跨座式单轨交通线路设计重点问题探讨

吕昌明

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

跨座式单轨起源于19世纪，具有振动小、噪声低、造价省等优势，20世纪60年代以来得到了广泛的应用[1]。单轨系统基本采用高架线，线路设计相较普通地铁，能采用更小的曲线半径和更大的坡度，能够适应复杂的地形、地貌条件，例如“山城”重庆[2]。另外，在环境复杂、道路狭窄、建筑物密集、立交桥数量多、敏感环境要求高的城市环境中更具优势，可减少建(构)筑物拆迁工程，避免拆迁纠纷[3-4]。

跨座式单轨选线设计通常影响道路断面改造、桥梁墩型选择、城市道路景观、拆迁工程量、工程投资、投诉风险等。设计工作除常规分析选择平纵断面参数外，需特别注重各专业间的互相沟通，以满足各土建、系统专业的“最优、平衡”设计。就单轨系统线路设计过程中的一些重点问题展开讨论，为后续设计提供借鉴。

1 跨座式单轨线路平纵参数基本规定

1.1 线路平面设计参数

(1)正线和辅助线最小平面曲线半径不小于100 m，车辆基地内不得小于50 m。

(2)车站宜设在直线上，若设在曲线上，其平面曲线半径不应小于300 m。

(3)圆曲线及夹直线最小长度不应小于20 m。

(4)正线圆曲线的超高不大于12‰，超高过渡应呈直线变化，并宜在缓和曲线全长范围内完成。

(5)正线上直线地段线间距3.7 m，当线路曲线半径不大于300 m时，线间距应按半径不同考虑加宽量。

1.2 线路纵断面设计参数

(1)区间正线的最大坡度为60%，曲线上纵坡应考虑曲线阻力，按照Δi=800/R进行折减。

其中，Δi为坡度折减值，‰；R为圆曲线半径，m。

(2)车站站台应设置在一个坡道上，且竖曲线不得侵入；地面站及高架站宜设在平坡上，地下站宜设置在2‰～3‰的坡道上。

(3)当相邻坡度代数差≥5%时，应设置圆曲线型竖曲线，当R≤400 m时，竖曲线半径RV≥3 000 m，当R>400 m时，RV≥2 000 m。困难地段及车站两端RV可减至1 000 m。

(4)车站站台计算长度和道岔范围内不得设置竖曲线，竖曲线离开道岔端部的距离不应小于5 m。

(5)当纵坡≥30‰时，坡段长度应按照L≤1 200-40i/3计算的长度进行限制。

2 线路设计重点问题探讨

2.1 线路设计与道路断面调整设计

单轨沿城市道路布设，占用道路路面宽度，需适当调整道路横断面，满足道路交通要求[5]。

2.1.1 道路横断面的调整原则

(1)单轨基本采用高架线沿市政道路敷设，因桥墩布设引起的既有道路改建或规划道路调整应满足道路功能、城市总体规划、道路网规划。

(2)尽量在道路红线内进行改造、尽量维持原交叉口功能及规模、合理渠化交叉口。对于规划交叉口，要满足规划及远期交通功能的要求，需要合理布设分隔带断口、公交停靠站位置等。

(3)既有道路的改建除应满足技术可行性外，还需达到行车的安全性、舒适性及工程的经济性和社会综合效益。

(4)满足景观环境要求的同时，应考虑施工工期、工艺以及工程投资等各方面的要求。

2.1.2 道路横断面的调整方法

(1)单轨工程占用道路的宽度

根据单轨桥墩的尺寸，单轨桥梁单墩占用路面宽度约2～4 m、单墩车站结构占用路面宽度约2.5～4 m，双墩车站占用路面宽度约10～12 m，地下、高架转换的敞口段结构占用宽度分为两种情况：单洞双线隧道过渡为高架线，敞口段宽度约10 m，需要占用地面至少10 m的路幅宽度；单洞单线隧道敞口段宽度一般约5 m。

布设单轨后，应尽量不减少机动车的车道数，避免影响道路通行能力。采取路中敷设，原路中无中央分隔带或分隔带宽度不够时，需适当调整人行道、非机动车道或侧分带的宽度，以满足路中设置的条件，见图1。特殊情况下，根据道路两侧建筑物类型和退红线距离，因设置车站以及扩展交叉口进出口道路需求，按要求要展宽道路横断面。

图1 跨座式单轨引起道路横断面调整示意(单位：m)

(2)单轨沿既有道路敷设

一般情况，单轨沿既有道路路中、路侧布设，若道路条件良好，顺直性好，无控制条件，道路线形与单轨线形标准匹配，单轨基本采用标准跨度的桥梁结构形式，桥墩采用花瓣形墩、Y形墩、T形墩等。此种情况对道路横断面的影响较小，仅对道路绿化带、机动车道、非机动车道等宽度进行调整。

若道路线形与单轨线形标准不匹配，两者中线很难完全重合时，单轨应尽量沿分隔带中间布设，可采用不对称T形、倒L形桥墩[6-7]，如图2、图3所示，使桥墩布设于道路路中，减少对道路断面的影响[8]。

图2 不对称T形墩

图3 倒L形墩

若道路线形与单轨线形标准差异过大，无法采用不对称的T形、倒L形桥墩，可根据道路两侧条件，采用门式框架桥墩。门式墩适应性强，设计灵活，但景观效果较差，在设计中应尽量避免。此种情况首先协调适当改造道路中央分隔带，带来的施工难度和交通干扰需要与建设方提前协调，同时征求相关职能部门同意。

(3)单轨沿规划道路敷设

单轨沿规划道路敷设，若分隔带线形与单轨线形标准差别过大，若道路尚未实施，在前期研究阶段，应与规划部门协调预留敷设单轨的分隔带线形和宽度条件，保证至实施阶段可采用标准跨度桥墩。

2.2 线路设计与高架桥梁结构选择

2.2.1 线路平面半径与桥墩形式

因城市市政道路断面形式不断变化，又存在较多立交桥、下穿通道等影响单轨布设的市政工程，单轨不可避免采用上述的非标准桥墩，尤其是门式墩[9]。而单轨线路本身也需要转换路由(包括路中路侧转换、不同道路之间转换)，更增加了门式墩的使用，此时需充分利用线路条件，尽量减少门式墩的个数，降低桥墩宽度和改造既有道路。例如，重庆单轨3号线金渝站东侧高架线路由机场路北侧上跨金渝立交转入金渝大道时，研究可分别采用R-150 m、R-210 m的平面曲线半径转换路由，如图4所示。

图4 金渝站东侧线路采用不同半径转换路由示意

前者曲线半径较小，相对降低了乘客的舒适度，但跨金渝大道门式刚架数量少，跨度小，工程投资小，景观效果佳；后者采用的门式刚架数量多，跨度大，墩位对地下管线影响较大，工程投资也较大，虽曲线半径增大，但差异未达到一定量级，对于站端曲线来说，对旅客舒适度和车辆磨耗改善条件不明显，如图5所示。综合分析，考虑减少门式墩的个数和跨度，推荐采用R-150 m曲线方案进行深化设计。

图5 不同曲线半径条件下门式墩布置方案比选

2.2.2 线路设计与梁体类型、跨径及施工方法

高架桥梁一般采用简支梁或连续梁两种体系[10]，对于无法采用标准轨道梁跨越的段落，可采用节点桥梁，其形式有：组合T构、钢轨道梁、连续梁、简支钢桁梁等[11]。选用此类桥梁除考虑跨度、施工方法外，也与线路本身的设计条件有关，根据相关经验，单轨线路线形与梁体类型、跨径及施工方式的关系如表1所示。

表1 单轨线路条件与梁体类型的关系

高架线路平面位置对结构类型和施工方法有重要影响，而施工方法及结构形式又会影响线路平面布置。小半径曲线(R≤300 m)地段，通常采用小跨度PC简支梁，特殊情况小半径曲线段需采用大跨度桥梁结构，应与桥梁专业分析可实施性。

2.3 线路设计与环评影响

跨座式单轨通常采用高架敷设，对沿线建筑物或居民区存在噪声、振动、空气污染、水污染、电磁辐射、日照、景观等方面的影响，为控制上述各方面的影响程度，单轨线路通常需要满足《中华人民共和国环境噪声污染防治法》、GB 3096—2008《声环境质量标准》、GB 10070—88《城市区域环境振动标准》等系列涉及环境保护的规范。在沿线道路较窄、建(构)筑物分布较密集的区域，为满足规划环评要求，通常会对轨道走行部位及桥梁结构采取有效的减振措施，或者采取特殊材料构成的声屏障结构降低噪声，其与大运量地铁高架线路的减振、降噪措施类似。

但无论采取何种降低环境影响的措施，最基本的仍是在选线时最大程度的避让敏感性区域。首先应稳定线路路由和车站位置，然后根据环评调查、征拆等边界因素，尽量增大与建(构)筑物的距离。例如，重庆单轨交通3号线长福路站东侧线路从金开大道转向科技路段，线路内侧为鑫城名都9层居民住宅，转角处接近90°，为了降低对该居住楼的影响，对转弯段的线路进行以下3个方案比选，见图6。

方案1：线路出长福路站后，右偏折向东南，沿金开大道道路南侧绿化带高架敷设，而后以半径为150 m的曲线转向兴科路，并沿中央分隔带敷设。

方案2：线路出长福路站后，右偏折向东南，沿金开大道中央分隔带敷设，而后以半径为100 m的曲线转向兴科路，并沿中央分隔带敷设。

方案3：线路出长福路站后，右偏折向东南，沿金开大道中央分隔带敷设，而后以半径为150 m的曲线转向兴科路，并沿中央分隔带敷设。

图6 不同曲线半径条件下路中、路侧方案比选示意

经分析，方案1，线路在金开大道虽没走在中央分隔带上而走在路南侧，但路南侧为绿地，可供线路走行，同时可保证与鑫城名都留有足够的保护距离，噪声、振动都影响较小，采用R-150 m半径转向兴科路线形较好。方案2，虽然与鑫城名都距离也较远，但采用最小平曲线半径100 m，降低了乘客舒适度，轮胎磨耗严重。方案3，虽然大部分线路走在中央分隔带上，但转弯处距离鑫城名都距离太近，环境影响大，若考虑拆迁，协调难度大，工程投资巨大，工程可实施性小。综合比选推荐方案1作为实施方案，目前3号线已运营数年，该段未出现居民投诉的情况。

跨座式单轨的优点是线路平面可以选择更小的曲线半径，对涉及环评敏感区段，可以采用较小的曲线半径贯通线路，优化与敏感建筑的距离[12]，但半径不宜过小，降低运营条件。因此，针对环境影响问题，应在前期选线设计中充分考虑线路条件，控制线路与敏感建筑的关系，将环评影响降到最低。

2.4 局部段落灵活选择敷设方式

普遍认为跨座式单轨应该采用高架线，符合该制式的特点，工程建设难度小，造价低，经济性好，因此在实际应用中很少采用地下线。但是对于特殊情况，根据边界条件，仍需应合理分析地下线的适用性。例如，在地势起伏较大的地段，全部采用高架线可能出现长大坡段，影响车辆的运行安全，同时按照GB 50458—2008《跨座式单轨交通设计规范》要求，若纵坡≥30‰时，坡段长度还需按照“L≤1 200-40i/3”进行限制，进一步又限制了坡度的取值。重庆单轨交通3号线金童路站—鸳鸯站段站间距2.4 km，地形呈“凸峰”状，在1.44 km段落内，地面高差达53 m，平均坡度3.7%。若按全高架线考虑，该段纵断面设计为460 m/52‰，150 m/29‰，420 m/57‰，410 m/29‰的组合坡段，如图7所示。基本采用极限坡度和坡长，连续同向陡坡地段采用平均坡度检查坡长超过标准规定，影响行车运营性能。

图7 金童路—鸳鸯站区间高架敷设方案

通过分析，该段区间设在鸳鸯立交桥以东，在金童路站后及鸳鸯站站前具有设置过渡段的条件，可局部采用地下线，纵断面可设计为330 m/34‰，340 m/2‰，1 300 m/26‰的组合坡，如图8所示。相比全高架方案，虽然将1.3 km段落调整为地下线，增加了建设和运营费用，但平均坡度较小，改善了列车运营条件，最终按局部地下线方案进行建设。

另外，3号线根据地形特点、景观要求及交通枢纽衔接，全线虽以高架敷设为主，但局部段落仍选择采用地下区间或设置地下车站。截止目前3号线全长约67 km，其中地下线约13 km，占比19.4%；设置45座车站，其中地下站11座，占比24.4%，适当的地下段落能够提高与周边环境的适应性。例如为打造重庆南坪中心综合交通枢纽工程，将南坪站、工贸站设置为地下站，与下穿立交工程、地下人行系统、沿线地下商场开发融为一体，提升了南坪中心区的商业氛围和城市环境[13]。为了与大型客运枢纽无缝衔接，方便旅客换乘，同时考虑高架线的工程难度，将重庆北站南广场站、江北机场T2航站楼站设置为地下站，并预留其他轨道交通线路的换乘条件，发挥了良好的接驳作用。童家院子站设置于童家院子车辆段东侧，紧邻车辆段试车线，因此车站设计为地面侧式站，车站前后部分区间采用地面线，节省了投资。

综上，相比地铁，跨座式单轨的线路设计参数为高架线的选择提供了有利的条件，尤其采用大坡度可适应地形起伏变化，使设计更加灵活[14]，高架线是首先需要考虑的敷设方式。但在实际应用中不能采用“一刀切”的方式，完全采用高架线，应根据边界条件具体分析，局部采用地下线或地下车站具有一定的合理性和必要性。

3 关于单轨线路设计的两个思考

3.1 建议尽量减少小半径曲线设置

GB 50458—2008《跨座式单轨交通设计规范》规定跨座式单轨线路最小曲线半径为100 m，但实际上100 m的曲线半径也存在一定弊端。杜子学等[15]通过理论计算表明跨座式单轨车辆行驶在半径为100 m的曲线上具有很好的运营安全性和可靠的防脱轨稳定性，但100 m半径曲线段的轮胎磨耗却不容忽视。跨座式单轨行驶于曲线段时，轮胎将产生不均匀磨耗，较小的曲线半径和较大的速度不利组合，导致轮胎产生更为严重和更为不均匀的磨耗，因曲线内侧和轨道表面的运行轮胎之间存在大量滑动，导致曲线内侧运行轮胎比外侧轮胎磨耗更为严重，即偏磨现象[16]。

从重庆单轨交通3号线的运营情况看，全线采用的最小曲线半径为150 m，大于设计规范规定的100 m，但运营监测显示走行轮仍出现了较严重的偏磨现象，缩短了轮胎的使用寿命，降低了车轮的附着能力，产生了行驶动力学及噪声等方面的问题，严重影响车辆的运营安全性，不利于节能，运营单位也对此感到困惑[17]。

相比大运量地铁车辆，跨座式单轨采用小半径曲线，体现了平面选线的优势，但从重庆单轨交通2、3号线的运营情况来看，单轨轮胎偏磨的问题尚未解决。因此，在工程实际中，建议结合地形、地物、地质条件、征地拆迁难度、环境影响、社会稳定性影响等因素，尽量减少小半径曲线的设置，同时尽量克服客观因素，优先选择大半径曲线。

3.2 合理分析单轨的适用性和敷设通道

国内跨座式单轨发展较早、运营经验最成熟的是重庆单轨交通2、3号线，两条线路的建设为我国引入跨座式单轨交通系统，实现国产化做出了巨大的贡献，同时建立了跨座式单轨交通国家标准体系[18-19]。通过将近10年的运营观测，随着城市发展和规划实施，目前的运营效果与设计预期还存在一些偏差。

首先，2号线北段线路存在单边客流，客流效果不尽理想。作为市内第一条轨道交通线路，重点应考虑照顾城市主要客流走廊，疏散客流、解决城市的交通拥堵问题。由于2号线作为初次被提出采用跨座式单轨系统建设的线路，更关注工程的示范性，受拆迁工程和高架线环评反对意见影响，导致北段渝中区有约7 km的线路紧邻嘉陵江江岸布设，设站6座。南侧除终点鱼洞站与3号线双岛换乘贯通运营外，沿线与大型客流集散点或交通枢纽站衔接偏少。该线自开通运营以来，客流量增长有限，运营亏损相对严重，后来通过延长列车运行时间间隔调整运输能力。

其次，3号线采用跨座式单轨，存在运量不足风险。3号线是一条交通型轨道交通线路，目前运营里程67.1 km，与线网规划中的线路长度和敷设范围基本一致。沿线串联了江北国际机场、重庆园博园、重庆北站、重庆站、重庆工商大学和巴南区政府等枢纽站或客流点，沿线基本为客流密集区域[20]，运营后客流日趋增长。3号线于2011年12月30日开通试运营(江北机场至二塘段)，至2015年日均客流达到68.28万人次，最大日客运量90.6万人次，高峰断面流量为2.8万人次/h，且客流保持增长的趋势明显，客流规模居运营4条线路中最高，高峰时段内车站及列车内拥堵严重。至2017年客运总量达到92.64万人/d，最大高峰小时断面3.35万人/h。实际客流量已超出起初预测值，预测客流量见表2。

为了解决客流不断增长的问题，2015年重庆轨道交通集团增购15列8辆编组的列车上线运行，相比6辆编组，8辆编组列车载客能力提高了34%，近期采用6、8混跑的运营方式，同时将最短的发车间隔由2 min40 s缩短至2 min30 s，对车辆设计、信号系统、安全门/屏蔽门、车辆段、综合监控、通信等系统设备进行了改造，以此提高线路运量。根据规划，目前运营的58列6辆编组的车辆将全部改造成8辆编组，若全部改造完毕，运能提升接近20%[21]。

表2 客流预测主要指标

3号线跨座式单轨车辆技术引鉴日本日立，采用双轴单轨车辆，相比芜湖在建及国内较多城市开展研究的单轴单轨车辆，双轴车辆每节车厢总轴数大，车辆承载能力较高，定员及载客能力较大，为单轨“大型车”。单轴车辆在曲线通过能力及减少轮胎磨损方面具有一定优势，但定员及平衡性略显不足，为单轨“中型车”。两种车型的定员对比见表3。

表3 单、双轴跨座式单轨车辆定员对比

由此可见，3号线采用的双轴跨座式单轨车辆在运能方面具有一定优势，若列车全部扩编为8辆编组，按6人/m2的站立标准，列车定员1 292人，按高峰小时开行24对/h，运能为3.1万人次/h，达到大运量运能级别[22]，即便如此，随着沿线开发强度的增大，仍存在运能不足的风险。

跨座式单轨定位为中运量轨道交通[23]，单向运能1.5万～3万人次/h，从客流的适应性分析，3号线更倾向于选择大运量的钢轮钢轨制式。但当时作为单轨的引进线路，该线属于“确定制式后选择线路通道”，客流预测作为指导设计的基础资料，尚不能完全代表客流量的发展趋势。随着实际客流的增长只能改扩编列车、缩短发车间隔解决运量不足问题，实际上这与跨座式单轨“中运量、小编组”的特点不尽相符。

4 结语

通过探讨跨座式单轨线路设计重点问题和分析重庆单轨交通2、3号线的设计、运营情况，建议如下。

(1)跨座式单轨线路平、纵断面参数应结合工程实际条件合理选择，减少小半径曲线，降低运行轮胎的偏磨，建议进一步加强对单轨轮胎磨损机理的学术研究，为运营提供依据。因地形高差、枢纽衔接、综合交通体系建设等需求，局部线路可采用地下敷设，提高与周边环境的适应性。

(2)根据客流预测及实际运营情况，3号线全日客流、高峰小时最大客流位于南岸区、渝中区及江北区，在这3个区域内四公里站与重庆轨道交通环线换乘、南坪站与10号线换乘、两路口与1号线换乘、牛角沱站与2号线换乘、观音桥站与9号线换乘、红旗河沟站与6号线换乘。目前换乘线路已建成1，2，6号线及环线，9，10号线在建。预测换乘线路全部建成后，对3号线进行分流，可适当缓解3号线的运营压力。

(3)国内特大城市、大城市的非骨干线路、中等城市的骨干线路在应用单轨时，应根据线路功能定位，合理分析敷设通道和车辆选型，加强客流预测工作。