低运量跨座式交通系统需求及技术方案研究

杨 阳，徐银光，曾永平，宋晓东，鄢红英，徐 浩

(中铁二院工程集团有限责任公司科研院(产业中心)，成都 610031)

引言

城市轨道交通系统按照运量不同可分为大运量、中运量、低运量3种形式，目前，跨座式单轨系统一般为中运量系统。2004年重庆开通国内首条跨座式单轨线路，跨座式单轨系统在重庆取得了较大的成功。但由于该系统造价、运维成本、运量等问题使其推广应用受到了一定的限制。对跨座式单轨系统与其他轨道交通制式进行对比，探索跨座式单轨发展趋势，提出低运量跨座式交通技术方案，以期为跨座式单轨交通系统发展提供依据。

1 跨座式单轨发展趋势及应用前景

1.1 跨座式单轨系统发展趋势

2004年重庆跨座式单轨线路建成，该系统采用橡胶轮-PC混凝土梁的型式，能够适应60‰坡度，造价在3亿元/km左右。轨道梁采用高架形式，具有较好的景观效果，较好地满足了重庆市对轨道交通适应大坡度、投资小的需求。2011年重庆跨座式单轨3号线开通，跨座式单轨系统在重庆应用效果良好[1-3]。

2010年5月初，北京S1线“环境影响评价”公示，意味着国内首条中低速磁悬浮列车线路建设已进入实质性论证阶段。2016年5月长沙磁浮快线开通运营，标志着中低速磁浮系统正式投入工程应用[4-5]。中低速磁浮技术的成熟应用对跨座式单轨系统产生了较大的冲击，两者均属于中运量轨道交通运输工具，车体宽度均在2.8m左右，运量相当。磁浮列车爬坡能力更强，可在坡度为100‰的线路上平稳运行[6]；磁浮列车采用常导短定子驱动技术，运行过程中无机械接触，可避免跨座式单轨胶轮与轨道梁摩擦产生的粉尘；磁浮列车具有更好平稳性，运行速度可达160 km/h甚至更高，是跨座式单轨系统运行速度的2倍[7]。中低速磁浮轨道梁同样采用高架的形式，不占用公共交通路权，节约用地；中低速磁悬系统造价为2亿～3亿元/km，与跨座式单轨基本相同甚至更低。由于中低速磁浮技术的成熟应用，跨座式单轨系统在中运量轨道交通制式中失去了竞争力[8]。

在运营速度、载客量更高的市域铁路领域，由于跨座式单轨交通系统车辆、轨道梁结构的限制，运行速度、载客量向上提升能力有限。显然跨座式单轨系统无法满足市域铁路应用需求[9-10]。在中运量城市轨道交通制式及市域铁路领域中跨座式单轨均没有竞争力，跨座式单轨应在其他运量制式中探索发展方向[11]。

在低运量轨道交通制式中，高峰小时1万人运量的轨道交通制式中能与低运量跨座式单轨相竞争的只有低地板有轨电车系统和悬挂式单轨系统。其中，低地板有轨电车系统是一种地面轨道交通工具，其行驶轨道通常不高出街道路面，造价约1亿元/km。该系统一般采用独立路权的形式，对地面公共交通资源占用较多，增加交通负担[12]。如有轨电车采用高架形式，将会使造价大幅增高，以国内某城市线路规划为例，当50%的线路采用高架形式时，造价为1.8亿元/km，极其不经济。有轨电车若与汽车共用路权时，运营效率则会变得很低，失去其轨道交通本身优势[13-14]。

悬挂式单轨系统和低运量跨座式单轨系统均采用高架形式，爬坡能力相同。悬挂式单轨系统造价在1.5亿～2亿元/km[15-16]。在工程量方面，由于跨座式单轨系统车辆在轨道梁上方行驶，而悬挂式单轨系统车辆在轨道梁下方行驶，因此，跨座式单轨系统轨道梁高度要低于悬挂式单轨系统轨道梁，在同等建设规模的情况下，跨座式单轨工程量少[17]。此外，悬挂式单轨系统轨道梁采用钢结构，跨座式单轨系统轨道梁采用混凝土结构，且跨座式单轨系统道岔等设施相对简单、价格低。混凝土梁相对于钢梁运营维护更加方便。通过对低运量跨座式单轨系统进行优化，其单位造价将会低于悬挂式单轨系统[18-19]。

综上分析，跨座式单轨系统在低运量轨道交通制式中具有不占用地面交通资源、造价低等优点，具有绝对性优势，跨座式单轨系统应向低运量方向发展。

1.2 市场应用前景

目前，我国已有近百个城市规划了约3万km的地铁线网，有200多个城市具备发展中低运量新制式轨道交通的条件，并已规划超过5 000 km的新制式线网。已获得城市轨道交通建设项目批复的城市有44个，规划新建线路总规模4 705 km，总投资计划超2万亿元；低运量轨道交通产业进入快速发展期，行业潜力巨大。

交通运输与旅游融合发展已成为旅游业转型发展的新趋势[20]。数据显示，全国景区景点中A级景区10 300多个，包括5A级259个、4A级3 034个。按每个4A级以上景区到当地交通枢纽距离10～15 km估算，全国旅游轨道市场总体规模约为30 000～50 000 km，我国旅游交通发展迅速且市场潜力巨大，但具有高端特色的旅游轨道交通系统尚属空白。

低运量跨座式单轨系统可用于大型城市的补充线及联络线，中小型城市的主要公共交通线路，也可用于高端特色的旅游轨道交通线路，市场前景广阔。

1.3 小结

低运量跨座式单轨系统在低运量轨道交通制式中具有极大优势，适用范围广，市场前景广阔。但目前国内尚无低运量跨座式单轨交通系统工程应用及研究案例。对跨座式单轨低运量需求进行分析，研究低运量跨座式单轨交通车辆转向架、桥梁结构、道岔等关键技术，确定各专业总体技术条件。研究一种系统的体量、工程造价和运营成本均大幅低于中大型跨座式单轨交通系统的新型低运量跨座式单轨系统。

2 低运量跨座式单轨交通需求分析

综合分析低运量轨道交通发展趋势，明确跨座式单轨在低运量轨道交通中的市场竞争力分析，研究跨座式单轨的低运量需求，确定低运量跨座式交通系统功能定位、运能、经济性指标等内容。

2.1 国内轨道交通发展趋势分析

经过多年发展，我国城轨交通正在由以地铁为主，逐步转变为地铁、单轨、现代有轨电车、市域快轨和中低速磁浮交通等多种制式协调发展，中低运量城市轨道交通的市场需求日趋旺盛。一是国内城市轨道交通建设由经济发达地区向欠发达地区发展，城市主城区向周边区域延伸，由一线城市向二三线城市逐步铺开；二是大城市外围新城、中等城市对中低运量轨道交通系统有很大需求；三是单轨、有轨电车、市域快轨、磁浮交通等中低运量轨道交通相较地铁大运量轨道交通具有投资省、工期短等特点，更易于实施。另外，旅游与轨道交通融合发展对中低运量轨道交通增添了新的市场需求。

2.2 跨座式单轨的低运量需求分析

传统跨座式单轨基本均为中等运量轨道交通，轴重一般约11 t，运能一般为2万～4万人/h，投资约3.5亿元/km。随着城市经济和旅游业的发展，市场对跨座式单轨交通提出了低运量的需求。主要体现在以下方面。

2.2.1 运能低量化

(1)车辆定员少量化

参考地铁车辆和公交车车辆的座椅布局、轮椅布局、车门布局等，结合相关城轨交通车辆规范、标准，并参考国内外相关城轨车辆尺寸，梳理了低运量跨座式可能适用的6种车体尺寸(宽/m×长/m)的候选车型：2.5×12.0、2.5×10.0、2.4×12.0、2.4×10.0、2.3×10.0、2.3×8.0，开展了6种车宽的车辆在不同站立标准(站席区的站立标准：5人/m2、6人/m2和8人/m2)下的车辆定员计算。以2.5 m×12.0 m车型8人/m2为例，地铁式布局车辆定员为144人和公交式布局为143人两种布局方式的列车定员差异不明显。

(2)车辆编组短量化

根据CJJ/T114—2007《城市公共交通分类标准》，跨座式单轨交通系统适用于中低运量的分类，其列车长度为60～85 m，结合轻量化设计的需求，低运量跨座式单轨列车长度不宜超过60 m。

对于车长12 m的车型，不宜超过5辆编组；对于车长10 m的车型，不宜超过6辆编组；对于车长8 m的车型，不宜超过7辆编组。

(3)系统运能低量化

根据GB50458—2088《跨座式单轨交通设计规范》中规定，系统远期设计最大行车密度不应少于24对/h列车。计算轻型跨座式单轨系统运能，结果显示：采用站立定员5人/m2标准，上述6种车型的运能为2 256～11 952人/h；采用站立定员6人/m2标准，上述6种车型的运能为2 544～13 368人/h。考虑到我国的经济发展和旅游景区游客对舒适度的要求较高，推荐站立人员定员标准为5人/m2。

综上所述，跨座式交通车辆采用站立定员标准5人/m2，可以满足2 250～11 950人/h内不同等级的运能需求。

2.2.2 结构轻型化

新型跨座式单轨轻量化在结构上主要体现在以下方面。

车辆小型化：既有中大运量的跨座式单轨车辆宽度基本尺寸为2.8～3.0 m，车辆外形尺寸越小越有利于下部基础结构轻量化，但过小的车辆外形尺寸将会造成运输能力过低，且车辆宽度将会影响到座椅布置以及车上设备布置，综合分析，本小型化跨座式单轨车辆宽度推荐为2.4 m。

轴重轻量化：既有中大运量的跨座式单轨车辆轴重为11 t，新型低运量跨座式单轨车辆轴重应在满足列车运输能力的前提下轴重尽量低。

桥梁轻型化：由于车辆轴重轻，轨道桥梁荷载量减少，桥梁结构设计可更为轻盈，跨距可适当增大。

2.2.3 经济合理化

新型跨座式单轨轻量化的经济合理化主要体现在以下两个方面。

(1)土建工程投资降低：车辆小型化和轴重轻量化，引起轨道桥梁结构轻型化，梁跨增大，限界变小，最终体现为土建投资降低。

(2)机电设备配备优化：低运量的跨座式单轨主要运用在地形复杂的中等城市城郊线和旅游线，其客流量不大，运营的行车密度不高，对机电系统的配置要求也较高密度的地铁系统有所降低。只有合理地配备与运营需求相匹配的机电系统，简约化配置，才能进一步有效降低工程投资。

综上所述，新型低运量跨座式交通的需求主要体现在运能低量化、结构轻型化、经济合理化三方面。要满足低运量需求，并非简单将中大型车辆按比例缩小，而是设计新的车辆、转向架结构形式，在保证爬坡大、转弯半径小、安全等前提下实现车辆轻量化、配套设施简约化，继而优化桥梁结构、道岔等核心部件，降低工程投资和后期运营维护成本。

3 低运量跨座式交通技术方案

由于低运量跨座式单轨系统行车、线路、限界、供电、通信、信号、车辆基地等技术条件与传统中大型跨座式单轨系统差异较小，主要对车辆、桥梁结构、道岔等核心部件进行重点研究，其他专业在此不再赘述。

3.1 车辆

3.1.1 车辆编组方案

列车的连接形式主要有铰接和非铰接形式，铰接形式如图1所示，两车辆共用一个转向架，通过铰接形式连接。对于n辆编组的列车有n+1个转向架，较非铰接形式的列车减少n-1个转向架。

图1 铰接结构示意

使用铰接结构最大的优点是减少了转向架数量，列车不再需要车钩缓冲装置，提高列车的曲线通过性能。

本研究提出了铰接形式的4编组，非铰接形式的3编组车辆方案，如图2所示。其他编组形式可在上述编组形式的基础上增减车体数量实现。列车主要技术参数列于表1。

图2 列车编组

表1 列车主要技术参数

3.1.2 转向架方案

铰接转向架如图3所示，主要由构架、驱动传动装置、基础制动装置、中央悬挂装置、走行轮总成、导向轮总成、稳定轮总成等部分组成。铰接结构主要包括MC1车体连接臂、MC车连接臂、环轴承、摇枕等部件。其中，沙漏簧位于构架垂向支撑梁两端，摇枕坐落于沙漏簧上。环轴承坐落于摇枕中央，其中，内环、外环、中环通过螺栓与摇枕紧固连接。外环通过MC车连接臂与MC车连接，内环通过MC1车连接臂与MC1车连接。当车辆过弯时，两相邻车体(如MC1车与MC车)通过MC1车连接臂、MC车连接臂带动环轴承内外环形成相对转动，以便顺利通过曲线线路。

图3 铰接式单轨转向架

非铰接转向架靠旁承支撑车体(图4)，无环轴承及连接臂装置，其余与铰接式单轨转向架结构相同。包含构架、2套牵引传动系统、2套走行轮装置、1套铰接式牵引悬挂装置，侧布式导向轮装置等；构架呈“日”字形，端部横梁挂有4套导向轮装置，中间横梁装有1套铰接式的牵引悬挂装置，侧边的垂向梁挂有2套导向轮装置，构架中空处挂有2套牵引电机及齿轮箱，且制动盘及制动装置直接套于电机轴上，牵引电机对角布置。

图4 非铰接单轨转向架

3.2 桥梁

3.2.1 并置轨道梁

目前，已通车运营及正在施工中的跨座式单轨交通工程均采用矩形或工字形轨道梁，支座采用价格高昂的铸铁抗拉支座，如图5(a)所示，其中，铸铁抗拉支座占桥梁总投资比例极高[21]。从降低工程造价的角度出发，设计提出了在两并置的轨道梁间设置端横梁的结构，如图5(b)所示。该结构可以避免采用价格昂贵的铸铁抗拉支座，使用普通球形支座即可满足工程设计要求，有效降低工程费用。结合车辆特点，对轨道梁结构尺寸进行优化，轨道梁截面尺寸为700 mm×1500 mm，桥跨布置优先采用30 m简支梁，曲线段标准跨采用25 m简支梁，20 m简支梁作为调跨使用。

图 5 重庆轻轨高架桥

3.2.2 梁上梁结构

该结构上层为承轨梁、下层为桥梁结构。下层梁部为桥梁的主要受力部分，上层承轨梁主要将列车的竖向荷载传递至下部桥梁结构，如图5(b)所示。承轨梁高度仅需满足车辆限界要求即可。承轨梁为跨座式单轨车辆的走行直接接触部分，轨道超高及梁体扭转要求可通过调整承轨梁的两个腹板方便地实现。承轨梁施工可以待下部梁体施工完成后，再在梁上立模浇筑承轨梁，承轨梁的施工精度易于保证。

3.2.3 桥墩方案

参考重庆跨座式单轨和汕头比亚迪跨座式单轨试验线工程的桥墩结构形式，再结合景观效果，确定采用板式墩，墩顶设置盖梁。板式墩顺桥向两侧采取挖槽增加立体效果，墩的四角设半径R=100 mm圆弧导角，盖梁采用梯形截面形式。如图6所示。

图6 桥墩结构形式(单位：mm)

3.3 道岔

根据道岔结构形式不同，跨座式单轨道岔主要有关节型道岔、关节挠型道岔、平移型道岔、枢轴型道岔、换梁型道岔和转动式道岔。不同道岔形式如图7所示。

图7 跨座式单轨道岔结构形式

对不同形式的道岔优缺点进行综合分析，对于低运量跨座式单轨，平移式道岔、换梁型道岔、关节可挠型道岔和转动式道岔均为可行的道岔结构，平移式道岔和换梁型道岔在横向上占用空间大；转动式道岔对桥墩高度要求较高，且实现难度较大；关节可挠型道岔在重庆跨座式单轨中服役性能良好，具有较好的安全性、可靠性并能保证列车运行的平稳性，且关节可挠型道岔对线间距的适应性更强，因此，推荐采用关节可挠型道岔方案。

关节可挠型道岔主要由道岔梁、接缝板、连接装置、驱动装置、锁定装置、台车、走行轨、道岔固定端转动装置和控制装置组成，如图8所示。

图8 关节可挠型道岔组成

为适应新型低运量跨座式单轨桥梁的跨度及截面型式，单开道岔理论长度(梁缝中心线间距离)30 m，曲线半径为189 m。道岔的最高侧向通过速度为25 km/h，直向通过速度与区间直线通过速度相同，道岔线型如图9(a)所示。单渡线道岔理论长度(梁缝中心线间距离)60 m，由两组单开道岔梁拼接而成，在渡线道岔中部设置门式桥墩。曲线半径为189 m。道岔的最高侧向通过速度为25 km/h，直向通过速度与区间直线通过速度相同，道岔线型如图9(b)所示。

图9 关节可挠型道岔线型参数(单位：mm)

4 低运量跨座式单轨交通模拟设计研究

通过对低运量跨座式单轨交通关键技术进行系统性的研究，明确了低运量跨座式单轨交通主要专业技术标准。为验证总体技术方案，以国内某悬挂式线路为例，开展模拟设计，综合分析造价指标。

该线路全长11.302 km，均采用高架敷设，共设置4座车站，其中，1座换乘站，平均站间距为3.168 km。设置1座车辆基地。

列车采用低运量跨座式单轨列车，初、近、远期均为2辆固定编组，最高运行速度为80 km/h。

根据客流预测，低运量跨座式单轨交通模拟设计需满足初、近、远期高峰小时最大断面650，1 277人次/h及1989人次/h的要求。

研究确定了供电系统、弱电系统、车辆基地等各专业技术方案，并进行投资估算。结果显示新型低运量跨座式交通系统技术经济指标为1.45亿元/正线km。

该线路采用悬挂式单轨的技术经济指标为1.91亿元/正线km，采用新型低运量跨座式交通系统后技术经济指标减少0.45亿元/正线km。主要体现在跨座式交通系统轨道梁采用预制PC梁，较悬挂式单轨采用的钢制桥墩、梁及轨道梁更为经济；跨座式单轨车辆基地规模较悬挂式单轨规模小等方面。

5 结论

通过对跨座式单轨交通系统发展趋势进行分析，认为低运量跨座式单轨系统在低运量轨道交通制式中更具竞争性。对低运量跨坐式单轨车辆、桥梁、道岔技术方案及关键参数进行研究，提出了铰接式和非铰接式跨座式单轨车辆、转向架方案及关键技术参数；提出了采用普通球支座的并置梁方案，可有效降低了轨道投资；确定了跨座式单轨关节可挠型道岔技术方案及关键参数。以国内某空铁线路为例，开展模拟设计，结果显示新型低运量跨座式交通系统技术经济指标1.45亿元/km，经济型优势明显。

本研究在保证安全的前提下实现车辆轻量化、配套设施简约化，从而降低了工程投资和后期运营维护成本。随着新型城市化建设推进及旅游产业的大力发展，低运量跨座式单轨交通系统应用空间将会越来越广泛。