悬挂式单轨在山区旅游轨道中的适应性分析

2020-08-06李文荣

铁道勘察 2020年4期

李文荣

(中铁四院集团新型轨道交通设计研究有限公司，江苏苏州 215009)

1 概述

悬挂式单轨作为一种轻型、中等速度、中等运量的交通制式，是当前发展绿色、环保、轻型、便捷交通模式的方向，可以作为山地景区旅游观光轨道的制式选择之一。

多位学者曾对悬挂式单轨系统的应用进行了探究，钟异莹等[1]研究了悬挂式单轨在山地城市交通系统中的应用可行性，认为悬挂式单轨在山地城市具有较好的适应性和应用前景，但该研究仅分析了悬挂式单轨作为山地城市公共交通方式的适应性，未对山地旅游景区等特殊区域的应用进行进一步的分析；余浩伟等[2]从经济性角度对其进行研究，认为悬挂式单轨属于小运量轨道交通，特别适用于旅游景区，但未结合实例分析其在山地景区中的应用；孙彪[3]从旅游体验的角度出发，从视觉体验、观光体验、乘坐体验等视角，提出了悬挂式单轨列车的设计方向，但未对悬挂式单轨系统制式的适应性进行分析。

综合前述研究，结合悬挂式单轨制式的技术特点及山地旅游景区的环境特点，从多方面分析悬挂式单轨在山区旅游轨道中的适应性，为悬挂式单轨未来的应用提供借鉴。

2 山区旅游轨道介绍

山区旅游轨道是独立运行于山地景区、以旅游观光为主要目的的轨道交通系统。与城市轨道交通不同，山区旅游轨道不仅需要克服地势陡峭、相对高差大的复杂地形条件，还应尽量降低对周边环境的影响，对系统制式的主要技术标准有特殊要求。

2.1 山区旅游轨道的特点

(1)旅游轨道一般为独立的轨道交通系统，采取独立的运营管理模式。

(2)具有票价自主定价权，可根据实际运营情况和旅客经济能力合理定价，有利于项目运营的可持续性。

(3)客流存在明显的潮汐出行特征，早晚高峰明显，并且淡、旺季客流差异较大，运输组织需在系统能力范围内尽可能地适应不同时间段的客流变化规律，满足游客出行需求。此外，还需保证一定的服务频率，为游客进出景区及欣赏沿线风景提供便捷的服务。

2.2 制式选型原则

(1)系统服务水平满足需求

山区旅游轨道的客流特征不同于传统的国有铁路和城市轨道交通模式，具有客流较小、流向较为单一、客流随淡旺季变化明显、早晚高峰客流集中等特点。因此，轨道制式既要能够满足高峰小时客流运输要求，还需编组灵活，较好地适应山区旅游淡/旺季不同时段的客流量[4]。

(2)工程建设与景观和谐

山区旅游轨道的工程建设应当遵循环境保护与开发并重的原则，绕避景区的核心景点，且注意保护景区生态，严格遵循城市总体规划和环境功能区划。因此，山区旅游轨道应当选择占地面积小、施工和运营对周边环境影响小的制式，使工程与周边景观相协调。

(3)充分体现旅游产品属性

作为旅游景区的重要旅游产品，山区旅游轨道是景区旅客旅游观光的主要交通方式，应将其与旅游开发相结合，打造旅游景观，成为独特的旅游产品。应在满足旅游观光的要求之外，以“新型、美观、舒适、经济、环保”的原则选择轨道制式，充分体现旅游产品的属性。

(4)保证经济合理性

山区旅游轨道项目一般采取独立的运营管理模式，具有票价自主定价权，可根据实际运营情况和旅客经济能力合理定价，有利于项目运营的可持续性。但同时，其作为公共交通服务的属性被弱化。因此，项目本身需具备一定的营收能力，在保证观光体验功能的前提下，尽可能选择与工程投资相适应的车辆制式，以维持项目的健康、有序和可持续性发展。

3 旅游观光轨道交通制式介绍

通过调研国内外山区旅游观光铁路制式运营案例与新型轨道交通制式研发等情况，用于旅游观光铁路的制式主要有窄轨铁路、齿轨铁路、缆索铁路、跨坐式单轨、悬挂式单轨等。

3.1 米轨铁路

米轨铁路是利用动力机车牵引、轨距为1 000 mm的钢轮钢轨制式系统，俗称小火车。相较于标准轮轨系统，较小的轨距可有效减小车体尺寸，缩减建筑限界，降低工程建设难度和建设成本。

米轨铁路最小转弯半径为100 m，最大爬坡能力为30‰，采用内燃机或电力机车牵引，最高速度可达120 km/h以上，较适宜作为山区或景区内的旅游观光，如云南建水古城旅游观光火车、四川嘉阳观光铁路等。

3.2 齿轨铁路

齿轨铁路是在两条轨道中间对向设置两块纵向钢板，钢板中间每隔一定距离横向放置钢横挡，通过机车的齿轮啮合使列车前进[6-7]。

齿轨铁路坡度适应能力强，最大爬坡能力可达480‰。在大坡度地段，可缩短展线长度，减小桥隧比例，缩短建设工期，节约成本。但采用齿轨驱动时，其旅行速度不高，一般不超过25 km/h。齿轨铁路比较适宜观光旅游，在山地景区具有独特优势。齿轨铁路在国外有较大范围的应用，如瑞士少女峰、皮拉图斯山，德国巴伐利亚楚格峰，美国华盛顿山等齿轨铁路，但国内尚无应用案例。

3.3 缆索铁路

缆索铁路是一种介乎索道与铁路之间的交通系统，全程使用缆绳牵引车辆在固定轨道上运行。与其他牵引方式动力不同，其车辆自身不带动力，需修建专门的动力车库，常用于山区[5]。

缆索铁路多用于一座山的登顶，其线路较短(一般不超过2 km)，运行速度约10 km/h；适用于大坡度地形，最大爬坡能力可达500‰，较适用于短距离、大坡度、小运量的运输要求。应用案例有澳大利亚新南威尔士缆索铁路、香港太平山缆车、重庆长寿缆车等。

3.4 跨座式单轨

跨座式单轨通过单根轨道梁来支撑、稳定和导向，车体骑跨在轨道梁上运行[8]。

跨座式单轨宜优先采用高架形式敷设，能够充分利用上层空间，占地面积较小。其最小转弯半径为50 m，最大爬坡能力为60‰，对地形有良好的适应性，兼具安全准时、快速灵活、舒适方便等特点，典型的实例有美国迪士尼世界单轨、深圳欢乐干线、曲江跨座式单轨、银川花博园云轨等。

3.5 悬挂式单轨

悬挂式单轨是单轨系统的另一种形式，亦称为空轨、空铁等，其车体悬挂于导向梁下运行，导向梁一般采用钢制箱型中空断面，内含集电靴、通信电缆、导轨、运行轨及车架等[9]。

悬挂式单轨以高架形式敷设为主，最小转弯半径为50 m，最大爬坡能力可达100‰，最高运行速度为70 km/h[13]。在国外的应用案例较多，如德国多特蒙德、伍伯塔尔、杜塞尔夫，日本千叶、湘南、名古屋等空铁工程，国内应用主要有成都中唐空铁试验线、青岛四方试验线。

以下主要对悬挂式单轨在山区旅游轨道中的适应性进行分析。

4 悬挂式单轨的适应性分析

4.1 自然环境适应性

(1)地形环境

山区旅游轨道沿线所经区域一般地形较为崎岖，地势陡峭，自然坡度与相对高差大，部分地段还可能出现岩溶地貌，地质条件复杂。

悬挂式单轨以高架形式敷设为主，车辆采用橡胶轮胎，正线最小转弯半径可至50 m。相较于米轨、齿轨等制式，其转弯半径较小，可有效减少线路展线长度，降低工程投资；相较于跨座式单轨，其爬坡能力更强，可减少对沿线山体的开挖，从而有效降低边坡支挡及防护工程数量，大大减少对沿线潜在的崩塌滑流等地质灾害的工程防护措施，对山区复杂的地形地貌及环境具有较好的适应能力。

总体上来说，悬挂式单轨能够在多变的地形、地貌及地理环境中建造，可以架设在地形起伏较大的山区内，能在一定范围内有效避开现有建筑物。

(2)气候环境

山地景区的气候随地形变化较大，影响光、热、水的再分配。因此，山地景区较容易出现雨雪、霜冻及大风天气。

悬挂式单轨车辆走行轮包裹于导向梁内，受雨雪、霜冻天气的影响小，即使是在大雪天气下也可正常运行。其走行部结构如图1所示。另根据文献[10]，在10级风力下，悬挂式单轨(空车)横向加速度为ay=0.323 m/s2，满足轨道交通中0.4的舒适度要求，横向平稳性指标Wzy=1.878，也满足文献[10]中提出的低于2.5的要求，能够适应较强等级的大风。另外，也可以在山间横风处设置风速监控及预警系统，做好大风的防范措施。

图1 悬挂式单轨走行部结构

总体而言，悬挂式单轨制式对山地景区的气候环境适应性较强。

4.2 输送能力适应性

山区旅游轨道的客流特征不同于传统的国有铁路和城市轨道交通模式，具有客流较小、流向较为单一、客流随淡旺季变化明显、高峰客流集中等特点[11]。系统制式既要能够满足高峰小时客流运输要求，还需编组灵活，能较好地适应山区旅游线淡/旺季不同时段的客流量。

旅客对旅游观光轨道乘坐舒适度要求较高。为充分发挥悬挂式单轨的观光体验效果，车箱可采用全坐席方式。悬挂式单轨的编组较为灵活，可2～7辆编组，能够灵活应对不同时段的客流需求。

以某旅游观光轨道旺季客流预测为例，其高峰小时最大断面客流近期为984人次/h，远期为1 267人次/h。悬挂式单轨系统能力按24对/h考虑，在全坐席定员3编组方案下，系统输送能力为1 536人次/h，可满足该线近、远期高峰小时断面客流，如表1所示。在满足旺季客流需求的情况下，淡季则可通过减小列车编组的方式节约运营成本。

表1 某旅游轨道旺季客流预测及列车编组方案

4.3 轨道结构适应性

山区旅游轨道系统制式选择应满足如下要求：节约用地，尽量避免因工程建设造成现有景区的地块切割、景观破坏，将其融入自然之中，使游客能体验到观光线与自然景观和谐一体、相互辉映的景致。

悬挂式单轨以高架形式敷设为主，其轨道结构主要包括轨道梁与支撑墩柱[12]。轨道梁截面采用底部开口的箱形截面，箱梁的下翼缘兼做轨道，车辆悬挂于轨道梁下方；支撑墩柱用来悬挂轨道梁；单线一般采用倒L形，双线一般采用Y形，如图2所示。

图2 悬挂式单轨轨道结构

轨道梁及墩柱可采用钢结构或混凝土结构。在山地景区中，若采用混凝土结构，施工周期较长，质量控制难度大，且在满足车辆转向架限界条件下，横截面尺寸较大，影响景观通透性。若采用钢结构，梁截面尺寸小，自身恒载小，结构轻便，视觉效果通透，与景区更加协调；由于其上部结构轻便，桥墩尺寸小，基础工程量也少，并且采用工厂制造，质量可靠，安装方便。

采用悬挂式单轨制式时，在部分景区可以利用其结构特点将乘车观光与步行观光相结合，在轨道梁上部设置沿线路贯通的观景通道，通过车站实现交通转换，增强线路的旅游观光属性。

4.4 牵引供电方式适应性

山区旅游轨道项目所在地一般地势起伏较大，线路条件复杂，牵引供电方式应优先考虑安全性和可靠性。

悬挂式单轨车辆的牵引供电方式较为灵活，既可以采用车载储能供电制式(如成都中唐空铁试验线)，也可以采用接触轨供电制式(如青岛四方试验线)，见图3。

图3 接触轨供电

对于车载储能供电制式来说，山区旅游轨道可能存在较多的长大坡度区间，对车载储能单元的续航能力有较高的要求，需结合工程实际条件及供电系统的各种运行方式，详细核算、验证车辆储能单元的续航能力。若因车辆续航能力不足导致车辆在区间临时停车，将对全线正常运营带来较大影响。

而接触轨供电方式技术较为成熟，可靠性较高，在国内外已建成的地铁或轻轨项目中使用比较广泛，其标称电压一般为DC750V或DC1500V。该供电方式需全线敷设接触轨及回流轨，且需要间隔3.5～4 km设置牵引变电所，引起工程投资的增加。另外，山地景区一般外部电力资源比较薄弱，存在变电所选址及后期运营维护困难等问题。

具体的牵引供电制式选择应当结合线路长度及周围环境灵活选择。

4.5 故障救援方式适应性

悬挂式单轨的故障救援方式主要有以下三种：(1)列车自救疏散；(2)救援列车救援疏散；(3)地面救援疏散[14]。

列车自救疏散指的是列车发生故障时，靠自身动力运行或利用线路坡度滑行至邻近车站，然后进行乘客疏散，这种方式较适用于列车未发生严重故障、可以继续运行或滑行且不会使故障加重的情况。救援列车救援疏散指的是列车出现故障并失去动力时，同一线路上的救援车从故障车的端部靠近，乘客由司机室的逃生门疏散(亦称为纵向法)，如图4所示；双线线路上，救援车可通过平行线路停在故障车旁，乘客由横向渡板从故障车疏散至救援车中(亦称为横向法)，如图5所示。地面救援是通过地面救援汽车将乘客疏散至地面的方式。