懸掛式單軌交通系統(tǒng)關鍵技術及適應性分析

趙 陽

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

1 懸掛式單軌交通系統(tǒng)發(fā)展概述

近年來，隨著我國城市軌道交通的蓬勃發(fā)展，各地對于系統(tǒng)制式的選擇日趨多樣化，根據(jù)各地人口、經(jīng)濟情況的不同因地制宜地采用多層次、多制式軌道交通方式的趨勢開始顯現(xiàn)[1]。除傳統(tǒng)地鐵之外的中低運量軌道交通系統(tǒng)也越來越受到二、三線城市的青睞，懸掛式單軌作為其中的一種，以對地面道路占用少、施工簡便、乘坐體驗好等特點逐漸進入人們的視野。

懸掛式單軌又稱“空軌”，最早起源于20世紀初的德國，隨后在世界多地小范圍建設運營，但其中大部分為長度不足1 km的旅游線路，不具有借鑒意義。經(jīng)過梳理，目前世界范圍內(nèi)作為主要客運交通工具使用的線路共有5條，其中3條位于德國，2條位于日本，分別為德國伍珀塔爾懸掛式單軌、多特蒙德工業(yè)大學H-Bahn、杜塞爾多夫機場SkyTrain、日本湘南江之島線以及千葉都市單軌電車。

德國伍珀塔爾線：伍珀塔爾市懸掛式單軌線路于1901年投入正式運營，時至今日已成功運營百余年。其線路全部采用高架敷設，長度13.3 km，其中10 km位于Wupper河正上方10～12 m高處，另外3.3 km線路沿Valley大道布設，設站20座，自1997年起正式成為城市地標，為目前世界運營時間最長的懸掛式單軌線路。

德國多特蒙德工業(yè)大學H-Bahn：為解決多特蒙德工業(yè)大學南北兩校區(qū)的通勤問題，學校于1984年開通了懸掛式單軌線路H-Bahn，線路長度3.2 km，設站5座，并在Dortmund Universit?t S站與市域S1線接駁，值得注意的是，本條線采用了全自動無人駕駛技術(UTO)。

德國杜塞爾多夫機場SkyTrain：該條線路開通運營于2002年，為杜塞爾多夫國際機場的配套交通接駁設施，線路長度2.5 km，設站4座，串聯(lián)了長途火車站、機場停車樓和A/B/C航站樓，并預留遠期延伸至展覽中心條件，全程僅需要6.5 min[2]，同樣采用全自動無人駕駛技術。

日本湘南江之島線：線路位于湘南神奈川縣境內(nèi)，線路北起鐮倉市大船，南至藤澤市江之島，全長6.6 km，設站8座，采用單線運行模式，在車站部分設置雙線進行會讓。該條線路于1970年通車運營，最高運行速度75 km/h，旅行速度達28.8 km/h[3]。

日本千葉都市單軌電車：線路位于千葉市，線路總長15.2 km，由長度3.2 km的1號線和12 km的2號線組成，設站18座，其中包括3座換乘站，1988年開通運營。

上述5條線路主要特征如表1所示。

表1 世界主要懸掛式單軌運營線路特征參數(shù)

2 關鍵技術

2.1 走行方式

懸掛式單軌列車按走行方式主要分為浪琴型及SAFEGE型(圖1)，其中浪琴型以伍珀塔爾線的設計者浪琴(Eugen Langen)命名，這種轉(zhuǎn)向架又被稱為非對稱懸掛鋼輪鋼軌轉(zhuǎn)向架，其主要特點是單根鋼軌鋪設在鋼制桁架梁上，U形踏面鋼制車輪騎跨在鋼軌之上，車廂通過布置在軌道梁外側(cè)的懸掛構(gòu)件懸吊于桁架梁下方。

圖1 浪琴型及SAFEGE型轉(zhuǎn)向架

另一種被稱為SAFEGE型的走行方式出現(xiàn)較晚，但目前應用最為廣泛。其最早在1960年由法國的幾家公司共同研制成功，隨后德國西門子、日本三菱重工等廠家均受此啟發(fā)研制出具有各自特點的SAFEGE轉(zhuǎn)向架懸掛式單軌車輛及軌道梁系統(tǒng)[4]。

浪琴型轉(zhuǎn)向架出現(xiàn)最早，構(gòu)造簡單，一個轉(zhuǎn)向架上僅有2個車輪，外形類似自行車，最小轉(zhuǎn)彎半徑僅9 m。但由于其采用鋼輪鋼軌，受黏著系數(shù)的影響，最大縱坡為40‰，且走行時噪聲、振動均較大，也曾經(jīng)發(fā)生過車輪碰到檢修時留在軌道上的抓鉤導致脫軌致死的事故。SAFEGE型轉(zhuǎn)向架具有4個走行輪及4～8個不等的導向輪(充氣輪或非充氣輪)，車輛通過懸掛構(gòu)件懸吊于軌道梁中間開口位置的正下方。通過對比發(fā)現(xiàn)，SAFEGE轉(zhuǎn)向架雖然轉(zhuǎn)彎半徑不如浪琴型，但爬坡能力更強，受天氣影響更小，噪聲、振動等均小于浪琴型，且基本不存在脫軌問題，優(yōu)勢明顯，因此近年來建成及新規(guī)劃線路均采用該種走行方式。

2.2 車輛

目前德國和日本的懸掛式單軌車輛在車輛尺寸、供電制式、定員等方面均存在一定差異，其技術參數(shù)如表2所示。

表2 世界主要懸掛式單軌運營線路車輛參數(shù)[5-9]

通過表2可以看出，除伍珀塔爾懸掛式單軌車輛采用兩頭長中間短的三模塊編組形式外，其余線路均采用常見的每輛等長的編組方式。從供電制式看，只有采用西門子SIPEM車型的H-Bahn和SkyTrain為交流400 V供電制式，其余線路均采用直流750 V或1 500 V的供電制式。其他幾個方面，伍珀塔爾目前最新型的GTW15列車轉(zhuǎn)彎半徑最小(9 m)，西門子SIPEM的爬坡能力最強(約105‰)，三菱重工的5000型列車無論在車輛尺寸，定員(228人/列)以及運行速度等方面均優(yōu)于其他車型。

2.3 軌道系統(tǒng)

懸掛式單軌軌道系統(tǒng)根據(jù)走行方式的不同差異較大，其中浪琴型的鋼軌斷面與地鐵中常見的60鋼軌類似，通過扣件緊固在鋼桁架梁上，結(jié)構(gòu)較為簡單。SAFEGE型懸掛式單軌的軌道系統(tǒng)更為復雜，其組成包括軌道梁、墩柱、道岔等部分。軌道梁采用矩形斷面、下部開口的薄壁鋼箱截面簡支軌道梁，梁體內(nèi)部集成了包括走行軌、供電、信號、通信、隔音等幾乎所有設備(圖2)，其在直線上一般采用30 m跨度，在曲線或道岔區(qū)采用25 m跨度，列車通過懸吊裝置懸掛于軌道梁下方。轉(zhuǎn)向架走行輪與鋼箱梁下部開口兩側(cè)的梁體接觸形成走行面，導向輪緊貼鋼箱梁側(cè)壁起到導向作用。受車輛尺寸、荷載等因素影響，德國和日本的懸掛式單軌軌道梁尺寸各不相同，其中德國軌道梁橫截面內(nèi)部尺寸為1 100 mm(高)×780 mm(寬)，日本軌道梁橫截面尺寸為1 410 mm(高)×1 490 mm(寬)[10]，日本的軌道梁橫截面尺寸大于德國。

圖2 軌道系統(tǒng)橫斷面

懸掛式單軌單線一般采用倒L形橋墩，雙線一般采用T形橋墩，道岔區(qū)或多線并行區(qū)采用門形或球拍形橋墩。如圖3所示。墩身采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，蓋梁采用鋼結(jié)構(gòu)，墩梁連接處由梁部牛腿通過盆式橡膠支座與橋墩頂部水平懸挑梁向下伸出的牛腿對接實現(xiàn)墩與梁連接。

圖3 橋墩形式

懸掛式單軌道岔可分為整體平移式道岔和可動軌道岔兩種，浪琴型與SAFEGE型懸掛式單軌均有整體平移式道岔，但總體應用較少?？蓜榆壍啦頌镾AFEGE型軌道系統(tǒng)獨有，且應用最為廣泛，其轉(zhuǎn)轍原理與普通鐵路的可動心軌道岔類似，通過中間一根可動軌的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)車輛行駛方向的改變。如圖4所示。

圖4 可動軌道岔轉(zhuǎn)轍原理

2.4 車站

懸掛式單軌車站型式可依據(jù)車站所處的線路條件、功能要求并結(jié)合周邊環(huán)境情況、地質(zhì)情況和施工工法來確定。按使用功能劃分，可分為一般車站和換乘車站；按站臺類型劃分，可分為島式站臺、側(cè)式站臺和混合式站臺車站；按線路敷設方式劃分可分為地下車站、半地下車站、地面車站和高架車站。一般來說，懸掛式單軌的車站以高架站為主，湘南江之島線以及多特蒙德工業(yè)大學H-Bahn由于采用單線運營，在車站處設雙線進行會讓，因此站臺均為島式。伍珀塔爾線、杜塞爾多夫SkyTrain以及千葉線均采用高架側(cè)式站臺(圖5)。車站根據(jù)所處位置的不同可靈活設為地面一層站，地上兩層、三層站等形式，另外可根據(jù)后期客流變化情況靈活預留加站條件[11]。

圖5 千葉線市役所前站(高架三層側(cè)式站)鳥瞰

2.5 信號

歷經(jīng)百余年的發(fā)展，目前世界主要已運營及規(guī)劃懸掛式單軌線路均采用基于無線通信的移動閉塞系統(tǒng)(CBTC)，包括列車自動監(jiān)控系統(tǒng)(ATS)、列車自動運行系統(tǒng)(ATO)以及列車自動保護子系統(tǒng)(ATP)，可以確保列車安全準時的運行，有效避免人為操作的失誤，以及超時、冒進、追尾等事故。部分線路可實現(xiàn)全自動無人駕駛(UTO)，高峰時期列車追蹤間隔可降至40 s[12]。

2.6 救援方式

懸掛式單軌線路在發(fā)生故障或其他緊急情況時主要采用的救援方式包括：縱向救援疏散、橫向救援疏散、垂向救援疏散。

2.6.1 縱向救援疏散

當列車在區(qū)間發(fā)生故障或災害情況并停止運行時，同一線路上的救援車從故障列車前部或尾部接近故障列車，在前后車司機的協(xié)同下，救援列車停在合適的位置。前后車司機同時打開司機室前部的緊急疏散門，將平常收納于司機室頂棚的縱向渡板搭接在故障車和救援車的門檻上，并將安全繩掛到逃生門預留的吊環(huán)螺釘上，從而形成逃生通道。乘客在司機的指揮下通過逃生通道疏散至救援車輛內(nèi)，隨后救援車輛行駛至最近車站，引導乘客疏散。如圖6所示。

圖6 縱向救援疏散

2.6.2 橫向救援疏散

在復線區(qū)間的線路上，當車輛出現(xiàn)故障不能夠繼續(xù)前進時，平行線路上的救援列車將車站上備用的橫向渡板帶至事故現(xiàn)場，救援列車停在故障列車一側(cè)。并將車門打開至一定寬度，隨后把橫向渡板伸出將故障車與救援車車門連通，并將其固定，構(gòu)成帶扶手的救援通道，乘務人員指揮乘客通過救援通道疏散到救援列車。如圖7所示。

圖7 橫向救援疏散

2.6.3 垂向救援疏散

垂向救援包括云梯救援和逃生滑道救援兩種。當故障列車停留在便于救援車輛行駛的道路上方時，可考慮利用消防云梯等設備讓乘客從側(cè)門進行疏散。當車輛底部距離地面較近，且車輛下方具備合適的疏散條件(無社會車輛通行、地面相對平整等條件)時，還可考慮通過設置在車輛司機室地板面的緊急逃生滑道設施使乘客滑至地面實現(xiàn)疏散。如圖8所示。

圖8 垂向救援疏散

3 適應性分析

從懸掛式單軌的發(fā)展趨勢來看，目前主流市場更傾向于選擇SAFEGE型懸掛式單軌系統(tǒng)，受篇幅所限，下面僅對該型懸掛式單軌的適應性進行綜合分析。

3.1 優(yōu)缺點分析

3.1.1 主要優(yōu)點

(1)地形適應能力強

懸掛式單軌列車的爬坡能力遠強于地鐵，最大坡度可達100‰，最小曲線半徑一般能達到30 m，能夠適應絕大部分地區(qū)線路敷設要求，尤其適用于地形起伏較大的山區(qū)、河谷地帶。

(2)占地面積小

懸掛式單軌敷設時一般設置半徑1.5 m以下的單柱墩[13]，即線路沿路中敷設時僅需要3～4 m寬的綠化帶即可滿足立墩條件，與其運量相仿的有軌電車在敷設時則需預留7～10 m寬綠化帶[14]。在路側(cè)敷設時橋墩間隙可作停車區(qū)域使用，最大程度減少用地浪費。

(3)施工簡便、工期短

懸掛式單軌線路軌道梁及墩柱施工時僅需要先在地面進行鉆孔打樁，再用螺栓將墩柱和樁基進行錨固，最后吊裝預制好的軌道梁即可，工序十分簡便。另外由于懸掛式單軌把地鐵、輕軌制式中的軌道、路面、通信信號設備、隔音屏等全部集成到軌道梁中，在工廠中預先批量生產(chǎn)，再到現(xiàn)場進行安裝調(diào)試，所以大大節(jié)省了現(xiàn)場施工的時間，僅需要約半年便能完成全部軌道梁的架設[15]。如圖9所示。

圖9 墩柱及軌道梁施工步驟

(4)景觀效果好

懸掛式單軌軌道梁采用集成化設計，梁體之外再無常見的線纜、架空接觸網(wǎng)、排水管道等附屬設施，與地鐵、輕軌、跨座式單軌的高架線路相比體量很小，對景觀影響程度更小，其簡潔明快的外觀本身也構(gòu)成了一道亮麗的風景線。乘客在車廂中可以憑高欣賞沿途景色，得到感官上的享受。線路既可沿河道修建，也可隨山勢起伏，與自然景觀相得益彰。

(5)噪聲小

由于走行部完全包覆在幾乎封閉的軌道梁體內(nèi)，且車輪全部為橡膠輪胎，車輛行駛時噪聲很小。經(jīng)過測算，當車輛以50 km/h的速度通過時，在距軌道7.5 m處的噪聲僅為65 dB[16]。因此，與其他軌道交通制式相比懸掛式單軌線路可更靠近居住密集區(qū)及高校、醫(yī)院等傳統(tǒng)意義上的噪聲敏感點，路由選擇更加靈活。

3.1.2 主要缺點

(1)性價比較低

目前全國范圍內(nèi)尚無建成通車的懸掛式單軌項目，缺少實際投資數(shù)據(jù)，但不少城市已完成前期工程可行性研究，從幾條線的研究結(jié)果來看，綜合造價基本介于1.5～2億元人民幣/正線公里，甚至超過與其同為中低運量的有軌電車的平均造價(表3、表4)。

表3 國內(nèi)部分有軌電車綜合造價統(tǒng)計[17]

表4 國內(nèi)部分規(guī)劃懸掛式單軌綜合造價統(tǒng)計

考慮到懸掛式單軌僅能適應最大約1萬人/h·方向的客流(部分文獻提出其可適應2萬人的高峰斷面客流，是基于類似日本湘南的3輛編組列車結(jié)合H-Bahn理論最小40 s的行車間隔且為單方向發(fā)車不考慮折返的極端情況下的理論數(shù)值，現(xiàn)實中難以實現(xiàn)，90 s間隔已是極限)，而有軌電車在適應客流與其基本一致[18]的情況下國內(nèi)施工及運營經(jīng)驗更加豐富、產(chǎn)業(yè)鏈更為完備，加之懸掛式單軌造價目前普遍高于有軌電車，造成其性價比相對較低。

(2)審批難度較大

根據(jù)國務院下發(fā)的“國辦發(fā)[2018]52號”文件，國家在進一步提高地鐵審批門檻的同時，明確提出將除有軌電車以外的城市軌道交通項目統(tǒng)一由省級發(fā)展改革部門根據(jù)國家批準的城市軌道交通建設規(guī)劃，按照相關程序?qū)徟?核準)，未列入建設規(guī)劃的項目不得審批(核準)，嚴禁以市政配套工程、有軌電車、工程試驗線、旅游線等名義違規(guī)變相建設地鐵、輕軌項目。有軌電車項目由省級發(fā)展改革部門負責審批(核準)，并做好與相關規(guī)劃的統(tǒng)籌銜接。懸掛式單軌因其系統(tǒng)特點在我國一般被作為旅游觀光線路進行規(guī)劃設計，通常也未納入城市軌道交通線網(wǎng)及建設規(guī)劃與地鐵、輕軌等一并考慮，因此容易觸碰政策紅線。審批時也往往由于缺少上位規(guī)劃的支撐而受阻，對有意修建懸掛式單軌線路的城市和地區(qū)有一定影響。

(3)救援疏散較為困難

前文提到的多種疏散方式中，橫向和縱向疏散以及云梯救援疏散屬于被動疏散，需要借助外部力量方可達到疏散目的。懸掛式單軌獨有的逃生滑道疏散為主動疏散，雖不需要借助外部力量，但其每次疏散時必須等待前一乘客滑至地面后方可疏散下一乘客，過程較為復雜。經(jīng)過計算，以千葉線的2輛編組列車為例，在滿員狀態(tài)下(156人)全部疏散完畢耗時超過0.5 h[19]，考慮到日常運營時不乏老弱病殘孕等特殊乘客，疏散時間將更長。

3.2 適用范圍

根據(jù)懸掛式單軌交通系統(tǒng)的特點，其適合作為以下交通形式。

(1)中小城市的公共交通干線。

(2)大城市中大運量軌道交通的補充。

(3)機場航站樓間的捷運系統(tǒng)。

(4)旅游景區(qū)、主題樂園內(nèi)部觀光環(huán)線。

(5)大型交通樞紐設施與城市中心區(qū)的聯(lián)絡線。

(6)大型商務區(qū)、開發(fā)區(qū)、功能場館內(nèi)部通勤線路。

(7)適應特殊地質(zhì)條件或特殊環(huán)境的交通線。

3.3 市場前景展望

懸掛式單軌雖然在國外已有超過一個世紀的成熟運營經(jīng)驗，但在我國仍屬于新鮮事物。經(jīng)過近幾年對國外技術的消化吸收，國內(nèi)目前已經(jīng)具有較為完善的技術儲備，其中國際空列集團已獲得H-Bahn在中國的專利權(quán)，中車青島四方機車車輛股份有限公司和中唐空鐵科技有限公司已分別有樣車下線并在廠區(qū)內(nèi)建設了試驗線；韓城、溫州、洛陽、樂山等多個城市均進行了前期可行性研究，有的甚至已開展施工準備工作，但受到各種因素(主要是政策方面原因)的制約，時至今日仍未有實質(zhì)落地項目。目前開展前期研究的項目基本屬于三四線城市的骨干交通線路，由于這類城市普遍缺少城市軌道交通項目建設審批經(jīng)驗，因此對項目的順利推進造成了一定困難。除此之外，懸掛式單軌也受到除現(xiàn)代有軌電車以外的云軌、云巴、智軌等新型智能化軌道交通制式的競爭。綜上所述，若能盡快解決政策審批層面的壁壘，選擇在客流效益較好的地區(qū)建成1～2條示范線路，取得一定運營經(jīng)驗，再充分發(fā)揮自身獨有的優(yōu)勢如占地小、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強、施工簡便、景觀效果好、集成化程度高等特點，積極開展諸如機場捷運系統(tǒng)、景區(qū)(尤其是山地、河谷景區(qū))觀光環(huán)線的研究工作，取得更多更有說服力的研究結(jié)論后，相信能夠拓展更多市場。

4 結(jié)語

懸掛式單軌作為一種將車輛懸吊于軌道下方的獨特軌道交通系統(tǒng)，與歐洲大陸的第一條地鐵(1896年開通的匈牙利布達佩斯1號線[20])幾乎同時出現(xiàn)，在一個多世紀的時間里經(jīng)過自身不斷地演化、發(fā)展，技術日趨成熟，世界上已運營的懸掛式單軌線路均有長達數(shù)十年的成功運營經(jīng)驗，發(fā)展到今天也已具備和以現(xiàn)代有軌電車為代表的一批中低運量軌道交通系統(tǒng)同臺競技的條件。從其主要關鍵技術來看，懸掛式單軌的走行方式分為浪琴型和SAFEGE型兩種，目前后續(xù)建設項目均比較傾向于使用技術更加先進的SAFEGE型，該類型懸掛式單軌系統(tǒng)具有更高的安全性，支持無人駕駛技術，可有效縮短行車間隔。其主要設備均集中在軌道梁內(nèi)部，且采用裝配式施工，軌道梁的架設僅需約半年，全部工程從實施到運營一般2年內(nèi)即可完成。根據(jù)對已運營線路數(shù)據(jù)進行分析，懸掛式單軌能夠適應最大約1萬人/h·方向的客流規(guī)模，與有軌電車基本處于同一水平，其綜合造價雖略高于有軌電車，但更加節(jié)省用地，拆裝簡便、景觀效果好，因此仍具有一定優(yōu)勢?？傮w來說，懸掛式單軌的優(yōu)缺點均較為明顯，根據(jù)其特點分析，該交通系統(tǒng)更適合應用于對投資不敏感、救援疏散方便且相對封閉的系統(tǒng)內(nèi)部(如景區(qū)、機場、校園等)。國內(nèi)雖尚無運營線路，但目前多個城市已完成項目可行性研究，部分正在進行前期征拆、基礎施工等工作，也有一批有意建設懸掛式單軌的城市和景區(qū)?？梢灶A見，我國第一條懸掛式單軌線路的開通運營不會等待太久，屆時將產(chǎn)生很強的示范效應并帶動整個產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，總體上看有一定的市場前景。