宁波现代有轨电车工程设计特点

■　张志伟

宁波现代有轨电车工程设计特点

■张志伟

为减轻宁波市鄞州区城市公共交通压力、增强鄞州区公共交通覆盖、构建一体化公共交通系统、推进绿色环保交通建设，引导新城区合理布局发展及形成现代有轨电车产业示范效应，在鄞州区发展中运量有轨电车系统，可以优化鄞州新区城市交通结构，快速提高公交服务水平。重点介绍项目设计方案及设计特点，对设计过程中存在的重难点进行分析研究，为后续有轨电车项目的工程设计提供借鉴。

有轨电车；设计特点；储能式供电；桥式轨道；信号优先

1　概述

完善的城市公共交通应该是运用多种交通工程建立起来的适合不同服务类型、不同运量等级的多层次城市公共客运交通体系。现代有轨电车是在传统有轨电车基础上，通过现代技术的全面升级改造发展起来的一种先进交通工具，现代有轨电车具有绿色环保、造价低、建设工期短、运量适中等特点，可以弥补地铁投资大、建设周期长等不足，有效解决组团交通和接驳交通等中低运量客运走廊的交通问题。在国内日益受到一些大中城市的青睐。有轨电车可以作为轨道交通线网的组成部分，形成大、中容量交通方式互为补充，构建较为丰富和完整的轨道交通体系［1-2］。

2　工程重点线站位方案比选

宁波市鄞州区现代有轨电车实验线一期工程主要位于鄞州新城区及姜山镇境内，线路全长8.1 km，均为地面线，两端预留延伸条件。线路起自南大东路站，沿天童南路、鄞州大道、宁南南路、宁南北路，敷设至嵩江中路路口南侧的宁南立交南站。全线设置12座车站、1座车辆基地和1个控制中心。全线平均站间距723 m，最大站间距1 020 m，最小站间距465 m，交通枢纽站与地铁3号线接驳。

根据线网规划，起终点线路大致走向通道基本已定，重点比选的线站位应为线路中段的南部商务区。南部商务区是鄞州区重要的人口集散地，线路沿线人流量较大，商业、教育等相关配套设施聚集，是鄞州区乃至宁波市重点发展区域；同时宁波规划的地铁3号线也覆盖此片区，为尽可能发挥现代有轨电车的作用，实现与快速轨道交通及常规公交合理衔接，有必要对此段线路进行同精度多方案比选。

2.1线路方案

工程前期预选了三套方案（见图1）。

图1　三套方案示意图

方案一：泰康中路方案。线路出茶桃路站后，沿天童南路—泰康中路—宁南南路路径行进，泰康中路—鄞县大道段在宁南路道路东侧敷设，其余段均在道路路中地面敷设。在天童南路与鄞州大道路口设鄞州大道站，在天童南路与泰康中路路口处设南部商务区站。

方案二：鄞州大道方案。线路出茶桃路站后，沿天童南路—鄞州大道—宁南南路路径行进，在鄞州大道段沿北侧绿化带敷设，线路拐入宁南路后，沿道路路中地面敷设。在鄞州大道中段与地铁3号线构建综合交通枢纽站，在宁南南路—泰康中路路口设南部商务区站。

方案三：首南中路方案。线路出茶桃路站后，沿天童南路—首南中路—宁南南路路径行进，在首南中路—鄞县大道段沿东侧敷设，在首南中路段沿路北侧敷设，其余路段为路中地面敷设。在鄞州大道—天童南路路口设鄞州大道站，在天童南路—泰康中路路口设南部商务区站。

2.2方案比选

按照客流吸引、工程实施难度等方面对三套方案进行比较，具体见表1。

经过综合比选，推荐方案二。鄞州大道方案具有如下优点：线路沿线用地以居住、商业、政府组团用地和市政交通设施用地为主；现状有在建交通枢纽、在建罗蒙环球城等项目，客流覆盖好，与地铁3号线车站无缝接驳，线路设置于道路绿化带，对车行交通影响小，道路北侧绿化带可设置故障列车停车线，满足运营组织要求，利于运营应急措施的实施。

表1　线路方案比选

3　车辆选型

3.1走行方式比选

现代有轨电车根据走行方式不同主要可分为钢轮钢轨和胶轮导轨2种制式（见图2、图3），各有其优势与不足，其不同的特点适应不同的工程需求。

经过综合比选可以得出：

（1）钢轮钢轨现代有轨电车更加节能。

（2）钢轮钢轨现代有轨电车可靠性、安全性更高。

（3）钢轮钢轨现代有轨电车车辆性价比高、选择性大，可引入竞争机制，有利于车辆价格谈判；胶轮导轨现代有轨电车易造成垄断，且性价比低。

（4）钢轮钢轨现代有轨电车后期运营维护成本较低。

（5）钢轮钢轨现代有轨电车车辆自身外观多样，可根据城市特点进行专门设计，与城市景观协调性好。

图2　钢轮钢轨现代有轨电车

图3　胶轮导轨现代有轨电车

3.2供电方式比选

钢轮钢轨现代有轨电车的供电方式可采用接触网供电和无接触网供电方式，其中无接触网供电方式主要有超级电容供电、APS供电和电磁感应供电3种。

鄞州区有轨电车车辆推荐选用100%低地板有轨电车，100%低地板有轨电车采用该3种无接触网供电方式对城市景观的影响程度基本一致，但APS及电磁感应供电车辆其线路基础设施成本、能源使用成本、维护成本较高，可靠性相对较低。相对而言，100%低地板超级电容车辆，其技术与经济优势更为明显［3］。

3.3比选结论

从整个有轨电车系统所产生的社会效益上看，无架空接触网现代有轨电车是有轨电车系统进一步发展的方向，储能式牵引供电系统是实现无架空接触网的重要发展方向之一，能够满足现代城市对节能环保、城市景观的需求。

因此，结合鄞州区的发展战略定位、工程定位、景观等要求，车辆采用最高速度70 km/h的100%低地板、钢轮钢轨、区间无触网、储能式现代有轨电车，利用储能装置车辆能够无接触网运行（车站停车充电储能，区间放电驱动行驶）。储能装置可实现能量的高效和循环利用，达到绿色节能的双重目标。

4　道床及路基结构设计

考虑到宁波地层特点，软弱土层非常厚，线路所处区域地质条件复杂，有轨电车的路基是修建在承载能力较差的软弱土层，通常需要深挖采用优质填料置换软弱土层，因此无论是优质填料的来源还是被换土层产生的废土，对生态环境都会产生很大影响，而且施工弃土与回填的优质填料都需要大量土方运输，增加周边道路负担，并加大环境尘土或污染路面；如不进行深层处理则工后沉降量、沉降差较大，无法满足轨道要求。工程结合以往经验及工程特点对路基及道床结构进行综合比选。

4.1道床结构比选

4.1.1普通轨道结构

轨道结构高度（轨顶连线与线路中心线的交点至结构底板顶面）主要考虑钢轨、扣件及轨枕的安装高度，并考虑整体道床的稳定性、可施工性及一定的结构施工误差包容性等，普通轨道结构路基不做硬化层，轨道结构高度下需各增加200 mm厚C30混凝土垫层和二灰砂砾垫层，并严格控制工后沉降。轨道结构在专用路权（区间）地段设置一定的横坡，有利于道床范围内的排水。

4.1.2桥式轨道结构

桥式轨道结构技术适用于各种土质地基，尤其在软弱地基（含填土）、湿陷性黄土地基或寒冷地区。可使得轨下基础稳定、均匀和耐久，整个轨道具有较高的平顺性和稳定性。该技术具有以下优点：

（1）克服传统地基加固方法存在的加固效果不确定、工后地基沉降较大及沉降稳定所需时间很长等缺点，采用此路基具有沉降小、稳定、可控或易修复的优点；

（2）标准化、模块化工厂生产，在工厂预制的生产环境稳定，钢筋混凝土制品养护到位，产品质量高、外形美观；

（3）施工机具简单，实现机械化和流水线作业，施工效率高，工期短，同时可极大减少土方开挖、回填、装卸及运输等有损自然环境的工程量；

（4）轨道线路免维护，当路基出现沉降时轨道的可修复性强，即使路基差异沉降导致轨面不平顺的高度调整要求达到80 mm，也可利用夜间停运的天窗时间修复而不影响次日日常运营。

一般地段每隔12.5 m采用桥式结构设置纵梁，盖梁和纵梁间需考虑连接措施，纵梁及轨枕采用C45混凝土。将桥梁结构和轨道结构有机结合在一起。在特殊地段为减少管线迁改等因素的影响可采用非标准块，但非标准块的长度不应超过12.5 m，且长度是轨枕间距的整数倍，非标准块间的间隙大于3 mm时采用沥青混凝土填充。轨道结构与基础结构之间设置桥梁支座以调整轨道标高。

4.1.3方案比选分析

普通轨道结构与桥式轨道结构经济技术比选见表2。

根据以上分析，结合宁波地质条件及线路结构的完整性、少维护性，采用桥式轨道方案。桥式轨道主要由PHC管桩、盖梁、路基梁组成，轨道通过扣件直接安装于路基梁上，盖梁与桩刚性连接，路基梁以简支连接搁置于盖梁上。

4.2路基加固处理

路基处理措施应结合地区地质条件、有轨电车荷载情况、沉降标准及验算分析情况综合确定，一般可考虑采用冲击碾压、换填、中粗砂夹土工格栅、塑料排水板、袋装砂井、强夯（置换）、堆（超）载预压、水泥（砂浆）搅拌桩、高压旋喷桩、预应力钢筋混凝土管桩、CFG桩、桩网结构、桩筏结构、桩板结构等加固措施对地基进行处理。

由于本工程沿线广泛分布有饱和软土，厚度大，主要为淤泥质粉质黏土、淤泥质黏土，基本承载力σ0=50～60 kPa，具有含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、灵敏度高、极易发生蠕动和扰动的特点，根据TB 10106—2010《铁路工程地基处理技术规程》和宁波地区的建设经验，CFG桩等不适宜采用。综合比选，工程采用PHC管桩方案，在安全可靠性、对环境的影响性、对道路交通的干扰性均具有显著优势［4-5］。

“桥式轨道+PHC管桩”方案主要优点：

（1）路基承载能力较高，适应性较好，可满足轨道对承载力的要求。

（2）在工厂预制PHC管桩，桩身质量较易保证。

（3）沉降与差异沉降可控。路基工程可以根据宁波软弱土层厚度大的特点，采用桩基穿透软弱土，以相对较好的地层作为桩基持力层，从而获得较高的桩侧摩阻力及桩端阻力，并可根据承载力与沉降控制调整桩长与桩径。

（4）对道路交通影响较小。因管桩为预制，打桩施工周期较短，对道路影响较小。

（5）对环境影响较小。现场打设预制桩不会产生泥浆等污染。

（6）因采用桥式轨道方案，预制路基梁为主要传力构件，将车辆荷载传给PHC管桩，路基土层不承受上部车辆荷载，不需设置基床表层与底层。现场挖方量小，施工速度快。

（7）可依靠路基梁跨越大部分与有轨电车线路相交的管线，节约管线改迁投资，缩短工期。

表2　普通轨道结构与桥式轨道结构经济技术比较

5　交通组织与信号优先

5.1重点交通组织方案

5.1.1有轨电车左转通过路口交通组织

有轨电车由天童南路路中向西转向鄞州大道北侧绿化带。鄞州大道西进口直行方向及左转方向与有轨电车有交通冲突，东进口直行方向和右转方向与有轨电车有交通冲突；天童南路北进口直行方向和右转方向与有轨电车有交通冲突，南进口左转方向与有轨电车有交通冲突；有轨电车运行与道路交通冲突严重。

在原交通信号灯相位中新增有轨电车独立相位，并在西北象限增设右转信号灯（含非机动车右转灯、行人专用信号灯），用以控制有轨电车通过时天童南路北转西的右转车辆，保证运营安全（见图4、图5）。

图4　有轨电车左转通过路口交通组织示意图

图5　天童南路/鄞州大道路口交通信号相位示意图

图6　有轨电车右转通过路口交通组织示意图

5.1.2有轨电车右转通过路口交通组织

有轨电车运行方向为由鄞州大道北侧绿化带向北转向宁南南路路中，鄞州大道直行方向不受有轨电车影响，东进口右转和西进口左转均会与有轨电车产生交通冲突，南进口目前尚未开通，开通后直行方向也会与有轨电车产生交通冲突。

为有轨电车限界内新设2处信号灯（相位：右线同东进口直行、左线同南进口左转），有轨电车按灯控组织行驶，市政道路信号灯相位维持不变；新设东转北右转信号灯（含非机动车右转灯、行人专用信号灯），用以控制有轨电车通过时鄞州大道东转北的右转车辆，整个路口信号灯应系统联动控制（见图6、图7）。

5.2信号优先方案

项目车辆采用储能式100%低地板4模块有轨电车，车身长约36.5 m，最高运行速度70 km/h。高峰小时列车开行对数：初期9对、近期14对、远期20对。初、近期实验线计算旅行速度21 km/h，远期为23 km/h。全线共有20个路口（含出入车辆段路口），其中2处人行过街路口。全线路段为专享路权，路口为共享路权，与地面社会交通在路口平交。道路交通信号系统采用SCATS，具有信号优先功能，能根据有轨电车行车计划设置有轨电车绿波相位，实现有轨电车信号相对优先。

图7　宁南南路/鄞州大道路口交通信号相位示意图

宁波有轨电车信号系统与道路交通信号系统共同实现有轨电车计划驾驶绿波通行加主动请求的方案。

5.2.1信号优先原理

由鄞州区交警支队与运营单位商定有轨电车到达路口的运营期时间计划，此运营计划设置于SCATS中央控制系统，SCATS根据电车运营期时间计划中有轨电车的通行需求设置电车独立相位的开放绿灯时机，电车工程设置的路口控制器与SCATS的ITS设备就近采用串口数字接口（或干接点），主要用于检测道路交通信号控制器的电车独立相位开放状态，触发电车路口信号机开放；同时，发送晚点列车的优先路口通行请求及晚点时分至SCATS/ITS，用于SCATS调控路口信号相位开放时长，提供晚点电车优先通行条件［6］。

电车早点到达路口等待运行计划规定的时间相位；准点到达路口按运行计划通行；晚点到达路口时，电车到达触发及晚点时分信息通过电车路口信号优先控制器向路口SCATS/ITS发送通行优先请求，插入相位，实现电车通行信号的相对优先。

5.2.2有轨电车对道路交通信号系统的纵向配时要求

假设有轨电车经过的每个路口都刚好是有轨电车通过相位，做列车的牵引计算。根据牵引计算做出列车通过各个路口的全天相位需求。

5.2.3道路交通信号系统交叉口配时

道路交通信号系统根据有轨电车行车计划的纵向绿波配时要求，在有轨电车经过的各路口进行有轨电车的计划独立绿波相位配时。满足有轨电车行车组织按计划驾驶绿波通过各个路口。

5.2.4路口信号控制构成

（1）有轨电车信号系统：信号优先控制器、信标、路口有轨电车专用信号机。

（2）市政道路交通信号系统：交通信号控制器SCATS及路口交通信号机。

（3）有轨电车遵守路口专用信号机显示行车。路口信号控制构成见图8。

图8　路口信号控制构成图

5.2.5虚拟接近、到达、离去点的位置设置要求

虚拟到达点的位置距路口停车线的距离为L2，L2必须保证司机5 s的反应时间后有轨电车在限速速度下采用常用制动能够停在路口停车线前。

虚拟接近点距离到达点的距离为L3，L3指信号优先时信号优先控制器将列车接近信息传递到市政交通信号控制器并将信号灯相位切换到有轨电车通行相位的时间内列车走行的距离。

虚拟离去点离路口的距离为L4，L4=37 m，为有轨电车的长度。

5.2.6典型路口虚拟点布置计算

（1）路口技术参数：路口推荐速度暂定30 km/h；路口宽为20 m。

（2）虚拟接近、到达、离去位置设置。L1=20 m（路口停车线间宽度）；L2为列车从30 km/h采用常用制动停到路口前的距离，常用制动运行距离为37 m，再考虑司机5 s反应时间列车走行距离42 m，留上5 m的富余量后，按84 m考虑；L3为路口信号控制器收到优先请求后到优先信号开放这段时间内（路口信号优先请求提前20 s给路口信号控制机）列车走过的距离，按平均速度30 km/h考虑，L3=30 km/h×20 s=166.6 m。

5.2.7典型路口有轨电车信号灯最小白圈（信号）时间计算

有轨电车在到达点处，有轨电车信号相位由直白灯（允许信号）变换为白圈灯时，有轨电车司机应制动让列车停在路口停车线前。当有轨电车越过路口到达点后有轨电车直白相位变换为白圈时，此时白圈时间应能保证有轨电车在路口的规定限速下通过路口。

白圈时间：t白圈=（L1+L2+L4）/（30 km/h）=（20+84+37）/（8.33 m/s）=17 s。

5.2.8接口关系

有轨电车信号与道路交通信号系统接口示意见图9。

图9　有轨电车信号与道路交通信号系统接口示意图

（1）路口接口。接口形式：干接点。接口内容：有轨电车路口通过干接点形式将有轨电车的优先请求和接近、到达、离去路口信息传送给道路交通信号系统；道路交通信号系统将当前信号机状态信息和相位信息传递给有轨电车信号优先控制器。

（2）中央接口。接口形式：数据接口。接口内容：有轨电车运营综合自动化将列车时刻表计划和时钟信息传递给道路交通SCATS中央系统，道路交通信号系统将优先模式信息及有轨电车经过的道路交通信号系统的相位信息传送给有轨电车运营综合自动化系统。

6　结论

（1）有轨电车是综合交通系统的有机组成部分，但有别于一般轨道系统，有轨电车并非独享运行空间，受到没有完全分离的交叉口制约，并不能达到真正轨道系统具有的运行速度和准时性。有轨电车的服务水平取决于空间通行权的“优先程度”及需要增加工程造价的设施“分离程度”，对于相关冲突和建设方案的不同抉择，会形成具有很大功能差异的系统。国内尚未形成完善成熟的规划设计体系，在项目决策建设前，从城市和交通实际情况出发，开展顶层设计工作，特别是有必要在综合交通规划指导下，明确建设目标和功能定位，制定合理的规划设计体系。

（2）目前我国在实际交通管理中对有轨电车控制的相关法规还很缺失。为确保运营管理有法可依，应尽快从法制层面制订出完善的现代有轨电车运营管理办法，平衡有轨电车与其他主体的道路利用权利，明确现代有轨电车和其他车辆、行人的相互关系、责任，保障有轨电车、社会车辆、行人的运行安全。

（3）信号优先是在原有道路交叉口信号系统SCATS相位插入行车计划，有轨电车的速度和车身长度是交叉口信号控制方案设计的控制要素，其信号控制水平及系统稳定性有待优化提高。

（4）有轨电车在车道上的布设形式有布设在道路中央、布设在道路两侧、布设在道路单侧三种情况，建议有轨电车应优先布设在道路中央，结合城市规划和线路周边地块控制情况，其次考虑布设在道路两侧或道路单侧，重点是要跟整个道路和片区整体形象相联系、相协调。

［1］ 李秋义.我国现代有轨电车轨道系统技术发展的思考［J］.城市轨道交通研究，2014（10）：122-125.

［2］ 张子栋.有轨电车系统规划设计研究［J］.城市交通，2013（4）：30-38.

［3］ 张相宁，李明高，刘宇，等.100%低地板有轨电车车体设计［J］.中国铁路，2014（6）：111-113.

［4］ 深圳市城市交通规划设计研究中心轨道二所.深圳市首条现代有轨电车线路开工建设—现代有轨电车研究体系思考与实践［R］.深圳，2015.

［5］ 深圳市市政设计研究院有限公司.宁波市鄞州区现代有轨电车实验线一期工程可行性研究、总体设计、初步设计［R］.深圳，2015.

［6］ 吴胜权，黄振晖，曹源.有轨电车路权配置与信号系统选择［J］.中国铁路，2014（8）：97-99.

张志伟：深圳市市政设计研究院有限公司，工程师，广东深圳，518000

责任编辑高红义

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1672-061X（2016）04-0032-07