中小型山地城市軌道交通制式比選研究

謝毅 余浩偉 姜梅

摘 要：作為城市軌道交通建設中需要解決的首要問題，制式比選是項目建設初期的重點。文章以四川省攀枝花市為例，從審批政策風險、技術可靠性、環(huán)境適應性、建設及運營成本、預留未來發(fā)展空間等角度，對中小型山地城市軌道交通制式進行比選研究。從運量、自然條件角度考慮，有軌電車、懸掛式單軌、跨座式單軌 3 種制式均可供選擇，但受審批政策的影響，現(xiàn)階段有軌電車仍是確保建設順利推進的唯一選擇。隨著審批政策的進一步明確，小型化的跨座式單軌及懸掛式單軌將充分發(fā)揮其在適應特殊自然環(huán)境方面的優(yōu)勢，為中小型山地城市建設城市軌道交通提供全新的制式解決方案。

關鍵詞：城市軌道交通;山地城市;制式比選;有軌電車;懸掛式單軌;跨座式單軌

中圖分類號：U232

1 研究背景

隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，全國小汽車保有量不斷增加，擁堵已經(jīng)不是大城市的特有現(xiàn)象，而是逐漸向中小城市蔓延，中小城市對于城市軌道交通的需求逐漸顯現(xiàn)。

山地地形起伏，高差大，可供城市發(fā)展的空間極為有限。為實現(xiàn)土地資源利用效率的最大化，與平原、丘陵城市相比，山地城市均具有依山傍水而建、城市整體落差大、房屋樓層較高、道路坡陡彎急且路面寬度有限等特點。

作為城市軌道交通建設中需要解決的首要問題，制式比選是項目建設初期的重點，決定著該線路以至整個城市線網(wǎng)的技術路線。國內(nèi)外學者對此開展了大量研究工作，如魏慶朝、韓寶明等對城市軌道交通制式選擇進行了研究[1-7]，喻文球、閔國水、胡仁兵等探討了市域鐵路制式選擇[8-11]。然而，針對中小型山地城市軌道交通制式的比選研究卻相當匱乏，本文以四川省攀枝花市為例對此展開研究。

2 項目概況

攀枝花市位于中國西南川滇交接部，2018年末戶籍人口108.34萬人，2018年全市實現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值（GDP）1173.52億元，公共財政預算收入61.5億元。地形呈兩江五河七谷群山分布，具有典型的高山峽谷特征，為典型的組團城市，且各組團較分散。2020年市域規(guī)劃143萬人，中心城區(qū)規(guī)劃91萬人，城市建設用地100.09km2;2030年市域規(guī)劃155萬人，中心城區(qū)規(guī)劃109萬人，城市建設用地119.92 km2。

《攀枝花市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃》提出，攀枝花市遠期軌道交通線網(wǎng)由6條線路組成，線網(wǎng)全長為95.9km，共設站98座，其中換乘站8座，平均站間距為

1.076km，線路具體情況見表1。2030年，攀枝花市軌道交通線網(wǎng)客運量為66.38萬人次/天，線網(wǎng)負荷強度為

0.70萬人次/（km ·天），城市軌道交通出行客流占公共交通出行客流的比例為46.9%，遠期高峰小時最大單向斷面客流量為8 333人次/ h，規(guī)劃線路最大坡度為 60‰。

3 總體思路

3.1 確定制式比選范圍

根據(jù)運量大小，不同城市軌道交通制式可被分為大運量、中運量和小運量3種類型，見表2。

攀枝花市遠期高峰小時最大單向斷面客流量為8333人次/h，屬于小運量范疇，故從運量匹配角度考慮，可供攀枝花市軌道交通選擇的制式為懸掛式單軌與有軌電車2種。

而從適應地形的角度考慮，跨座式單軌雖運量較大，也可作為候選制式。其原因在于攀枝花屬于典型的山地城市，具有“彎急、坡陡、路窄”的典型特征。反應到制式選擇上，“彎急”要求城市軌道交通可通過較小的曲線半徑，以增加選線靈活度、減小拆遷量及工程量;“坡陡”要求城市軌道交通在縱向上具有較強的大坡度通過能力，在橫向上具有良好的抗側(cè)翻與抗傾覆能力;“路窄”要求在城市軌道交通建設及運營過程中能方便靈活地處理好與地面非軌道交通之間的關系。而跨座式單軌可以很好地滿足這些要求。

因此，本文將對有軌電車、懸掛式單軌和跨座式單軌3種制式進行比選研究。

3.2 制式比選考慮的主要因素

不同的城市軌道交通制式，由于其基本原理不同形成了各自不同的特點以及優(yōu)缺點，但制式之間并不存在絕對的優(yōu)劣之分。從技術角度而言，討論哪種制式更適合某個城市，其本質(zhì)是對不同制式特點與城市特點之間的相容性（即城市軌道交通與城市的自然環(huán)境、既有條件之間的適應性）進行比較，此為城市軌道交通制式選擇的主要問題，也是控制性因素。而制式本身的優(yōu)缺點為次要問題、非控制性因素，能控制在相關標準范圍內(nèi)、或者通過相關技術手段予以解決的可不納入考慮范圍。

綜合考慮以上因素，攀枝花市軌道交通制式比選考慮的主要因素如下。

（1）審批政策風險。包括國家相關政策規(guī)定和國內(nèi)相關項目實施情況2個具體因素。

（2）技術可靠性。包括國外應用情況、國內(nèi)應用情況、系統(tǒng)國產(chǎn)化情況和相關規(guī)范情況4個具體因素。

（3）環(huán)境適應性。包括噪聲、與道路及周圍建筑物協(xié)調(diào)性、視野通透性與采光效果，以及施工對既有地面交通的影響4個具體因素。

（4）建設及運營成本。包括投資匡算和運營成本2個具體因素。

（5）預留未來發(fā)展空間。主要指改造方案的選擇。

4 制式比選

下面將從審批政策風險、技術可靠性、環(huán)境適應性、建設及運營成本和預留未來發(fā)展空間5大方面對上述3種制式進行比選研究。

4.1 審批政策風險

4.1.1 國家相關政策規(guī)定

在國家政策層面，目前僅對建設地鐵和輕軌的基本要求，以及地鐵、輕軌和有軌電車的審批權限進行了規(guī)定。對于有軌電車，可建設地鐵和輕軌的城市須將其納入建設規(guī)劃，報國家審批，其余不符合建設地鐵與輕軌條件的城市則由省級政府部門審批。而對于懸掛式單軌、跨座式單軌尚無明確規(guī)定。

4.1.2 國內(nèi)相關項目實施情況

有軌電車建設主要由省級政府部門審批。

對于跨座式單軌的建設，為規(guī)避政策風險，重慶、蕪湖由于其城區(qū)人口、GDP、地方財政一般預算收入等條件滿足國家規(guī)定的輕軌建設基本要求，均按輕軌相關流程上報國家審批并開展建設;其余不滿足輕軌建設基本要求的城市均采用旅游軌道交通、試驗線模式，由市級政府部門審批。

國內(nèi)已批復可行性研究報告的陜西韓城、成都大邑2個懸掛式單軌項目均位于旅游區(qū)，由市級政府部門按旅游軌道交通進行審批立項。

因此，在審批政策風險方面，有軌電車因國家已出臺相關規(guī)定，可由省級政府部門進行審批，不存在政策風險;而跨座式單軌、懸掛式單軌的建設尚須與中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會以及省級相關部門溝通協(xié)調(diào)，存在一定的政策風險。

4.2 技術可靠性

4.2.1 國內(nèi)外應用情況

有軌電車、懸掛式單軌、跨座式單軌均起源于19世紀，發(fā)展歷史較為悠久。

有軌電車通過傳統(tǒng)到現(xiàn)代化的轉(zhuǎn)變，已作為一種先進的新興城市公交方式在世界范圍內(nèi)普遍推廣，運營里程合計已達5 000 km。它也因造價相對低廉、審批程序便捷，受到國內(nèi)諸多中小城市的青睞。

對于跨座式單軌，全球有12個國家正在設計、建設和運營，包括日本、美國、俄羅斯、新加坡等發(fā)達國家。自2005年國內(nèi)第一條跨座式單軌線路——重慶市軌道交通2號線正式開通運營以來，此制式在中國得到了快速發(fā)展，中國目前已成為世界上擁有最大規(guī)模跨座式單軌的國家。

相較而言，懸掛式單軌的建設、運營實例較少，目前僅德國伍珀塔爾市、日本湘南線和千葉線3條城市公共交通線路。國內(nèi)目前已建成3條試驗線，多個車輛制造廠的車輛已經(jīng)下線，首條商業(yè)運營線正在建設中[12]。

國內(nèi)外實踐證明，3種制式均安全、可靠。但懸掛式單軌在國內(nèi)尚未有商業(yè)運營經(jīng)驗，其國內(nèi)應用的穩(wěn)定性還有待進一步驗證。

4.2.2 系統(tǒng)國產(chǎn)化情況

在國內(nèi)，有軌電車制造技術成熟，已實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈模式，產(chǎn)品可實現(xiàn)深度定制，基本實現(xiàn)完全國產(chǎn)化。

懸掛式單軌除車輛轉(zhuǎn)向架的膠輪承載和導向系統(tǒng)外，其余均采用城市軌道交通中的成熟系統(tǒng)和部件，經(jīng)過多年的研究，國產(chǎn)化產(chǎn)品基本可滿足相關要求。

跨座式單軌走出了一條“ 引進—消化—再研發(fā)”的創(chuàng)新發(fā)展之路，打破了國外企業(yè)的長期壟斷，實現(xiàn)了95%以上設備的國產(chǎn)化。

因此，從系統(tǒng)國產(chǎn)化率來看，3種制式的設備生產(chǎn)與采購均能滿足建設要求。

4.2.3 相關規(guī)范情況

有軌電車、跨座式單軌的相關規(guī)范、標準齊全，涵蓋車輛、設計、施工等，可為其建設提供全方位的技術支撐與保障。懸掛式單軌目前尚無國家層面的統(tǒng)一規(guī)范，行業(yè)標準《懸掛式單軌交通技術標準》正在編制過程中，四川省、河南省分別頒布了地方標準《懸掛式單軌交通設計標準》（DBJ51/T 099-2018）[13]和《懸掛式單軌交通技術標準》（DBJ41/T 217-2019）[14]。

總而言之，跨座式單軌規(guī)范最為齊全，有軌電車次之，懸掛式單軌暫時缺乏國家層面的統(tǒng)一規(guī)范，僅各地根據(jù)自身情況出臺了地方標準。

4.3 環(huán)境適應性

4.3.1 噪聲

有軌電車屬于鋼輪鋼軌體系，輪軌接觸噪聲、受電弓-接觸網(wǎng)接觸噪聲相對較大，基本無遮擋，在70km/h

的最高速度下，車外噪聲達78 dB。

懸掛式單軌由于整個走行機構都置于箱型軌道梁內(nèi)，振動噪聲能被軌道梁體吸收，因此噪聲較低，對乘客影響較小，環(huán)境污染小。該系統(tǒng)的車內(nèi)噪聲≤65dB，車外噪聲≤68 dB。

根據(jù)重慶跨座式單軌實測數(shù)據(jù)，跨座式單軌在速度為75 km/h的條件下，距離線路中心10 m處的噪聲為74 dB，20m處為69 dB。

4.3.2 與道路及周圍建筑物的協(xié)調(diào)性

規(guī)劃線路穿越攀枝花市主城區(qū)和新區(qū)。攀枝花市主城區(qū)道路為非標準雙向4車道，無中央分隔帶，周邊建筑物密集;新區(qū)道路條件較好，為雙向6車道（圖1）。

3種制式的線路敷設方式及其對道路及周圍建筑物的影響如下。

（1）有軌電車。有軌電車的敷設方式主要有3種：地面、高架和地下。地面敷設時，須侵占既有道路寬度8 m，即占用2條機動車道，對地面道路的通行能力有較大影響。高架敷設時，高架橋路面寬度為8 m，橋墩寬度為3 m。主城區(qū)受條件限制，須采用地下敷設形式，長度約2.4 km，采用明挖法或蓋挖法施工，施工期間對道路交通影響較大，建成后對道路交通無影響。

（2）懸掛式單軌。根據(jù)攀枝花市道路交通現(xiàn)狀，推薦懸掛式單軌采用路中式敷設，在既有道路中央增設1m隔離帶用于布置橋墩，車底保持至少5 m凈空，車輛運行過程中對路面交通無干擾，見圖2。

（3）跨座式單軌?？缱絾诬壢坎捎酶呒軜蛄航Y構，車輛運行過程中對路面交通無干擾。

4.3.3 視野通透性與采光效果

這一點是針對高架形式而言的。有軌電車高架橋面寬度至少為8 m，而懸掛式單軌與跨座式單軌區(qū)間均為雙線軌道梁，梁體寬度分別為0.8 m和0.85 m，因此懸掛式單軌和跨座式單軌系統(tǒng)在視野通透性和采光效果上均優(yōu)于有軌電車高架橋。

4.3.4 施工過程中對既有地面交通的影響

有軌電車采用路面敷設時，每側(cè)各需占用一條道路或中央綠化帶，不可避免會對既有地面交通產(chǎn)生影響，而且采取現(xiàn)場施工作業(yè)的方式，施工時間較長，對既有地面交通影響較大。采用高架敷設時，需占用一條車道的寬度設置混凝土墩柱，也需現(xiàn)場施工作業(yè)，施工時間較長，對既有地面交通影響較大。

懸掛式單軌梁體、墩柱均為鋼結構，車站也可采用拼裝式，墩柱直徑小于1 m，大部分工程可在工廠內(nèi)加工完成，現(xiàn)場施工周期短，占用地面道路資源少，對于既有地面交通影響較小。

跨座式單軌采用高架結構，且大部分為混凝土結構，需現(xiàn)場施工，常規(guī)情況下跨座式單軌對于既有地面交通的影響與有軌電車高架結構相當。目前，國內(nèi)已經(jīng)研發(fā)出了新型跨座式單軌墩柱結構，采用預制式，由工廠生產(chǎn)標準節(jié)段，運至現(xiàn)場后拼裝，可大大縮短現(xiàn)場施工時間，減小對地面交通的影響。

綜上所述，不同制式敷設方式的環(huán)境適應性比較見表3。

懸掛式單軌因梁體纖細，且采用鋼結構，因此環(huán)境適應性最優(yōu)，跨座式單軌次之，有軌電車對既有環(huán)境的影響最大。

4.4 建設及運營成本

4.4.1 投資匡算

以近期即將建設的攀枝花市軌道交通1號線一期工程（大渡口街站—攀枝花南站）和軌道交通2號線一期工程（疾控中心站—攀枝花南站）為例，對3種制式的投資匡算進行對比分析，見表4。

根據(jù)道路條件，有軌電車有50%以上的路段可采用路面敷設方式，因此總投資低于全部采用高架的懸掛式單軌和跨座式單軌。

4.4.2 運營成本

由于不同制式的城市軌道交通車輛功率不同、檢修維修費用不同以及固定設備的配備投資和磨耗不同，因此它們運營成本的主要差異體現(xiàn)在電力費用、維修費用和折舊等方面。

由于懸掛式單軌和跨座式單軌系統(tǒng)的車輛及梁體結構比有軌電車復雜，且均采用膠輪，其維修費用較采用鋼輪鋼軌系統(tǒng)的有軌電車略高。

4.5 預留未來發(fā)展空間

城市軌道交通作為百年大計，其各項建設條件應以客流預測結果為基礎，但客流預測依據(jù)的是城市現(xiàn)階段的發(fā)展情況以及目前已有的相關規(guī)劃，無法考慮到規(guī)劃調(diào)整或其他重大變化。因此，應在最大程度發(fā)揮線路效率（如縮小發(fā)車間隔等基礎措施）的基礎上，針對實際客流超過預測客流的極端情況研究相關改造升級措施。

有軌電車和懸掛式單軌屬于小運量城市軌道交通，可通過增加車輛編組數(shù)、更換更寬更大的車輛2種方式應對后續(xù)升級的需要。若采用增加車輛編組數(shù)方案，因車輛數(shù)量增加，需擴大牽引供電系統(tǒng)容量、加大車站長度、擴大車輛基地規(guī)模、調(diào)整通信信號設施以及道岔布置等。若更換更寬更大的車輛，則車輛寬度、載重等均會發(fā)生較大變化，因此需對后續(xù)不可更改的建（構）筑物提前按預留的標準進行設計，如橋梁和車站的寬度、荷載，車輛基地等，如此需增加一定的前期投資;此外，還需對牽引供電、通信信號系統(tǒng)、道岔系統(tǒng)等進行增容或升級改造。而跨座式單軌本身屬于中等運量城市軌道交通（高峰小時單向斷面客運量1～3萬人次），通過增加車輛編組數(shù)即可完全滿足攀枝花市未來發(fā)展的需要。

為減小投資決策的不確定性，3種制式最合理的升級改造方案均為增加車輛編組數(shù)，后續(xù)升級改造的措施及空間無明顯差別。

4.6 比選結論

由于有軌電車審批政策風險小，建設及運營成本低，國內(nèi)已建成并投入商業(yè)運營的項目較多，系統(tǒng)成熟可靠，因此為保證項目的順利建設，推薦采用有軌電車制式。

此外，考慮到有軌電車環(huán)境適應性相對較差，建議選擇道路空間條件較好的地段進行建設。

5 研究結論

（1）中小型山地城市建設城市軌道交通應對有軌電車、懸掛式單軌、跨座式單軌3種制式進行認真的比選研究。

（2）制式選擇時，應從審批政策風險、技術可靠性、環(huán)境適應性、建設及運營成本、預留未來發(fā)展空間等方面進行充分比選。

（3）受審批政策的影響，現(xiàn)階段有軌電車仍是確保建設順利推進的唯一選擇。

（4）小型化的跨座式單軌及懸掛式單軌可很好地滿足中小型山地城市特殊地形及小運量的需要。但由于國家審批政策不明確，懸掛式單軌在國內(nèi)無實際應用經(jīng)驗，跨座式單軌在中小城市應用存在運量過大、投資過高的缺點等，單軌制式在制式比選中未能占據(jù)優(yōu)勢。隨著審批政策的進一步明確，單軌制式將為中小型山地城市建設城市軌道交通提供全新的制式解決方案。

參考文獻

[1]魏慶朝，潘姿華，臧傳臻. 城市軌道交通制式分類及適用性[J]. 都市快軌交通，2017，30（1）：34-40.

[2]韓寶明，金天鳳，方恒堃，等. 中國城市軌道交通系統(tǒng)多制式發(fā)展綜述[J]. 都市快軌交通，2018，31（1）：45-50.

[3]許瑩. 中低運量城市軌道交通系統(tǒng)制式選擇研究[D]. 北京：北京交通大學，2014.

[4]錢清泉. 城市軌道交通制式選擇的破與立[J]. 科學新聞，2014（8）：48-49.

[5]王仲林. 城市軌道交通系統(tǒng)制式選擇研究[D]. 廣東廣州：華南理工大學，2009.

[6]孔令洋. 城市軌道交通系統(tǒng)型式選擇研究[D]. 北京：北京交通大學，2009.

[7]李海波. 城市中運量軌道交通系統(tǒng)制式選擇研究[D]. 陜西西安：長安大學，2017.

[8]閔國水. 關于市域鐵路系統(tǒng)制式選擇的探討[J]. 中國鐵路，2014（12）：27-31.

[9]胡仁兵. 市域鐵路制式選擇分析[J]. 鐵道工程學報，2014（6）：99-103.

[10] 嚴飛. 市域鐵路制式選擇對車輛基地影響分析[J]. 鐵道標準設計，2018，62（6）：176-180.

[11] 喻文球. 溫州市域鐵路網(wǎng)系統(tǒng)制式研究[J]. 鐵道工程學報，2014（3）：14-18.

[12] 余浩偉，徐銀光，李濤，等. 懸掛式單軌交通在國內(nèi)的適應性研究[J]. 鐵道工程學報，2019，36（4）：70-74.

[13] DBJ51/T 099-2018 懸掛式單軌交通設計標準[S]. 2018.

[14] DBJ41/T 217-2019 懸掛式單軌交通技術標準[S]. 2019.

[15] 閔國水，曾瓊. 中小城市發(fā)展中低運量城市軌道交通系統(tǒng)制式選擇研究[J]. 鐵路技術創(chuàng)新，2016（6）：40-45.

收稿日期 2019-09-08

責任編輯 蘇靖棋

Study on comparison and selection of rail transit systems in small and medium-sized mountainous cities

Xie Yi， Yu Haowei， Jiang Mei

Abstract： As the first issue to be addressed in the construction of urban rail transit， the choice of system is the key point in the early stage of the project construction. Taking Panzhihua Sichuan as an example， this paper studies the rail transit system of small and medium-sized mountainous cities from the perspectives of project approval policy risk， technical reliability， environmental adaptability， construction and operation costs， and future development space. Considering from the perspective of traffic volume and natural conditions， tram， suspended monorail and straddle monorail are available for selection. However， influenced by the transit project approval policy， tram is still the only choice to ensure the smooth progress of construction at this stage. With a further clear approval policy， small straddle monorail and suspension monorail will give a full play to their advantages in adapting to the special natural environment， and provide a new system solution for the construction of urban rail transit in small and medium-sized mountainous cities.

Keywords： urban rail transit， mountainous city， system comparison， tram， suspended monorail， straddle monorail