跨座式单轨交通发展浅析

刘 俊 武 农 孙晓彤

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

近年来,我国城市轨道交通发展迅速,特大型城市、Ⅰ型大城市骨干线网已基本建成,主要采用大运量的地铁制式。截至 2021 年6 月,全国投入运营的城轨交通线路长8 448.67 km,其中地铁6 641.73 km,标志着我国已步入城轨交通大国行列。然而,地铁运营入不敷出现象仍然存在,并且不少城市的地铁客运强度不到每千米0.7 万人次/d 的最低标准。

另一方面,高铁时代的到来让中国人“千里之行一日还”变成现实,我国大城市被高铁融为近邻,中国高铁速度带来了中国经济飞跃发展,中国各大城市由于高铁便捷带来城市群整体跨越发展。随着城镇化建设的推进,特大城市(城区常住人口300 万人以上)、Ⅰ型大城市(城区常住人口100～300 万人)的交通网需要进行加密,我国大量的Ⅱ型大城市也迫切需要城市轨道交通,城市立体交通体系需要更新模式引导创新发展[1-3]。

城市轨道交通建设的发展趋势,必将从地铁建设为主逐步过渡到地铁、轻轨、跨座式单轨、悬挂式单轨、中低速磁浮、有轨电车、市域快轨等多种制式协调发展[4-7]。跨座式单轨交通作为一种中运量轨道交通系统,是城市轨道交通的重要组成部分,可为城市现代化的轨道交通建设提供多样化选择[8-11]。

在需求侧,跨座式单轨具有建设成本低、建设周期短、环保性能优、适应能力强、景观效果好等独特优势,受到越来越多城市的关注和欢迎,截至2020 年,全国跨座式单轨开展线网规划的城市有49 个,线网规划已批复正开展建设规划的城市有18 个,在建城市1 个,运营城市1 个。

在供给侧,我国已形成较为完整和成熟的单轨产业链,截至2020 年,从事单轨交通的勘察设计单位有10 家;生产单轨交通车辆的厂家有6 家,其他装备制造企业若干;已发布单轨交通标准24 项。以下对单轨交通在国内外的发展历程进行简要回顾,并对未来的发展方向进行分析。

1 跨座式单轨交通的概述

跨座式单轨交通是一种车辆跨行于梁轨合一的轨道梁上行驶的轨道交通制式,通常采用高架敷设,必要时也可在地面或地下敷设。车辆采用橡胶轮胎,除走行轮外,在转向架两侧设有导向轮和稳定轮,夹行于轨道梁两侧,以确保车辆沿轨道安全平稳行驶(见图1)。

1.1 主要技术特点

结合车辆、轨道、道岔及其他相关技术条件,跨座式单轨系统具有以下主要技术特点。

(1)建设成本低

目前,国内建设的地铁工程投资已经达到(6～12)亿元/km,钢轮钢轨轻轨达到 (4～6)亿元/km,而跨座式单轨投资仅为(2～3)亿元/km。

(2)建设周期短

跨座式单轨交通系统为模块化结构,轨道梁可提前在制梁场预制,夜间吊车架设,可有效降低施工对城市交通的影响,缩短建设周期。

(3)环保性能优

胶轮走行方式产生的噪声、振动远小于地铁和轻轨,对沿线居民工作、休息影响小;由于环保性能优异,可将车站与商业民用建筑融为一体,方便乘车,并促进沿线土地开发。

(4)适应能力强

跨座式单轨列车具有较强的爬坡能力,能通过较小弯道,对地形地貌具有良好的适应性,能适应城市内各种复杂环境,有效减少征地拆迁工程,从而节省工程投资和避免征拆纠纷。

(5)景观效果好

轻盈的轨道梁可减少遮蔽,降低对采光和视觉效果的影响;高架线路和动感时尚的车辆让城市更有层次感、立体感,为城市增加了一道流动的风景线,同时也是一座移动的观景平台。

(6)安全性能好跨座式单轨系统的车辆转向架上装有走行轮、导向轮和稳定轮,可充分保障系统的运营安全;跨座式单轨作为一种公共交通工具,在中国、日本、美国、阿联酋、马来西亚、新加坡等多个国家已有半个世纪的安全运营业绩。

1.2 适用范围

跨座式单轨交通以其主要技术特性和独特优势,尤其适用于以下几类交通线路。

(1)Ⅱ型大城市的轨道交通骨干线,为城市提供主要公共交通出行服务。

(2)Ⅰ型大城市及以上城市的轨道交通加密线,覆盖城市次要客运走廊,延伸轨道交通服务范围。

(3)随着我国时速120 km 的市域单轨的成功下线和试验,单轨可应用于市域线,实现城市全网统一制式。

(4)旅游观光线路,如风景区、博览会、游乐场等处所的短途交通运输线或旅游观光线。

(5)地形复杂、道路资源紧张的城市交通线路,如重庆的山地立体城市。

(6)对噪声、振动等环境指标要求高的大型社区、组团内部及周边交通线路,如别墅区、大学城、高端购物及娱乐场所等与城市中心区的交通连接线。

2 跨座式单轨交通的发展历程

2.1 世界跨座式单轨交通发展回顾

跨座式单轨的历史最早可追溯到1820 年,第二次世界大战后,随着科学的进步,跨座式单轨技术受到各国重视逐渐完善和成熟起来,早期主要应用在旅游及游乐设施,如东京的上野动物园、佛罗里达迪士尼等;20 世纪60 年代,日本将其应用于城市轨道交通,带来了跨座式单轨的迅速发展;随后,逐渐发展成为广受欢迎的城市公共交通工具,在美国、日本、俄罗斯、新加坡、韩国、马来西亚、巴西、沙特、印度、伊朗等地得到广泛运用(见表1)。

2.2 跨座式单轨在国内的应用

重庆市对日立单轨技术进行了引进、消化、吸收和国产化,建成我国首条跨座式单轨交通线路-重庆轨道交通2 号线,拉开了中国跨座式单轨交通建设和产业发展的序幕。之后,重庆3 号线总运营里程达到67 km,超过日本大阪,成为世界上最长的跨座式单轨交通线路,且实现了单轨最长线路、最多编组、最复杂交路、最小发车间隔和最大运能的高效运营。

重庆单轨的实践,使得跨座式单轨技术在中国得到较大创新与发展,形成完全自主的单轨技术,创建自主可控的技术标准体系。如首创“墩梁并举”工艺,成功研制PC 梁专用架运机械设备,创新了跨座式单轨梁桥和地下空间建造成套技术;掌握了单轨车辆整车系统集成和转向架技术,在世界上首次实现了8 编组单轨列车系统集成和成功运营;首创平移式道岔装备,自主研制可挠道岔和关节型道岔;构建完备的单轨安全保障、单轨运营管理技术体系;创建了世界首个跨座式单轨交通国家和行业技术标准体系,为国内外推广、建设和运营跨座式单轨交通系统提供体系性技术支撑。

2.3 轻型跨座式单轨蓬勃发展

为满足越来越多城市(特别是Ⅱ型大城市)对轨道交通的需求,在充分吸取、总结重庆单轨经验的基础上,中铁工程设计咨询集团有限公司等多家单位对轻型跨座式单轨技术开展系统集成创新和关键技术创新,以期实现进一步的轻量化,降低建筑体量和景观影响,增强其适应能力,降低工程造价,更好地满足国内众多城市对轨道交通制式的多样化需求。

(1)在芜湖的创新应用

随着芜湖轻型跨座式单轨的建设和即将通车,促进了中国跨座式单轨技术再次创新发展。采用独柱钢-混组合结构体系车站,让高架车站更轻巧、美观;采用先简支后连续的3-30 m 大跨度连续刚构轨道梁,造型美观,投资节省;采用2-70 m 墩顶转体法施工的大跨度跨座式单轨组合桥,一次转体跨越4 条铁路,为国内单轨首次上跨高铁,投资节省且风险可控;采用国产化设计的换梁型、枢轴型道岔,结构简单、运营效率高;采用拥有更宽受流面的“C”形钢铝复合轨,构造简单,安装方便,可维护性好。

(2)轻型跨座式单轨的发展

截至 2021 年6 月,城轨交通运营线路中共有8 种制式同时运营。其中,地铁占比78.61%;跨座式单轨98.5 km,占比1.17%。

虽然单轨交通运营里程占比较小,但近年来发展迅猛,规划里程大幅提升。截至2021 年6 月,全国跨座式单轨市场统计中,已开通运营的城市1 座(重庆市),运营里程98.5 km;正在建设的城市1 座(芜湖市),建设里程46.3 km,计划2021 年底通车;线网规划已批复(正开展建设规划)的有潍坊、柳州、遵义、邯郸等18 座城市,线网规划总里程2 842 km。开通运营的旅游单轨交通1 条,银川花博园旅游线,运营里程5.67 km。

(3)单轨产业链

在规划设计方面,规划设计单位作为每种轨道交通制式系统集成的前导协同企业,积极参与到跨座式单轨交通技术的引进、消化、吸收、再创新工作,联合相关科研院所、车辆装备、建设安装等企业,经过系统集成研究、关键技术研究和工程化应用研究,具备了成熟的跨座式单轨规划设计能力。目前,从事过跨座式单轨规划设计工作的企业共有10 家,可满足国内外跨座式单轨交通规划设计需要。

在车辆制造方面,车辆企业作为每种轨道交通制式装备产业的主体引领企业,主要在引进消化吸收国外车辆技术进行国产化基础上,持续创新,加强自主化研究,已研发并下线了可满足大、中、小各种运量的多种跨座式单轨车辆。目前,国内跨座式单轨车辆制造企业有6 家,可满足国内外跨座式单轨车辆使用需求。

在其他装备方面,尤其道岔设备作为跨座式单轨交通三大关键技术之一,不断发展创新,不断研发出新型道岔并应用于工程实际中。目前,国内跨座式单轨道岔制造企业有5 家,可以满足国内外跨座式单轨道岔使用需求。其他系统装备与其他城市轨道交通制式相差不大,相关制造企业若干,可满足跨座式单轨建设需要。

在土建施工方面,经过重庆和芜湖单轨工程的建设,轨道梁桥线性控制方面已形成成套控制技术,在“墩梁并举”工艺技术、钢混组合结构技术、装配式建筑方面均有突破。国内多家施工企业参与了重庆和芜湖建设,具有丰富土建施工经验,可以满足跨座式单轨建设需要。

在运营维护方面,重庆单轨交通已有近20 年的运营经验,形成了一整套成熟、安全、可靠的运营维护架构、检修维护模式、应急救援、员工培训管理等运营体系,可供各城市单轨交通运营维护借鉴。

(4)下一代智慧单轨

2020 年,《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》发布,给未来城轨交通强国的建设指明了目标和方向,将以新兴信息技术与城轨交通深度融合为主线,推进城轨信息化,发展智能系统,建设智慧城轨,实现城轨交通由高速度发展向高质量发展的跨越,助推交通强国的崛起。在重点地区加快建设一批轨道交通领域大数据与云计算中心,提高轨道交通运输效率,推动智慧城轨建设落地。

跨座式单轨作为城市轨道交通的重要组成部分,应在新兴信息技术与跨座式单轨交通深度融合方面的不断加大创新研究,迭代发展。

3 跨座式单轨交通发展展望

3.1 跨座式单轨交通在国内发展前景

(1)城市轨道交通的发展

习近平总书记指出:“城市轨道交通是现代大城市交通的发展方向,发展轨道交通是解决大城市病的有效途径,也是建设绿色城市、智能城市的有效途径”;“要继续大力发展轨道交通,构建综合、绿色、安全、智能的立体化现代化城市交通系统。”习近平总书记的重要讲话指明了城轨交通的发展方向。

随着中国城镇化的推进,城市轨道交通建设正由以建设地铁为主逐步过渡到地铁、跨座式单轨、悬挂式单轨、有轨电车、导轨式胶轮系统等多种制式协调发展。而跨座式单轨以其独特优势,非常适合特大城市、Ⅰ型大城市的加密线,Ⅱ型大城市城市骨干线,从长期来看,必将迎来蓬勃发展,在“十四五”期间,将处于有序推进发展阶段。

(2)市域单轨的发展

近日,国家发布了《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要》,“纲要”指出,应重点在城市群、都市圈,推进城市群都市圈交通一体化,加快城际铁路、市域(郊)铁路建设,以城际铁路和市域(郊)铁路等轨道交通为骨干,打通各类“断头路”、“瓶颈路”,推动市内市外交通有效衔接和轨道交通“四网融合”,提高都市圈基础设施连接性贯通性。

市域单轨作为市域(郊)铁路中钢轮钢轨系统、胶轮系统、磁浮系统3 种走行方式的重要组成部分,将迎来较大市场需求。目前,国内多家车辆企业已研发并下线市域单轨车辆,多家设计院也已经过系统集成研究和工程化应用研究,具备了市域单轨规划设计能力。

(3)旅游单轨交通的发展

随着生活水平的提高,人们对旅游休闲需求不断增加。2017 年交通运输部、国家旅游局等六部门联合印发的《关于促进交通运输与旅游融合发展的若干意见》提出,完善旅游交通的基础设施网络、强化客运枢纽的旅游服务功能、加强服务景区客流的公共交通运输组织、开发适合旅游特点的特种观光列车等措施。

各地对旅游轨道交通需求旺盛,通过构建“快进慢游”的旅游交通网络,游客乘坐轨道交通来往景区将实现无缝换乘,提高旅游品质、丰富旅游体验,同时可以带动旅游资源整体开发和联动发展,促进地方经济发展。

3.2 跨座式单轨交通在国外发展前景

经过20 多年的引进实践、创新发展,我国已全面掌握了跨座式单轨关键核心技术,制订了较完善的跨座式单轨交通相关国家标准规范,形成了从技术研发、规划设计、车辆及系统设备制造集成、工程施工、运维管理等国际规模最大、结构最完整的跨座式单轨交通产业链,基本具备了中国单轨“走出去”的良好基础条件。

由于跨座式单轨具有经济、环保、便捷、安全等独特优势,受到很多国家(特别是东南亚国家)的欢迎,我国单轨产业已成功走向印尼、泰国、巴西等国际市场,并获得了国际单轨业界和专家的好评,已经树立了良好的国际形象,未来应积极响应国家“一带一路”倡议,持续打造中国单轨名片,大力推动单轨交通“走出去”。

4 结论

跨座式单轨交通作为一种中运量的轨道交通系统,具有建设成本低、建设周期短、环保性能优、适应能力强、景观效果好等优点,在市域(郊)铁路、大中城市轨道交通、旅游轨道交通等方面需求广泛。且目前国内跨座式单轨交通已有较为成熟的应用案例,随着工程应用、产业发展以及标准化的推进,跨座式单轨交通将具有更强的适用性及更广的市场空间。