中运量跨座式单轨交通工业化建造现状与趋势

刘 壮， 周 帅, 方 聪

(1.中国建筑第五工程局有限公司，湖南 长沙 410004；2.清华大学 土木工程系，北京 100084;3.湖南湘江新区投资集团有限公司，湖南 长沙 410000)

1 城市轨道交通新制式

1.1 大运量城市轨道交通

地铁是典型的大运量城市轨道交通制式，钢轮钢轨，主要采用地下隧道形式敷设线路(图1)。车辆采用A型车或者B型车，车体宽度2.6～3.2 m，轴重14～16 t，车辆定员310人，8节车辆编组定员2 480人，最小发车间隔120 s，高峰小时运量可达到6万人以上[1，2]。

图1 地铁制式城市轨道交通

对于一线大型城市主要线路，客流运输流量大，地铁是不可替代的轨道交通制式选择。以北京地铁为例，2018年运营里程合计637 km，日均客流量1 069万人次，其中，地铁1号线，线路全长31 km，每千米日均客流量5.2万人次，高峰小时客流量超过10万人次。

地铁的建造成本、运营成本高，建设工地也比较长。由于主要采用地下隧道的结构形式，并且线路走向与城市中心区域主要市政道路一致，土建费用大，特别地对于大型的地下车站，长度在200 m以上，竖向立体交叉，单个车站的费用超过10亿元，全线车站、区间费用每千米平均在6亿元以上，个别特殊线路每千米建造成本超过12亿元。地铁运营平均每千米每年在1 500万元左右，主要包括人员成本，线路检修人员、列车司机、车站值班员、安检售检票人员等，平均每千米50人，电力能耗支出，轨道线路、车站设备、车辆检修、零部件更换等，运营成本相对较高。

1.2 中低运量城市轨道交通

1.2.1 跨座式单轨交通

中运量跨座式单轨交通(图2)是一种轨道梁在下，车辆骑跨在轨道梁上方，车辆走行轮直接作用在轨道梁顶面，两侧导向轮和稳定轮作用在轨道梁侧面，车辆抱轨运行的一种轨道交通制式，现有桥跨结构通常为混凝土结构。主要采用B型车或者C型车，4～6节车辆编组，轴重11～14 t，车辆定员240人，单向高峰小时客运量可达到3万人次。重庆轨道交通3号线采用跨座式单轨交通制式，线路全长67 km，每千米最高日交通量1.6万人次[3,4]。

图2 跨座式单轨交通

跨座式单轨交通的线路轨道系统一般采用桥跨结构形式，轨道梁既是承重结构，又是走行轨道，梁轨合一。轨道梁恒载自重较轻，车辆活载占比大，与一般铁路、公路桥梁的车辆活载占比不超过35%和15%相比，跨座式单轨系统活载占比超过50%，车辆活载作用下，梁体竖向弯曲挠度大，刚度控制结构设计、车桥耦合动力学问题突出。同时，跨座式单轨交通车辆为橡胶轮胎，走行轮、导向轮、稳定轮环抱轨道梁运行，为缓解橡胶轮胎磨损，降低运营成本，提高运行舒适度，轨道梁线形精度和表面平整精度要求高，通常为毫米级的成桥线形控制精度[5,6]。

1.2.2 悬挂式单轨交通

低运量悬挂式单轨交通(图3)是一种刚性轨道梁在上，车辆转向架走行在轨道梁内部，车体与转向架通过连接轴悬吊在轨道梁下方的一种轨道交通制式，通常桥墩、轨道梁、牛腿等桥跨结构组成部分均为工厂预制钢结构，可实现现场快速装配化施工。主要采用C型车，车辆定员100～150人，2～4节编组，轴重6.5 t，单向高峰小时客运量1万人次左右，属于小运量轨道交通系统[7]。

图3 悬挂式单轨交通

悬挂式单轨交通与跨座式单轨交通同属于单轨交通系统，以轨道梁为分界线，跨座式单轨交通车辆骑跨在轨道梁上方，而悬挂式单轨交通车辆则悬吊于轨道梁下方。在同一下部净空要求下，悬挂式单轨的结构高度要高于跨座式单轨。悬挂式单轨交通车辆轴重、运输能力明显低于跨座式单轨交通，每千米建造运营成本也成比例降低。同时，悬挂式单轨车辆转向架走行在C型轨道梁内部，可不受冰雪天气等外部因素影响，实现全天候的运行。

1.2.3 中低速磁悬浮交通

中低速磁悬浮交通(图4)，是相对于高速磁悬浮而言的一种交通制式，两者都是基于电磁悬浮原理实现车辆的竖向支撑和导向，运行过程中，中低速磁悬浮车辆与地面F轨道之间始终保持着8～12 mm的悬浮间隙，通过直线电机实现车辆运行的牵引；不同的是，高速磁悬浮为长定子直线电机牵引，运行过程中，轨道分段供电实现车辆运行，车辆与地面完全无接触，中低速磁悬浮为短定子直线电机牵引，运行过程中车辆需要从轨道梁两侧刷电运行，因此运行过程中并不是完全地与地面设施无接触。

图4 中低速磁悬浮交通

运行过程中，中低速磁悬浮车辆与地面轨道并无轮轨接触，没有集中的轴重荷载，而是表现为电磁悬浮的竖向反作用力，车辆活载可根据悬浮架的分布位置按均布荷载处理，一般采用B型车或者C型车，根据不同的车辆编组，可实现单向高峰小时客运量2万人次。由于运行车辆与轨道之间为毫米级的间隙，要求线路轨道结构刚度大，活载作用下挠曲变形小，静活载作用下竖向挠跨比按1/4000控制，下部土建工程费用相对较高。

1.2.4 现代有轨电车交通

现代有轨电车交通(图5)，是一种地面敷设轨道供车辆走行的一种轨道交通制式，建造成本低，运输能力小，主要采用C型车，单向高峰小时客运量1万人次以下。20世纪初，有轨电车风靡全球，后来随着汽车的兴起，有轨电车因为需要和行人、汽车争抢地面资源，逐步被市场淘汰，以美国为例，有轨电车从高峰期的8 000 km逐步拆除直至目前只有少数几条线路在运行。进入到21世纪以来，现在有轨电车在我国一些新区、工业园区等特定的线路上又逐步应用起来，由于建造、运营成本低，未来应有一定的市场应用范围，但路权问题始终是制约其推广应用的瓶颈，而如果采用高架线路，建造成本又将显著增加，性价比将会迅速降低。

1.3 不同制式城轨交通综合对比

大运量地铁和中低运量典型的跨座式单轨、悬挂式单轨、中低速磁悬浮、现代有轨电车综合参数对比见表1，不同制式轨道交通的建造成本、运营成本基本与运输能力呈现正相关的关系，每一种交通制式都有着比较明确的功能定位。城市轨道交通是为人们的高质量出行服务的，交通制式的选型应该首先从客流运输需求出发，把规划线路中远期的客流量作为第一原则，结合城市规模、政府财政能力、人文景观等因素进行综合选型[8]。

表1 不同制式城市轨道交通参数对比

1.4 跨座式单轨交通发展趋势

以跨座式单轨交通为代表的中运量城市轨道交通是未来我国二三四线城市以及“一带一路”沿线国家中小城市的最佳制式选择。一方面，中小城市的客流量相对一线城市显著降低，中运量城市轨道交通制式能满足运能需求，采用大运量地铁则会浪费运输能力；另一方面，城市轨道交通作为民生工程，建造、运营都需要地方政府的财政补贴，中小城市的财力补贴也不足以维持高建造成本、高运营费用的地铁制式，采用造价显著降低的中运量城市轨道交通与地方政府的财政支付能力也更为匹配。

自2017年内蒙古包头地铁建设被紧急叫停以来，国家政策环境上进行了较大幅度的调整，不同的城市应该根据当地客流量需求、城市规模大小、地方政府财政水平，科学合理地进行城市轨道交通线网规划。《国务院办公厅关于进一步加强城市轨道交通规划建设管理的意见》(国办发〔2018〕52号)规定：城市轨道交通系统，除有轨电车外均应纳入城市轨道交通建设规划并履行报批程序。地铁主要服务于城市中心城区和城市总体规划确定的重点地区，申报建设地铁的城市一般公共财政预算收入应在300亿元以上，地区生产总值在3 000亿元以上，市区常住人口在300万人以上。同时，文件还规定，引导轻轨有序发展，申报建设轻轨的城市一般公共财政预算收入应在150亿元以上，地区生产总值在1 500亿元以上，市区常住人口在150万人以上。拟建地铁、轻轨线路初期客运强度分别不低于每日每千米0.7万人次、0.4万人次，远期客流规模分别达到单向高峰小时3万人次以上、1万人次以上。以湖南省为例，在新的政策文件要求下，除了省会城市长沙能够满足修建地铁的指标要求外，岳阳、衡阳、常德、株洲、湘潭等一批湖南省内有修建城市轨道交通需求的城市都不满足修建地铁的条件，只能规划发展以跨座式单轨交通为代表的中低运量城市轨道交通。

当前，我国经济下行压力加大，国际贸易形势紧张，加大基础设施投资建设力度成为了国家新的一轮稳增长的重要举措。以安徽芜湖、广西柳州、湖南衡阳、广东汕头等为代表的二三四线城市加紧了跨座式单轨交通等城市轨道交通的规划建设进度，未来，随着我国城镇化建设的进一步推进和“一带一路”战略逐步落实，中运量城市轨道交通将有着良好的应用前景。

2 轨道交通工业化建造

2.1 国家政策环境的要求

2017年2月，国务院颁布《国务院办公厅关于促进建筑业持续健康发展的意见》，提出要坚持标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理、智能化应用，推动建造方式创新，大力发展装配式混凝土和钢结构建筑，在具备条件的地方倡导发展现代木结构建筑，不断提高装配式建筑在新建建筑中的比例。力争用10年左右的时间，使装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%。

在全面推进生态文明建设、加快推进新型城镇化、特别是实现中国梦的进程中，装配式建筑的发展意义重大。一是有利于大幅降低建造过程中的能源资源消耗。据统计，相对于传统的现浇建造方式，可节水约25%，降低抹灰砂浆用量约55%，节约模板木材约60%，降低施工能耗约20%。二是有利于减少施工过程造成的环境污染影响。显著降低施工粉尘和噪声污染,减少建筑垃圾70%以上。三是有利于显著提高工程质量和安全。以工业化代替传统手工作业，既能确保部品部件质量，提高施工精度，大幅减少建筑质量通病，又能减少事故隐患，降低劳动者工作强度，提高施工安全性。四是有利于提高劳动生产率，缩短综合施工周期25%～30%。现场施工与工厂生产相比，生产效率明显提高。五是有利于促进形成新兴产业，促进建筑业与工业制造产业及信息产业、物流产业、现代服务业等深度融合，对发展新经济、新动能、拉动社会投资促进经济增长具有积极作用。

2.2 跨座式单轨桥跨基本构造

跨座式单轨交通桥跨基本构造如图6所示，独柱墩布置在市政道路中央分隔带，墩顶盖梁支撑双线轨道梁，跨座式单轨车辆环抱轨道梁运行，走行轮支撑在轨道梁顶面，导向轮和稳定轮支撑于轨道梁侧面。双线轨道梁构造如图7所示，轨道梁梁宽690～1250 mm，双线线间距4.6 m，梁高根据跨度大小进行优化调整。双线轨道梁横向设置横梁和平联，促使双线共同受力。

图6 跨座式单轨交通示意图

图7 跨座式单轨交通双线轨道梁

目前，跨座式单轨交通主要分为三类不同的制式，分别是日本日立双轴转向架、加拿大庞巴迪单轴转向架以及基于这两类主要制式衍生出来的比亚迪、中车等不同梁宽的车辆制式，如图8所示。不同的车辆制式对应不同的轨道梁梁宽，主流的浦镇-庞巴迪制式车辆和长客-国标跨座车对应梁宽分别为690 mm、850 mm。跨座式单轨交通轨道梁梁宽相对于市政、公路、铁路桥梁箱梁宽度、体量明显减小，活载占比大，受力特征有较大区别。

图8 跨座式单轨交通不同车辆厂家对应轨道梁梁宽

从跨座式单轨交通主要桥跨构造、轨道梁主要结构尺寸对比分析，可以看出，相对于装配式建筑梁、板、柱、墙、节点构件数量极大、种类繁多、临时支撑工作面狭窄等技术难点，以桥跨结构为主要构造形式的跨座式单轨交通，基础、墩身、轨道梁构件种类少、数量少、单件尺寸大，构件标准化拆分、工厂化预制、现场装配化施工，可实施性强，完全可以实现工业化建造。

2.3 跨座式单轨桥跨工业化建造现状

重庆轨道交通2号线、3号线采用跨座式单轨交通制式，线路全长98.5 km，其中3号线全长67 km，是世界上运营里程最长的单轨线路。全线轨道梁采用预应力混凝土构造形式，标准跨径22～24 m，简支支撑边界条件，在轨道梁厂标准化预制，现场装配化施工。如图9、图10所示，主要有运梁车、架桥机联合施工，地面吊机吊装施工两种方式。轨道梁安装到位后，调整梁底铸钢铰轴支座，施工轨道梁顶面和侧面指形板，实现走行面连续。

图9 预制轨道梁架桥机安装

图10 预制轨道梁汽车吊机安装

广西柳州公共交通2号线一期示范段10.8 km，采用跨座式单轨交通制式。全线轨道梁采用预应力混凝土构造，采用30 m+30 m+30 m连续梁标准桥跨结构。如图11、图12所示，30 m跨径预应力混凝土轨道梁工厂化预制，轨道梁吊装完成后，通过梁底三向可调节千斤顶和梁侧支撑杆对轨道梁线形进行精确调整，调整到位后进行支点湿接缝施工，实现轨道梁边界条件简支转连续，连续梁支点不设置预应力，通过梁顶钢板和中性轴以上普通钢筋抵抗连续梁负弯。

图11 预应力混凝土轨道梁预制

图12 预制轨道梁线形精调

跨座式单轨交通在日本福冈、北九州、大阪、东京等城市都有应用，轨道梁主要采用钢结构，如图13所示。标准跨径为40 m，梁厂分段(根据钢板材下料长度切分为2～3段)焊接成型，现场通过高强螺栓拼接成整片梁体，地面吊机吊装完成，梁端支座支撑于墩身盖梁，简支边界条件。

图13 钢结构轨道梁

3 装配式钢-混凝土组合结构

预应力混凝土轨道梁工程造价低，梁体自重大，车辆运行过程中活载占比相对较低，平稳舒适度相对较高。值得注意的是，跨座式单轨交通轨道梁既是承重结构，又是走行轨道，车辆抱轨运行，对梁体线形精度要求高。为了使混凝土轨道梁实现毫米级的预制精度和安装精度，措施费用较大，质量风险较高。以广西柳州2号线跨座式单轨项目为例，轨道梁宽690 mm，要求垂直轨道梁横向的顶面表面不平度(合计值)在任一690 mm线上不得超过1.5 mm，轨道梁梁宽尺寸最大偏差不得超过3 mm，为了满足轨道梁简支转连续的成桥线形精度，研发的中支点处精调设备系统单套价格超过50万元，并且周转效率低，施工措施费用大。在重庆轨道交通2号线项目实施过程中，预制预应力混凝土轨道梁安装完成后，由于混凝土收缩徐变等因素的影响，将近60%的梁体不能满足0.4%梁端转角的指标要求，导致迟迟不能通车，产生了较大的舆论压力，最终只得采取轨道梁表面磨耗的方式进行成桥线形匹配。

钢结构轨道梁可以实现板件标准化拆分，工厂化加工生产，结构平整度和轨道梁线性精度容易控制，梁体质量轻，现场吊装方便，施工速度快。然而，完全钢结构的轨道梁在跨座式单轨交通运营过程中也有着难以克服的不足。首先，轨道梁走行面耐候的问题。车辆抱轨运行，走行轮直接作用于轨道梁上表面，车辆起动、制动、运行使得走行面一直处于磨损状态，现有的钢结构涂装难以对轨道梁走行面进行长期保护，存在防腐、耐候问题，运营费用高。其次，运营环保问题。钢结构轨道梁自重轻、阻尼小，跨座式单轨运营过程中，车-桥耦合振动问题突出，车辆运行平稳性降低，特别地，走行轮直接作用于钢结构表面，轨道梁局部振动引起的噪声问题明显。第三，全钢结构轨道梁材料加工制作成本高，走行面、导向面钢结构表面磨损等运维费用高，整体造价水平明显高于混凝土轨道梁。

采用钢-混凝土组合结构轨道梁[9-11]，可以在全钢结构轨道梁、混凝土轨道梁基础上进行组合，扬长避短，进行构造优化设计。轨道梁下部构造采用钢结构，工厂化加工制作，合理控制成桥线形，降低轨道梁成桥质量风险，降低施工措施费用，相对于混凝土轨道梁，可以加大结构跨度，减轻梁体自重，降低下部结构工程费用，综合工程造价测算可以做到与混凝土轨道梁持平甚至折减。钢-混凝土组合轨道梁上部走行面板采用混凝土面板，增加轨道梁梁体整体结构阻尼，缓解梁体局部振动，降低运营噪声污染，跨座式单轨列车走行轮和导向轮与上部混凝土面板接触，增加轮轨摩擦力，提高车辆运行平稳舒适度。

4 结束语

群钉连接装配式钢-混凝土组合新技术在快速建造、经济指标以及环保社会效益上应具备综合优势，适应于以跨座式单轨交通为代表的中低运量城市轨道交通工业化建造未来发展趋势。