歐成章 李曉飛

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308)

1 研究背景

懸掛式單軌交通系統(tǒng)的發(fā)展已逐漸成熟，該系統(tǒng)具有占地少、適應(yīng)性強(qiáng)、投資少、工期短等突出優(yōu)點(diǎn)，特別適合用于中小城市交通干線、大城市交通接駁線及旅游景區(qū)觀光線路[1]。

目前，國(guó)內(nèi)已建成多條懸掛式單軌試驗(yàn)線(均為車輛廠內(nèi)試驗(yàn)線路)，尚無(wú)商業(yè)運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)積累及成熟的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究：黃華瑋對(duì)懸掛式單軌交通的最小曲線半徑及曲線限速值進(jìn)行了研究[2]；王建才基于傾斜時(shí)變率并借鑒軌道交通的理論，推導(dǎo)了懸掛式單軌緩和曲線長(zhǎng)度計(jì)算公式[3]；李濤等通過理論計(jì)算，明確了線路標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)參數(shù)[4]；郭臣以最大傾斜角度6.5°、最高行駛速度50 km/h的懸掛式單軌車輛為例，對(duì)懸掛式單軌交通線路的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究[5]。這些研究或采用理論分析、或參照傳統(tǒng)軌道交通的經(jīng)驗(yàn)，均取得了一定的成果，但沒有結(jié)合旅游觀光線路低速、高舒適性等要求，以及軌道梁的設(shè)計(jì)、制造和安裝等因素進(jìn)行綜合研究。因此，開展懸掛式單軌旅游觀光線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的分析和研究很有必要。

基于湖北恩施青云崖旅游觀光線工程實(shí)踐，結(jié)合我國(guó)中唐新能源空鐵試驗(yàn)線、開封空鐵示范段、中鐵科工江夏試驗(yàn)線等懸掛式單軌試驗(yàn)線的經(jīng)驗(yàn)，分析研究懸掛式單軌旅游觀光線路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的選取原則。

2 工程概況

湖北恩施青云崖度假區(qū)旅游觀光線采用懸掛式單軌的形式，串聯(lián)鷹嘴崖、向家山絕壁、懸壁酒店、神掌峰等景點(diǎn)。沿線地形、地物復(fù)雜，部分線路沿懸崖峭壁布設(shè)。線路正線全長(zhǎng)2.1 km，均為高架線；設(shè)車站3座，車輛段1座。

3 線路平面主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

3.1 最小曲線半徑

懸掛式單軌交通將車體懸掛于軌道梁下方，通過懸掛構(gòu)件連接轉(zhuǎn)向架和車體。車輛通過曲線時(shí)，離心力使車體產(chǎn)生傾斜，當(dāng)傾斜到一定程度，限位止擋將限制車體繼續(xù)傾斜，此時(shí)車體達(dá)到最大傾斜角。如通過速度繼續(xù)增加，則離心力無(wú)法被車體地板反力的水平分量所平衡，未被平衡的離心加速度易使乘客感覺不適。

根據(jù)受力分析，曲線最小半徑主要受列車最高運(yùn)行速度、未被平衡的離心加速度及車體最大允許傾角控制。

(1)列車最高運(yùn)行速度

目前，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)用于觀光游覽的懸掛式單軌商業(yè)運(yùn)營(yíng)線路，也無(wú)類似規(guī)范、案例可參考?；诼糜斡^光線路的功能定位，為使乘客擁有充裕的觀景時(shí)間和豐富的觀景體驗(yàn)，結(jié)合沿線地形、地物等條件，列車最高運(yùn)行速度暫定為30 km/h，限速25 km/h運(yùn)行。

(2)未被平衡的離心加速度

未被平衡的離心加速度對(duì)乘客舒適度的影響試驗(yàn)表明，速度在0.4～0.8 m/s2之間不會(huì)造成乘客不適。

本線為旅游觀光線路，采用透明車體，且距地面較高，在一定程度上將加劇乘客的不適感覺。根據(jù)大唐試驗(yàn)線[6]、開封試驗(yàn)線[7]的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及乘坐體驗(yàn)，確定未被平衡的離心加速度限值為小于0.4 m/s2。

(3)車體最大允許傾角

列車運(yùn)行導(dǎo)向軌道的軌道梁一般采用鋼結(jié)構(gòu)，在緩和曲線段設(shè)置超高將造成軌道梁的制造、焊接過于復(fù)雜。根據(jù)車輛廠提供的車輛資料，懸掛式單軌列車最大允許傾角為6°(傾角6°相當(dāng)于輪軌系統(tǒng)設(shè)置超高158 mm，已大于地鐵的最大超高值120 mm)，故懸掛式軌道梁不再考慮設(shè)置超高。

根據(jù)對(duì)懸掛式單軌列車的受力分析，可得其通過曲線時(shí)的速度-半徑關(guān)系

(1)

式中R——線路曲線半徑/m；

g——重力加速度/(9.8 m/s2)；

ν1——列車縱向通過速度/(m/s)；

ν2——列車縱向通過速度/(km/h)；

αy未——未被平衡的離心加速度/(m/s2)；

αmax——車體橫向偏移的最大傾角/(°)。

根據(jù)對(duì)最小曲線半徑影響因素的分析，結(jié)合本線列車最高運(yùn)行速度、未被平衡的離心加速度、車體最大傾角，確定線路正線最小曲線半徑為50 m。

3.2 緩和曲線設(shè)置

為保持列車曲線運(yùn)行的平穩(wěn)性，在曲線與直線之間設(shè)置緩和曲線，以承擔(dān)曲率半徑、軌道超高、軌距加寬等過渡任務(wù)。

懸掛式單軌車體能自由擺動(dòng)，以適應(yīng)離心力的變化，當(dāng)曲線半徑大于或等于150 m時(shí)，按限速25 km/h計(jì)算，此時(shí)離心加速度對(duì)舒適度影響不大，故曲線半徑R≥150 m時(shí)可不設(shè)緩和曲線。

懸掛式單軌不存在超高及軌距加寬，緩和曲線長(zhǎng)度主要受未被平衡橫向加速度的時(shí)變率β控制，根據(jù)試驗(yàn)線的乘坐體驗(yàn)，時(shí)變率β取0.3 mm/s3較為適宜，緩和曲線長(zhǎng)度按式(2)選取，即

(2)

式中L——緩和曲線長(zhǎng)度/m；

ν——列車最高運(yùn)行速度/(km/h)；

R——曲線半徑/m。

為降低軌道梁的設(shè)計(jì)、制造和安裝難度，提升乘客舒適度，應(yīng)避免一根軌道梁上存在三種線形，故緩和曲線的最小長(zhǎng)度為20 m，圓曲線及夾直線最小長(zhǎng)度也應(yīng)參照該原則設(shè)置。

4 線路縱斷面主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

4.1 正線最大坡度

線路最大坡度取決于車輛性能，根據(jù)國(guó)內(nèi)車輛廠提供的資料，國(guó)內(nèi)懸掛式單軌車輛的爬坡能力均可達(dá)到100‰。

平面轉(zhuǎn)彎半徑小是懸掛式單軌的主要優(yōu)點(diǎn)之一。由于采用橡膠輪胎，通過小半徑曲線時(shí)列車附加力增大。因此，應(yīng)對(duì)線路最大坡度進(jìn)行適當(dāng)折減。

大唐新能源空鐵試驗(yàn)線的列車最高運(yùn)行速度為60 km/h，線路最大縱坡為60‰。該試驗(yàn)線總計(jì)20 000 km的安全運(yùn)行實(shí)踐驗(yàn)證了最大坡道采用60‰是適宜的[9]。

本線最高運(yùn)行速度為30 km/h，速度較低，沿線為復(fù)雜的山地地形，結(jié)合試驗(yàn)線的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定正線最大坡度為60‰。

4.2 豎曲線設(shè)置

在變坡點(diǎn)處設(shè)置圓曲線型豎曲線將有效改善變坡點(diǎn)處的豎向舒適度。舒適度由豎向加速度指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，有

(3)

式中av——豎向加速度/(m/s2)；

V——行車速度/(km/h)；

Rsh——豎曲線半徑/m。

根據(jù)國(guó)外資料，豎向加速度av的取值范圍較寬，為0.08 ～0.31 m/s2。

為打造最佳的乘車體驗(yàn)，豎向加速度取0.08 m/s2，此時(shí)Rv=V2，經(jīng)計(jì)算，豎曲線最小半徑為1 000 m。

兩相鄰坡段之間是否設(shè)置豎曲線主要受變坡點(diǎn)處修正值的控制?！兜罔F設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157)規(guī)定，兩相鄰坡段的坡度代數(shù)差≥2‰時(shí)，應(yīng)在變坡點(diǎn)設(shè)置圓曲線型的豎曲線[10]，而代數(shù)差<2‰時(shí)，變坡點(diǎn)的修正值可忽略不計(jì)。

結(jié)合旅游觀光線性質(zhì)，從提升乘客舒適度及觀景體驗(yàn)的角度，當(dāng)兩相鄰坡段的坡度代數(shù)差≥2‰時(shí)，應(yīng)在變坡點(diǎn)設(shè)置圓曲線型的豎曲線。

4.3 坡段長(zhǎng)度

為使列車長(zhǎng)度范圍內(nèi)只有一個(gè)變坡點(diǎn)，避免列車通過變坡點(diǎn)時(shí)的附加力疊加和頻繁變化，坡段最小長(zhǎng)度應(yīng)大于遠(yuǎn)期列車長(zhǎng)度，并保證相鄰豎曲線間有足夠的夾直線長(zhǎng)度。在設(shè)計(jì)中，坡段長(zhǎng)度往往受夾直線長(zhǎng)度控制。

根據(jù)試驗(yàn)線的經(jīng)驗(yàn)，一節(jié)軌道梁存在三種線形將增加制造和安裝的難度，因此，確定相鄰豎曲線間夾直線的最小長(zhǎng)度為20 m。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)平面曲線最小半徑應(yīng)根據(jù)列車最高運(yùn)行速度、未被平衡的離心加速度及車體最大允許傾角計(jì)算確定。

(2)懸掛式單軌線路中的緩和曲線僅承擔(dān)曲率半徑由R-∞的過渡；當(dāng)離心加速度不大時(shí)，可不設(shè)緩和曲線，以方便軌道梁的設(shè)計(jì)及制造。設(shè)置緩和曲線時(shí)，其長(zhǎng)度根據(jù)未被平衡橫向加速度的時(shí)變率計(jì)算確定。

(3)根據(jù)車輛性能并考慮曲線折減后，線路正線的最大坡度采用60‰是合理的。

(4)兩相鄰坡段的坡度代數(shù)差≥2‰時(shí)，應(yīng)在變坡點(diǎn)設(shè)置圓曲線型的豎曲線，豎曲線半徑按V2(V為最高運(yùn)行速度/(km/h))計(jì)算確定。

(5)坡段最小長(zhǎng)度應(yīng)大于遠(yuǎn)期列車長(zhǎng)度。

(6)平面圓曲線、緩和曲線、夾直線及縱斷面夾直線的最小長(zhǎng)度按一節(jié)軌道梁不出現(xiàn)三種線形的原則確定。