跨座式单轨应用于市域轨道交通的展望

沈晓鹏 吴煜博

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 市域轨道交通的定义及制式要求

1.1 市域轨道交通的定义辨析

传统的市域轨道交通、市域铁路通常特指钢轮钢轨系统[1],T/CCES 2—2017《市域快速轨道交通设计规范》、T/CRS C0101—2017《市域铁路设计规范》的适用对象也均为钢轮钢轨系统;市域轨道交通作为以功能、服务范围命名的轨道交通类型,与GB/T 50546—2018《城市轨道交通线网规划标准》中定义的快线A(服务于区域、市域,商务、通勤、旅游等多种目的)、快线B(服务于市域城镇连绵地区或部分城市的城区,以通勤为主等多种目的)的服务功能基本一致[2]。

可以认为,无论何种系统制式,只要其敷设方式、速度、运能等关键技术指标符合市域客流的运输需求和线网对市域线的功能要求,都可用于市域轨道交通。在T/CAMET 01001—2019《市域快轨交通技术规范》中,已将旅行速度50 km/h 以上、最高运行速度100～160 km/h 的轨道交通制式全部纳入其中[3]。

1.2 市域轨道交通对系统制式的要求

市域轨道交通一般具有站间距大、速度高,以中运量、高架敷设为主等特点[4-6]。根据T/CAMET 01001—2019《市域快轨交通技术规范》,满足以上要求的系统制式主要包括钢轮钢轨、跨座式单轨、中低速磁浮等[3],主要技术特征见表1。

表1 适用于市域线的主要系统制式对比

由表1 可知,各制式技术特征互有优劣,相对而言,跨座式单轨在地形适应性、环境影响、工期与投资等方面具有一定优势。

钢轮及中低速磁浮制式在市域轨道交通中的应用已相对广泛,以下结合宜昌市轨道交通2 号线,重点对跨座式单轨在市域轨道交通领域的应用前景进行分析。

2 跨座式单轨车型概述

2.1 跨座式单轨制式

跨座式单轨是一种车辆采用橡胶轮胎,骑跨在单根轨道梁上行驶的轨道交通系统。车辆除走行轮外,在转向架两侧还有导向轮和稳定轮,夹行于梁轨合一的轨道梁两侧,以保证车辆安全平稳行驶。跨座式单轨系统的核心技术体现在车辆转向架、轨道梁和道岔3 个方面[7]。

跨座式单轨目前已基本实现国产化,其特点为:爬坡能力强、转弯半径小、噪声低、振动小、景观效果好,尤其适于高架敷设,有利于控制工程造价及建设工期[8-9]。

跨座式单轨作为一种公共交通工具,已在全球运营超过50 年,在日本东京、多摩、冲绳、北九州、大阪,阿联酋迪拜,新加坡圣淘沙,马来西亚吉隆坡,美国西雅图、坦帕、纽瓦克、杰克森威尔、佛罗里达迪斯尼、加州迪斯尼、拉斯维加斯,俄罗斯莫斯科,韩国大邱,巴西圣保罗,印度孟买均有运营线路;在沙特利雅得、玛瑙斯,伊朗库姆、尼日利亚哈克特港,意大利博洛尼亚机场线等地均有在建线路[10]。目前,国内重庆市轨道交通2 号线、3 号线为已建成的跨座式单轨线路,安徽芜湖正在进行跨座式单轨一期工程建设。

2.2 国内跨座式单轨车型分类

国内的跨座式单轨车辆类型已趋于多样化,国内众多厂家进行车辆研发及生产,按照跨座式单轨系统相关规范,根据车辆尺寸和载客能力,可将跨座式单轨车辆分为MA 型车和MB 型车。其中,MB 型车又按转向架轴数的差异分为MB1型车(2 轴转向架)、MB2型车(4 轴转向架)[11]。

在运行速度方面,传统的跨座式单轨车辆最高运行速度一般为80 km/h,适用于城市轨道交通,但市域轨道交通则需要速度更快的车型。在跨座式单轨车辆中,最新研制的最高运行速度达到100 km/h 及以上的共有4 种车型:最高运行速度100 km/h 的MA2-2型(青岛四方,双轴转向架)、MB1-3型(中铁工业,单轴转向架)以及最高运行速度120 km/h 的MB1-2型(比亚迪,单轴转向架)、MB2-2型(中铁工业,双轴转向架)。

2.3 100～120 km/h 跨座式单轨车辆简介

(1)MA2-2

为2019 年中车青岛四方研制的新一代跨座式单轨车辆,最高运行速度100 km/h。该车采用宽轮距双轴转向架、轻量化铝合金车体、永磁轴控牵引传动等先进系统,全面提升了列车速度和牵引制动性能。

(2)MB1-2

为比亚迪研发的120 km/h 速度等级跨座式单轨车辆。2017 年12 月第一列120 km/h 速度等级跨座式单轨样车下线,2018 年完成厂区内静调、动调试验。2019 年6 月开始在济宁试验段上进行高速运行相关试验。

(3)MB1-3

2020 年1 月,中铁工业开启100 km 速度等级跨座式单轨车辆研发项目,5 月完成车辆初步设计,计划2020 年底完成样车制造。

(4)MB2-2

为中铁工业正在研发制造的双轴单轨车型,车体结构为全铝焊接结构形式,采用双轴转向架,每根轴带交流牵引电机,最高运行速为120 km/h。车辆采用700 mm 宽轨道梁,具有60‰爬坡能力。

100～120 km/h 的4 种跨座式单轨车辆主要技术参数见表2。

表2 100～120 km/h 跨座式单轨车辆主要技术参数

以上车型的差异主要体现在轴式、速度、运能等方面。在运能方面,当采用8 辆编组、系统能力30 对、5 人/m2站立密度时,MA2-2、MB1-2、MB1-3、MB2-2的输送能力依次为3.6 万人、2.9 万人、2.6 万人和1.9 万人。各车型速度、运能都符合中运量市域轨道交通的需要,可根据不同线路对速度和运量需求选择具体车型。

3 跨座式单轨适应性分析

考虑到市域轨道交通的功能特点和客流特征,衡量一种制式是否适用于市域轨道交通,主要应根据其速度、敷设方式等因素进行判断。

在速度方面,跨座式单轨在技术上已具备提升至100～120 km/h 的条件,对于速度目标值在这一范围的市域轨道交通而言,可以满足其功能需求。

在敷设方式方面,跨座式单轨以高架为主,具有梁体结构尺寸小,重量轻,占地省,尤其对于在市区范围或城市规划区走行、需高架的线路,跨座式单轨在敷设方式和环保方面的优势更为明显。

在因地制宜选择系统制式的指导原则下,对于速度要求适中、地面敷设难度大的线路,跨座式单轨的适应性更佳,应根据城市、线路特点选择适宜的系统制式。

4 案例分析

4.1 项目功能定位及客流量

宜昌市轨道交通2 号线可实现中心城区沿江东拓建设目标,打破带状城市用地局限,拓展城市发展空间,同时串联宜昌东站和三峡机场两大对外客运枢纽,是宜昌市城市公共客运体系的沿江东西向骨干公交方式,也是一条承担沿江组团间中长途及组团内部中短途客流的市域快线。

宜昌市轨道交通2 号线远期高峰小时单向最大断面客流为2.10 万人次/h。受城市中心区对客流的影响,该线具有明显的“潮汐”特征,早高峰小时断面客流呈“向心式”。

4.2 最高运行速度分析

(1)时间目标值

《宜昌市综合交通体系规划》(2011-2030 年)中提出的交通服务远期发展目标如下。

①湖北省“两圈一带”城市经济圈2 h 内通达;

②“宜荆组合都市区”构建1 h 交通圈;

③市域范围85%出行时间在45 min 以内;

④中心城区85%出行时间在30 min 以内;

⑤中心城区10 min 上快速路、15 min 上高速公路,除个别偏僻山区镇村外,市域其他自然村30 min内能通达国省道干线公路;

⑥中心城区居民5 min 内可到达公共交通、轨道车站。

T/CAMET 0100—2019《市域快轨交通技术规范》中提出,市域快轨行车组织应实现中心城区至周边新城、城镇等经济关联地区的1 h 通达。在市域快轨和中心城区轨道交通系统内,乘客的换乘次数不宜超出2 次。

GB/T 50546—2018《城市轨道交通线网规划标准》中提出,城市轨道交通线网规划应保障城市轨道交通出行效率,城市主要功能区之间轨道交通系统内部出行时间应符合下列规定。

①规划人口规模500 万人及以上的城市,中心城区的市级中心与副中心之间不宜大于30 min;150 万人～500 万人的城市,中心城区的市级中心与副中心之间不宜大于20 min。

②中心城区市级中心与外围组团中心之间不宜大于30 min,当两者之间为非通勤客流特征时,其出行时间指标不宜大于45 min。

本线作为轨道交通项目,主要面临地面交通系统的竞争,宜昌市现有连接宜昌市长途汽车站与三峡机场的机场巴士,全程30 km,旅行时间约1 h。若采用自驾车出行,由本项目起点站夷陵广场站至一期工程终点三峡机场全程约32 km,旅行时间约0.8 h,考虑到早晚高峰道路较为拥堵,自驾出行的旅行时间还将进一步延长。

综上所述,结合宜昌市相关规划,参考有关规范的要求,并体现出轨道交通相较于其他交通方式的速度优势,本次研究推荐本项目中心城区至远郊中心区时间目标值为1 h 以内,中心城区至机场枢纽时间目标值为0.5 h 左右。

(2)速度目标值比选分析

结合本项目功能定位及特点,综合考虑主流车型参数,针对80 km/h、100 km/h 和120 km/h 三个速度等级进行比选分析。

不同最高运营速度方案的旅行时间比较情况见表3。

表3 不同最高运营速度方案旅行时间及速度比较

由表3 可知,对于中心城区—机场枢纽区段各速度等级列车旅行时间相差不明显,其中80 km/h 较120 km/h 多 2.04 min;对于远期,120 km/h 和100 km/h 方案均能适应本项目时间目标值要求,120 km/h 方案更优。

车站间距与最高运行速度密切相关,不同的最高运行速度对于车站间距的要求不同。考虑列车起动加速和停车减速的影响,车站间距过短将限制列车速度优势的发挥。2 号线全线运营里程49.720 km,平均站间距为2.925 km,平均站间距较常规轨道交通项目长,有条件采用较高的速度目标值。由于本线途经中心城区与外围组团,在不同区段的车站分布情况也不尽相同,比较情况见表4。

一般情况下,从经济性角度考虑,列车应以最高速度运行一定的距离,旅行速度达到最高运行速度的45%～50%为宜[12]。由表3、表4 可知,鉴于中心城区段线路长度较短,车站分布密集,各速度目标值旅行时间、旅行速度相差不大,中心城区段宜选用80 km/h 的速度目标值。外围组团段运营里程35.745 km,平均站间距3.972 km,该区段线路长度较长,推荐采用较高的速度目标值,以缩短整体旅行时间。

表4 不同最高运行速度达速情况比较

(3)最高运行速度研究结论

经过以上分析,本项目外围组团区段站间距离较大,建议采用较高的运行速度来缩短运行时分,结合时间目标值的分析,建议最高运行速度不低于100 km/h,有利于中心城区乘客在0.5h 左右抵达机场,以及外围组团乘客实现1 h 抵达中心城区的目标。线路穿越中心城区时,穿越大量的构(建)筑物,站点密集,线路条件较差,还需考虑噪声、振动等对沿线设施的影响,在中心城区建议采用80 km/h 的速度目标值。

4.3 系统制式分析

(1)建设条件及可供选择的主要系统制式

根据宜昌市的城市基础特征情况,2018 年末,全市常住人口413.59 万,其中市区常住人口数达到152 万人,GDP 为4064.18 亿元,全年地方财政总收入361.85 亿元,地方一般公共预算收入237.23 亿元。2 号线单向高峰小时断面客流2.15 万人次,初期负荷强度0.45 万人,满足轻轨系统的建设条件,敷设方式应以高架为主,作为市域线,系统制式主要在钢轮钢轨、跨座式单轨、中低速磁浮中进行选择[13]。

(2)敷设方式分析

鉴于2 号线途经宜昌市中心城区和外围组团,外围组团区段对工程敷设方式、环境敏感度等限制较少,不同制式的区别主要体现在设施设备上;中心城区段沿线建构筑较多,环保要求较高,不同系统制式差别较为明显[14]。因此,主要针对中心城区不同系统制式的适应性进行对比分析。

本项目需穿越宜昌市老城区,受工程条件及环境敏感度影响,若采用钢轮钢轨B 型车,则需要大量采用地下敷设的形式,地下段长度较以高架敷设为主的跨座式单轨和中低速磁浮增加10 km,工程投资增加较多。

(3)环境适应性分析

中低速磁浮、钢轮钢轨制式的高架桥,对结构受力、刚度的要求较高,需采用较跨座式单轨更为粗壮的桥梁上部主梁、下部墩柱。由于大型的实体结构会遮挡日光[15],给沿线居民正常生活带来影响,而跨座式单轨在这些方面干扰相对较小。

钢轮钢轨系统采用架空接触网供电制式对市政景观影响大,采用接触轨供电制式,可减少对市政景观的影响。

跨座式单轨、中低速磁浮相较于钢轮钢轨制式振动源强较小,噪声影响轻微,但中低速磁浮有电磁辐射的担忧,环评公参难度较大,3 种系统中,跨座式单轨环保优势明显。

由于钢轮钢轨系统对环境适应性欠佳,中心城区若采用该系统,一般采用地下敷设方式,导致其造价很高;中低速磁浮由于市民对电磁辐射的担忧,在中心城区实施难度较大。

(4)工程投资对比

高架敷设时,跨座式单轨系统工程量小于中低速磁浮及钢轮钢轨。地下敷设时,3 种系统工程量基本相当。但由于线路技术标准、环保等因素,钢轮钢轨系统在中心城区部分需采用地下敷设为主[16],而跨座式单轨和中低速磁浮系统由于优良的环境适应性,可在中心城区采用高架敷设为主。

经投资匡算,2 号线一期工程采用单轨系统,投资约105 亿元,采用钢轮钢轨系统则多为地下敷设,投资约150 亿元,采用中低速磁浮总投资约130 亿元,可见采用以高架敷设为主的跨座式单轨系统投资更优。

(5)运营期投入

根据重庆城市轨道交通各线统计指标,在牵引能耗方面,受满载率等因素的综合影响,采用跨座式单轨制式的2 号线、3 号线每车km 牵引能耗、每人km 牵引能耗指标分别与采用钢轮钢轨地铁制式的1 号线、6 号线基本相当,为0.03～0.05 kW·h/(人km)(含车上辅助用电)。

根据理论计算,轻型跨座式单轨列车满员运行时,人km 能耗指标与钢轮钢轨系统差异不大,且线路起伏越大、限速段越多时,列车克服重力、动能产生的能耗占比越高,其相对优势越明显;若考虑各时段不同制式满载率差异以及部分单轨车型的车载电池储能优势,轻型跨座式单轨实际牵引能耗与钢轮钢轨制式基本相当。

磁浮列车虽然与轨面不接触,阻力小,但直线电机做功效率仅为60%～65%,且悬浮也需耗电,其牵引能耗高于轻型跨座式单轨和钢轮钢轨系统[17-18]。

综合考虑牵引能耗和动照能耗的运营总能耗指标,轻型跨座式单轨虽然因采用橡胶轮胎增加了摩擦阻力,但人均分担的车体重量少,克服重力、动能做功少,电机效率高,各制式牵引能耗总体差异不大,且由于大量采用高架敷设方式,其动照能耗远小于局部地下敷设的B 型车,运营总能耗最低。

跨座式单轨轮胎更换频率较高,且车辆本身购置费用高,维修成本高于钢轮钢轨车辆;磁浮系统利用磁浮力使列车处于无接触悬浮地平衡状态,和轨道之间无摩擦,具有速度高、阻力小的特点,较“轮轨”系统有明显的寿命优势,但是针对这种无接触式的“轮轨”关系,其制动能力相比于轮轨摩擦来说具有不可靠因素,轨排系统中支撑轮滑行面、感应板安装面、磁极面等均需要稳定的电流支撑,一旦失去这种电磁控制,将会对列车运行将会造成严重危害。磁浮车辆购置费用高,跨座式单轨车辆维修费用略高于中低速磁浮。

跨座式单轨机电设备维护费较钢轮钢轨系统低(主要因为地下车站和区间环控设备较少);跨座式单轨投资及相应的财务费用较低;在工务养护成本方面,跨座式单轨略高于磁浮,但低于钢轮钢轨系统。因此,跨座式单轨在能耗、维修费以外的运营成本一般低于钢轮钢轨系统和磁浮系统。

整体而言,跨座式单轨运营成本低于局部地下敷设的钢轮钢轨系统和中低速磁浮系统。

(6)系统制式研究结论

宜昌市轨道交通2 号线的敷设范围覆盖了中心城区和外围组团两个部分,既要满足外围组团区段对运行时间、运营速度的要求,又要满足中心城区区段对环境适应性和地形适应性的要求。

结合前述分析,跨座式单轨满足120 km/h 速度要求、中运量水平,具有爬坡大、转弯半径小、地形适应能力强、占地少、投资低、工期短、具有良好的经济性,噪声低、振动小、无电磁辐射担忧,具有良好的环境适应性,对中心城区城市空间景观影响小,对宜昌轨道交通2 号线的建设需求适应性最优。

5 跨座式单轨发展前景分析

(1)市域轨道交通欲以跨座式单轨等高架敷设方式为主时,为顺利立项,应确保所在城市符合轻轨建设条件: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。初期客运强度不低于每日每km0.4 万人次,远期客流规模达到单向高峰小时1 万人次以上。

(2)对于速度要求在100～120 km/h 之间,线路经过城市中心和外围组团的市域轨道交通线路,最适于发挥跨座式单轨在敷设条件、环境适应性等方面的优势,制式需求与跨座式单轨的制式特点契合度最高。

(3)对于速度要求在100～120 km/h 之间,但仅走行于城市外围的市域轨道交通线路,若不具备地面敷设条件,从工程投资、运营期成本方面考虑,也较适合采用跨座式单轨制式。

(4)从资源利用、互联互通角度出发,系统制式的选择应全网统筹考虑,对于中心城区骨干线网采用跨座式单轨的城市,在同等条件下,其线网中具有市域功能的线路宜优先采用跨座式单轨制式。