錢科元，王孔明，徐銀光，張茂帆，何安靜

(中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

懸掛式單軌系統(tǒng)具有特殊的結構形式，車輛基地設計與傳統(tǒng)軌道交通車輛相比在檢修工藝、橋梁、軌道、限界、站場等專業(yè)設計均有所不同。在檢修工藝方面，國內已有一些研究成果，其中對懸掛式單軌運用檢修情況、國內車輛檢修修程修制、檢修作業(yè)內容、檢修工藝及設備、綜合維修體系等方面進行了研究[1-4]。在橋梁設計方面，懸掛式單軌系統(tǒng)橋梁系統(tǒng)同傳統(tǒng)地鐵橋梁結構上存在較大差異，懸掛式單軌橋梁采用下部開口的箱形軌道梁和3種結構形式(倒L形、T 形、門形)的橋墩，對于橋墩和箱形軌道梁連接方式，國內目前主要有牛腿支座及銷軸連接兩種，相關學者對橋梁箱形軌道梁、橋墩、連接方式、伸縮縫進行了研究[5-7]。在軌道設計方面，懸掛式單軌系統(tǒng)道岔同地鐵車輛段所采用的道岔存在較大差異，國內對懸掛式單軌道岔結構類型、結構特點、道岔結構進行了設計研究[8-9]。在限界設計方面，懸掛式單軌車輛在結構上與地鐵車輛存在較大差異，國內對懸掛式單軌限界計算方法、分析方法等方面進行了研究[10-15]。

由于懸掛式單軌車輛、道岔特殊的結構形式，車輛段內需設置橋梁，布設橋墩，橋墩需結合橋梁直曲線跨度要求、道岔布置情況(道岔與車場線連接處需布置橋墩)、限界要求進行合理布置。在站場設計方面，需結合懸掛式單軌車輛性能參數(shù)(如最大爬坡能力，最小轉彎半徑)、道岔結構特點(道岔與道岔連接無需設置夾直線)、橋墩布置情況(滿足站場車場線設計，但橋墩可能無空間布置)、限界要求等因素來設置最優(yōu)的車輛段車場線平面布置方案。另外，懸掛式單軌架空建設，車輛轉向架走行在箱形軌道梁內，場坪確定與地鐵車輛段設計也存在一定差異。上述這些方面，國內尚未發(fā)現(xiàn)相關文獻分析。

近些年來，我國對懸掛式單軌系統(tǒng)核心關鍵子系統(tǒng)車輛、橋梁、道岔等領域進行了攻關，目前，已具有自主知識產權，能夠實現(xiàn)關鍵子系統(tǒng)國產化。但懸掛式單軌屬于小運量交通系統(tǒng)，工程投資卻達到1.5億～2.6億元/ km[16-17]，相對其他小運量的交通系統(tǒng)，整體造價仍然較高，市場推廣進度較為緩慢。據(jù)不完全統(tǒng)計，近年來共有30多項懸掛式單軌制式工程咨詢、設計項目，僅有5項最終落地項目(含4條廠區(qū)試驗線項目)。

車輛基地作為軌道交通項目的重要組成部分，懸掛式單軌車輛基地工程造價指標占總工程費用比例為6.8%～12.23%[17]。若能通過一些技術手段降低懸掛式單軌車輛基地工程投資，將有效減少總工程費用投資。不同項目車輛基地工程造價指標與總工程費用比例存在差異，主要是受車輛基地功能定位以及規(guī)模大小影響。

因此，有必要在不影響車輛基地基本使用功能的前提下，結合懸掛式單軌系統(tǒng)特點，對新能源懸掛式單軌車輛基地進行集約化設計。以西南某市項目為例，對車輛基地集約化設計方法進行探討。

1 新能源懸掛式單軌系統(tǒng)介紹(圖1)

圖1 新能源懸掛式單軌車輛

懸掛式單軌系統(tǒng)，車輛懸掛在箱形軌道梁下方，箱形軌道梁架空建設，屬于空中軌道交通，具有良好的視野。同時不占用地面路權，對地面既有交通系統(tǒng)幾乎無影響。懸掛式單軌車輛轉向架隱藏在箱形軌道梁內部，轉向架采用橡膠輪胎走行、導向，爬坡能力強，最大爬坡能力達80‰。線路適應性好，最小曲線半徑達30 m。同時，還具有運營安全可靠、建設周期短、景觀效果好等技術亮點。

新能源懸掛式單軌車輛在供電方式上有所差異，新能源懸掛式單軌車輛采用車載磷酸鐵鋰蓄電池包作為動力源[18]，供電電壓等級為DC750V。每個蓄電池包由236個單體電池串聯(lián)組成，動力包的容量能達到211.5 kW ·h，每個動力車的轉向架間設置1個動力包。在平直道上的續(xù)航里程為130～180 km。車載蓄電池包電量SOC從20%充至100%所需充電時間約1.5 h。

2 車輛基地功能定位及設計規(guī)模

2.1 功能定位分析

車輛基地是懸掛式單軌車輛運用檢修作業(yè)的場所，車輛基地首要任務是需滿足車輛停放、日常保養(yǎng)、維修任務。同時結合項目特點，降低工程投資，對全面、重點較高修程車輛檢修采用返廠修，對維修難度大、專業(yè)素質要求高的部件維護采用委外或返廠修理?？紤]國內懸掛式單軌換輪修里程已能達到10萬km水平，綜合分析，車輛基地應承擔換輪修及以下修程的檢修任務。

另外，懸掛式單軌系統(tǒng)是一個集車輛、橋梁、道岔、軌道、房建、通信、信號等多系統(tǒng)于一體的復雜交通系統(tǒng)。各系統(tǒng)間相輔相成，缺一不可，只有保證其他系統(tǒng)狀態(tài)良好，才能確保懸掛式單軌車輛安全、高效運行。因此，除車輛系統(tǒng)以外的其他各系統(tǒng)的維護、保養(yǎng)也至關重要，可結合項目特點，在項目沿線單獨設置綜合維修工區(qū)或共享現(xiàn)有線網的綜合維修工區(qū)，也可將綜合維修功能統(tǒng)籌規(guī)劃在車輛基地內。結合本項目里程短且未與成都現(xiàn)有線網連通的特點，車輛基地應整合綜合維修功能。

車輛及其他系統(tǒng)的維護、維修、保養(yǎng)作業(yè)過程中，需使用到各種各樣的材料、工具器械、零部件配件以及勞保用品，因此，傳統(tǒng)的軌道交通車輛基地通常設置有物資總庫，負責承擔軌道交通各系統(tǒng)配件、材料、物資的管理、采購、存儲等任務。本項目里程較短、車站等附屬設施設備系統(tǒng)相對較少，車輛基地內可不單獨設置物資總庫，只需設置物資存放備品間，各系統(tǒng)配件、材料、物資管理、采購部門可由相關部門兼任。

懸掛式單軌系統(tǒng)各子系統(tǒng)的檢修、維護是一項技術活動，有必要對工作人員進行技術培訓，車輛基地作為開展檢修、維護工作的集中地，在車輛基地內設置培訓中心，有利于技術人員培訓工作開展，因此，車輛基地應承擔技術人員培訓功能。

懸掛式單軌系統(tǒng)的結構形式，導致該系統(tǒng)列車故障救援和人員疏散困難和復雜[19]。車輛基地內更有必要配備用于列車故障救援的設施設備，當列車發(fā)生故障時，承擔起全線列車故障救援任務。經上述內容分析，懸掛式單軌車輛基地功能定位總結見表1。

表1 車輛基地功能定位及任務范圍

2.2 設計規(guī)模

按照懸掛式單軌車輛的修程修制，并結合車輛基地功能定位，確定車輛基地設計規(guī)模。詳見表2。

表2 車輛段設計規(guī)模 列位

3 車輛基地集約化設計

3.1 路基高程-臺階式場坪

車輛基地的場坪高程是工程設計的重要基礎數(shù)據(jù)，直接影響工程建設的合理性和經濟性[20]。西南某市項目車輛基地位于久盛造紙廠東南側、斜江河邊畔，為原西南某縣砂石料場，局部施工棄土堆填。區(qū)段范圍內，地形平坦，地面高程介于502～505 m，相關水利部門提出車輛基地處百年洪水位高程為506.21 m。

GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》中規(guī)定沿海或江河附近的車輛基地必須按照100年一遇的洪水位確定場坪高程，車輛基地的車場線路肩設計高程不應小于1/100洪水頻率標準的潮水位、波浪爬高值和安全高之和。按照該標準要求設計地鐵車場線路肩高程，將能有效確保車場線、重要設施設備不會被洪水淹沒。

地鐵車輛車體位于轉向架上方，轉向架走行在地面軌道上，走行軌面為車輛的最低點。而懸掛式單軌系統(tǒng)，線路架空建設，車體懸掛在轉向架的下方，轉向架走行在箱形軌道梁內，車輛底部為車輛的最低點。車輛底部高程直接由箱形梁走行軌面高程和相關車輛參數(shù)決定，和場坪高程無直接關系?？紤]到上述因素，地鐵標準對車輛基地車場線高程設計要求不一定完全適合懸掛式單軌車輛系統(tǒng)。

西南某市車輛基地可劃分為咽喉區(qū)、庫區(qū)、廠前區(qū)三大區(qū)域。咽喉區(qū)是車場線集中交匯區(qū)域，場坪內未設置重要的設施設備；庫區(qū)是車輛運用檢修的重要場所，設置有重要的設施設備(變電所、充電站等)。廠前區(qū)是整個車輛基地工作人員生活、辦公區(qū)域，設置有公寓樓、食堂等生產生活住房，未設置重要的設施設備。結合懸掛式單軌車輛特點，車輛基地庫區(qū)場坪參照地鐵設計規(guī)范，按百年一遇洪水位高程確定，并考慮潮水位、波浪爬高值的影響。庫區(qū)場坪高程確定為507.47 m。而場坪上未設置重要設施設備的咽喉區(qū)、廠前區(qū)的場坪高程參照周邊臨近居民宅基地地基高程504.5 m設計。車輛基地內采用“臺階式的場坪”，能減少車輛基地土石方量2.8萬m3。若按土方購置價50元/m3計算，可減少工程投資140萬元。

根據(jù)該項目車輛走行軌面至車輛底部距離參數(shù)(3.66 m)以及運用庫內車輛檢修作業(yè)的空間需求(不考慮作業(yè)人員從車輛底部通行)，車場線(不含洗車線)高程與運用庫庫區(qū)場坪(含建筑硬化地平面層)之間的關系為：車場線高程=庫區(qū)場坪高程+4.9 m。車輛基地的車場線走行軌面高程為512.37 m。在車輛基地咽喉區(qū)車場線處車輛底部高程為508.71 m，此值大于庫區(qū)場坪高程，能夠確保懸掛式單軌車輛不會被洪水淹沒。另外，車輛基地咽喉區(qū)處布置有橋墩承臺，由于咽喉區(qū)場坪未按百年洪水位高程設置，橋梁承臺存在被洪水淹沒的可能。經分析，車輛基地場坪填料采用B組填料，透水后對橋梁樁基礎不會產生負摩阻力，即咽喉區(qū)橋墩被大水浸泡后，能確保安全。

3.2 停車/列檢庫1線多列位布置

為便于運用、檢修作業(yè)，傳統(tǒng)地鐵車輛基地停車/列檢庫列位布置均按照1線2列位設計?？紤]到該市項目所運用的空鐵列車(2輛編組)長度遠小于地鐵(6/8輛編組)列車長度。結合項目選址用地情況，項目車輛基地的停車列檢庫按1線4列位設計，減少了咽喉區(qū)道岔數(shù)量的使用。

空鐵車輛道岔是一種新型道岔，目前國內還未有廣泛使用，其造價較高，經詢問相關廠家道岔造價能達到400萬元/組。

經計算，停車/列檢庫列位布置按1線4列位設置，近期能減少咽喉區(qū)道岔數(shù)量達到3組，按照咨詢的道岔單價計算，近期投資可減少1 200萬元左右。

3.3 利用正線試車

傳統(tǒng)地鐵車輛基地內通常會在車輛基地內設置1條試車線，便于新車/檢修車進行動態(tài)調試。根據(jù)西南某市項目車輛參數(shù)計算基地應設置長0.8 km的試車線。

由于該項目正線里程K14+900～K15+900區(qū)間，存在730 m長最大坡度為4‰的直線段，僅在端部存在曲線半徑200 m，緩和曲線長370 m的曲線段，能滿足車輛最高速度60 km/h的試車要求。另外，考慮該項目主要承擔旅游觀光而非市內通勤功能，夜間非運營時段較長，利用正線試車也不會對正線檢修造成大的影響。

因此，利用正線試車，既能節(jié)省工程投資，減少車輛基地的占地規(guī)模，又不會對運營、檢修造成大的影響?？紤]新車/檢修車動態(tài)調試、信號系統(tǒng)測試均利用正線區(qū)間進行作業(yè)，基地內不設置試車線，進而減少0.8 km的試車線工程投資。經計算，減少工程投資4 430萬元(包含橋梁、道岔、車擋投資)。

3.4 合理設計充電站

西南某市項目車輛采用車載蓄電池作為動力牽引源，車輛基地內需設置充電站為車載蓄電池充電。充電站設計應滿足如下原則。

(1)充電站布置需靠近負荷及變電所，減少電纜敷設量。

(2)蓄電池充電應充分利用夜間的低谷電，綜合考慮蓄電池充電時長，列車檢修作業(yè)工藝要求，確定所有配屬列車在夜間為蓄電池充電的最佳輪次，并計算充電站夜間容量大小需求。

(3)考慮到列車最大續(xù)航里程只有180 km，日間行車列車存在回庫內補充電工況，充電站容量大小需滿足列車日間運營時段同時在庫內充電容量的需要。

(4)結合列車蓄電池夜間、日間充電工況，按照兩者間較大容量需求來設計充電站并配置充電機設備數(shù)量。

按照以上原則，列車蓄電池夜間充電分2批次進行，并經核實夜間充電站容量能夠滿足日間充電工況充電容量需求。相對夜間同時為所有列車充電減少了7臺充電設備的配置，減少近期工程投資近560萬元。同時，通過優(yōu)化夜間充電輪次數(shù)降低了車輛基地內變壓器容量，減少運營后期基本電費開支，若按照每月每千伏安28元計算，每月可節(jié)省基本電費開支近9.8萬元。

3.5 設置綜合檢修列位

由車輛基地設計規(guī)模計算可知，遠期車輛基地的換輪、三月檢列位計算規(guī)模為0.51、0.54列位，設計分別按照1列位設計。項目考慮設置綜合檢修列位，換輪列位兼顧了空軌車輛、工程車輛臨修、新車上線的任務，三月檢線列位也兼顧了工程車輛的日常檢修任務。通過整合空鐵列車/工程車運用、檢修、新車上線、車輛落車等功能，既能充分利用換輪、三月檢檢修臺位，具有更多有用功能，直接利用空鐵列車的檢修設備設施，不增加相應的工程投資。同時，減少了巡檢工程車停放/檢修列位、臨修/新車上線列位的設置，有效控制了車輛基地的占地規(guī)模。

3.6 運用列車兼顧調機功能

新能源懸掛式單軌車輛采用車載蓄電池作為動力源，續(xù)航里程130～180 km，無需正線接觸軌供電。正線懸掛式單軌車輛發(fā)生故障時，只要在續(xù)航里程范圍內，可利用故障列車臨近的運用列車對故障列車上的乘客進行疏散，并和故障列車進行聯(lián)掛將故障列車送回臨近車站或車輛基地。

新能源懸掛式單軌列車通常由2～3輛動力車編組而成，列車長度較短，僅23～36m。用于庫內車輛調車、轉線作業(yè)，對其他股道車輛運行不會造成太大的影響。另外，空鐵列車(AW0)能將另一列停在60‰坡道上的超員(AW3)載荷工況的故障列車牽引(或推送)至最近的車站，清客后繼續(xù)以不小于20 km/h的速度牽引(或推送)至車輛段。

利用車載蓄電池為懸掛式單軌列車提供動力的特點，讓其承擔列車正線故障救援，車場內調車、轉線的功能。可減少蓄電池調機工程車輛設備配置，降低工程投資。

4 車輛基地的總平面方案

車輛基地由咽喉區(qū)、運用庫庫區(qū)、廠前區(qū)三大區(qū)域組成。咽喉區(qū)主要布置了橋墩、預留調機工程車庫(呈盡端式布置)，該區(qū)域場坪高程為504.5 m左右。運用庫庫區(qū)主要由運用庫及環(huán)形道路組成。運用庫(呈盡端式布置)由5條1線4列位的停車/列檢庫、2條1線1列位三月檢/換輪/臨修庫、洗車庫和運轉綜合樓、檢修綜合樓組成，布置在段址的南端。運用庫庫區(qū)的場坪高程為507 m左右。廠前區(qū)主要由綜合樓、公寓樓、廣場及停車區(qū)域組成，綜合樓設置了食堂、綜合維修、辦公、培訓及各專業(yè)設備設施用房。廠前區(qū)高程為505 m左右。

為滿足建筑消防要求，車輛基地內設有環(huán)形運輸?shù)缆泛拖赖缆?，設2處出入口。主出入口設在車輛基地的東北側，與既有機耕道相連通向大新路；次出入口設在車輛基地西北側，與既有機耕道相連。車輛基地總平面布置如圖2所示，車輛基地鳥瞰效果如圖3所示。

圖2 車輛基地總平面布置

圖3 車輛基地鳥瞰效果

建標104—2008《城市軌道交通工程項目建設標準》規(guī)定車輛段(定修級)的占地指標按900 m2/輛(不含預留用地)控制，西南某市項目全段總占地規(guī)模為3.17 hm2，車輛占地指標僅為879.7 m2/輛(含預留停車列位、預留調機工程車庫用地)，可見該車輛基地設計已充分利用狹小的三角形地塊，車輛平均占地指標低。

5 結論

(1)小運量的懸掛式單軌交通系統(tǒng)，車輛基地內可不單獨設置物資總庫，設置一定數(shù)量的物資存放備品間即可。建議車輛基地按照換輪/臨修級別設計，盡量控制車輛基地規(guī)模。

(2)懸掛式單軌系統(tǒng)站場專業(yè)設計需考慮車輛、道岔結構參數(shù)特點，考慮橋梁橋墩布置、限界要求。

(3)懸掛式單軌車輛基地的場坪高程，可分區(qū)域確定，即懸掛式單軌車輛基地可設計成臺階式場坪。

(4)充電站設計需充分利用夜間低谷電，設計總容量由夜間、日間較大的充電容量需求確定。夜間充電容量需求大小，可通過提高夜間充電輪次來減少。

(5)“臺階式的場坪”“1線多列位”“利用正線試車”“合理設計充電站”“綜合檢修列位”“運用列車兼顧調機功能”等技術方法適用于懸掛式單軌車輛基地設計，且方法可行，能夠減少車輛基地工程投資，效果顯著。

(6)通過集約化設計，車輛基地充分利用了狹小的三角形地塊的面積，車輛占地指標低于相關標準規(guī)定的指標。