陜西韓城懸掛式單軌一期工程總體設計

余浩偉 徐銀光 鄢紅英

摘 要：總體設計是軌道交通勘察設計中的引領(lǐng)性工作，對項目的系統(tǒng)標準、工程方案、建設投資等有較大影響。陜西韓城懸掛式單軌一期工程是我國首條開展設計工作的商業(yè)運營線，在探索懸掛式單軌系統(tǒng)技術(shù)、工程方案以及建設模式等方面，對于國內(nèi)新型軌道交通的發(fā)展具有重要的意義，是我國懸掛式單軌發(fā)展史上的里程碑。文章在設計實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，從總體設計的角度，對項目的技術(shù)特點和難點、功能定位、客流預測、行車組織、線路方案、景觀打造、土建工程、機電系統(tǒng)等進行全面的分析、研究與總結(jié)，以期對國內(nèi)后續(xù)懸掛式單軌項目的建設具有參考價值。

關(guān)鍵詞：懸掛式單軌;總體設計;技術(shù)標準;工程方案

中圖分類號：U232

1 研究背景

在我國鐵路以及城市軌道交通建設項目勘測設計過程中，實行的是項目總體組制，總體設計對于項目系統(tǒng)標準、各專業(yè)工程方案、建設投資，甚至項目成敗均起著至關(guān)重要的作用。一直以來，各大設計院均對總體設計預以高度重視，如朱穎、胡敘洪、吳彩蘭等，簡要總結(jié)了高速鐵路總體設計應引起重視的主要內(nèi)容;俞加康、沈秀芳等，對上海軌道交通明珠線二期工程的總體設計進行了研究;葛世平從運營角度對城市軌道交通的總體設計提出了相關(guān)建議;秦寶來以大秦鐵路為背景，對重載鐵路擴能總體設計中的關(guān)鍵技術(shù)問題進行了研究。

懸掛式單軌是在我國城市軌道交通發(fā)展到一定規(guī)模和覆蓋面的情況下，興起的中小運量新型軌道交通制式，客運能力為0.8～1.25萬人次/h，平均運行速度大于20 km/h，最高行車速度不小于80 km/h;運行軌道位于列車上方，車輛除走行輪外，在轉(zhuǎn)向架的兩側(cè)還有導向輪和穩(wěn)定輪，其始終在箱形軌道內(nèi)部，保證車輛沿軌道安全平穩(wěn)地行駛。

陜西省渭南市韓城懸掛式單軌一期工程是我國首條開展設計的懸掛式單軌商業(yè)運營線，項目位于韓城市南部，起于擬建龍亭機場，途經(jīng)司馬遷祠，沿澽水河經(jīng)澽水新城后，止于韓城古城附近，正線全長16.405 km，設置車站7 座，車輛基地1 處，線路方案如圖1所示。

2 技術(shù)難點與重點

韓城懸掛式單軌一期工程在探索懸掛式單軌系統(tǒng)技術(shù)、工程方案以及建設模式等方面，對國內(nèi)新型軌道交通的發(fā)展具有重要意義。本項目的技術(shù)特點和難點主要表現(xiàn)在懸掛式單軌特有技術(shù)、自然地形條件、景觀打造以及投資控制4方面。

（1）項目于2016年初啟動勘察設計工作之前，國內(nèi)只有一條800余m的試驗線正在建設，相關(guān)技術(shù)尚不成熟，缺乏大量的試驗、測試數(shù)據(jù)支撐。同時，懸掛式單軌車輛也未最終定型，使得限界、軌道梁、道岔等相關(guān)方案存在較大不確定性。

（2）黃土高原典型的“臺塬”地貌（圖2）帶來短距離內(nèi)的巨大高差，以及項目周邊豐富的文物及黃土陷穴給選線帶來巨大困難。同時，特有的濕陷性黃土地質(zhì)條件，也給采用單樁承力結(jié)構(gòu)的懸掛式單軌的設計、施工帶來一定的挑戰(zhàn)。

（3）沿線屬于韓城市全力打造的黃河景觀旅游區(qū)，“高高在上”的懸掛式單軌如何與景區(qū)整體風格互相融合、互為景觀，是項目設計需要著重解決的問題。

（4）根據(jù)具體情況，做到最優(yōu)化設計，在滿足客流需要與運營安全的同時，節(jié)省工程投資、提升項目經(jīng)濟效益，從而減小傳統(tǒng)城市軌道交通項目對于財政補貼的過度依賴，保證項目的經(jīng)濟可行。

3 功能定位與主要技術(shù)標準

韓城市地處關(guān)中平原東北隅，歷史悠久，文物古跡薈萃，有“文史之鄉(xiāng)”和“關(guān)中文物最韓城”之美譽，旅游資源極為豐富，如司馬遷祠、黃河龍門等眾多著名景觀均為國人所熟知。

本項目是在韓城市經(jīng)濟大轉(zhuǎn)型的背景下提出的，主要目的是配合韓城市旅游開發(fā)和景區(qū)建設，改善交通條件、提升韓城市旅游要素質(zhì)量、解決“不來韓城遺憾，來了韓城更遺憾”的旅游現(xiàn)狀。結(jié)合項目周邊城鎮(zhèn)分布情況，經(jīng)與韓城市多次溝通，確定本項目“以旅游為主、兼顧公共交通”的功能定位，懸掛式單軌作為韓城市公共交通的補充，為后續(xù)設計指明了方向。

本項目主要技術(shù)標準如表1所示。

4 客流預測與行車組織

4.1 客流預測

本項目客流可分成旅游客流、日常通勤客流和韓城城區(qū)通往機場客流3部分，通過采用Logit模型計算旅客選擇本項目的比例，從而確定其客流量。圖3為客流預測流程。

客流預測匯總結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，本項目總體客運量較小，初、近、遠期每日客運量分別為0.8萬人次、2.2萬人次及3.71萬人次。研究年度內(nèi)斷面高峰系數(shù)為初期0.17、近期0.19、遠期0.25，高峰的客流積聚現(xiàn)象特別明顯，這與本項目處于景區(qū)與老城區(qū)之間相關(guān)，經(jīng)過的地區(qū)大部分為旅游景區(qū)以及老城片區(qū)，高峰出行客流比例相對較高。從項目建設時序來看，隨著時間的推移，延伸至老城，通勤出行比例逐漸上升，在研究年度內(nèi)高峰系數(shù)應當呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。

4.2 行車組織

4.2.1 列車編組及輸送能力

由于懸掛式單軌道岔系統(tǒng)相對傳統(tǒng)輪軌較為復雜，動作時間更長，根據(jù)懸掛式單軌在國外成功運營的經(jīng)驗，高峰小時行車對數(shù)一般不超過24對。

考慮本項目主要為旅游服務，服務水平應高于傳統(tǒng)城市軌道交通，站立標準采用4 人/m2，為避免列車編組變化引起的設備改造，根據(jù)遠期最大單向斷面客流預測結(jié)果，各設計年度均采用3輛編組方案。

遠期高峰小時最大行車密度為20對/ h，系統(tǒng)設計最小行車間隔為3 min，最大輸送能力為3360 人次/ h，滿足預測客流量遠期高峰小時單向最大斷面2738 人次/ h 的要求，且留有22.7%的富余。

4.2.2 列車運行交路

本項目主要為旅游客流服務，兼顧龍亭機場的乘客，全線旅游景點分布均勻，無明顯客流斷面出現(xiàn)，如圖4所示。

考慮龍亭機場為支線機場，平日航班有限，且航班時間固定，在非航班運行時段，機場無航空乘客出行需求。龍亭機場—司馬遷祠站區(qū)間長約5.9 km，約占本工程的35.96%，且線路縱坡大，列車能耗大。因此考慮在司馬祠站設置小交路，一般情況下只開行司馬遷祠站—古城旅游中心站的列車運行交路，龍亭機場站—古城游客中心站的運行交路則根據(jù)龍亭機場的航班時間確定（圖5），以便更合理地分配運能，盡量減少配屬車輛總數(shù)（減少每日列車走行公里數(shù)和駕駛員的數(shù)量），提高列車滿載率;減少列車空駛距離，降低運營成本。

4.2.3 配線設置

因懸掛式單軌道岔結(jié)構(gòu)較為復雜，且成本較高，總體上應在保證運營安全及基本需要的基礎(chǔ)上，適當預留部分運營靈活性，盡量減少配線的設置。本項目具體配線方案如圖6所示：①在龍亭機場站設置折返線;②在司馬遷祠站設置單渡線，滿足折返功能;③在古城游客中心設置單渡線，滿足折返功能;④在古城游客中心站設置出入段線。其折返能力、出入段能力以及區(qū)間追蹤能力均滿足系統(tǒng)要求。

5 線路及敷設方案

5.1 線路方案

線路起于龍亭機場，上跨魏長城遺址后，沿芝川臺塬沖溝東側(cè)展線，下穿G5京昆高速芝川特大橋后，上跨沿黃公路線位，后途經(jīng)司馬遷祠、國家文史公園東側(cè)，沿澽水河西側(cè)堤頂路行進，在規(guī)劃的澽水河龍泉橋附近接入既有108國道，沿108國道東側(cè)路側(cè)行進，止于古城南門游客中心附近。

線路方案選擇難點與重點在于龍亭機場站—司馬遷祠站段：一方面，臺塬地貌帶來短距離內(nèi)劇烈的地形起伏，使得3.5 km范圍內(nèi)的地形高差達到150 m，且存在眾多的深切溝谷、塌陷洞穴、滑坡等不良地質(zhì);另一方面，該區(qū)段的文物古跡眾多，如魏長城、挾荔宮遺址、司馬遷祠等均是國家重點保護文物。設計中針對以上問題，通過多方案的技術(shù)經(jīng)濟比選，確定了合理可行的線路方案。

5.2 敷設方案

全線經(jīng)過山地、河堤以及城市道路3種不同的自然環(huán)境，不同地段的敷設方案存在較大區(qū)別。

（1）龍亭機場站—司馬遷祠站。線路為典型的山區(qū)路段，線路敷設方案主要取決于地面高程與線路設計高程。

（2）司馬遷祠站—澽水新城站段。線路主要沿韓城市重點打造的澽水河河堤走行，考慮站點設置空間、河堤觀景平臺以及整體景觀效果，線路選擇沿澽水河背水側(cè)坡頂路側(cè)敷設，如圖7所示。

（3）澽水新城站段。線路主要沿通往韓城古城的景觀大道108國道敷設，考慮到既有道路兩側(cè)綠化帶較寬，為減少既有道路改造以及對現(xiàn)有交通的影響，選擇沿道路右側(cè)敷設，如圖8所示。

6 站點設置與景觀打造

6.1 站點設置

全線共設置車站7座，預留車站4座，站位主要根據(jù)韓城市機場規(guī)劃、澽水河生態(tài)景觀帶規(guī)劃、道路交通、地形地貌條件等綜合因素確定，車站分布情況如圖1所示。

6.2 景觀打造

6.2.1 車站裝修設計

全線各車站建筑裝修和景觀設計風格整體上統(tǒng)一，以展現(xiàn)韓城市文化底蘊為主線;各車站景觀設計與所處位置的環(huán)境背景相呼應，打造以車站為中心的不同景觀段落帶。例如，司馬遷祠站和古城游客中心站效果分別如圖9和圖10所示。

6.2.2 區(qū)間景觀

由于線路主要沿澽水河西側(cè)河堤走行，以澽水河為代表對區(qū)間景觀進行設計，如圖11所示。由于澽水河規(guī)劃景區(qū)只位于一側(cè)，為保證行進中有景可觀，臨景區(qū)側(cè)需采用退臺式景觀及植被林冠線，以擴大觀景面。

7 土建工程

7.1 橋梁

7.1.1 軌道梁

軌道梁一般采用標準跨度為20～30m的鋼箱截面簡支軌道梁，經(jīng)工程經(jīng)濟對比分析，直線梁采用30m簡支軌道梁作為常用跨度，曲線梁區(qū)間采用25m簡支軌道梁作為常用跨度，軌道梁內(nèi)部標準尺寸為凈寬0.78m×凈高1.1 m。下翼緣鋼板厚30 mm，兼作軌道。

全線由590跨簡支梁、3座連續(xù)梁以及5個道岔梁構(gòu)成，其中25 m簡支梁357跨，30 m簡支梁231跨，23m

和27 m簡支梁各1跨，道岔梁跨度為20 m。根據(jù)地形情況，全線共設置3座連續(xù)梁，孔跨布置分別為（40 + 80 + 40）m、（40 + 60 + 60 + 40）m和（40 + 60 + 40）m。

7.1.2 橋墩及基礎(chǔ)

正線均采用T形橋墩，出入線單線采用倒L形橋墩，道岔梁或正線采用T形橋墩，有困難的地段采用門形框架橋墩。為方便運輸，T形橋墩和門形橋墩通常在墩頂附近斷開，利用法蘭通過高強螺栓與墩立柱連接，如圖12所示。

橋墩一般采用矩形空心截面的鋼結(jié)構(gòu)橋墩。當墩高超過15 m時，采用鋼墩與混凝土墩結(jié)合的方式，自墩頂至軌面以下10 m范圍內(nèi)采用鋼墩，其余部分墩身采用鋼筋混凝土矩形實心墩。

7.1.3 橋墩與軌道梁以及基礎(chǔ)的連接方式

軌道梁和橋墩通過支座連接。其中，軌道梁由梁部牛腿通過盆式橡膠支座與橋墩頂部水平懸挑梁向下伸出的牛腿對接實現(xiàn)墩與梁連接，如圖13所示;盆式橡膠支座為三向可調(diào)整支座，以便調(diào)整墩和梁制作安裝引起的誤差。

簡支梁墩與基礎(chǔ)（或?qū)嵭匿摻罨炷翗蚨眨┎捎肕48直鉤錨栓連接，錨栓插入基礎(chǔ)范圍內(nèi)設置4道

16 mm鋼筋網(wǎng)片。墩底設置30 mm厚的鋼板，錨栓沿鋼板四周對稱布置，錨栓之間設置豎向加勁肋，如圖 14所示。

7.2 道岔

采用倒T形轍叉道岔方案，道岔系統(tǒng)主要由道岔梁、可動軌、可動軌導向板、修正軌、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、鎖閉機構(gòu)等組成。

單開道岔采用單圓曲線線型，曲線半徑R = 50m，曲線出岔，轉(zhuǎn)轍角為11°18′36″，道岔區(qū)全長為19.951m，道岔梁實際長度可結(jié)合軌道梁孔跨布置適當調(diào)整至20m，線型示意圖如圖15所示。道岔側(cè)向的最大通過速度為15 km/h，直向通過速度與直線區(qū)間相同。

單渡線道岔采用圓曲線-直線-圓曲線線型。線間距為4.8 m，曲線半徑R = 50m，轉(zhuǎn)轍角為11°18′36″，夾直線長度為14.573 m，道岔區(qū)全長為39.902 m，道岔梁實際長度可結(jié)合軌道梁孔跨布置適當調(diào)整至40 m。道岔采用連續(xù)梁或簡支梁結(jié)構(gòu)，夾直線中點區(qū)域設置門形墩。道岔側(cè)向的最大通過速度為15 km/h，直向通過速度與直線區(qū)間速度相同。

8 機電系統(tǒng)

機電系統(tǒng)重點在以下幾個方面開展了設計。

（1）供電負荷等級根據(jù)項目具體情況合理確定，考慮本項目主要為旅游服務的特點，在保證安全的前提下，供電中斷雖會對系統(tǒng)運營產(chǎn)生影響，但不會造成類似于地鐵的較大社會影響，盡量減少I級負荷等級，取消雙回路供電方案。

（2）引入先進的4G LTE寬帶移動通信技術(shù)作為無線通信綜合平臺，打造城市軌道交通領(lǐng)域首個同時承載信號系統(tǒng)、調(diào)度通信、圖像和視頻多媒體業(yè)務的商用綜合寬帶無線通信系統(tǒng)。

（3）考慮本項目位于黃河邊，多年來最大平均風速為18 m/s，設計獨立的大風實時監(jiān)測系統(tǒng)，確保懸掛式單軌車輛在運行過程中的安全及穩(wěn)定性。大風實時監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場級和中心級2級構(gòu)成，能實時采集線路周邊的風速、風向及風角，通過中心級對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進行存儲和報警判斷。

（4）車票種類分為單程票、儲值票（兼容韓城“城市一卡通”）和旅游通票，前2種主要針對通勤客流，后者主要針對旅游客流，分別采用不同的票制與票價，且旅游通票可與周邊景區(qū)門票聯(lián)合銷售，形成一種能多次乘坐懸掛式單軌交通同時又可單次進出各個景區(qū)的綜合型旅游通票。

（5）由于懸掛式單軌車廂懸掛在空中，救援工作更加復雜，尤其在突發(fā)火災條件下逃生及救援極為困難。為此，根據(jù)專項科研成果，從安檢、車輛、工程等方面共同著手，開展了防災救援體系設計。

9 結(jié)語

韓城懸掛式單軌一期工程是國內(nèi)首條懸掛式單軌商業(yè)運營線試驗線，在多方聯(lián)合科研攻關(guān)以及中車四方懸掛式單軌試驗線建設實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，圓滿完成了項目總體設計工作，可為國內(nèi)后續(xù)懸掛式單軌項目的建設提供經(jīng)驗與參考。

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收稿日期 2019-11-19

責任編輯 黨選麗