懸掛式單軌交通的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用展望

朱鵬飛

摘 要：懸掛式單軌交通起源于德國(guó)，已有百余年發(fā)展史，目前僅在德國(guó)、日本有著成熟的商業(yè)運(yùn)營(yíng)。而近些年，國(guó)內(nèi)逐漸興起了懸掛式單軌交通研究、建設(shè)的熱潮，但運(yùn)力低下、檢修困難、救援效率低等因素導(dǎo)致部分學(xué)者對(duì)其適用性產(chǎn)生疑慮;同時(shí)國(guó)內(nèi)研究還在牽引供電制式、墩梁連接體系、車(chē)輛側(cè)滾效應(yīng)、救援及維護(hù)方式等方面存在爭(zhēng)議及難點(diǎn)。但不可否認(rèn)的是，隨著建設(shè)經(jīng)驗(yàn)及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的積累、完善，適用于中低運(yùn)量線(xiàn)路的懸掛式單軌交通，會(huì)因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在旅游觀光、客流集散點(diǎn)聯(lián)絡(luò)等項(xiàng)目上得到重點(diǎn)及廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：懸掛式單軌;發(fā)展現(xiàn)狀;優(yōu)勢(shì);應(yīng)用展望

中圖分類(lèi)號(hào)：U232

懸掛式單軌交通是指使用單根軌道來(lái)支撐、穩(wěn)定和導(dǎo)向，車(chē)體懸掛在軌道梁下方行駛的城市軌道交通系統(tǒng)，俗稱(chēng)空軌，是我國(guó)新興的一種城市軌道交通制式，目前多地均有建設(shè)意愿并開(kāi)展了相關(guān)研究或設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)懸掛式單軌交通的建設(shè)剛剛起步，眾多學(xué)者及技術(shù)人員進(jìn)行了相關(guān)研究和討論，如李定南、李芾等闡述了懸掛式單軌車(chē)輛的發(fā)展及應(yīng)用，鐘異瑩、鄢紅英、于曰明等分別探討了懸掛式單軌交通在山地城市、中等城市、旅游區(qū)的適應(yīng)性，曾令會(huì)、許文超、劉雷雨等分析了懸掛式單軌車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)性能，高寧、李濤、張強(qiáng)等闡述了懸掛式單軌交通的救援及疏散模式。但是這些研究并沒(méi)有整體性地說(shuō)明懸掛式單軌交通在技術(shù)研究、適用場(chǎng)景等方面存在的難點(diǎn)或爭(zhēng)議，因此有必要從國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況出發(fā)，結(jié)合懸掛式單軌交通的特點(diǎn)，探討國(guó)內(nèi)建設(shè)存在的問(wèn)題及應(yīng)用前景。

1 懸掛式單軌的特點(diǎn)

1.1 征地拆遷面積小

懸掛式單軌車(chē)輛運(yùn)行于架設(shè)在空中的軌道梁上或梁內(nèi)，其軌道梁、橋墩尺寸較小，橋墩立柱橫截面面積僅為1m2左右，因此可以充分利用道路中央隔離帶、路旁人行道、河流上部空間等城市現(xiàn)有空間，并能有效地避開(kāi)既有建（構(gòu)）筑物，減少不必要的征地及拆遷。

1.2 地形適應(yīng)能力強(qiáng)

懸掛式單軌車(chē)輛的走行部異于其他制式的軌道交通，具有較強(qiáng)的爬坡與轉(zhuǎn)彎能力。對(duì)于對(duì)稱(chēng)懸掛膠輪型單軌而言，由于車(chē)輛走行輪、導(dǎo)向輪均采用橡膠輪胎，增加了與軌道間的摩擦力及黏著力，其最大坡度可以達(dá)到100‰（約是其他制式軌道交通的2～3倍），最小曲線(xiàn)半徑可達(dá)30 m。

1.3 建設(shè)周期短

相較于其他制式軌道交通，懸掛式單軌交通的工程量較小，其控制性工程為橋梁工程。橋梁工程除承臺(tái)、樁基礎(chǔ)外，如軌道梁、橋墩等一般采用鋼構(gòu)件，均為工廠化預(yù)制，運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)后，采用汽車(chē)吊架設(shè)拼裝。10km左右的懸掛式單軌交通工程的建設(shè)周期僅為1～2年，是現(xiàn)有城市軌道交通制式中周期最短的。

1.4 工程造價(jià)低

懸掛式單軌交通的建設(shè)成本約為地鐵工程的1/4，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為1.5～2.0億元/正線(xiàn)km。根據(jù)國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)展研究的相關(guān)線(xiàn)路的造價(jià)數(shù)據(jù)，懸掛式單軌交通第一部分工程費(fèi)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為1.2～1.4億元/正線(xiàn)km。

1.5 景觀效果好

與其他制式軌道交通相比，懸掛式軌道交通的區(qū)間結(jié)構(gòu)尺寸較小，很大程度上降低了對(duì)城市空間采光的遮擋及周邊景觀的視覺(jué)破壞。列車(chē)行駛于高空之中，乘客開(kāi)闊的視野、良好的眺望條件是其他制式軌道交通難以媲美的;其車(chē)廂底部可以采用透明材料，增加游覽觀光的趣味性。懸掛式單軌交通可以通過(guò)裝飾及涂裝更好地融入當(dāng)?shù)匚幕厣?，成為一道流?dòng)的、亮麗的風(fēng)景線(xiàn)。

2 發(fā)展現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

2.1 國(guó)外發(fā)展情況

2.1.1 發(fā)展歷程

1825年，懸掛式單軌交通誕生于德國(guó)，但受制于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，軌道梁采用木梁，以馬匹牽引。1901年，第一條現(xiàn)代化的懸掛式單軌交通在德國(guó)伍伯塔爾市建成，目前懸掛式單軌交通僅在德國(guó)、日本有著成熟的運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路，列車(chē)最大運(yùn)行速度約為60km/h，多以2～3輛編組運(yùn)行。懸掛式單軌交通按照走行輪材料類(lèi)型以及其與軌道梁空間位置關(guān)系可以分為3種類(lèi)型：浪琴型（非對(duì)稱(chēng)懸掛鋼輪鋼軌型）、非對(duì)稱(chēng)懸掛膠輪型、對(duì)稱(chēng)懸掛膠輪型（SAFEGE型），如圖1所示。浪琴型的主要特點(diǎn)是鋼制走行輪行駛于鋪設(shè)在鋼桁架梁之上的鋼軌上，懸吊裝置懸掛于軌道梁一側(cè)。非對(duì)稱(chēng)懸掛膠輪型的主要特點(diǎn)也是懸掛裝置安裝于軌道梁一側(cè)，但走行輪改為橡膠輪。SAFEGE型的主要特點(diǎn)是橡膠走行輪行駛于鋼制軌道梁內(nèi)部，體系呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)特點(diǎn)，是當(dāng)前最先進(jìn)、應(yīng)用最廣的懸掛式單軌交通類(lèi)型。

國(guó)外懸掛式單軌交通工程項(xiàng)目具體如表1所示。

懸掛式單軌交通的發(fā)展已經(jīng)接近百年，國(guó)外多地進(jìn)行了試驗(yàn)線(xiàn)測(cè)試、運(yùn)營(yíng)線(xiàn)建設(shè)，經(jīng)歷了浪琴型—非對(duì)稱(chēng)懸掛膠輪型—SAFEGE型的演變。在這一演進(jìn)過(guò)程中，非對(duì)稱(chēng)懸掛膠輪型利用膠輪改進(jìn)了浪琴型爬坡能力弱的缺點(diǎn)，而SAFEGE型利用走行輪行駛于軌道梁內(nèi)部，改進(jìn)了非對(duì)稱(chēng)懸掛膠輪型在雨雪天氣下運(yùn)行不安全的缺點(diǎn)。

2.1.2存在問(wèn)題

同為單軌交通，懸掛式單軌的發(fā)展明顯緩于跨座式單軌，建設(shè)熱度更是遠(yuǎn)不如其他制式軌道交通，造成這一現(xiàn)象的主要原因有以下3個(gè)方面。

（1）運(yùn)行速度低，運(yùn)力低下。懸掛式單軌交通系統(tǒng)中列車(chē)速度一般可以達(dá)到50km/h，加上進(jìn)站停車(chē)減速等因素，實(shí)際行駛的平均速度僅為30～40km/h。每輛車(chē)的定員約為100人，不足地鐵的1/3。懸掛式單軌交通的運(yùn)能為5500～21000人次/h，適合于高峰單向斷面客流量在5000～20000人次/h的交通干線(xiàn)上，通常用于15km以?xún)?nèi)的短途交通。

（2）檢修困難，容易產(chǎn)生安全隱患。懸掛式單軌交通距離地面較高，軌道梁較窄，對(duì)于浪琴型及非對(duì)稱(chēng)懸掛膠輪型而言，難以設(shè)置檢修操作平臺(tái);而對(duì)于SAFEGE型，其軌道梁長(zhǎng)、寬均為1m左右，內(nèi)部空間較為狹窄，且容納了接觸軌、通信及信號(hào)電纜等設(shè)施，檢修困難度更高。

（3）救援效率低，事故無(wú)法及時(shí)處理。救援不便是單軌交通的共性問(wèn)題，懸掛式單軌尤甚，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了無(wú)法利用車(chē)輛上方的軌道梁進(jìn)行緊急疏散，也無(wú)條件在區(qū)間內(nèi)設(shè)置疏散平臺(tái)，多依賴(lài)于救援車(chē)、消防車(chē)等被動(dòng)救援方式。2013年10月18日，德國(guó)伍伯塔爾線(xiàn)曾發(fā)生軌道支架上的電力母線(xiàn)脫落事故，列車(chē)上70 余人被困在12m的高空中，數(shù)小時(shí)后才得以脫險(xiǎn)。

正是這些原因，人們對(duì)于懸掛式單軌交通在城市中的適用性及安全問(wèn)題產(chǎn)生了疑慮，導(dǎo)致懸掛式單軌交通發(fā)展遲緩，并在誕生至今的百余年來(lái)多與發(fā)達(dá)國(guó)家基建大潮失之交臂。

2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展情況

2.2.1 發(fā)展現(xiàn)狀

2011年，德國(guó)國(guó)際空列集團(tuán)（H-Bahn）在天津成立了太平洋空鐵設(shè)備技術(shù)有限公司。次年，我國(guó)各地開(kāi)始考慮引入SAFEGE型懸掛式單軌交通，上海、合肥、石家莊、濟(jì)南、武漢、青島、蘇州、洛陽(yáng)、貴陽(yáng)、溫州、沈陽(yáng)、天津、鄭州等地都進(jìn)行了前期研究或論證。

懸掛式單軌交通在國(guó)內(nèi)公共交通領(lǐng)域還沒(méi)有運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路，但多家車(chē)輛制造商進(jìn)行了廠區(qū)試驗(yàn)線(xiàn)的建設(shè)及研究測(cè)試：2016年11月，中唐空鐵集團(tuán)有限公司基地內(nèi)新能源空軌試驗(yàn)線(xiàn)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中唐空鐵試驗(yàn)線(xiàn)”）成功運(yùn)行，線(xiàn)路環(huán)線(xiàn)布置，正線(xiàn)為單線(xiàn)，長(zhǎng)1.09 km，出入線(xiàn)長(zhǎng)0.32 km，包括緩坡、彎道、車(chē)站、充電站等路況、設(shè)施;2017年7月，中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司內(nèi)建成0.88km試驗(yàn)線(xiàn)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中車(chē)青島四方試驗(yàn)線(xiàn)”），采用接觸軌供電，進(jìn)入型式試驗(yàn)和試運(yùn)行階段;2018年8月，北京中建空列集團(tuán)有限公司在開(kāi)封建成約0.7km試驗(yàn)線(xiàn)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中建開(kāi)封試驗(yàn)線(xiàn)”），由檢修平臺(tái)、高架結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)轍換線(xiàn)系統(tǒng)、機(jī)車(chē)系統(tǒng)、鋼結(jié)構(gòu)車(chē)站等組成。3條試驗(yàn)線(xiàn)在供電制式、道岔類(lèi)型、墩梁連接方式等方面存在差異，但其測(cè)試都為商業(yè)運(yùn)營(yíng)線(xiàn)的設(shè)計(jì)比選及優(yōu)化提供了豐富的數(shù)據(jù)依據(jù)。

國(guó)內(nèi)懸掛式單軌作為城市軌道交通的發(fā)展剛剛起步，缺乏國(guó)家級(jí)的設(shè)計(jì)規(guī)范及建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，目前僅四川及河南依托試驗(yàn)線(xiàn)分別頒布了DBJ51/T 099-2018《懸掛式單軌交通設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和DBJ41/T 217-2019《懸掛式單軌交通技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》2個(gè)地方性標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容包含車(chē)輛、軌道梁橋、道岔、供電、通信、信號(hào)、車(chē)輛基地等多個(gè)專(zhuān)業(yè)，涉及設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收、調(diào)試等方面。

2.2.2 存在問(wèn)題及建議

（1）牽引供電制式。國(guó)內(nèi)懸掛式單軌交通存在接觸軌及蓄電池2種牽引供電制式，接觸軌需增設(shè)正線(xiàn)牽引變電所、接觸軌、部分環(huán)網(wǎng)電纜等，而蓄電池需增設(shè)車(chē)載電池、車(chē)輛段充電場(chǎng)所、電池?fù)Q裝庫(kù)等。對(duì)于蓄電池制式，其建設(shè)初期投資遠(yuǎn)低于接觸軌，充電設(shè)備設(shè)施的檢修更換可集中在車(chē)輛基地進(jìn)行，方便快捷，但其設(shè)備設(shè)施壽命較短（約5年），運(yùn)營(yíng)期間更換頻次較高、費(fèi)用高，且目前供電效率相對(duì)較低。若以全壽命周期（使用周期30年）考慮，在政府不提供能源補(bǔ)貼的條件下，蓄電池制式的投資高于接觸軌。因此，牽引供電制式需要根據(jù)建設(shè)模式、初期投資要求、供電效率等具體情況進(jìn)行綜合比選。

（2）墩梁連接體系。懸掛式單軌交通常用的墩梁連接體系有耳板銷(xiāo)軸連接和牛腿支座連接2種，如圖2所示。耳板銷(xiāo)軸連接是在橋墩懸臂中加入橫隔板，同時(shí)在軌道梁端焊接耳板，利用銷(xiāo)軸連接橫隔板及耳板。牛腿支座是在橋墩懸臂上焊接突出的底座，軌道梁端也焊接懸挑的支座，底座與支座通過(guò)高強(qiáng)度螺栓連接。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于采用何種墩梁連接方式存在一定爭(zhēng)議。總的來(lái)看，耳板銷(xiāo)軸連接體系用鋼量小、簡(jiǎn)潔美觀，但銷(xiāo)軸材料及限位裝置工藝要求高;而牛腿支座體系承載能力高，制造方便，但用鋼量大，可能會(huì)出現(xiàn)拉力，需要設(shè)置拉壓支座。因此，墩梁連接體系的選擇要根據(jù)荷載情況、銷(xiāo)軸及支座采購(gòu)便利性、連接體系造價(jià)等綜合確定。

（3）車(chē)輛側(cè)滾效應(yīng)。懸掛式單軌車(chē)輛結(jié)構(gòu)異于傳統(tǒng)的輪軌車(chē)輛，懸吊于走行部下方，車(chē)輛在通過(guò)曲線(xiàn)或遇到側(cè)風(fēng)時(shí)會(huì)發(fā)生側(cè)滾，因此懸掛式單軌交通在通過(guò)線(xiàn)路小半徑曲線(xiàn)、道岔以及強(qiáng)風(fēng)條件下，會(huì)產(chǎn)生鐘擺效應(yīng)，運(yùn)行平穩(wěn)性變差，乘坐舒適度降低。因此需要完善轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)，通過(guò)設(shè)置側(cè)滾止擋、優(yōu)化減振器等方式限制車(chē)體側(cè)滾。在側(cè)風(fēng)特別大的地區(qū)，線(xiàn)路應(yīng)設(shè)置大風(fēng)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，并根據(jù)實(shí)時(shí)風(fēng)速調(diào)整運(yùn)行規(guī)則，具體如表2所示。

（4）救援及維護(hù)方式。懸掛式單軌交通在突發(fā)事故下的救援比較困難，不如其他制式軌道交通便利。為提升乘客安全逃生率，應(yīng)制定與事故等級(jí)對(duì)應(yīng)的多種措施應(yīng)急預(yù)案，綜合采用橫向救援（通過(guò)客室側(cè)門(mén)逃生至對(duì)側(cè)車(chē)輛）、縱向救援（救援車(chē)牽引至最近站臺(tái)、通過(guò)端部門(mén)逃生至救援車(chē)）、垂向救援（列車(chē)底板下設(shè)逃生筒、消防云梯）等多種救援方式。另外，在比較長(zhǎng)的區(qū)間內(nèi)可以考慮設(shè)置疏散塔，縮短逃生路徑?？傊瑧?yīng)充分發(fā)揮各類(lèi)救援疏散方法的優(yōu)勢(shì)，多措并舉，以提升懸掛式單軌交通列車(chē)故障救援的能力。

（5）維護(hù)重難點(diǎn)部位。懸掛式單軌交通維護(hù)的重難點(diǎn)為軌道梁內(nèi)部，一方面，梁內(nèi)布置著道岔裝置、供電軌、供電電纜、通信電纜、信號(hào)軌旁設(shè)備及信號(hào)電纜等眾多高價(jià)值的設(shè)備設(shè)施;另一方面，梁內(nèi)空間非常狹窄，維修人員通行與器材運(yùn)輸不便。因此，針對(duì)軌道梁內(nèi)的維修及檢查，應(yīng)加快研發(fā)滿(mǎn)足商業(yè)運(yùn)營(yíng)線(xiàn)檢修需求的多功能梁內(nèi)巡檢小車(chē)或機(jī)器人。

3 應(yīng)用展望

懸掛式單軌交通屬于中低運(yùn)量制式，是城市軌道交通多制式協(xié)同發(fā)展的補(bǔ)充，主要適用場(chǎng)景為客流集散點(diǎn)聯(lián)絡(luò)（如機(jī)場(chǎng)接駁）、中小城市主城區(qū)（特別是多山、多丘陵地帶城市）內(nèi)部交通、旅游區(qū)或大型商圈的觀光等。尤其在地面道路資源緊張，且遠(yuǎn)期高峰小時(shí)客流量小于1.5萬(wàn)人次/h時(shí)，懸掛式單軌交通具有強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

目前國(guó)內(nèi)多地已有意或正在建設(shè)懸掛式單軌交通（表3），如貴州安順黃果樹(shù)、貴州黔東南州、四川攀枝花、長(zhǎng)沙大王山等旅游勝地均已完成了懸掛式單軌交通的前期研究，陜西韓城空軌工程則完成了施工圖設(shè)計(jì)。成都大邑空軌（采用建設(shè)-運(yùn)營(yíng)-轉(zhuǎn)讓的模式，即Build-Operate-Transfer，BOT模式）正在開(kāi)展施工圖設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)將成為國(guó)內(nèi)首條懸掛式單軌交通商業(yè)運(yùn)營(yíng)線(xiàn)，為其他同類(lèi)項(xiàng)目提供示范作用，進(jìn)一步促進(jìn)懸掛式單軌交通向前發(fā)展。

由表3可見(jiàn)，目前的懸掛式單軌交通項(xiàng)目幾乎均與旅游觀光相關(guān)。鑒于近幾年我國(guó)大力推廣政府和社會(huì)資本合作（Public-Pivate Partnership，PPP）、BOT等新型建設(shè)模式，基于旅游觀光的懸掛式單軌交通勢(shì)必會(huì)因其良好的收益獲得青睞，迎來(lái)廣闊的發(fā)展前景。另外，隨著我國(guó)高性能蓄電池技術(shù)的不斷發(fā)展，新能源懸掛式單軌交通由于建設(shè)投資更為節(jié)省、環(huán)保等因素，將會(huì)成為懸掛式單軌交通未來(lái)發(fā)展的主要方向。

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收稿日期 2019-07-21

責(zé)任編輯 黨選麗

Development status and application prospect of suspended monorail

Zhu Pengfei

Abstract： Suspension monorail originated in Germany and has a history of more than 100 years. At present， it has just proven practice of commercial operation in Germany and Japan. In recent years， the boom of research and construction of suspended monorail has gradually arisen in China， but some scientists in china have some doubts about its applicability due to factors such as low traffic capacity， difficult maintenance， low rescue and recovery efficiency， etc. At the same time， there are still disputes and difficulties in domestic research on traction power supply system， pier beam connection system， rolling effect of vehicles， rescue and maintenance mode， etc. However， it is certain that， with the accumulation and improvement of construction experience and design standards， the suspension monorail transit applicable to low and medium traffic volume lines will be focused and widely used in tourism， passenger hub liaison sites and other projects due to its unique advantages.

Keywords： suspended monorail， development status， advantages， application prospect