红线。审批时也往往由于缺少上位规划的支撑而受阻，对有意修建悬挂式单轨线路的城市和地区有一定影响。

(3)救援疏散较为困难

前文提到的多种疏散方式中，横向和纵向疏散以及云梯救援疏散属于被动疏散，需要借助外部力量方可达到疏散目的。悬挂式单轨独有的逃生滑道疏散为主动疏散，虽不需要借助外部力量，但其每次疏散时必须等待前一乘客滑至地面后方可疏散下一乘客，过程较为复杂。经过计算，以千叶线的2辆编组列车为例，在满员状态下(156人)全部疏散完毕耗时超过0.5 h[19]，考虑到日常运营时不乏老弱病残孕等特殊乘客，疏散时间将更长。

3.2 适用范围

根据悬挂式单轨交通系统的特点，其适合作为以下交通形式。

(1)中小城市的公共交通干线。

(2)大城市中大运量轨道交通的补充。

(3)机场航站楼间的捷运系统。

(4)旅游景区、主题乐园内部观光环线。

(5)大型交通枢纽设施与城市中心区的联络线。

(6)大型商务区、开发区、功能场馆内部通勤线路。

(7)适应特殊地质条件或特殊环境的交通线。

3.3 市场前景展望

悬挂式单轨虽然在国外已有超过一个世纪的成熟运营经验，但在我国仍属于新鲜事物。经过近几年对国外技术的消化吸收，国内目前已经具有较为完善的技术储备，其中国际空列集团已获得H-Bahn在中国的专利权，中车青岛四方机车车辆股份有限公司和中唐空铁科技有限公司已分别有样车下线并在厂区内建设了试验线；韩城、温州、洛阳、乐山等多个城市均进行了前期可行性研究，有的甚至已开展施工准备工作，但受到各种因素(主要是政策方面原因)的制约，时至今日仍未有实质落地项目。目前开展前期研究的项目基本属于三四线城市的骨干交通线路，由于这类城市普遍缺少城市轨道交通项目建设审批经验，因此对项目的顺利推进造成了一定困难。除此之外，悬挂式单轨也受到除现代有轨电车以外的云轨、云巴、智轨等新型智能化轨道交通制式的竞争。综上所述，若能尽快解决政策审批层面的壁垒，选择在客流效益较好的地区建成1～2条示范线路，取得一定运营经验，再充分发挥自身独有的优势如占地小、转弯半径小、爬坡能力强、施工简便、景观效果好、集成化程度高等特点，积极开展诸如机场捷运系统、景区(尤其是山地、河谷景区)观光环线的研究工作，取得更多更有说服力的研究结论后，相信能够拓展更多市场。

4 结语

悬挂式单轨作为一种将车辆悬吊于轨道下方的独特轨道交通系统，与欧洲大陆的第一条地铁(1896年开通的匈牙利布达佩斯1号线[20])几乎同时出现，在一个多世纪的时间里经过自身不断地演化、发展，技术日趋成熟，世界上已运营的悬挂式单轨线路均有长达数十年的成功运营经验，发展到今天也已具备和以现代有轨电车为代表的一批中低运量轨道交通系统同台竞技的条件。从其主要关键技术来看，悬挂式单轨的走行方式分为浪琴型和SAFEGE型两种，目前后续建设项目均比较倾向于使用技术更加先进的SAFEGE型，该类型悬挂式单轨系统具有更高的安全性，支持无人驾驶技术，可有效缩短行车间隔。其主要设备均集中在轨道梁内部，且采用装配式施工，轨道梁的架设仅需约半年，全部工程从实施到运营一般2年内即可完成。根据对已运营线路数据进行分析，悬挂式单轨能够适应最大约1万人/h·方向的客流规模，与有轨电车基本处于同一水平，其综合造价虽略高于有轨电车，但更加节省用地，拆装简便、景观效果好，因此仍具有一定优势。总体来说，悬挂式单轨的优缺点均较为明显，根据其特点分析，该交通系统更适合应用于对投资不敏感、救援疏散方便且相对封闭的系统内部(如景区、机场、校园等)。国内虽尚无运营线路，但目前多个城市已完成项目可行性研究，部分正在进行前期征拆、基础施工等工作，也有一批有意建设悬挂式单轨的城市和景区。可以预见，我国第一条悬挂式单轨线路的开通运营不会等待太久，届时将产生很强的示范效应并带动整个产业链的发展，总体上看有一定的市场前景。