懸掛式單軌在山區(qū)旅游軌道中的適應(yīng)性分析

李文榮

(中鐵四院集團(tuán)新型軌道交通設(shè)計研究有限公司，江蘇蘇州 215009)

1 概述

懸掛式單軌作為一種輕型、中等速度、中等運量的交通制式，是當(dāng)前發(fā)展綠色、環(huán)保、輕型、便捷交通模式的方向，可以作為山地景區(qū)旅游觀光軌道的制式選擇之一。

多位學(xué)者曾對懸掛式單軌系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了探究，鐘異瑩等[1]研究了懸掛式單軌在山地城市交通系統(tǒng)中的應(yīng)用可行性，認(rèn)為懸掛式單軌在山地城市具有較好的適應(yīng)性和應(yīng)用前景，但該研究僅分析了懸掛式單軌作為山地城市公共交通方式的適應(yīng)性，未對山地旅游景區(qū)等特殊區(qū)域的應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)一步的分析；余浩偉等[2]從經(jīng)濟性角度對其進(jìn)行研究，認(rèn)為懸掛式單軌屬于小運量軌道交通，特別適用于旅游景區(qū)，但未結(jié)合實例分析其在山地景區(qū)中的應(yīng)用；孫彪[3]從旅游體驗的角度出發(fā)，從視覺體驗、觀光體驗、乘坐體驗等視角，提出了懸掛式單軌列車的設(shè)計方向，但未對懸掛式單軌系統(tǒng)制式的適應(yīng)性進(jìn)行分析。

綜合前述研究，結(jié)合懸掛式單軌制式的技術(shù)特點及山地旅游景區(qū)的環(huán)境特點，從多方面分析懸掛式單軌在山區(qū)旅游軌道中的適應(yīng)性，為懸掛式單軌未來的應(yīng)用提供借鑒。

2 山區(qū)旅游軌道介紹

山區(qū)旅游軌道是獨立運行于山地景區(qū)、以旅游觀光為主要目的的軌道交通系統(tǒng)。與城市軌道交通不同，山區(qū)旅游軌道不僅需要克服地勢陡峭、相對高差大的復(fù)雜地形條件，還應(yīng)盡量降低對周邊環(huán)境的影響，對系統(tǒng)制式的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有特殊要求。

2.1 山區(qū)旅游軌道的特點

(1)旅游軌道一般為獨立的軌道交通系統(tǒng)，采取獨立的運營管理模式。

(2)具有票價自主定價權(quán)，可根據(jù)實際運營情況和旅客經(jīng)濟能力合理定價，有利于項目運營的可持續(xù)性。

(3)客流存在明顯的潮汐出行特征，早晚高峰明顯，并且淡、旺季客流差異較大，運輸組織需在系統(tǒng)能力范圍內(nèi)盡可能地適應(yīng)不同時間段的客流變化規(guī)律，滿足游客出行需求。此外，還需保證一定的服務(wù)頻率，為游客進(jìn)出景區(qū)及欣賞沿線風(fēng)景提供便捷的服務(wù)。

2.2 制式選型原則

(1)系統(tǒng)服務(wù)水平滿足需求

山區(qū)旅游軌道的客流特征不同于傳統(tǒng)的國有鐵路和城市軌道交通模式，具有客流較小、流向較為單一、客流隨淡旺季變化明顯、早晚高峰客流集中等特點。因此，軌道制式既要能夠滿足高峰小時客流運輸要求，還需編組靈活，較好地適應(yīng)山區(qū)旅游淡/旺季不同時段的客流量[4]。

(2)工程建設(shè)與景觀和諧

山區(qū)旅游軌道的工程建設(shè)應(yīng)當(dāng)遵循環(huán)境保護(hù)與開發(fā)并重的原則，繞避景區(qū)的核心景點，且注意保護(hù)景區(qū)生態(tài)，嚴(yán)格遵循城市總體規(guī)劃和環(huán)境功能區(qū)劃。因此，山區(qū)旅游軌道應(yīng)當(dāng)選擇占地面積小、施工和運營對周邊環(huán)境影響小的制式，使工程與周邊景觀相協(xié)調(diào)。

(3)充分體現(xiàn)旅游產(chǎn)品屬性

作為旅游景區(qū)的重要旅游產(chǎn)品，山區(qū)旅游軌道是景區(qū)旅客旅游觀光的主要交通方式，應(yīng)將其與旅游開發(fā)相結(jié)合，打造旅游景觀，成為獨特的旅游產(chǎn)品。應(yīng)在滿足旅游觀光的要求之外，以“新型、美觀、舒適、經(jīng)濟、環(huán)?！钡脑瓌t選擇軌道制式，充分體現(xiàn)旅游產(chǎn)品的屬性。

(4)保證經(jīng)濟合理性

山區(qū)旅游軌道項目一般采取獨立的運營管理模式，具有票價自主定價權(quán)，可根據(jù)實際運營情況和旅客經(jīng)濟能力合理定價，有利于項目運營的可持續(xù)性。但同時，其作為公共交通服務(wù)的屬性被弱化。因此，項目本身需具備一定的營收能力，在保證觀光體驗功能的前提下，盡可能選擇與工程投資相適應(yīng)的車輛制式，以維持項目的健康、有序和可持續(xù)性發(fā)展。

3 旅游觀光軌道交通制式介紹

通過調(diào)研國內(nèi)外山區(qū)旅游觀光鐵路制式運營案例與新型軌道交通制式研發(fā)等情況，用于旅游觀光鐵路的制式主要有窄軌鐵路、齒軌鐵路、纜索鐵路、跨坐式單軌、懸掛式單軌等。

3.1 米軌鐵路

米軌鐵路是利用動力機車牽引、軌距為1 000 mm的鋼輪鋼軌制式系統(tǒng)，俗稱小火車。相較于標(biāo)準(zhǔn)輪軌系統(tǒng)，較小的軌距可有效減小車體尺寸，縮減建筑限界，降低工程建設(shè)難度和建設(shè)成本。

米軌鐵路最小轉(zhuǎn)彎半徑為100 m，最大爬坡能力為30‰，采用內(nèi)燃機或電力機車牽引，最高速度可達(dá)120 km/h以上，較適宜作為山區(qū)或景區(qū)內(nèi)的旅游觀光，如云南建水古城旅游觀光火車、四川嘉陽觀光鐵路等。

3.2 齒軌鐵路

齒軌鐵路是在兩條軌道中間對向設(shè)置兩塊縱向鋼板，鋼板中間每隔一定距離橫向放置鋼橫擋，通過機車的齒輪嚙合使列車前進(jìn)[6-7]。

齒軌鐵路坡度適應(yīng)能力強，最大爬坡能力可達(dá)480‰。在大坡度地段，可縮短展線長度，減小橋隧比例，縮短建設(shè)工期，節(jié)約成本。但采用齒軌驅(qū)動時，其旅行速度不高，一般不超過25 km/h。齒軌鐵路比較適宜觀光旅游，在山地景區(qū)具有獨特優(yōu)勢。齒軌鐵路在國外有較大范圍的應(yīng)用，如瑞士少女峰、皮拉圖斯山，德國巴伐利亞楚格峰，美國華盛頓山等齒軌鐵路，但國內(nèi)尚無應(yīng)用案例。

3.3 纜索鐵路

纜索鐵路是一種介乎索道與鐵路之間的交通系統(tǒng)，全程使用纜繩牽引車輛在固定軌道上運行。與其他牽引方式動力不同，其車輛自身不帶動力，需修建專門的動力車庫，常用于山區(qū)[5]。

纜索鐵路多用于一座山的登頂，其線路較短(一般不超過2 km)，運行速度約10 km/h；適用于大坡度地形，最大爬坡能力可達(dá)500‰，較適用于短距離、大坡度、小運量的運輸要求。應(yīng)用案例有澳大利亞新南威爾士纜索鐵路、香港太平山纜車、重慶長壽纜車等。

3.4 跨座式單軌

跨座式單軌通過單根軌道梁來支撐、穩(wěn)定和導(dǎo)向，車體騎跨在軌道梁上運行[8]。

跨座式單軌宜優(yōu)先采用高架形式敷設(shè)，能夠充分利用上層空間，占地面積較小。其最小轉(zhuǎn)彎半徑為50 m，最大爬坡能力為60‰，對地形有良好的適應(yīng)性，兼具安全準(zhǔn)時、快速靈活、舒適方便等特點，典型的實例有美國迪士尼世界單軌、深圳歡樂干線、曲江跨座式單軌、銀川花博園云軌等。

3.5 懸掛式單軌

懸掛式單軌是單軌系統(tǒng)的另一種形式，亦稱為空軌、空鐵等，其車體懸掛于導(dǎo)向梁下運行，導(dǎo)向梁一般采用鋼制箱型中空斷面，內(nèi)含集電靴、通信電纜、導(dǎo)軌、運行軌及車架等[9]。

懸掛式單軌以高架形式敷設(shè)為主，最小轉(zhuǎn)彎半徑為50 m，最大爬坡能力可達(dá)100‰，最高運行速度為70 km/h[13]。在國外的應(yīng)用案例較多，如德國多特蒙德、伍伯塔爾、杜塞爾夫，日本千葉、湘南、名古屋等空鐵工程，國內(nèi)應(yīng)用主要有成都中唐空鐵試驗線、青島四方試驗線。

以下主要對懸掛式單軌在山區(qū)旅游軌道中的適應(yīng)性進(jìn)行分析。

4 懸掛式單軌的適應(yīng)性分析

4.1 自然環(huán)境適應(yīng)性

(1)地形環(huán)境

山區(qū)旅游軌道沿線所經(jīng)區(qū)域一般地形較為崎嶇，地勢陡峭，自然坡度與相對高差大，部分地段還可能出現(xiàn)巖溶地貌，地質(zhì)條件復(fù)雜。

懸掛式單軌以高架形式敷設(shè)為主，車輛采用橡膠輪胎，正線最小轉(zhuǎn)彎半徑可至50 m。相較于米軌、齒軌等制式，其轉(zhuǎn)彎半徑較小，可有效減少線路展線長度，降低工程投資；相較于跨座式單軌，其爬坡能力更強，可減少對沿線山體的開挖，從而有效降低邊坡支擋及防護(hù)工程數(shù)量，大大減少對沿線潛在的崩塌滑流等地質(zhì)災(zāi)害的工程防護(hù)措施，對山區(qū)復(fù)雜的地形地貌及環(huán)境具有較好的適應(yīng)能力。

總體上來說，懸掛式單軌能夠在多變的地形、地貌及地理環(huán)境中建造，可以架設(shè)在地形起伏較大的山區(qū)內(nèi)，能在一定范圍內(nèi)有效避開現(xiàn)有建筑物。

(2)氣候環(huán)境

山地景區(qū)的氣候隨地形變化較大，影響光、熱、水的再分配。因此，山地景區(qū)較容易出現(xiàn)雨雪、霜凍及大風(fēng)天氣。

懸掛式單軌車輛走行輪包裹于導(dǎo)向梁內(nèi)，受雨雪、霜凍天氣的影響小，即使是在大雪天氣下也可正常運行。其走行部結(jié)構(gòu)如圖1所示。另根據(jù)文獻(xiàn)[10]，在10級風(fēng)力下，懸掛式單軌(空車)橫向加速度為ay=0.323 m/s2，滿足軌道交通中0.4的舒適度要求，橫向平穩(wěn)性指標(biāo)Wzy=1.878，也滿足文獻(xiàn)[10]中提出的低于2.5的要求，能夠適應(yīng)較強等級的大風(fēng)。另外，也可以在山間橫風(fēng)處設(shè)置風(fēng)速監(jiān)控及預(yù)警系統(tǒng)，做好大風(fēng)的防范措施。

圖1 懸掛式單軌走行部結(jié)構(gòu)

總體而言，懸掛式單軌制式對山地景區(qū)的氣候環(huán)境適應(yīng)性較強。

4.2 輸送能力適應(yīng)性

山區(qū)旅游軌道的客流特征不同于傳統(tǒng)的國有鐵路和城市軌道交通模式，具有客流較小、流向較為單一、客流隨淡旺季變化明顯、高峰客流集中等特點[11]。系統(tǒng)制式既要能夠滿足高峰小時客流運輸要求，還需編組靈活，能較好地適應(yīng)山區(qū)旅游線淡/旺季不同時段的客流量。

旅客對旅游觀光軌道乘坐舒適度要求較高。為充分發(fā)揮懸掛式單軌的觀光體驗效果，車箱可采用全坐席方式。懸掛式單軌的編組較為靈活，可2～7輛編組，能夠靈活應(yīng)對不同時段的客流需求。

以某旅游觀光軌道旺季客流預(yù)測為例，其高峰小時最大斷面客流近期為984人次/h，遠(yuǎn)期為1 267人次/h。懸掛式單軌系統(tǒng)能力按24對/h考慮，在全坐席定員3編組方案下，系統(tǒng)輸送能力為1 536人次/h，可滿足該線近、遠(yuǎn)期高峰小時斷面客流，如表1所示。在滿足旺季客流需求的情況下，淡季則可通過減小列車編組的方式節(jié)約運營成本。

表1 某旅游軌道旺季客流預(yù)測及列車編組方案

4.3 軌道結(jié)構(gòu)適應(yīng)性

山區(qū)旅游軌道系統(tǒng)制式選擇應(yīng)滿足如下要求：節(jié)約用地，盡量避免因工程建設(shè)造成現(xiàn)有景區(qū)的地塊切割、景觀破壞，將其融入自然之中，使游客能體驗到觀光線與自然景觀和諧一體、相互輝映的景致。

懸掛式單軌以高架形式敷設(shè)為主，其軌道結(jié)構(gòu)主要包括軌道梁與支撐墩柱[12]。軌道梁截面采用底部開口的箱形截面，箱梁的下翼緣兼做軌道，車輛懸掛于軌道梁下方；支撐墩柱用來懸掛軌道梁；單線一般采用倒L形，雙線一般采用Y形，如圖2所示。

圖2 懸掛式單軌軌道結(jié)構(gòu)

軌道梁及墩柱可采用鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)。在山地景區(qū)中，若采用混凝土結(jié)構(gòu)，施工周期較長，質(zhì)量控制難度大，且在滿足車輛轉(zhuǎn)向架限界條件下，橫截面尺寸較大，影響景觀通透性。若采用鋼結(jié)構(gòu)，梁截面尺寸小，自身恒載小，結(jié)構(gòu)輕便，視覺效果通透，與景區(qū)更加協(xié)調(diào)；由于其上部結(jié)構(gòu)輕便，橋墩尺寸小，基礎(chǔ)工程量也少，并且采用工廠制造，質(zhì)量可靠，安裝方便。

采用懸掛式單軌制式時，在部分景區(qū)可以利用其結(jié)構(gòu)特點將乘車觀光與步行觀光相結(jié)合，在軌道梁上部設(shè)置沿線路貫通的觀景通道，通過車站實現(xiàn)交通轉(zhuǎn)換，增強線路的旅游觀光屬性。

4.4 牽引供電方式適應(yīng)性

山區(qū)旅游軌道項目所在地一般地勢起伏較大，線路條件復(fù)雜，牽引供電方式應(yīng)優(yōu)先考慮安全性和可靠性。

懸掛式單軌車輛的牽引供電方式較為靈活，既可以采用車載儲能供電制式(如成都中唐空鐵試驗線)，也可以采用接觸軌供電制式(如青島四方試驗線)，見圖3。

圖3 接觸軌供電

對于車載儲能供電制式來說，山區(qū)旅游軌道可能存在較多的長大坡度區(qū)間，對車載儲能單元的續(xù)航能力有較高的要求，需結(jié)合工程實際條件及供電系統(tǒng)的各種運行方式，詳細(xì)核算、驗證車輛儲能單元的續(xù)航能力。若因車輛續(xù)航能力不足導(dǎo)致車輛在區(qū)間臨時停車，將對全線正常運營帶來較大影響。

而接觸軌供電方式技術(shù)較為成熟，可靠性較高，在國內(nèi)外已建成的地鐵或輕軌項目中使用比較廣泛，其標(biāo)稱電壓一般為DC750V或DC1500V。該供電方式需全線敷設(shè)接觸軌及回流軌，且需要間隔3.5～4 km設(shè)置牽引變電所，引起工程投資的增加。另外，山地景區(qū)一般外部電力資源比較薄弱，存在變電所選址及后期運營維護(hù)困難等問題。

具體的牽引供電制式選擇應(yīng)當(dāng)結(jié)合線路長度及周圍環(huán)境靈活選擇。

4.5 故障救援方式適應(yīng)性

懸掛式單軌的故障救援方式主要有以下三種：(1)列車自救疏散；(2)救援列車救援疏散；(3)地面救援疏散[14]。

列車自救疏散指的是列車發(fā)生故障時，靠自身動力運行或利用線路坡度滑行至鄰近車站，然后進(jìn)行乘客疏散，這種方式較適用于列車未發(fā)生嚴(yán)重故障、可以繼續(xù)運行或滑行且不會使故障加重的情況。救援列車救援疏散指的是列車出現(xiàn)故障并失去動力時，同一線路上的救援車從故障車的端部靠近，乘客由司機室的逃生門疏散(亦稱為縱向法)，如圖4所示；雙線線路上，救援車可通過平行線路停在故障車旁，乘客由橫向渡板從故障車疏散至救援車中(亦稱為橫向法)，如圖5所示。地面救援是通過地面救援汽車將乘客疏散至地面的方式。

圖4 縱向救援法

圖5 橫向救援法

圖6 日本江之島線救援螺旋樓梯

4.6 體驗性及觀光效果

懸掛式單軌結(jié)構(gòu)纖細(xì)輕盈，與周圍景觀具有良好的協(xié)調(diào)性，亦可根據(jù)線路所處位置的不同以及周圍景觀情況，進(jìn)一步研究梁體及墩柱的涂裝方案和車站外裝方案，使得懸掛式單軌與所在區(qū)域環(huán)境背景和主要文化背景相協(xié)調(diào)，符合城市環(huán)境特征及整體景觀打造要求。

懸掛式單軌車輛懸掛在導(dǎo)向梁之下，并采用墩柱支撐，游客俯瞰視角好，能夠盡覽景區(qū)景色。同時，車輛可采用大天窗，地板局部可采用鋼化玻璃，乘客在車廂內(nèi)可欣賞腳下景色，帶來奇特的視覺體驗[15]，如圖7所示。

圖7 車廂內(nèi)部觀光效果

另外，懸掛式單軌可對橋梁上部進(jìn)行特殊的設(shè)計，結(jié)合沿線景觀規(guī)劃，將上部空間打造成一條與懸掛式單軌相輔相成、穿梭于人與自然之間的空中觀光走廊，既給游客帶來獨特的觀賞體驗感，又能夠與周邊景色相融合，形成有機整體，如圖8所示。

圖8 軌道梁景觀步行道

4.7 經(jīng)濟可行性分析

作為旅游產(chǎn)品，懸掛式單軌在車票價格方面具有較大的自主權(quán)，其經(jīng)營屬性較強，擔(dān)負(fù)著為投資者賺取一定回報的使命。同時，作為景區(qū)內(nèi)部主要的交通方式，是景區(qū)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。因此，票價應(yīng)從旅游客流消費水平、運營公司效益等多方面綜合考慮。

以前述某旅游觀光軌道項目為例，結(jié)合該項目特點、游客和沿線居民經(jīng)濟承受力、旅游推薦行程，并參考國內(nèi)外旅游線路的票制、票價，推薦采用計程計時票價制。同時，根據(jù)不同的旅客類型，制定不同的基準(zhǔn)票價率。

(1)旅游客流

針對旅游客流，該項目采用空鐵制式，車輛經(jīng)過特殊設(shè)計，為游客提供了絕佳的觀景視角和舒適的觀賞環(huán)境，較國內(nèi)外一般旅游線路特點鮮明，優(yōu)勢明顯，票價率可高于目前國內(nèi)外一般旅游鐵路，單程車票總價可參照國內(nèi)外相近旅行時間線路票價制定，全線平均票價率按4元/(人·km)。

(2)沿線居民

對于沿線居民，該項目單程旅行時間短于景區(qū)大巴旅行時間，同時能夠提供較好的乘車環(huán)境、較高的服務(wù)頻率，便捷沿線居民的日常出行。因此，票價率按高于目前大巴票價率確定，但應(yīng)遠(yuǎn)少于旅游客流票價率。全線平均票價率按1元/(人·km)。

通過財務(wù)分析，該項目財務(wù)內(nèi)部收益率為3.65%，大于行業(yè)基準(zhǔn)收益率(3%)，項目投資回收期為22.98年，表明財務(wù)評價可行。

5 結(jié)論

(1)懸掛式單軌轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強，且受雨雪、霜凍天氣的影響小，對山區(qū)的地形和氣候環(huán)境有較強的適應(yīng)性。

(2)懸掛式單軌編組靈活，可通過靈活的編組方案滿足山區(qū)旅游軌道淡旺季不同時段的客流需求。

(3)懸掛式單軌的軌道宜采用鋼結(jié)構(gòu)，以使其結(jié)構(gòu)輕便，視覺通透，與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)。

(4)懸掛式單軌的牽引供電方式主要有車載儲能供電和接觸軌供電，可以根據(jù)線路的長度、周邊環(huán)境條件靈活選擇。

(5)對山區(qū)旅游軌道交通來說，懸掛式單軌的故障救援方式存在較大的局限性，應(yīng)以列車自救和工程救援車救援為主。

(6)懸掛式單軌車廂內(nèi)部視角通透，觀光效果好，軌道梁上部空間可以做成觀光步道，給游客帶來獨特體驗，形成獨特的景區(qū)特色。

(7)從經(jīng)濟可行性方面來說，其票價可由旅游景區(qū)自主定價，應(yīng)從旅游客流消費水平、運營公司效益等方面綜合考慮后制定。