懸掛式單軌交通的勘察設(shè)計(jì)實(shí)踐

張 爽

(中鐵二院成都勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，四川 成都 610081)

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市布局多以中心城市為核心，發(fā)展分散組團(tuán)，為軌道交通系統(tǒng)的發(fā)展提供了客觀需求。城市軌道交通在國家軌道交通產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策、財(cái)政政策等相關(guān)政策的支持下，各城市對(duì)軌道交通建設(shè)熱情高漲，發(fā)展城市軌道交通能有效緩解城市交通擁堵，提升城市形象、構(gòu)建高效綠色交通體系。

目前，全國已有44座城市的軌道交通獲得批復(fù)，其中42座城市都在建設(shè)地鐵，其余的1座在建設(shè)市域軌道交通，1座在建設(shè)跨座式單軌，且這些城市基本上是直轄市、省會(huì)城市和中東部的計(jì)劃單列市、副省級(jí)城市。面對(duì)目前國內(nèi)城市軌道交通產(chǎn)業(yè)“大運(yùn)量地鐵系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)布局已基本完成，中低運(yùn)量的軌道交通產(chǎn)業(yè)布局尚未形成”的現(xiàn)狀，軌道交通制式趨于向多樣化方向發(fā)展、新型軌道交通不斷涌現(xiàn)的態(tài)勢(shì)。繼符合建設(shè)條件的大中城市規(guī)劃建設(shè)地鐵、輕軌之后，越來越多的中小城市、旅游景區(qū)迫切要求另辟途徑，建設(shè)合適的軌道交通。

懸掛式單軌系統(tǒng)也借此機(jī)遇，憑借其線路適應(yīng)性強(qiáng)、建設(shè)周期短、環(huán)境適應(yīng)性好、運(yùn)行安全可靠、建設(shè)成本低等自身特點(diǎn)，在國內(nèi)新制式軌道交通系統(tǒng)中脫穎而出。懸掛式單軌最早起源于德國，并已在德國和日本得到成功應(yīng)用，但在其他國家尚未得以推廣應(yīng)用，仍屬于小眾化軌道交通。自2012年起，國內(nèi)多個(gè)城市持續(xù)開展懸掛式單軌規(guī)劃等前期工作，國內(nèi)的設(shè)計(jì)、鋼梁及設(shè)備制造、車輛等相關(guān)單位開始進(jìn)行懸掛式單軌研究。在懸掛式單軌制式的客觀需求、商業(yè)利益的推波助瀾及地方軌道交通產(chǎn)業(yè)發(fā)展誘惑的多重因素下，懸掛式單軌項(xiàng)目遍地開花，韓城市懸掛式單軌項(xiàng)目就是走在前列的、國內(nèi)首條開展全階段設(shè)計(jì)工作的商業(yè)運(yùn)營(yíng)線。

1 我國首條懸掛式單軌商業(yè)運(yùn)營(yíng)線設(shè)計(jì)概述

韓城市懸掛式單軌交通機(jī)場(chǎng)至古城段一期工程，是全國首條開展勘察設(shè)計(jì)工作的懸掛式單軌商業(yè)運(yùn)營(yíng)線，在全國懸掛式單軌片地開花的熱潮下，該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)階段一直發(fā)揮著領(lǐng)頭羊的作用。

項(xiàng)目位于陜西省韓城市南部，是連接司馬遷祠景區(qū)、澽水河沿岸風(fēng)景帶及古城景區(qū)的旅游觀光快速干線，承擔(dān)沿線景區(qū)游客、居民的出行，同時(shí)也承擔(dān)機(jī)場(chǎng)、高鐵、汽車客運(yùn)站的客流集散，作為新型公共交通，對(duì)于升級(jí)城市交通，提升旅游形象，引進(jìn)新型產(chǎn)業(yè)，帶動(dòng)沿線經(jīng)濟(jì)開發(fā)具有積極意義。

線路起于芝水河北側(cè)，經(jīng)國家文史公園、澽水生態(tài)景觀帶、108國道夏陽段，止于擬建的古城游客中心附近。一期工程為全高架線路，雙線全長(zhǎng)10.7 km，平均站間距2.07 km，最大站間距3.09 km，最小站間距1.32 km；全線設(shè)置車站6座，均為路側(cè)布置的高架側(cè)式站臺(tái)；車輛基地1處，出入段線按雙線設(shè)計(jì)。投資總額約20億元，建設(shè)工期18個(gè)月。

本項(xiàng)目主要設(shè)計(jì)歷程：

(1)2016年3月，項(xiàng)目啟動(dòng)；5月，完成預(yù)可評(píng)審；7月，完成可研及批復(fù)；11月，完成PPP招標(biāo)。

(2)自2016年12月起，同步開展初步設(shè)計(jì)及施工圖設(shè)計(jì)工作。

(3)2017年5月，完成主要系統(tǒng)設(shè)備用戶需求書；8月，完成第一版初步設(shè)計(jì)文件；9月，完成“三站兩區(qū)間”土建部分施工圖。

2 懸掛式單軌在設(shè)計(jì)實(shí)踐中遇到的問題及解決措施

2.1 車輛基本參數(shù)不確定情況下，線路的適應(yīng)性研究

作為全國首條懸掛式單軌商業(yè)運(yùn)營(yíng)線，國內(nèi)尚無任何與懸掛式單軌有關(guān)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，車輛參數(shù)、限界均未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，車輛的設(shè)計(jì)制造及工程的設(shè)計(jì)均在同步研究。本項(xiàng)目開展設(shè)計(jì)的前半部分時(shí)間里，主要控制因素在于車輛參數(shù)不完整且未穩(wěn)定。

開展施工圖設(shè)計(jì)的前提條件是——準(zhǔn)確的限界資料。在車輛參數(shù)不完整且未穩(wěn)定的情況下，限界專業(yè)無法提供準(zhǔn)確的車輛限界、設(shè)備限界等相關(guān)資料，導(dǎo)致線路專業(yè)無法確定線間距。基于項(xiàng)目正線為雙線設(shè)計(jì)，區(qū)間結(jié)構(gòu)采用“Y”型墩、全鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，為滿足項(xiàng)目工期要求，促進(jìn)項(xiàng)目往前推進(jìn)，經(jīng)綜合研究后，線路設(shè)計(jì)采取“左+中+右”三線模式定線：

(1)在線間距無法明確的情況下，為推動(dòng)項(xiàng)目盡快開展定測(cè)相關(guān)工作，避免后期因線間距調(diào)整而重新進(jìn)行線路測(cè)量，考慮以“中”線開放測(cè)量專業(yè)開展工作，且便于橋梁專業(yè)以“中”線布跨，實(shí)現(xiàn)雙益。目前懸掛式單軌列車的制造是多方并舉，各車輛制造企業(yè)均在獨(dú)自研發(fā)，依托項(xiàng)目推廣自家車輛，并希望在懸掛式單軌這個(gè)國內(nèi)新型軌道交通領(lǐng)域脫穎而出，最終占領(lǐng)懸掛式單軌的市場(chǎng)。在此種車輛研發(fā)未能形成合力、規(guī)格不統(tǒng)一情況下，修建單軌的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范同樣達(dá)不到統(tǒng)一，因此懸掛式單軌在國內(nèi)尚未成熟應(yīng)用前，采用“中線”定線方式，應(yīng)該是能較好解決測(cè)量定線問題，今后其他懸掛式單軌項(xiàng)目，可參考本項(xiàng)目線路設(shè)計(jì)模式。

(2)在完整的車輛參數(shù)情況下，限界專業(yè)計(jì)算后，直線段與曲線段線間距是不等的，為便于橋梁墩柱及軌道梁設(shè)計(jì)、加工及施工的便利，經(jīng)綜合比較，在投資變化不明顯的情況下，采取統(tǒng)一區(qū)間線間距(取大值)設(shè)計(jì)且曲線采用同心圓，以“中”線配設(shè)“左、右”線。

設(shè)計(jì)時(shí)需考慮到懸掛式單軌區(qū)間結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)(鋼結(jié)構(gòu)工廠預(yù)制)，在選用曲線半徑時(shí)，盡量減少選用半徑的多樣化，規(guī)格3種以內(nèi)較佳，便于墩、梁的模塊化生產(chǎn)。同心圓設(shè)計(jì)時(shí)可采用如下公式計(jì)算，配設(shè)緩和曲線長(zhǎng)度，使曲線段“Y”型墩左、右對(duì)稱，達(dá)到最佳受力狀態(tài)。

式中：R——曲線半徑(m)；L——緩和曲線長(zhǎng)度(m)。

2.2 關(guān)于安全線的設(shè)置問題

本項(xiàng)目的列車供電方式為正、負(fù)極接觸軌在軌道梁內(nèi)分兩側(cè)布置，根據(jù)行車專業(yè)提供的配線方案，車輛基地接軌方案為古城游客中心站單側(cè)雙出入段線接軌方式(需立交設(shè)置入段線)，且出入段線均設(shè)置安全線。

圖1 車站配線示意圖

由于本項(xiàng)目車輛基地選址及古城站站址的因素，按照目前設(shè)計(jì)方案，出入段線在不改變接軌站站位的情況下是無法設(shè)置安全線的。改變古城接軌站站位后，與原地方提出的空軌古城站和擬建游客集散中心集約設(shè)置要求不符，且按具備設(shè)置安全線條件移動(dòng)后，將引起大量的房屋拆遷工程；另由于本工程的特殊性，鋼結(jié)構(gòu)的道岔梁是非常復(fù)雜的成套系統(tǒng)，需經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合必選后設(shè)置，此處線路臨近國道，如按設(shè)置安全線方案布置，大部分道岔梁及車擋將橫跨國道，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)此總體組行車、線路、信號(hào)、車輛等相關(guān)專業(yè)對(duì)古城車輛基地出入段線與正線連接側(cè)線路設(shè)置安全線的必要性進(jìn)行了專題研究。

為確保行車安全，地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于設(shè)置安全線的條款主要有兩條：

(1)列車從支線或車輛基地出入線進(jìn)入正線前應(yīng)具備一度停車條件，經(jīng)過核算不能滿足信號(hào)安全距離要求時(shí)，應(yīng)設(shè)置安全線。

(2)車輛基地出入線，在車站接軌點(diǎn)前，線路不具備一度停車條件，或停車信號(hào)機(jī)至警沖標(biāo)之間小于50 m時(shí)，應(yīng)設(shè)置安全線。

基于本項(xiàng)目線路條件，出段線采用約600 m平坡接入正線，參照地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范可不設(shè)置安全線；入段線采用大坡度上跨接入正線，正常情況下，入段線作為單一的入段功能使用，可不設(shè)置安全線。

出段線故障情況下，如果入段線不設(shè)安全線且作為出段功能使用時(shí)，若列車失去制動(dòng)力，列車將從大下坡處溜下，沖入正線，可能與正線上行方向的列車發(fā)生沖撞。為了避免失去制動(dòng)力的下溜列車對(duì)正線上行方向列車造成安全隱患，經(jīng)過車輛專業(yè)針對(duì)本項(xiàng)目列車以20 km/h初速度從坡道56‰的坡頂自由滑行(坡長(zhǎng)120 m)至零速的運(yùn)行距離的計(jì)算，在3種工況下的計(jì)算結(jié)果為：

(1)考慮V=0 km/h時(shí)(即最小阻力情況)，列車基本阻力Fw=6.726 72(KN)，運(yùn)行距離s=824.5(m)；

(2)考慮V恒等于20 km/h時(shí)(恒定阻力情況)，列車基本阻力Fw=7.173 44(KN)，運(yùn)行距離s=773.2(m)；

(3)考慮V初始情況等于20 km/h時(shí)(變化阻力情況)，運(yùn)行距離s=729.4(m)。

由于3種工況下計(jì)算出的運(yùn)行距離均不大于古城游客中心站前一區(qū)間線路長(zhǎng)度1.3 km，最后得出如下結(jié)論：

①古城車輛基地出入段線配線不設(shè)置安全線。

②出段線故障情況下，利用入段線作為出段功能使用時(shí)，列車在出段下坡段運(yùn)行過程中，必須滿足：下坡段列車最高運(yùn)行速度不超過20 km/h；澽水新城站～古城游客中心站的上行區(qū)間及兩站上行站臺(tái)均無列車占用。信號(hào)專業(yè)根據(jù)上述兩點(diǎn)要求采取相應(yīng)措施控制列車運(yùn)行。

圖2 調(diào)整后車站配線示意圖

懸掛式單軌系統(tǒng)作為國內(nèi)新制式軌道交通之一，在無規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的情況下，其他制式的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范可以作為參考，借鑒其經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)，但需根據(jù)懸掛式單軌項(xiàng)目的自身特點(diǎn)，充分研究出一套適合懸掛式單軌的技術(shù)方案，為進(jìn)一步制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供準(zhǔn)備。

2.3 在新制式軌道交通及PPP合作模式下，設(shè)計(jì)與投資的協(xié)同困境

懸掛式單軌作為新型軌道交通，設(shè)計(jì)上尚無可借鑒、參考項(xiàng)目，而本項(xiàng)目又同時(shí)采用了PPP模式，設(shè)計(jì)過程中又遭遇了材料價(jià)格的大幅上漲。在諸多因素影響下，項(xiàng)目后期的開展舉步維艱。

項(xiàng)目自可研批復(fù)后，隨即便開展施工圖相關(guān)設(shè)計(jì)工作，滿足項(xiàng)目先期開工段的建設(shè)工期要求，初步設(shè)計(jì)工作同時(shí)進(jìn)行。據(jù)2017年3月調(diào)研，韓城空軌項(xiàng)目因材料上漲及設(shè)計(jì)前置基礎(chǔ)條件變化引起的變更，預(yù)計(jì)項(xiàng)目建設(shè)投資將超工可投資估算總額約2億元，根據(jù)PPP項(xiàng)目合同“項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)投資額不能超過項(xiàng)目投資估算，項(xiàng)目實(shí)際投資額以項(xiàng)目竣工決算后審計(jì)金額為準(zhǔn)”的條款，此問題將對(duì)工程建設(shè)成本控制、項(xiàng)目施工及采購分包、項(xiàng)目可行性缺口補(bǔ)助重新測(cè)算及政府履約能力造成較大風(fēng)險(xiǎn)。

受此影響，后期設(shè)計(jì)一直圍繞優(yōu)化方案、控制投資開展工作。投資控制措施主要有以下幾類：

(1)工程優(yōu)化

首先考慮優(yōu)化土建工程部分，其中區(qū)間結(jié)構(gòu)部分費(fèi)用約占整個(gè)項(xiàng)目工程費(fèi)用的50%，因此主要優(yōu)化區(qū)間軌道梁、墩、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

(2)降低服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)

在保證安全的原則下，進(jìn)行項(xiàng)目投資控制，主要工程內(nèi)容有：降低線路標(biāo)高、降低站房裝修標(biāo)準(zhǔn)、弱化系統(tǒng)設(shè)備相關(guān)服務(wù)型功能。

為了控制投資，反復(fù)優(yōu)化方案、結(jié)構(gòu)，耗費(fèi)了大量的精力、人力，且最終效果并不理想。針對(duì)此類PPP模式承建項(xiàng)目，要在制定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及原則的同時(shí)，充分考慮到投資因素，根據(jù)投資確定項(xiàng)目如何開展，且工經(jīng)專業(yè)應(yīng)改變?cè)瓊鹘y(tǒng)項(xiàng)目的做法(在初步設(shè)計(jì)概算中留有較大余地，只要滿足不超批復(fù)投資估算的10%，能順利通過審查，得到批復(fù)即可)，應(yīng)在項(xiàng)目設(shè)計(jì)初期就開始介入，隨時(shí)預(yù)測(cè)、評(píng)估各專業(yè)設(shè)計(jì)投資上的變化情況及實(shí)時(shí)材料價(jià)格波動(dòng)，便于掌控項(xiàng)目如何開展設(shè)計(jì)的方向。同時(shí)各專業(yè)也需及時(shí)將方案上的調(diào)整等情況反饋給工經(jīng)專業(yè)，保持信息的暢通。PPP項(xiàng)目的概算編制要求更加精細(xì)化，要注意從量?jī)r(jià)組合過程中的定額選用、取費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)、費(fèi)用開項(xiàng)各方面控制概算。

3 結(jié)束語

懸掛式單軌作為國內(nèi)的新制式軌道交通之一，目前暫未形成統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)范，需通過各科研機(jī)構(gòu)、設(shè)計(jì)單位、車輛研發(fā)等人員的共同努力，經(jīng)過試驗(yàn)線、運(yùn)營(yíng)線的設(shè)計(jì)實(shí)踐，儲(chǔ)備相關(guān)科研成果和技術(shù)，以制定懸掛式單軌行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)，為懸掛式單軌設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

本文通過參與懸掛式單軌項(xiàng)目的勘察設(shè)計(jì)實(shí)踐，從線路設(shè)計(jì)、行車配線、工程投資等方面，提出了開展懸掛式單軌項(xiàng)目中一些問題的解決措施及積累的部分經(jīng)驗(yàn)，供大家參考。