解丽霞,李卓然

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

引言

悬挂式单轨交通系统是车体悬挂于轨道梁下方行驶的轨道交通制式，转向架位于下开口半封闭的轨道梁内部，分别通过转向架的走行轮和导向轮进行走行和导向[1-3]。悬挂式单轨交通将地面交通移至空中，能够有效利用城市空间，具有适应地形能力强、占用空间少、建设周期短、工程造价低、对环境友好、可拆卸和重复利用等优势，在德国和日本得到了成功应用[4-6]，目前，在国内公共交通领域尚无运营线路，但已建成中车青岛四方试验线、成都中唐空铁试验线、中建开封试验线等试验线路，另有成都大邑、恩施青云崖、陕西韩城、安顺黄果树、贵州黔东南等多地正在建设或规划设计悬挂式单轨交通[7]。

道岔的作用是使列车转换行驶方向，是悬挂式单轨交通系统的重要组成部分，对整个系统安全、高效运行有着至关重要的影响。目前，国内外悬挂式单轨项目规模通常较小，道岔类型按功能划分，只有单开道岔和单渡线道岔；按结构型式划分，主要有整体移动式道岔、梯形辙叉道岔、倒T形辙叉道岔等类型[8-9]。

道岔线型直接影响行车安全性、乘客舒适度及运营效率，是道岔设计的重点内容。悬挂式单轨交通的轮轨关系及车辆运行特点与传统轨道交通存在较大差异[10]，目前，国内尚无相关国家或行业标准，涉及悬挂式单轨道岔线型参数研究的文献也较少，给道岔线型设计工作带来一定困难。为此，对悬挂式单轨道岔主要线型参数进行系统研究，供类似道岔设计时参考。

1 道岔容许通过速度研究

道岔容许通过速度为道岔主要能力指标之一，包括直向容许通过速度和侧向容许通过速度。根据现行国家标准GB 50458—2008《跨座式单轨交通设计规范》，当道岔处于曲线或折线状态下车辆通过时应限速行驶，当道岔处于直线状态时应满足列车最高行驶速度的要求[11]。因此，道岔直向容许通过速度应不低于列车最高行驶速度。

道岔侧向容许通过速度的选择应综合考虑行车需求和道岔技术经济性。行车需求主要指对行车速度、平稳性或舒适度的需求。正线及配线需设置道岔的位置通常包括折返线、出入段线、故障车停车线及联络线等，车场内需设置道岔的位置通常包括出入段线、牵出线、试车线、出入库线等。折返线道岔的侧向容许通过速度直接影响折返能力，出入段线道岔的侧向容许通过速度直接影响早晚高峰收、发车能力，这些地段道岔的侧向容许通过速度可根据项目高峰小时开行对数、列车运行能力及编组长度、站台长度、道岔长度及转辙时间等进行计算或检算。据了解，目前国内已建悬挂式单轨项目道岔的侧向通过速度通常在15～25 km/h之间；跨座式单轨道岔侧向容许通过速度正线及配线通常在20～40 km/h之间，车场线通常在5～25 km/h之间；地铁和跨座式单轨车辆进入车场有尽头线的线路时速度通常≯10 km/h。

道岔技术经济性主要考虑：在满足需求及技术可行的基础上，道岔宜尽量简化结构、减小体量、降低造价。通常速度要求越高，道岔体量越大，造价越高，故道岔容许通过速度的选取宜适度。

目前，国内外已建悬挂式单轨项目规模均较小，考虑一定发展空间，可按最大行车密度20～24对/h考虑道岔的设置。参考部分悬挂式单轨、跨座式单轨项目行车测算结果及选用道岔参数，悬挂式单轨道岔侧向容许通过速度正线折返线道岔可按20～25 km/h选取，出入段线(含正线侧及车场侧)、联络线、故障车停车线道岔可按15～25 km/h选取，车场内试车线、牵出线、出入库线道岔可按5～15 km/h选取。兼顾考虑降低道岔造价及减少道岔规格，本次研究道岔按15，25 km/h两种侧向容许通过速度等级进行研究。

2 道岔侧线线型及类型选择

列车过岔时的安全性及乘坐舒适性与道岔侧线线型息息相关。我国铁路道岔侧线线型主要有单圆型、复圆型、圆缓型和缓圆缓型，跨座式单轨道岔侧线线型主要有折线型、单圆型和缓圆缓型。其中，折线型道岔容许列车通过速度较低，列车通过时平稳性也较差，通常只用于单轨交通车场等不载客且速度要求较低的地段；单圆型道岔结构简单、列车通过平稳性较好，在我国铁路小号码道岔和单轨交通正线及配线中广泛应用；缓圆缓型道岔在我国铁路大号码道岔中应用广泛，在单轨交通正线中也有所应用。理论上缓圆缓型线型平顺性更佳，但道岔体量和造价也会增加。

考虑到悬挂式单轨道岔侧向容许通过速度不高，道岔结构比较复杂、制造成本较高，在满足功能需求的基础上，宜尽量简化道岔线型并减少道岔规格。本次研究道岔采用线型相对简单、平顺性较好的单圆型线型，道岔类型按单开道岔设计，单渡线道岔由2组单开道岔组合而成。

3 道岔主要线型参数研究

道岔线型参数主要包括曲线半径、各直线段及曲线段长度、转辙角、转辙量、渡线道岔线间距等，各参数取值应满足行车要求的通过速度、列车通过安全性、乘客舒适度及道岔零部件的安装空间等要求。

3.1 侧线曲线半径

最小曲线半径是轨道交通主要技术标准之一，单轨道岔限于体量通常选择较小的曲线半径。影响轨道交通最小曲线半径选择的因素主要有：车辆通过安全性和乘客乘坐舒适度[12]。

3.1.1 基于车辆通过安全性的最小曲线半径

车辆通过安全性主要指车辆转向架能够安全、平稳地通过曲线，并保证一定的抗倾覆能力。悬挂式单轨交通车辆转向架结构、安装方式和轨道梁型式能够使车辆免于脱轨及倾覆，只要曲线半径不小于车辆可通过的最小曲线半径，即可保证车辆通行的安全性。目前，悬挂式单轨车辆可通过的最小平面曲线半径，国外车辆在9～50 m之间，国内车辆通常为30 m或50 m[13-14]。为保证车辆通过的安全性，针对国内车辆，跨座式单轨道岔最小曲线半径应不小于30 m或50 m。在此基础上，道岔的曲线半径取值还应满足乘客舒适度要求。

3.1.2 基于舒适度的道岔曲线半径研究

(1)计算方法

本次研究道岔侧线曲线为圆曲线，不设缓和曲线，且道岔区不设超高。对于铁路、地铁、跨座式单轨，这种情况下影响舒适度的主要指标是未被平衡的横向加速度，线路最小曲线半径通常按式(1)计算。

(1)

式中，R为道岔侧线曲线半径，m；V为道岔侧向容许通过速度，km/h；a为未被平衡的横向加速度，m/s2。

悬挂式单轨交通的车辆采用柔性铰接悬挂，允许车体在一定角度范围内自主摆动，车体摆幅远大于铁路、地铁、跨座式单轨交通[15-16]。基于这种特点，道岔曲线半径在计算时需纳入车体横向倾斜角的影响。参考文献中的研究成果[15-16]，可获得悬挂式单轨道岔侧线曲线半径计算方法，见式(2)。

(2)

式中，g为重力加速度，m/s2；θmax为车体最大横向倾斜角，rad。

(2)相关参数取值

①道岔侧向容许通过速度

根据前面论述，本次研究道岔侧向容许通过速度取为15,25 km/h两种。

②未被平衡的横向加速度a

按式(2)，在其他参数相同的情况下，未被平衡的横向加速度越小，道岔曲线半径需越大。考虑道岔体量和造价，道岔区未被平衡的横向加速度能够满足基本要求即可，不必追求较好的舒适度。

载客侧向通过的道岔，参考现行国家标准GB 50157—2013《地铁设计规范》条文说明中的建议“道岔未被平衡的横向加速度正常为0.5 m/s2，瞬间为0.65 m/s2”[17]，以及TB/T 2477—2006《铁路道岔的容许通过速度》中的规定“客货共线道岔未被平衡的离心加速度不大于0.56 m/s2”[18]，本次研究a值取为0.5 m/s2，这个取值为“有些不舒适，但可以忍受”的感觉范围。

不载客侧向通过的道岔，参考T/CAMET 04001—2018《轻型跨座式单轨交通设计导则》中的规定“不载客道岔区欠超高率可根据导曲线半径大小按6.5%～10%控制”[19]，对应的未被平衡的横向加速度为0.65～1.0 m/s2，本次研究a取为0.8 m/s2。

③车体横向倾斜角

车体横向倾斜角应保证乘客站立稳定。国内地铁、铁路、跨座式单轨、磁浮交通最大超高对应的车体倾斜角在4.574°～ 6.843°之间，经实践检验，均可满足日常运营和乘客舒适度需要。

据了解，目前国内悬挂式单轨车辆车体的最大横向倾斜角在4°～8°之间。

按式(2)，在其他参数相同的情况下，最大横向倾斜角越大，道岔曲线半径值可越小。综合考虑各种悬挂式单轨车辆车体最大横向倾斜角及其他轨道交通超高对应的车体倾斜角，本次研究车体最大横向倾斜角按4°，6°分别进行计算。

(3)计算结果

根据式(2)及前面分析的各参数取值，按载客工况a=0.5 m/s2，可计算出道岔在不同通过速度下的侧线最小曲线半径。结合车辆可通过的最小平面曲线半径要求，按5 m级差圆整可得到道岔侧线曲线半径圆整值，见表1。

表1 载客工况不同速度下的道岔曲线半径最小值 m

根据表1，考虑一定裕量及车型兼容性，在满足车辆通过安全性的基础上，侧向通过速度为15,25 km/h道岔的侧线曲线半径可分别取为30,50 m，按这两种半径及各参数取值，可反算出两种半径道岔在载客a=0.5 m/s2、不载客a=0.8 m/s2工况下的侧向容许通过速度，见表2。

表2 道岔侧向速度容许值

道岔选型时可按项目对侧向行车速度要求、选型车辆可通过的最小曲线半径及表2选取适用的侧线曲线半径。考虑到曲线半径越小，轮轨磨耗越严重，建议30 m半径道岔仅用于车场等使用频率较低的地段，且速度限制在不高于15 km/h；其余地段优先选择50 m半径道岔。

3.2 侧线圆曲线及夹直线长度

根据《地铁设计规范》及《跨座式单轨交通设计规范》条文说明，圆曲线及夹直线长度需考虑车辆过岔时的安全性，即为保证正常的轮轨关系，正线上按一辆车不跨越两种线型，圆曲线及夹直线最小长度规定为不小于1节车辆长度，困难地段允许减少到1节车辆的全轴距，车场线为节省占地面积允许减少到1个转向架固定轴距；夹直线长度还需考虑车辆过岔时的舒适度，即能够让车辆在前一个缓和曲线产生的振动在夹直线上衰减后再进入第二个缓和曲线。根据文献研究成果，悬挂式单轨最小圆曲线长度宜为2～4倍列车时速[20]，远大于传统轨道交通，按此结论，在通过速度为15,25 km/h时道岔圆曲线及夹直线长度需相应达到30～60,50～100 m。

上述规范及文献中未提及道岔圆曲线长度和夹直线长度。我国重庆跨座式单轨采用的关节可挠型道岔拟合圆曲线长度为22 m，单渡线道岔两反向曲线间未设夹直线，经多年运用检验，能够满足日常运营和乘客舒适度需要。

据了解，目前各悬挂式单轨车辆全轴距≯9 500 mm、转向架轴距≯1 700 mm。参考地铁、跨座式单轨设计规范及重庆跨座式单轨道岔参数和实际运用情况，综合考虑悬挂式单轨车辆转向架被包裹在轨道梁内不易脱轨，单轨道岔结构复杂宜尽量减小体量，本次研究悬挂式单轨道岔未设缓和曲线等特点，可不对道岔侧线圆曲线及夹直线长度进行限制，在具备条件时可作为参考指标，渡线道岔两反向曲线间也可不设夹直线。

3.3 道岔转辙量及线间距

道岔转辙量及渡线道岔线间距与道岔侧线线型、道岔结构、支撑道岔的墩柱结构等有关，且应满足限界要求。

因悬挂式单轨车辆悬吊于轨道梁下方，转向架安装在轨道梁内，单开道岔转辙量仅需考虑道岔活动端不同方向轨道梁间保留一定间隙及道岔自身布置需要。

渡线道岔线间距可与相邻正线统一，或在满足要求的基础上取较小值，以降低工程投资。

在进行渡线道岔线型设计时，可通过调整侧线曲线长度、出岔处转辙角、夹直线长度等达到预定线间距。

4 道岔线型设计方案

4.1 道岔线型设计思路

本次研究按如下条件进行道岔线型设计。

(1)侧线曲线半径取30 m及50 m两种。

(2)考虑不同车型限界要求、两线间无支柱及有支柱，单渡线道岔线间距分别按3 700，4 100，4 800，5 200 mm，单渡线道岔由2组单开道岔组合而成。

(3)道岔侧线出岔方案分别考虑直线出岔和曲线出岔。曲线出岔时单渡线道岔无夹直线。直线出岔时单渡线夹直线长度，考虑车辆参数及道岔结构，30 m半径道岔按≮车辆转向架轴距，取2 000 mm；50 m半径道岔按≮车辆全轴距，取9 600 mm。

(4)在满足上述条件的基础上，尽量增加圆曲线长度及出岔处转辙角，以减小道岔长度。

4.2 道岔线型设计方案

单开、单渡线道岔线型示意分别见图1、图2。其中，a、b可根据道岔结构、支撑道岔的墩柱结构等自行确定；c为单开道岔出岔端直线段长度，2c为渡线道岔夹直线长度；d为单开道岔转辙量，2d为渡线道岔线间距；R为道岔曲线半径；s为单开道岔圆曲线弧线长度；L为单开道岔侧线水平方向投影长度；2L为渡线道岔侧线水平方向投影长度；β为单开道岔出岔处转辙角。

图1 单开道岔线型示意

图2 单渡线道岔线型示意

按上述思路，设计侧向容许通过速度为15，25 km/h等级的道岔规格及参数分别见表3、表4。

表3 15 km/h等级单开、单渡线道岔规格及参数

表4 25 km/h等级单开、单渡线道岔规格及参数

在实际工程中，可根据选型车辆参数、限界及道岔结构等要求调整道岔线型参数，也可考虑按标准梁跨长度调整道岔总长度及相关尺寸。

5 结论

根据悬挂式单轨交通技术特点、行车需求、车辆参数，结合部分线路平面曲线参数研究成果以及铁路、地铁、跨座式单轨设计相关规定，研究确定了悬挂式单轨道岔容许通过速度、侧线线型及侧线曲线半径、圆曲线长度、渡线道岔夹直线长度、转辙量及线间距等主要线型参数的计算或取值方法，在此基础上设计了系列道岔线型方案，主要研究结论及成果如下。

(1)基于安全性和舒适度要求，研究确定了悬挂式单轨道岔侧线曲线半径与未被平衡的横向加速度、车辆横向倾斜角的关系公式。

(2)基于道岔侧向通过速度分别为15，25 km/h，未被平衡的横向加速度载客时取0.5 m/s2、不载客时取0.8 m/s2，车辆最大横向倾斜角分别取4°，6°，计算出道岔侧线曲线半径最小值。在满足车辆通过安全性的基础上，侧向通过速度为15，25 km/h时道岔侧线曲线半径可分别取为30，50 m，并反算出了这两种半径道岔在载客、不载客工况下容许车辆通过的最大速度。

(3)悬挂式单轨道岔侧线圆曲线及夹直线长度可不受车辆全轴距及转向架轴距的限制，在具备条件时可作为参考指标，渡线道岔两反向曲线间可不设夹直线。

(4)设计形成多种规格道岔线型方案，侧线曲线半径包括30 m和50 m，对应侧向通过速度等级分别为15 km/h和25 km/h；单开道岔转辙量包括1 850，2 050，2 400，2 600 mm，对应的单渡线道岔线间距分别为3 700，4 100，4 800，5 200 mm；出岔方案包括直线出岔和曲线出岔。