孫 靜

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，710043，西安//工程師)

1 單軸跨坐式單軌概述

1.1 跨坐式單軌發(fā)展概述

1888年，世界第一條跨坐式單軌鐵路在愛(ài)爾蘭建成。1958年，德國(guó)“ALWEG型單軌”將單軌的技術(shù)歸納為三個(gè)要點(diǎn)：跨坐式、混凝土軌道、橡膠輪。1960年至今，日立通過(guò)引進(jìn)德國(guó)單軸轉(zhuǎn)向架單軌，研發(fā)了雙軸轉(zhuǎn)向架跨坐式單軌并持續(xù)投入建設(shè)運(yùn)營(yíng)至今。

2004年，重慶引進(jìn)日立跨坐式單軌發(fā)展至今，其系統(tǒng)裝備基本實(shí)現(xiàn)全國(guó)產(chǎn)化，形成了全球最大的單軌交通裝備制造業(yè)基地及跨坐式單軌國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

目前，為增強(qiáng)跨坐式單軌的建設(shè)適應(yīng)性，降低工程造價(jià)，基于單軸轉(zhuǎn)向架在鋼輪鋼軌車輛中的優(yōu)勢(shì)[1]，國(guó)內(nèi)新一代自主研發(fā)的跨坐式單軌又將引進(jìn)改良單軸轉(zhuǎn)向架技術(shù)，并將其作為主要發(fā)展方向之一。

1.2 單軸轉(zhuǎn)向架跨坐式單軌與雙軸轉(zhuǎn)向架跨坐式單軌的區(qū)別

雙軸轉(zhuǎn)向架跨坐式單軌以日立為代表，主要運(yùn)用于日本、韓國(guó)等國(guó)家的跨坐式單軌線路。目前，我國(guó)重慶軌道交通2、3號(hào)線采用的就是雙軸轉(zhuǎn)向架跨坐式單軌。

單軸轉(zhuǎn)向架跨坐式單軌以龐巴迪為代表，起初主要運(yùn)用于景區(qū)、游樂(lè)園等場(chǎng)所。目前，技術(shù)最為先進(jìn)的龐巴迪Monorail 300已經(jīng)具備運(yùn)用于城市軌道交通干線的條件。由我國(guó)改進(jìn)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的單軸轉(zhuǎn)向架跨坐式單軌是以比亞迪云軌為主要代表。

傳統(tǒng)雙軸轉(zhuǎn)向架(見(jiàn)圖1)的車輛承載力較大，因此可通過(guò)增加車輛長(zhǎng)度較好地實(shí)現(xiàn)載客能力，且其穩(wěn)定性亦較高。

單軸轉(zhuǎn)向架(見(jiàn)圖2)相比雙軸轉(zhuǎn)向架，所需的車輪數(shù)量少，同時(shí)轉(zhuǎn)向架的轉(zhuǎn)彎半徑小、通過(guò)性能強(qiáng)、輪胎磨損小，但平衡穩(wěn)定性較雙軸系統(tǒng)差。

尺寸單位：mm

圖1 雙軸轉(zhuǎn)向架與車輛

受轉(zhuǎn)向架形式影響，單軸轉(zhuǎn)向架單軌車輛與雙軸轉(zhuǎn)向架單軌車輛相比，主要有以下幾點(diǎn)區(qū)別：

(1) 輕量化。在車輛的總體質(zhì)量中，轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量占有相當(dāng)大的比例。因此單軸轉(zhuǎn)向架減少輪對(duì)數(shù)量對(duì)減少轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量及整車質(zhì)量的效果較明顯。

(2) 低地板。由于單軸轉(zhuǎn)向架體量較小，將其置于車廂內(nèi)部，可有效降低地板高度，從而降低整車高度。以龐巴迪Monorail 300為例[2]，其車輛高度為4.05 m，比日立單軌車輛降低了1.25 m；同時(shí)車廂地板面距軌道梁頂面的距離僅 450 mm(見(jiàn)圖2)。

a) 立體圖

b) 截面圖

尺寸單位：mm

圖2 單軸轉(zhuǎn)向架與車輛

(3)曲線通過(guò)性能好。單軸轉(zhuǎn)向架通過(guò)曲線時(shí)的輪對(duì)橫向力、最大橫向位移、輪對(duì)沖角等指標(biāo)均優(yōu)于雙軸轉(zhuǎn)向架[1]，其曲線通過(guò)性能在小半徑情況時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯。

(4)載客能力低。由于減少了單車車軸數(shù)量，車輛承載能力下降，單軸轉(zhuǎn)向架跨坐式單軌往往采用縮短車輛長(zhǎng)度等方式確保車輛的承載能力，故其載客能力降低。

1.3 適用范圍

基于單軸轉(zhuǎn)向架跨坐式單軌的特點(diǎn)，其主要運(yùn)用范圍如下：

(1)高峰小時(shí)客流小于3萬(wàn)人次的城市軌道交通線路。為保障轉(zhuǎn)向架承載力，單軸轉(zhuǎn)向架跨坐式車輛有效載客長(zhǎng)度一般為11 m左右，車輛定員一般為100～120人?？紤]到道岔轉(zhuǎn)轍時(shí)間，以1列120 s發(fā)車間隔[4]、8輛編組的列車計(jì)算，高峰小時(shí)列車單向運(yùn)輸能力為2.4～2.9萬(wàn)人次。

(2)環(huán)境指標(biāo)要求高的大型組團(tuán)內(nèi)部軌道交通線路。單軸轉(zhuǎn)向架跨坐式單軌具有振動(dòng)小、噪聲小等優(yōu)勢(shì)，可運(yùn)用于工業(yè)園區(qū)、機(jī)場(chǎng)綜合樞紐以及大型居住社區(qū)等大型組團(tuán)的內(nèi)部交通線路。

(3)旅游觀光線路。單軸轉(zhuǎn)向架單軌車輛具有輕量化的特征，故可將其外觀打造得更加時(shí)尚動(dòng)感。在旅游景區(qū)，此類跨坐式車輛構(gòu)成了城市中一道獨(dú)特的風(fēng)景線。目前，西安曲江、新加坡圣淘沙以及佛羅里達(dá)州迪士尼等地采用的即為單軸轉(zhuǎn)向架小型跨坐式車輛。

2 跨坐式單軌線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

對(duì)于景區(qū)、園區(qū)跨坐式單軌線路，目前我國(guó)尚無(wú)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，基本按照特種游樂(lè)設(shè)施來(lái)審批建設(shè)。由于小型跨坐式單軌車輛形式各異，因此在線路設(shè)計(jì)過(guò)程中，可按照車輛參數(shù)配予適當(dāng)?shù)募夹g(shù)條件。

對(duì)于城市軌道交通線路，目前我國(guó)已建成的重慶2、3號(hào)線均屬于雙軸轉(zhuǎn)向架車輛，其已具備完備的國(guó)家規(guī)范，即GB50458—2008《跨坐式單軌交通設(shè)計(jì)規(guī)范》。

而單軸轉(zhuǎn)向架跨坐式單軌在我國(guó)尚未以城市軌道交通形式建成。目前，我國(guó)多個(gè)城市已經(jīng)開(kāi)工建設(shè)或正在對(duì)此開(kāi)展前期研究工作，各地基本上各自為戰(zhàn)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)各不相同。以重慶項(xiàng)目(雙軸)、西安項(xiàng)目(單軸)及西寧項(xiàng)目(單軸)為例[5-7]，其主要線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比如表1所示。

表1 我國(guó)各地跨坐式單軌線路標(biāo)準(zhǔn)比較

由表1可知，我國(guó)單軸跨坐式項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)采用的線路參數(shù)，部分沿用雙軸規(guī)范，部分采用相對(duì)安全值，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定性，但這種處理方式不能體現(xiàn)單軸轉(zhuǎn)向架跨坐式單軌車輛的優(yōu)勢(shì)。因此研究合理適用的技術(shù)條件，對(duì)于跨坐式單軌線路規(guī)范化意義重大。

3 線路平面技術(shù)條件

3.1 最小曲線半徑

由單軸跨坐式單軌應(yīng)用范圍可知，其最小曲線半徑的選取主要受車輛構(gòu)造、行車速度及周邊地形、公路以及城市道路技術(shù)條件影響。

3.1.1 車輛構(gòu)造

單軸轉(zhuǎn)向架能夠在曲線處更貼切走行軌道，有效減小轉(zhuǎn)彎半徑，如圖3所示。目前，國(guó)內(nèi)外適用于城市軌道交通的單軸跨坐式車輛最小轉(zhuǎn)彎半徑均為46 m。巴西圣保羅單軌采用最小曲線半徑46 m，我國(guó)已建成的深圳比亞迪園區(qū)跨坐式單軌與銀川花博園跨坐式單軌均采用最小曲線半徑60 m。

a) 雙軸轉(zhuǎn)向架b) 單軸轉(zhuǎn)向架

圖3 雙軸、單軸轉(zhuǎn)向架通過(guò)曲線示意圖

3.1.2 行車速度

3.1.2.1 超高值的確定

根據(jù)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)實(shí)踐，我國(guó)地鐵采用120 mm的最大超高值[8-9]，將其換算為跨坐式單軌交通的最大超高率hlmax為8%。

當(dāng)列車在以高于設(shè)計(jì)速度的曲線上行駛時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生未被平衡的離心加速度a和欠超高h(yuǎn)q。當(dāng)hq過(guò)大時(shí)，會(huì)對(duì)列車通過(guò)曲線的安全性、舒適性造成影響。根據(jù)國(guó)內(nèi)鐵路相關(guān)試驗(yàn)[10]，a、允許欠越高h(yuǎn)qy與乘客舒適度的關(guān)系如表2所示。

表2 a、hqy與乘客舒適度的關(guān)系

由表2可知，當(dāng)hqy為60 mm時(shí)，乘客反應(yīng)“基本無(wú)感覺(jué)”?？紤]到單軸車輛的低地板設(shè)計(jì)，建議將a提高至0.52，此時(shí)hqy為80 mm，將其換算為跨坐式單軌交通的允許欠超高率hlqy為5%(困難情況下取7%)。

3.1.2.2 行車速度允許的最小曲線半徑

跨坐式單軌交通的超高、運(yùn)行速度和曲線半徑之間關(guān)系如下[5]：

(v/3.6)2/R-ghlmax=ghlqy

(1)

式中：

v——列車通過(guò)曲線的運(yùn)行速度，km/h；

R——曲線半徑，m；

g——重力加速度，m/s2。

當(dāng)hlmax取8%、hlqy取5%(困難情況取7%)時(shí)，可以推導(dǎo)出最小曲線半徑Rmax與v之間的關(guān)系：一般情況下Rmin=0.059v2，困難情況下Rmin=0.051v2。

當(dāng)v按80 km/h計(jì)算時(shí)，一般情況下R為380 m，困難情況下R為330 m；當(dāng)v按40 km/h計(jì)算時(shí)，一般情況下R為95 m，困難情況下R為82 m；以列車過(guò)岔速度為25 km/h計(jì)算時(shí)，則一般情況下R為37 m，困難情況下R為32 m，此時(shí)該值已低于車輛構(gòu)造通過(guò)能力。

3.1.3 城市道路建設(shè)條件

跨坐式單軌交通應(yīng)盡量沿城市道路敷設(shè)，其平面條件宜與道路線形標(biāo)準(zhǔn)相匹配，減少征地拆遷以及因與道路重復(fù)交叉帶來(lái)的大體量下部結(jié)構(gòu)。

我國(guó)城市道路及公路最小曲線半徑規(guī)定[11-12]如表3所示。由表3可知，當(dāng)單軸跨坐式單軌最小曲線半徑選取70 m時(shí)，大部分道路所設(shè)置曲線半徑是可以適應(yīng)單軌線路敷設(shè)的。

表3 城市道路及公路最小平曲線半徑

綜上所述，單軸轉(zhuǎn)向架跨坐式單軌采用最小曲線半徑與行車速度的關(guān)系為：一般情況下Rmin=0.059v2，困難情況下Rmin=0.051v2；為在城市軌道交通中充分展現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)，一般情況下Rmin可取70 m，特殊情況下Rmin取50 m。

3.2 曲線及夾直線最小長(zhǎng)度

文獻(xiàn)[9]為避免1節(jié)車輛同時(shí)跨越3段線型，保障車輛平穩(wěn)運(yùn)行，取圓曲線及夾直線最小長(zhǎng)度為20 m。文獻(xiàn)[5]為避免1片軌道梁跨越3段線型以及減少設(shè)計(jì)與制作難度，上述取值應(yīng)略長(zhǎng)(該取值與文獻(xiàn)[9]取值20 m一致)。

單軸轉(zhuǎn)向架跨坐式單軌的軸距較傳統(tǒng)雙軸要小，且考慮到跨坐式單軌多與市政道路結(jié)合敷設(shè)，為提高平面適應(yīng)性，可適當(dāng)降低標(biāo)準(zhǔn)，類比地鐵規(guī)范，采用1節(jié)車輛長(zhǎng)度取整(即10～15 m)作為控制標(biāo)準(zhǔn)。此外，跨坐式單軌軌道梁一般采用預(yù)制，由于孔跨布設(shè)的延續(xù)性，難以避免跨越兩種線型，因此，1片軌道梁跨越3段線型(兩種線型)對(duì)設(shè)計(jì)與制作影響不大。

4 線路縱斷面技術(shù)條件

4.1 最大坡度

跨坐式單軌交通車輛采用橡膠輪胎，其粘著力大、爬坡能力強(qiáng)。目前，各廠家生產(chǎn)的新型跨坐式單軌車輛(單軸、雙軸)均能實(shí)現(xiàn)100‰的爬坡能力。參照國(guó)內(nèi)外已建線路的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)營(yíng)情況，建議最大坡度采用60‰；困難條件下，非載客區(qū)段經(jīng)造價(jià)、運(yùn)營(yíng)等多方面分析比較，在理由充分的基礎(chǔ)上可采用不大于90‰的坡度。

對(duì)于單軸跨坐式單軌車輛，由于其車輛自重輕，且采用全動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，根據(jù)國(guó)外的應(yīng)用情況，建議曲線上縱坡不考慮折減。

4.2 豎曲線

文獻(xiàn)[9]中，車輛通過(guò)變坡點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的豎向加速度ay、豎曲線半徑Ry與v之間的關(guān)系[9]為：

Ry=v2/(3.62ay)

(2)

文獻(xiàn)[9]對(duì)于ay的取值：一般情況下為0.1～0.154 m/s2，困難情況下為0.17～0.26 m/s2?？紤]到跨坐式單軌采用膠輪運(yùn)行，故ay可取地鐵規(guī)范中的大值，即一般情況下取0.15 m/s2，困難情況下取0.25 m/s2。假設(shè)車輛速度為80 km/h，故可得出豎曲線半徑一般情況下約為3 000 m，困難情況下約為2 000 m。

4.3 最小坡段長(zhǎng)

單軌列車通過(guò)變坡點(diǎn)時(shí)，會(huì)發(fā)生突變性的沖擊加速度，對(duì)舒適度有一定影響。從行車平穩(wěn)考慮，宜設(shè)計(jì)較長(zhǎng)的坡段長(zhǎng)，但坡段過(guò)長(zhǎng)也容易帶來(lái)地形的不適應(yīng)性，從而增加建設(shè)成本。

文獻(xiàn)[9]提出，坡段長(zhǎng)度不宜小于遠(yuǎn)期或客流控制期列車長(zhǎng)度，且要滿足兩個(gè)豎曲線之間的夾直線長(zhǎng)度。這是為了防止1列列車范圍內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)兩種以上坡段、坡度及豎曲線，從而改善列車運(yùn)行條件。

以目前單軸轉(zhuǎn)向架跨坐式單軌車輛來(lái)看，單列(8輛編組)車輛全長(zhǎng)一般不超過(guò)100 m。因此，建議跨坐式單軌線路最短坡段長(zhǎng)度一般情況不小于200 m，困難情況下不小于遠(yuǎn)期列車長(zhǎng)度。另外，坡段長(zhǎng)度還應(yīng)滿足兩個(gè)豎曲線之間不小于100 m間隔的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

跨坐式單軌交通是城市軌道交通的重要分支，而單軸轉(zhuǎn)向架跨坐式單軌作為其發(fā)展方向之一，具有造價(jià)低、建設(shè)周期短、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。目前我國(guó)多個(gè)城市正積極推進(jìn)，具有較好的發(fā)展前景。

我國(guó)僅有重慶建成運(yùn)營(yíng)雙軸轉(zhuǎn)向架跨坐式單軌，目前多個(gè)設(shè)備廠商均推出新型單軸跨坐式單軌，原有規(guī)范覆蓋性不強(qiáng)。本文對(duì)主要線路技術(shù)條件提出取值建議或計(jì)算辦法，對(duì)新型跨坐式單軌項(xiàng)目的設(shè)計(jì)起到參考和借鑒意義。

本文提出的曲線半徑、最小夾直線長(zhǎng)度及圓曲線長(zhǎng)度較文獻(xiàn)[5]有所突破，體現(xiàn)了單軸轉(zhuǎn)向架對(duì)于跨坐式單軌的優(yōu)勢(shì)。同等技術(shù)條件下，單軸車輛的輪胎磨耗、振動(dòng)及噪聲均小于雙軸車輛，但由于缺乏相關(guān)運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)，未對(duì)曲線半徑減小帶來(lái)的磨耗增大等問(wèn)題進(jìn)行分析。建議小半徑曲線可多用于景區(qū)及園區(qū)線路，并通過(guò)運(yùn)營(yíng)積累經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，逐步形成可行而又經(jīng)濟(jì)合理的技術(shù)參數(shù)。