芜湖跨座式单轨交通技术发展及节点工程方案研究

雷慧锋

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

芜湖市作为长三角地区极具发展潜力的中等城市,根据城市自身规模、特点和交通需求,选择了经济适用、环境友好的跨座式单轨交通,也是国内继重庆之后第二座建设跨座式单轨的城市。

2016 年2 月,国家发改委正式批复了《芜湖市城市轨道交通一期建设规划(2016～2020)》,一期建设项目包括1 号线和2 号线一期工程,线路总长46.9 km。根据线网规划和建设规划阶段的客流预测,芜湖市轨道线网中骨干线路客流规模为(1.0～2.3)万人/h,属于中运量线路等级,系统选型应为轻轨。通过技术经济综合比选,并结合“轻轨应以高架或地面敷设为主”的要求,确定以跨座式单轨作为芜湖城市轨道交通骨干线网的制式选型。

设计阶段重点围绕跨座式单轨工程建设中的关键技术[1-3],以重庆跨座式单轨关键技术国产化研究和轻型跨座式单轨系统技术研究成果为基础[4-6],结合芜湖市轨道交通需求特征和建设条件,针对车辆、轨道梁及道岔等关键技术开展深入的研究论证和技术创新,对控制性节点工程方案开展精细化研究,最终方案在以下几个方面取得突破:采用了适应性更好的轻型单轨系统;研制并应用新型道岔系统,突破了以往道岔对折返能力的限制[7],系统能力达到30 对/h;轨道梁采用造价低、行车舒适性好的连续刚构体系;设置了功能良好的应急疏散通道;实现2 条线同层平行换乘和渡线联络;研究采用了结构轻量化且抗震性能优越的钢-混凝土组合独柱三层高架车站;通过控制性节点工程精细化设计,本期项目两条线最终地下段长度占比减少到3%,使跨座式单轨系统的环保、景观优势得到充分体现。

1 跨座式单轨三大关键技术发展应用

1.1 车辆选型

车辆选型阶段,重点比较重庆单轨(以MA 表示)和基于庞巴迪INNOVA 300 型单轨(以MB 表示)两种车型。比较指标主要有:输送能力、运载效率、控制性参数等。在满足能力需求条件下,两种车型主要技术特征对比见表1。除了对表1 所列特征进行比较外,针对拟选车型单轴转向架条件下轴重较大的特点,根据本项目客流预测各时段满载率及对应的轴重,对轮胎寿命期轮载分布比例特征进行了分析,并对照参考国外同类项目轮胎使用寿命分析数据,结合弯道冲角、总轴数等因素,对两种车型轮胎使用寿命及维护成本做了定性、定量分析。

表1 两种车型主要技术特征对比

通过综合比较,推荐采用MB 车型,远期列车编组6 辆。新车型的应用,不仅很好地满足了芜湖轨道交通的需求,也有利于促进跨座式单轨在我国的推广。

1.2 轨道梁结构体系

轨道梁常被称为跨座式单轨交通的生命线,是保证列车运行安全性和舒适性的基础,也是体现跨座式单轨工程项目建设成败的关键。鉴于轨道梁兼有的运行轨道和承载结构双重功能的特点,为保证轨道梁的线形及走行面摩擦系数能较好地满足列车运行轨道的功能要求,轨道梁优先采用预应力混凝土梁(简称PC梁)。轨道梁结构体系有简支梁、连续梁和连续刚构等类型,简支体系和连续体系各有优缺点,需结合线路条件综合比选确定。

芜湖单轨设计阶段,在综合分析国内外跨座式单轨轨道梁应用情况的基础上,结合本项目拟选车型匹配的轨道梁断面特点及沿线建设条件等因素后,区间一般区段,决定采用以标准跨跨度为30 m 的预应力混凝土连续刚构体系为主的轨道梁方案;部分低墩或其他原因不适合采用连续刚构的区段采用简支梁;针对跨越市政道路、公路和铁路时的大跨度需要,采用钢-混凝土结合式轨道梁;需要更大跨度时,采用在连续梁桥上敷设轨道梁的梁上托梁方案、大跨度连续钢-混凝土结合梁方案,或者大跨度连续钢轨道梁方案。

1.3 道岔选型与技术创新

(1)道岔选型研究

单轨道岔为关节式(关节型和关节可挠型)和整体梁式,其中正线道岔一般选择侧向过岔速度较高、舒适性较好的关节可挠型道岔。通过梁内设置的挠曲机构使侧向位时道岔梁导向面板、稳定面板在折线形岔梁基础上形成曲线是可挠型道岔的主要特点,而挠曲机构的设置和挠曲作业对梁内空间有一定要求,目前在技术上可设置挠曲机构的道岔梁最小宽度为800 mm。当道岔梁宽度小于800 mm 时,只能采用关节型或整体梁式道岔[8]。

前期研究阶段,针对所选车型轨道梁宽度为690 mm,正线道岔无法采用目前重庆单轨正线所采用的关节可挠型道岔,而关节型道岔侧向过岔速度无法满足折返能力和舒适性要求的特点,研究了以整体平转为特点的换梁型和枢轴型道岔。换梁型和枢轴型道岔在工作原理上类似于铁路上的无尖轨转辙器[9](见图1)。

图1 铁路无尖轨转辙器

(2)道岔设计参数研究

道岔类型确定后,需要根据配线、行车设计要求确定道岔规格和具体尺寸。研究中,考虑道岔规格的标准化和统型化需求,结合国内外单轨应用情况,确定道岔规格种类和基本尺寸。其中,侧向过岔速度的确定原则,以车辆供货商提出的技术接口要求为基础,参考了国内铁路和地铁设计规范的基本要求和日本单轨相关标准,结合单轨系统轮轨关系特征,从乘客舒适性、轮轨相互作用、道岔梁受力等方面综合分析后确定,并以此作为道岔产品设计的依据。

枢轴道岔侧向为折线型,侧向过岔存在一定冲击,因主要用于车场线,侧向过岔速度不需要考虑乘客舒适性要求。过岔速度受车辆转向架构造及侧向车轮分布特征制约。对比本项目单轨车辆与重庆单轨车辆特点,若仅从侧向车轮分布特征看,本项目车辆应具有更好的折线适应性,但考虑到本项目车型为低重心轻型车辆,转向架也属于轻型结构,在无充分的实践验证的情况下,暂按车辆供货商技术接口要求取值(见表2)。

表2 枢轴型道岔类型

换梁型道岔因采用整体梁互换方式实现转线,相当于可转动的轨道梁,而且可以在道岔区段设置缓和曲线。因道岔区不考虑设置超高,侧向过岔速度限值取决于容许的未被平衡的离心加速度。

对道岔区段是否有必要设置缓和曲线问题进行分析,从单质点运动分析,设置缓和曲线有利于改善运行时乘客的舒适性,但根据铁路道岔相关资料,道岔区设置缓和曲线对改善行车舒适性作用有限,目前国内外开通的单轨线路以及与单轨类似的磁浮交通线路,道岔一般不设置缓和曲线。

本项目中道岔选型综合考虑了车辆接口要求、配线功能、道岔区规模等因素,除站前折返渡线因频繁载客通过,按车辆接口要求,采用导曲线半径为69 m 的带缓和曲线道岔外,其他正线道岔及接出入线道岔均采用导曲线半径为100 m 的不带缓和曲线道岔。各类换梁型道岔侧向过岔速度见表3。

表3 换梁型道岔类型

(3)道岔的拓展应用与技术探索

①侧式站故障停车线道岔方案

受站址场地条件限制,2 号线弋江路站需采用侧式站并设置故障车停车线。如果按照常规布置方式采用换梁型道岔,则两条站线最小线间距需10.6 m,且需要设置较大的道岔平台,导致车站规模较大,且景观效果差。为此,专门研究将枢轴道岔用于停车线的技术可行性和经济性。通过分析近远期本站配线功能,提出停车线枢轴道岔布置方案。按此布置方式,线间距为8.4 m,有效控制了车站规模和道岔平台体量。

②车辆段咽喉区集约化布置

基本思路是在常规渡线设置方案的基础上,通过调整渡线控制方式,拓展道岔梁的功能。对于换梁型渡线,通过调整曲梁线形构成和直曲梁转轴位置,将度线接通状态时闲置位直梁偏角调整为小于等于6°,满足车辆侧向过岔要求,使常规布置方式下闲置的直梁得到利用;对于枢轴型渡线,将常规设置方式下同步转辙的两组单开道岔,调整为分别独立控制的“三开+单开”或“三开+三开”组合,提高岔梁的利用率。上述集约化布置方案可减少咽喉区道岔数量和咽喉区长度,但增加了道岔控制的复杂性,改变了渡线控制模式及与信号的接口关系,尚需深化研究和完善接口,本项目暂未采用。

2 关键性技术标准和技术方案研究

2.1 线间距

(1)正线最小线间距

根据车辆限界参数,当两线间无构筑物时,正线直线地段两线线间距为设备限界间预留150 mm 的安全间隙,据此计算的最小线间距为3.9 m。当两线间设置疏散通道时,疏散通道结构外缘至设备限界间安全间隙不小于50 mm。按照现行国家强制性标准,高架线路需设置疏散通道,但对跨座式单轨疏散通道高、宽度没有明确要求,也无工程先例。为此,专门研究了设置疏散通道条件下的最小线间距。现行《地铁设计规范》规定,平台最小宽度1 000 mm,距轨面高度不大于900 mm。结合单轨高架线路特点和本项目车型特征,考虑紧急情况下乘客安全逃离列车的便捷性及疏散通道与轨道梁在景观上的协调性,确定平台宽度为1 200 mm,高度为列车地板面以下200 mm。按此计算确定正线最小线间距为4.6 m。

(2)渡线标准线间距

渡线线间距主要由道岔结构构造参数和道岔区建筑限界两大因素决定。其中,枢轴道岔结构简单,道岔结构对限界影响因素少,通过对渡线区段道岔结构和列车侧向过岔时的限界要求分析,确定枢轴道岔渡线标准线间距为4.5 m;换梁型道岔有多种类型,且由两根岔梁组成,在形式上属于带伸臂的四连杆机构,道岔区限界受岔梁导曲线半径和曲线构成、岔梁销轴相对位置、岔梁间连杆位置和长度、驱动推杆位置等多个因素影响,需要综合分析比选确定。

为尽可能统一多种类型换梁型道岔渡线线间距,研究中结合芜湖单轨道岔选型基本需求,并充分考虑换梁型道岔在国内的推广应用,针对表3 所列的3 种渡线类型和表1 所列的2 种车型,分别按线间距4.8 m、5.2 m、5.3 m、5.6 m 进行了道岔结构和线形参数对比分析,从保证道岔区限界安全间隙和合理控制道岔区总体规模考虑,确定不带缓和曲线时渡线标准线间距取5.3 m,带缓和曲线时渡线线间距取5.6 m。需要指出的是,渡线线间距的控制要求,同样适用于正线一般单开道岔区。困难条件下无法满足标准线间距要求时,可通过道岔特殊设计适当减小线间距,但不宜小于4.8 m。

2.2 疏散通道设置方案

与常规轨道交通高架线路桥梁结构不同,跨座式单轨高架结构为由两线独立的轨道梁构成的轨道梁桥,没有可以直接放置疏散通道的结构。为此,根据确定的疏散通道基本形式,采用经济性较好且安装方便的桁梁型式。在此基础上,研究横向支承于轨道梁上的分散支承方式(圣保罗方案)和支承于桥墩盖梁上的独立支承方式。前者为多支点支承,通道结构受力较小,可以节省结构材料,但需要沿轨道梁纵向预留很多连接栓孔,且对安装精度要求较高,在一定程度上限制了轨道梁安装阶段的可调整性;此外,从受力上存在轨道梁与通道结构相互作用影响,支承连接构件易承受疲劳荷载,不利于保证结构的长期耐久性。因此,确定采用独立支承方式。

2.3 联络线方案

芜湖轨道交通一期项目在北京路站(换乘站)站端设置1 号线与2 号线的联络线,供检修列车通过。由于换乘站采用同层平行换乘方式,大大简化了联络线设置方式,采用渡线联络线。换乘站为两个侧式站并置形成的一岛两侧车站,联络的两条线线间距较大,如果按照正常的渡线布置方式,不仅导致道岔桥工程规模较大,景观效果差,而且还会导致渡线的长度不足。为此进行了细化研究:首先,通过对车辆适应性的分析,确定道岔采用所选车型可适应的不设缓和曲线的最小曲线半径R-54 m 换梁型道岔;其次,参考地铁和铁路行业相关做法,研究了缩短渡线方案(见图2)。

图2 联络渡线布置方式示意

图2 中,T1-T2(T3-T4)为道岔曲梁,T2-P1(P4-T3)为道岔梁固定端衔接段,P3-P4为连接两组道岔的半径为R1的反向曲线轨道梁。其中,R1在满足不小于导曲线半径R0且可适应制梁模具作业要求的前提下尽可能取较小值;曲线P1-P2段长度按不小于5 m控制;夹直线P2-P3长度b根据渡线长度控制及道岔布置要求,并考虑便于轨道梁制作等因素确定,按不小于3 m 控制,无法满足不小于3 m 的要求时,可采用不设夹直线(即b=0)的反向曲线轨道梁。尽管按此形成的联络线由断背曲线和反向曲线构成,不符合我国轨道交通线路设计常规做法,但在国外已有实际应用[10-11],尤其对于行车舒适性要求较低的联络线,适当降低线形标准有利于节省投资。

2.4 路中独柱车站结构方案

单轨交通多数路段线路沿城市道路路中敷设,路中设站不可避免,为了减少车站对道路占用,路中站应优先采用独柱式结构。根据以往工程实践,为保证独柱式结构的抗震性能,独柱车站结构多采用单层T 形结构[12]。对于大量采用路中敷设的高架线路,因车站设备布置需要,往往需采用独柱三层结构。当采用独柱三层结构时,为满足大悬挑条件下结构静力和抗震要求,底层独柱横向尺寸较大,抗震烈度Ⅶ度以下地区,一般为3.0～3.5 m,将引起建成区既有道路较大范围的改造。为提高跨座式单轨对路中高架敷设的适应性,重点从结构、构件材料和结构体系两个方面寻求突破。材料方面,主要从减轻结构整体质量和主要受力构件截面承载效率的角度入手,研究应用了钢-混组合结构技术,作为主受力构件的底层独柱及二层中柱采用钢管混凝土结构;结构体系方面,主要从地震响应机理分析入手,通过减小站厅层中立柱尺寸,加大边立柱尺寸,优化中柱与边柱之间的刚度比,将常规的准干字形结构转化为一层钢-混结合式独柱支承的二层框架结构,在满足静力计算对结构应力、变形要求的前提下,适当弱化站厅层水平向抗推刚度,释放地震能、减少地震力。分析表明,独柱横向宽度1.85 m 即可满足Ⅶ度区抗震设防要求。

3 机电设备的优化改进

3.1 设备布置集约化

结合车站建筑轻量化设计对强、弱电设备用房进行集约化整合。

(1)对直流开关柜室、再生能馈室及接触轨隔离开关柜室进行整合。

(2)对专用通信系统与BAS、AFC、门禁、安防等弱电系统进行整合。

3.2 接触轨优化

(1)根据车辆供电受流特点,接触轨采用了两侧竖向错位不对称布置方式,并采用定位准确、固定可靠的双槽道安装方式,具备列车换向运行的条件;根据国内接触轨绝缘安装要求及车辆动态位移特点,与有关厂家联合研制了安装空间小、受流面宽的C 形钢铝复合轨。

(2)采用正线分段绝缘器和道岔分段绝缘器实现列车集电靴在不同供电分区间、道岔处接触轨的连续通过,减少了由靴轨分离、接触引起的机械冲击和电弧烧蚀,延长了集电靴和接触轨的使用寿命。

3.3 信号系统改进

(1)信号系统按符合单轨全自动运行模式特点的要求设计。

(2)增设了工程车防护系统,向司机提供驾驶期间辅助提示功能,提高工程车运行安全等级及作业效率。

(3)采用免预埋式信标及计轴,减少对土建工程影响,降低造价的同时提高了轨旁设备安装灵活性。

4 控制性节点工程方案的精细化研究

4.1 北京路站换乘方案

北京路站为位于城市中心区的1 号线与2 号线的换乘站。方案研究过程中各阶段分别推荐了地下L 形换乘、高架L 形换乘和高架同层平行换乘3 种方案(见图3)。换乘站不同的敷设方案不仅影响本站工程规模,还会影响两端相邻区段线路和车站的敷设方案及工程规模。建设规划中期成果推荐采用地下换乘站方案。在应业主要求开展建设规划工程方案咨询优化过程中,根据区段道路、环境建设条件,结合跨座式单轨技术特点,对敷设方案进行了认真的分析研究后,认为采用高架换乘方案可以大幅度减少地下段长度,具有明显的技术经济合理性。与地下站换乘方案相比,采用高架换乘站方案后,两线车站两端地下区间长度减少约6.8 km,地下站少4 个,节省投资约24 亿元。

图3 北京路站换乘方案对照

4.2 中江桥方案

1 号线跨青弋江与市政道路中江桥共桥位,而中江桥因通航净空受限需拆除既有桥建新桥,新桥采用主跨96 m 独塔斜拉桥,如何处理1 号线跨青弋江与市政中江桥的关系问题,一直是前期方案研究过程中争论的焦点之一。分建方案实施简单,但引起较大工程拆迁;合建方案有利于集约利用通道资源,但有一定技术难度。建设规划阶段经多次比选研究后,推荐分建方案。

针对分建方案存在的问题,可行性研究阶段以合建为目标,从桥梁结构、道路衔接、拆迁范围等方面开展了详细的方案比选研究,论证合建方案的技术可行性和经济合理性。同时,针对轨道梁桥与市政桥之间结构关系,研究了与市政桥跨度匹配,二者共桥墩的(60+96) m 梁-桁组合式大跨度钢轨道梁T 构桥方案和轨道梁桥支承于市政桥上的高、低支墩小跨度PC轨道梁桥方案,推荐采用轨道梁支承于市政桥桥面的低支墩小跨度PC 轨道梁桥方案(见图4)。

图4 中江桥合建方案

4.3 跨宁安城际方案

2 号线一期工程沿北京中路自西向东穿越宁芜铁路、宁安城际铁路(高架),是影响2 号线平纵断面方案的控制性节点之一。设计阶段根据交叉区域道路和周边环境条件,以及影响线路和工程方案的主要控制因素,研究了北侧上跨铁路、路中地面下穿铁路、北侧顶进双线框架桥下穿铁路、南侧顶进双线框架桥下穿铁路、南北侧各顶进单线框架桥下穿铁路、路中地下下穿铁路等6 个方案。根据初步的技术可行性分析,并结合与铁路部门沟通情况,重点对北侧上跨铁路方案和北侧顶进双线框架桥下穿铁路方案进行了深化比选研究。通过技术经济综合论证分析,推荐采用2×70 m T 构上跨宁安城际的单轨桥方案,T 构采用转体法施工。

交叉处宁安城际为高架线,为了尽可能降低交叉点轨面高程,改善纵断面条件,便于与弋江路站衔接,对T 构梁部断面、轨道梁类型及其与T 构梁部的支承连接方式进行了研究,比选了3 个方案:方案一,单箱单室箱梁上承托简支PC 轨道梁方案(见图5(a));方案二,钢轨道梁与箱梁形成组合断面方案(见图5(b));方案三,异形单箱双室箱梁上承托(简支或刚结)PC 轨道梁方案(见图5(c))。

图5 跨宁安城际单轨桥轨道梁方案比较

方案一属于单轨工程中常规的梁上托梁方案,结构体系简单,采用PC 轨道梁有利于行车,但由于简支轨道梁支座占用较大的空间高度,增大轨面高程,导致线路纵坡较大,在北京中路转向弋江北路区段形成对行车舒适性不利的大坡度与小半径平纵组合线形条件,需抬高弋江路站的高程;方案二将钢轨道梁与T 构梁部通过剪力钉通长连接,使轨道梁与T 构梁部形成新型钢-混组合结构,避免了设置支座,且由于钢轨道梁自重轻,形成的组合断面共同承担桥面附属结构恒载和列车活载,从而降低轨面至T 构梁顶面高度及T 构梁部结构高度,达到降低轨面高程的目的;方案三利用疏散通道空间将箱梁中腹板凸起至桥面之上,提高T 构梁部结构高度和T构整体刚度,优化预应力钢索布置和承载效率,从而降低T 构箱体顶面至梁底的高度。与方案二相比,方案三T 构梁部施工相对复杂,电缆布设方式与标准段区间不同,需在梁端进行过渡。此外,方案二采用自重轻的钢轨道梁也有利于上跨高速铁路区段轨道梁的架设安装。故决定采用方案二。

4.4 穿商合杭高铁方案

1 号线在赤铸山路站～赭山路站区间沿银湖路路中自北向南先后穿越既有铁路轮南线(地面线)、拟建中的商合杭高铁(高架)、市域R1 线(高架)及保兴河,线路纵断面受到较大制约,是贯穿研究、设计各阶段线站位及敷设方案技术经济比较研究的重点之一。建设规划和可研阶段重点比选研究了高架上跨、地下下穿两大类方案。因交叉区域商合杭高铁为公铁合建双层桥,上跨方案跨越点轨面高度约38 m,导致两端车站高度大于24 m,不仅增加了车站设计的复杂性,且本线实施时高铁已开通,上跨实施协调难度极大,故建设规划和可研阶段均推荐了地下下穿方案。

设计阶段明确本项目采用轻型单轨车型(MB 型车),因其要求的限界净空高度较小,为高架下穿商合杭高铁创造了有利条件。在此情况下,设计重点从两个方面开展分析论证:一是分析R1 线纵断面调整的技术可行性;二是研究R1 线市域线荷载标准下,梁体结构高度优化的技术可行性。初步的论证分析表明,抬高R1 线梁底高程,满足高架下穿方案的限界高度要求,在技术上是可行的。根据进一步对高架下穿实施性技术方案的详细研究,通过调整R1 线纵断面和交叉区桥跨方案,提高了R1 线轨面高程,降低了交叉区域铁路桥跨梁部结构高度,增大了铁路桥下净空高度,圆满解决了制约高架下穿方案的问题,最终形成铁路与单轨空间关系如图6 所示的高架下穿实施方案。该方案在保证1 号线跨轮南线桥下净空满足铁路部门提出的净空要求的基础上,为1 号线下穿商合杭高铁及R1 线的净空高度预留一定余量。高架下穿方案避免了在道路路中设置敞口过渡段,虽然高架下穿方案也会引起地面道路局部区段的拓宽改造,但改造工程量和对道路的影响小于地下下穿方案,工程投资较地下下穿方案节省约7 200 万元。

图6 1 号线高架下穿商合杭高铁空间关系(单位:m)

5 结语

芜湖作为我国第二个国家正式批复采用跨座式单轨的城市,系统选型和技术标准的适应性和先进性、工程方案的精细化和技术经济合理性不仅影响本项目开通后的运营效果和项目整体投资效益,也会影响跨座式单轨系统在国内的推广应用。在对项目建设规划成果进行咨询,及后期开展的可行性研究及工程设计过程中,以重庆单轨关键技术国产化研究与设计经验及轻型跨座式单轨技术系统性研究成果为基础,通过充分的研究论证,合理借鉴和应用国内外单轨成熟技术,准确把握单轨技术特点,根据芜湖城市交通需求、建设环境条件和实际工程需要,通过技术创新和精细化设计,科学开展系统选型比选论证,推荐适应性较好的轻型跨座式单轨系统,并研究提出与之匹配的轨道梁和道岔系统,确定了相关技术标准,不断深化和细化换乘站、重要立交等控制性节点工程方案研究,将诸多“不可能”变为“可能”(本期项目线路地下敷设比例由19.2%减少到3.0%)。正是这种贯穿于研究、设计全过程的技术创新和精细化设计理念,可最大程度保证项目系统选型、关键技术应用、主要技术标准及工程方案的技术经济合理性,通过工程实践充分体现跨座式单轨交通经济适用、环境友好的技术优势,以及对中运量轨道交通线路良好的适应性。