《悬挂式单轨交通 现状和应用展望》
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摘 要：悬挂式单轨交通起源于德国,已有百余年发展史,目前仅在德国、日本有着成熟的商业运营.而近些年,国内逐漸兴起了悬挂式单轨交通研究、建设的热潮,但运力低下、检修困难、救援效率低等因素导致部分学者对其适用性产生疑虑;同时国内研究还在牵引供电制式、墩梁连接体系、车辆侧滚效应、救援及维护方式等方面存在争议及难点.但不可否认的是,随着建设经验及设计标准的积累、完善,适用于中低运量线路的悬挂式单轨交通,会因其独特的优势在旅游观光、客流集散点联络等项目上得到重点及广泛的应用.
关键词：悬挂式单轨;发展现状;优势;应用展望
中图分类号：U232
悬挂式单轨交通是指使用单根轨道来支撑、稳定和导向,车体悬挂在轨道梁下方行驶的城市轨道交通系统,俗称空轨,是我国新兴的一种城市轨道交通制式,目前多地均有建设意愿并开展了相关研究或设计.国内悬挂式单轨交通的建设刚刚起步,众多学者及技术人员进行了相关研究和讨论,如李定南、李芾等阐述了悬挂式单轨车辆的发展及应用,钟异莹、鄢红英、于曰明等分别探讨了悬挂式单轨交通在山地城市、中等城市、旅游区的适应性,曾令会、许文超、刘雷雨等分析了悬挂式单轨车辆的动力学性能,高宁、李涛、张强等阐述了悬挂式单轨交通的救援及疏散模式.但是这些研究并没有整体性地说明悬挂式单轨交通在技术研究、适用场景等方面存在的难点或争议,因此有必要从国内外发展情况出发,结合悬挂式单轨交通的特点,探讨国内建设存在的问题及应用前景.
1 悬挂式单轨的特点
1.1 征地拆迁面积小
悬挂式单轨车辆运行于架设在空中的轨道梁上或梁内,其轨道梁、桥墩尺寸较小,桥墩立柱横截面面积仅为1m2左右,因此可以充分利用道路隔离带、路旁人行道、河流上部空间等城市现有空间,并能有效地避开既有建（构）筑物,减少不必要的征地及拆迁.
1.2 地形适应能力强
悬挂式单轨车辆的走行部异于其他制式的轨道交通,具有较强的爬坡与转弯能力.对于对称悬挂胶轮型单轨而言,由于车辆走行轮、导向轮均采用橡胶轮胎,增加了与轨道间的摩擦力及黏着力,其最大坡度可以达到100‰（约是其他制式轨道交通的2～3倍）,最小曲线半径可达30 m.
1.3 建设周期短
相较于其他制式轨道交通,悬挂式单轨交通的工程量较小,其控制性工程为桥梁工程.桥梁工程除承台、桩基础外,如轨道梁、桥墩等一般采用钢构件,均为工厂化预制,运至施工现场后,采用汽车吊架设拼装.10km左右的悬挂式单轨交通工程的建设周期仅为1～2年,是现有城市轨道交通制式中周期最短的.
1.4 工程造价低
悬挂式单轨交通的建设成本约为地铁工程的1/4,其技术经济指标为1.5～2.0亿元/正线km.根据国内已经开展研究的相关线路的造价数据,悬挂式单轨交通第一部分工程费的技术经济指标为1.2～1.4亿元/正线km.
1.5 景观效果好
与其他制式轨道交通相比,悬挂式轨道交通的区间结构尺寸较小,很大程度上降低了对城市空间采光的遮挡及周边景观的视觉破坏.列车行驶于高空之中,乘客开阔的视野、良好的眺望条件是其他制式轨道交通难以媲美的;其车厢底部可以采用透明材料,增加游览观光的趣味性.悬挂式单轨交通可以通过装饰及涂装更好地融入当地文化特色,成为一道流动的、亮丽的风景线.
2 发展现状及存在问题
2.1 国外发展情况
2.1.1 发展历程
1825年,悬挂式单轨交通诞生于德国,但受制于当时的技术条件,轨道梁采用木梁,以马匹牵引.1901年,第一条现代化的悬挂式单轨交通在德国伍伯塔尔市建成,目前悬挂式单轨交通仅在德国、日本有着成熟的运营线路,列车最大运行速度约为60km/h,多以2～3辆编组运行.悬挂式单轨交通按照走行轮材料类型以及其与轨道梁空间位置关系可以分为3种类型：浪琴型（非对称悬挂钢轮钢轨型）、非对称悬挂胶轮型、对称悬挂胶轮型（SAFEGE型）,如图1所示.浪琴型的主要特点是钢制走行轮行驶于铺设在钢桁架梁之上的钢轨上,悬吊装置悬挂于轨道梁一侧.非对称悬挂胶轮型的主要特点也是悬挂装置安装于轨道梁一侧,但走行轮改为橡胶轮.SAFEGE型的主要特点是橡胶走行轮行驶于钢制轨道梁内部,体系呈现对称特点,是当前最先进、应用最广的悬挂式单轨交通类型.
国外悬挂式单轨交通工程项目具体如表1所示.
悬挂式单轨交通的发展已经接近百年,国外多地进行了试验线测试、运营线建设,经历了浪琴型—非对称悬挂胶轮型—SAFEGE型的演变.在这一演进过程中,非对称悬挂胶轮型利用胶轮改进了浪琴型爬坡能力弱的缺点,而SAFEGE型利用走行轮行驶于轨道梁内部,改进了非对称悬挂胶轮型在雨雪天气下运行不安全的缺点.
2.1.2存在问题
同为单轨交通,悬挂式单轨的发展明显缓于跨座式单轨,建设热度更是远不如其他制式轨道交通,造成这一现象的主要原因有以下3个方面.
（1）运行速度低,运力低下.悬挂式单轨交通系统中列车速度一般可以达到50km/h,加上进站停车减速等因素,实际行驶的平均速度仅为30～40km/h.每辆车的定员约为100人,不足地铁的1/3.悬挂式单轨交通的运能为5500～21000人次/h,适合于高峰单向断面客流量在5000～20000人次/h的交通干线上,通常用于15km以内的短途交通.
（2）检修困难,容易产生安全隐患.悬挂式单轨交通距离地面较高,轨道梁较窄,对于浪琴型及非对称悬挂胶轮型而言,难以设置检修操作平台;而对于SAFEGE型,其轨道梁长、宽均为1m左右,内部空间较为狭窄,且容纳了接触轨、通信及信号电缆等设施,检修困难度更高.
（3）救援效率低,事故无法及时处理.救援不便是单轨交通的共性问题,悬挂式单轨尤甚,因为其结构特点决定了无法利用车辆上方的轨道梁进行紧急疏散,也无条件在区间内设置疏散平台,多依赖于救援车、消防车等被动救援方式.2013年10月18日,德国伍伯塔尔线曾发生轨道支架上的电力母线脱落事故,列车上70 余人被困在12m的高空中,数小时后才得以脱险.
正是这些原因,人们对于悬挂式单轨交通在城市中的适用性及安全问题产生了疑虑,导致悬挂式单轨交通发展迟缓,并在诞生至今的百余年来多与发达国家基建大潮失之交臂.
2.2 国内发展情况
2.2.1 发展现状
2011年,德国国际空列集团（H-Bahn）在天津成立了太平洋空铁设备技术有限公司.次年,我国各地开始考虑引入SAFEGE型悬挂式单轨交通,上海、合肥、石家庄、济南、武汉、青岛、苏州、洛阳、贵阳、温州、沈阳、天津、郑州等地都进行了前期研究或论证.
悬挂式单轨交通在国内公共交通领域还没有运营线路,但多家车辆制造商进行了厂区试验线的建设及研究测试：2016年11月,中唐空铁集团有限公司基地内新能源空轨试验线（以下简称“中唐空铁试验线”）成功运行,线路环线布置,正线为单线,长1.09 km,出入线长0.32 km,包括缓坡、弯道、车站、充电站等路况、设施;2017年7月,中车青岛四方机车车辆股份有限公司内建成0.88km试验线（以下简称“中车青岛四方试验线”）,采用接触轨供电,进入型式试验和试运行阶段;2018年8月,北京中建空列集团有限公司在开封建成约0.7km试验线（以下简称“中建开封试验线”）,由检修平台、高架结构、转辙换线系统、机车系统、钢结构车站等组成.3条试验线在供电制式、道岔类型、墩梁连接方式等方面存在差异,但其测试都为商业运营线的设计比选及优化提供了丰富的数据依据.
国内悬挂式单轨作为城市轨道交通的发展刚刚起步,缺乏国家级的设计规范及建设标准,目前仅四川及河南依托试验线分别颁布了DBJ51/T 099-2018《悬挂式单轨交通设计标准》和DBJ41/T 217-2019《悬挂式单轨交通技术标准》2个地方性标准.标准内容包含车辆、轨道梁桥、道岔、供电、通信、信号、车辆基地等多个专业,涉及设计、施工、验收、调试等方面.
2.2.2 存在问题及建议
（1）牵引供电制式.国内悬挂式单轨交通存在接触轨及蓄电池2种牵引供电制式,接触轨需增设正线牵引变电所、接触轨、部分环网电缆等,而蓄电池需增设车载电池、车辆段充电场所、电池换装库等.对于蓄电池制式,其建设初期投资远低于接触轨,充电设备设施的检修更换可集中在车辆基地进行,方便快捷,但其设备设施寿命较短（约5年）,运营期间更换频次较高、费用高,且目前供电效率相对较低.若以全寿命周期（使用周期30年）考虑,在政府不提供能源补贴的条件下,蓄电池制式的投资高于接触轨.因此,牵引供电制式需要根据建设模式、初期投资要求、供电效率等具体情况进行综合比选.
（2）墩梁连接体系.悬挂式单轨交通常用的墩梁连接体系有耳板销轴连接和牛腿支座连接2种,如图2所示.耳板销轴连接是在桥墩悬臂中加入横隔板,同时在轨道梁端焊接耳板,利用销轴连接横隔板及耳板.牛腿支座是在桥墩悬臂上焊接突出的底座,轨道梁端也焊接悬挑的支座,底座与支座通过高强度螺栓连接.目前国内关于采用何种墩梁连接方式存在一定争议.总的来看,耳板销轴连接体系用钢量小、简洁美观,但销轴材料及限位装置工艺要求高;而牛腿支座体系承载能力高,制造方便,但用钢量大,可能会出现拉力,需要设置拉压支座.因此,墩梁连接体系的选择要根据荷载情况、销轴及支座采购便利性、连接体系造价等综合确定.
（3）车辆侧滚效应.悬挂式单轨车辆结构异于传统的轮轨车辆,悬吊于走行部下方,车辆在通过曲线或遇到侧风时会发生侧滚,因此悬挂式单轨交通在通过线路小半径曲线、道岔以及强风条件下,会产生钟摆效应,运行平稳性变差,乘坐舒适度降低.因此需要完善转向架设计,通过设置侧滚止挡、优化减振器等方式限制车体侧滚.在侧风特别大的地区,线路应设置大风监测预警系统,并根据实时风速调整运行规则,具体如表2所示.
（4）救援及维护方式.悬挂式单轨交通在突发事故下的救援比较困难,不如其他制式轨道交通便利.为提升乘客安全逃生率,应制定与事故等级对应的多种措施应急预案,综合采用横向救援（通过客室侧门逃生至对侧车辆）、纵向救援（救援车牵引至最近站台、通过端部门逃生至救援车）、垂向救援（列车底板下设逃生筒、消防云梯）等多种救援方式.另外,在比较长的区间内可以考虑设置疏散塔,缩短逃生路径.总之,应充分发挥各类救援疏散方法的优势,多措并举,以提升悬挂式单轨交通列车故障救援的能力.
（5）维护重难点部位.悬挂式单轨交通维护的重难点为轨道梁内部,一方面,梁内布置着道岔装置、供电轨、供电电缆、通信电缆、信号轨旁设备及信号电缆等众多高价值的设备设施;另一方面,梁内空间非常狭窄,维修人员通行与器材运输不便.因此,针对轨道梁内的维修及检查,应加快研发满足商业运营线检修需求的多功能梁内巡检小车或机器人.
3 应用展望
悬挂式单轨交通属于中低运量制式,是城市轨道交通多制式协同发展的补充,主要适用场景为客流集散点联络（如机场接驳）、中小城市主城区（特别是多山、多丘陵地带城市）内部交通、旅游区或大型商圈的观光等.尤其在地面道路资源紧张,且远期高峰小时客流量小于1.5万人次/h时,悬挂式单轨交通具有强大的竞争优势.
目前国内多地已有意或正在建设悬挂式单轨交通（表3）,如贵州安顺黄果树、贵州黔东南州、四川攀枝花、長沙大王山等旅游胜地均已完成了悬挂式单轨交通的前期研究,陕西韩城空轨工程则完成了施工图设计.成都大邑空轨（采用建设-运营-转让的模式,即Build-Operate-Traner,BOT模式）正在开展施工图设计,预计将成为国内首条悬挂式单轨交通商业运营线,为其他同类项目提供示范作用,进一步促进悬挂式单轨交通向前发展.
由表3可见,目前的悬挂式单轨交通项目几乎均与旅游观光相关.鉴于近几年我国大力推广政府和社会资本合作（Public-Pivate Partnership,PPP）、BOT等新型建设模式,基于旅游观光的悬挂式单轨交通势必会因其良好的收益获得青睐,迎来广阔的发展前景.另外,随着我国高性能蓄电池技术的不断发展,新能源悬挂式单轨交通由于建设投资更为节省、环保等因素,将会成为悬挂式单轨交通未来发展的主要方向.
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收稿日期 2019-07-21
责任编辑 党选丽
Development status and application prospect of suspended monorail
Zhu Pengfei
Abstract： Suspension monorail originated in Germany and has a history of more than 100 years. At present, it has just proven practice of commercial operation in Germany and Japan. In recent years, the boom of research and construction of suspended monorail has gradually arisen in China, but some scientists in china he some doubts about its applicability due to factors such as low traffic capacity, difficult maintenance, low rescue and recovery efficiency, etc. At the same time, there are still disputes and difficulties in domestic research on traction power supply system, pier beam connection system, rolling effect of vehicles, rescue and maintenance mode, etc. However, it is certain that, with the accumulation and improvement of construction experience and design standards, the suspension monorail transit applicable to low and medium traffic volume lines will be focused and widely used in touri, passenger hub liaison sites and other projects due to its unique advantages.
Keywords： suspended monorail, development status, advantages, application prospect
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