悬挂式单轨交通车辆基地站场设计关键技术研究

2024-03-27臧向

城市轨道交通研究 2024年3期

臧向

(中铁第四勘察设计院集团有限公司, 430063, 武汉)

悬挂式单轨交通(简称“空轨交通”)是车体悬挂于轨道梁或索轨下方行驶的一种中低运量轨道交通[1],其系统最大运能为1.5万人/h[2],具有安全可靠、集约用地、噪声低、地形适应能力强、工程投资低、建设周期短等优点。其敷设方式多为高架,主要适用于旅游线路及中低运量的地方通勤线路。空轨交通起源于德国,在日本及德国等国家已安全运营多年[3]。而在国内,悬挂式单轨除了成都、开封等地建设有试验线之外,尚未有已经开通运营的线路。空轨交通行业技术标准以及湖北省空轨交通地方标准正在送审中,对空轨交通车辆基地设计具有重要的指导作用[4]。本文充分借鉴吸收地铁、轻轨等建设成果,参照空轨交通各地方标准,以武汉光谷生态大走廊空轨旅游线工程(以下简称“光谷空轨”)龙泉山车辆段为例,对空轨交通车辆基地站场设计的关键技术,如站场总平面、道岔选型、场坪标高、运用库单线列位的选择等进行设计分析,并总结创新点,提出相应的结论和建议。

1 空轨交通系统概况

空轨交通的车辆悬挂于轨道梁之下。轨道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,并包容车厢的车架。轨道梁由支柱支撑[5],支柱一般为钢结构柱,可设置Y型、倒L型和门式等多种结构。轨道梁为下部开口的箱型钢梁,车辆走行轮与导向轮均置于箱型梁内,沿梁内设置的轨道运行。车辆改变行车方向时,通过箱型轨道梁内可动轨的水平移动实现[6]。空轨交通根据其悬吊装置形式,可分为对称式和非对称式,如图1所示。对称式在载客量和舒适性上优势明显,是发展的主流。

图1 空轨交通系统示意图

2 空轨交通车辆基地站场设计

2.1 总平面设计

从工程投资以及本工程近期配属车辆数量考虑,空轨交通车辆基地规模仅考虑本工程所需近期规模。本文以光谷空轨龙泉山车辆段为例,结合其用地形状、段址位置、用地范围及地形条件,根据站段关系及主要控制因素,对车辆段总平面布置方案进行了研究。车辆段采用停车列检库、检修库并列的尽端式布置方案,该方案结合周边条件,整体布局紧凑合理。受车辆段用地性质及所处位置限制,该车辆段不具备上盖物业开发条件。龙泉山车辆段总平面设计具体方案如图2所示。

图2 龙泉山车辆段总平面布置图

龙泉山车辆段为全自动驾驶车辆段。为避免侵占基本农田,该车辆段呈东西向布置,出入线由场地东北侧引入车辆段。检修库、试车线设置在南侧,停车列检库并列布置在检修库北侧。受段址长度限制,停车列检线设置为1线2列位。调机工程车库设于咽喉所夹地块。洗车库设于出入段线咽喉区,洗车线采用贯通布置方案。受用地条件限制,试车线全长约550 m。综合楼、物资总库、材料棚、蓄电池间、易燃品库设在咽喉区南侧。污水处理站、牵引降压混合变电所设置在咽喉区北侧地块内。主要的办公、生产作业及辅助作业区相对集中,方便作业。车辆段设2个出入口,主出入口位于车辆段东侧,综合楼附近;次出入口位于车辆段西北侧。段内道路采用环形布置,满足消防需求。车辆段围墙内占地约11 hm2。

因轨道梁为高架,空轨交通车辆基地站场排水基本等同于高架车辆段站场排水。龙泉山车辆段背靠龙泉山景区,侧沟排水需同时考虑龙泉山山洪水流量。车辆段引用海绵车辆段概念,股道间的站场雨水通过植草沟及海绵渗水系统汇入道路雨水系统。车辆段预留区域及周边侧沟排水采用混凝土沟,最终排入车辆段北侧既有小河。

2.2 总平面设计创新点

1) 优化洗车库位置,如图3所示。空轨采用可动芯型道岔,一组道岔约375万元,造价较高。龙泉山车辆段在总平面布置设计时,为尽量减少道岔数量,创新性地将洗车库置于出入线上,可减少2组道岔,有效降低造价约750万元。洗车方式改为了贯通式洗车,较传统往复式洗车工艺流程(如图4所示)更加便捷。同时,有效减少了轨道梁长度约280 m以及相应的桥墩等土建工程。

图3 龙泉山车辆段洗车库布置及洗车流线示意图

2) 优化咽喉区道岔与桥墩布置形式。空轨道岔前端及后端均需设置桥墩,为保证桥墩设置美观整齐,车辆段咽喉区道岔尽可能采用上下对称布置形式,如图5所示。此种布置形式不仅保证轨道梁可以共用门式墩,美观整洁,有效解决段内小曲线半径地段离心力较大问题,同时达到节省造价的目的。

3 空轨交通车辆基地道岔选型

空轨交通道岔根据其换轨原理主要分为可动芯型、换梁型和枢轴型等。国内已经研发的空轨道岔只有可动芯型单开道岔,如图6所示。为避免研发时间过长、研发费用较高的风险,光谷空轨项目道岔选用了可动芯型单开道岔,其转辙效率高,结构轻巧、灵活,通过组合可满足不同场合的需求,有利于节省用地。缺点是造价较高,每组道岔造价大概在375万～400万元。

空轨交通可动芯型道岔系统由控制部分和结构部分组成。空轨道岔除本项目所用的单开道岔外,还包括三开道岔及五开道岔。在咽喉区,若采用1组三开道岔,其功能相当于采用2组单开道岔;若采用1组五开道岔,其功能相当于5组单开道岔。经咨询相关道岔厂家,三开道岔造价大约在700万～750万元之间,即若采用1组三开道岔,可节约大约50万元,且养护维修工作量较少。后续可进一步与道岔厂家合作,加大道岔的研发力度,以进一步优化站场布置,降低工程造价。

4 空轨交通车辆基地场坪标高

空轨交通车辆基地的场坪标高与传统城市轨道交通车辆基地的场坪标高定义有一定的区别。空轨交通线路为高架线路,车辆及轨道被淹的风险较小。空轨交通车辆基地的场坪标高,主要是指重要库房及单体的标高。空轨交通车辆基地场坪标高的制定除了依据百年水位资料,还应综合考虑段址周边既有或规划道路标高、土石方平衡标高、段内管线衔接标高、重要设施标高以及出入段线纵坡条件等因素。

场坪标高一般可以通过加权平均法、熵权法或者层次分析法等方法得出。而在实际工程项目中,对于影响因素较复杂的段场,往往还需要召开专家论证会,以保证场坪标高设定的合理性。

龙泉山车辆段南侧为龙泉山,段址周边地势南高北低。区域内现状为一驾校,地势平坦,标高在21.20～24.10 m之间,两处通段道路衔接处标高分别为21.12 m和19.40 m。选址范围百年一遇内涝水位为22.21 m。车辆段土方平衡标高为22.20 m。基本无其他控制性标高。根据以上诸多因素,龙泉山车辆段场坪标高定为22.71 m,轨行面标高定为27.52 m。

该车辆段设计引入了不等场坪概念。东侧预留发展用地及咽喉区场坪标高结合现状地势定为21.00 m。这可减少土石方约0.9万m3,基本实现填挖方平衡,从而有效降低了工程造价。

5 空轨交通车辆基地运用库单线列位选择

空轨交通车辆基地在设计时,如何选择运用库各库单线列位,对工程投资、工艺流程、总平面布局以及运营的便捷性等都将产生重大影响。若C表示空轨交通系统能力(系统最大开行对数,单位为对/h),Cx表示空轨交通车辆基地停车列检1线x列位咽喉收发车能力,经研究,在进路不受其他工艺流程干扰的情况下,运用库各库单线列位选择计算公式为:

(1)

式中:

n——段内平行进路个数,单位个;

Lkx——1线x列位库内进路长度,单位m;

Loi——进路i库外进路长度,单位m;

vk—列车库内行车速度,单位km/h;

vo—列车库外行车速度,单位km/h;

∑ti—信号转换、道岔转换及其他冗余时间总和,单位s。

那么,当Cx≥C时,则停车列检1线x列位满足运营需求。也可通过式(2)对Cx进行估算:

(2)

式中:

Lo——库外平均进路长度,单位m;

∑t——平均1条进路信号转换、道岔转换及其他冗余时间总和,单位s。

Lkx和Lo在空轨交通车辆基地内的设置如图7中所示。

图7 空轨交通车辆基地平面示意图

空轨交通车辆基地的信号控制和其他城市轨道交通的一样,调车作业可采用长短进路结合,而列车入库作业则采用长进路形式。当1列车从进入车辆基地开始到进入库内指定列位期间信号锁闭,形成1个闭塞区间,期间不能有其他车辆进入该进路。如果车辆基地的2根出入线可同时入库,对于库型为尽端式的车辆基地则可形成2个平行进路;贯通式车库的段场可做到两端出车,其平行进路加倍。

以龙泉山车辆段为例,该工程采用尽端式库型布置。受道岔侧向通过速度影响,其系统能力C为24对/h;若不考虑洗车作业干扰,段内平行进路个数n取2个;受道岔侧向通过速度及作业平台限制,vk取5 km/h,vo取15 km/h。以运用库停车列检位选取1线5列位为例,Lo取385 m(具体数值根据段场规模和采用的列位数而定),库内进路长度Lk5取235 m(具体数值根据信号设置要求和远期列车长度而定),∑t约为20 s,则根据式(2)可估算出C5为25.56对/h,大于车辆段的系统能力24对/h,满足需求。

在不考虑其他作业干扰的理想条件下,空轨交通车辆基地最多可采用1线5列位。但是在实际项目中,单线列位数要根据具体方案布置,扣除洗车作业等其他干扰产生的影响,同时还需要综合考量列车出库的顺利性和快捷性,通过多方案比选论证后方可确定。