中小型山地城市轨道交通制式比选研究

谢毅 余浩伟 姜梅

摘 要：作为城市轨道交通建设中需要解决的首要问题，制式比选是项目建设初期的重点。文章以四川省攀枝花市为例，从审批政策风险、技术可靠性、环境适应性、建设及运营成本、预留未来发展空间等角度，对中小型山地城市轨道交通制式进行比选研究。从运量、自然条件角度考虑，有轨电车、悬挂式单轨、跨座式单轨 3 种制式均可供选择，但受审批政策的影响，现阶段有轨电车仍是确保建设顺利推进的唯一选择。随着审批政策的进一步明确，小型化的跨座式单轨及悬挂式单轨将充分发挥其在适应特殊自然环境方面的优势，为中小型山地城市建设城市轨道交通提供全新的制式解决方案。

关键词：城市轨道交通;山地城市;制式比选;有轨电车;悬挂式单轨;跨座式单轨

中图分类号：U232

1 研究背景

随着经济社会的不断发展，全国小汽车保有量不断增加，拥堵已经不是大城市的特有现象，而是逐渐向中小城市蔓延，中小城市对于城市轨道交通的需求逐渐显现。

山地地形起伏，高差大，可供城市发展的空间极为有限。为实现土地资源利用效率的最大化，与平原、丘陵城市相比，山地城市均具有依山傍水而建、城市整体落差大、房屋楼层较高、道路坡陡弯急且路面宽度有限等特点。

作为城市轨道交通建设中需要解决的首要问题，制式比选是项目建设初期的重点，决定着该线路以至整个城市线网的技术路线。国内外学者对此开展了大量研究工作，如魏庆朝、韩宝明等对城市轨道交通制式选择进行了研究[1-7]，喻文球、闵国水、胡仁兵等探讨了市域铁路制式选择[8-11]。然而，针对中小型山地城市轨道交通制式的比选研究却相当匮乏，本文以四川省攀枝花市为例对此展开研究。

2 项目概况

攀枝花市位于中国西南川滇交接部，2018年末户籍人口108.34万人，2018年全市实现地区生产总值（GDP）1173.52亿元，公共财政预算收入61.5亿元。地形呈两江五河七谷群山分布，具有典型的高山峡谷特征，为典型的组团城市，且各组团较分散。2020年市域规划143万人，中心城区规划91万人，城市建设用地100.09km2;2030年市域规划155万人，中心城区规划109万人，城市建设用地119.92 km2。

《攀枝花市轨道交通线网规划》提出，攀枝花市远期轨道交通线网由6条线路组成，线网全长为95.9km，共设站98座，其中换乘站8座，平均站间距为

1.076km，线路具体情况见表1。2030年，攀枝花市轨道交通线网客运量为66.38万人次/天，线网负荷强度为

0.70万人次/（km ·天），城市轨道交通出行客流占公共交通出行客流的比例为46.9%，远期高峰小时最大单向断面客流量为8 333人次/ h，规划线路最大坡度为 60‰。

3 总体思路

3.1 确定制式比选范围

根据运量大小，不同城市轨道交通制式可被分为大运量、中运量和小运量3种类型，见表2。

攀枝花市远期高峰小时最大单向断面客流量为8333人次/h，属于小运量范畴，故从运量匹配角度考虑，可供攀枝花市轨道交通选择的制式为悬挂式单轨与有轨电车2种。

而从适应地形的角度考虑，跨座式单轨虽运量较大，也可作为候选制式。其原因在于攀枝花属于典型的山地城市，具有“弯急、坡陡、路窄”的典型特征。反应到制式选择上，“弯急”要求城市轨道交通可通过较小的曲线半径，以增加选线灵活度、减小拆迁量及工程量;“坡陡”要求城市軌道交通在纵向上具有较强的大坡度通过能力，在横向上具有良好的抗侧翻与抗倾覆能力;“路窄”要求在城市轨道交通建设及运营过程中能方便灵活地处理好与地面非轨道交通之间的关系。而跨座式单轨可以很好地满足这些要求。

因此，本文将对有轨电车、悬挂式单轨和跨座式单轨3种制式进行比选研究。

3.2 制式比选考虑的主要因素

不同的城市轨道交通制式，由于其基本原理不同形成了各自不同的特点以及优缺点，但制式之间并不存在绝对的优劣之分。从技术角度而言，讨论哪种制式更适合某个城市，其本质是对不同制式特点与城市特点之间的相容性（即城市轨道交通与城市的自然环境、既有条件之间的适应性）进行比较，此为城市轨道交通制式选择的主要问题，也是控制性因素。而制式本身的优缺点为次要问题、非控制性因素，能控制在相关标准范围内、或者通过相关技术手段予以解决的可不纳入考虑范围。

综合考虑以上因素，攀枝花市轨道交通制式比选考虑的主要因素如下。

（1）审批政策风险。包括国家相关政策规定和国内相关项目实施情况2个具体因素。

（2）技术可靠性。包括国外应用情况、国内应用情况、系统国产化情况和相关规范情况4个具体因素。

（3）环境适应性。包括噪声、与道路及周围建筑物协调性、视野通透性与采光效果，以及施工对既有地面交通的影响4个具体因素。

（4）建设及运营成本。包括投资匡算和运营成本2个具体因素。

（5）预留未来发展空间。主要指改造方案的选择。

4 制式比选

下面将从审批政策风险、技术可靠性、环境适应性、建设及运营成本和预留未来发展空间5大方面对上述3种制式进行比选研究。

4.1 审批政策风险

4.1.1 国家相关政策规定

在国家政策层面，目前仅对建设地铁和轻轨的基本要求，以及地铁、轻轨和有轨电车的审批权限进行了规定。对于有轨电车，可建设地铁和轻轨的城市须将其纳入建设规划，报国家审批，其余不符合建设地铁与轻轨条件的城市则由省级政府部门审批。而对于悬挂式单轨、跨座式单轨尚无明确规定。

4.1.2 国内相关项目实施情况

有轨电车建设主要由省级政府部门审批。

对于跨座式单轨的建设，为规避政策风险，重庆、芜湖由于其城区人口、GDP、地方财政一般预算收入等条件满足国家规定的轻轨建设基本要求，均按轻轨相关流程上报国家审批并开展建设;其余不满足轻轨建设基本要求的城市均采用旅游轨道交通、试验线模式，由市级政府部门审批。

国内已批复可行性研究报告的陕西韩城、成都大邑2个悬挂式单轨项目均位于旅游区，由市级政府部门按旅游轨道交通进行审批立项。

因此，在审批政策风险方面，有轨电车因国家已出台相关规定，可由省级政府部门进行审批，不存在政策风险;而跨座式单轨、悬挂式单轨的建设尚须与中华人民共和国国家发展和改革委员会以及省级相关部门沟通协调，存在一定的政策风险。

4.2 技术可靠性

4.2.1 国内外应用情况

有轨电车、悬挂式单轨、跨座式单轨均起源于19世纪，发展历史较为悠久。

有轨电车通过传统到现代化的转变，已作为一种先进的新兴城市公交方式在世界范围内普遍推广，运营里程合计已达5 000 km。它也因造价相对低廉、审批程序便捷，受到国内诸多中小城市的青睐。

对于跨座式单轨，全球有12个国家正在设计、建设和运营，包括日本、美国、俄罗斯、新加坡等发达国家。自2005年国内第一条跨座式单轨线路——重庆市轨道交通2号线正式开通运营以来，此制式在中国得到了快速发展，中国目前已成为世界上擁有最大规模跨座式单轨的国家。

相较而言，悬挂式单轨的建设、运营实例较少，目前仅德国伍珀塔尔市、日本湘南线和千叶线3条城市公共交通线路。国内目前已建成3条试验线，多个车辆制造厂的车辆已经下线，首条商业运营线正在建设中[12]。

国内外实践证明，3种制式均安全、可靠。但悬挂式单轨在国内尚未有商业运营经验，其国内应用的稳定性还有待进一步验证。

4.2.2 系统国产化情况

在国内，有轨电车制造技术成熟，已实现全产业链模式，产品可实现深度定制，基本实现完全国产化。

悬挂式单轨除车辆转向架的胶轮承载和导向系统外，其余均采用城市轨道交通中的成熟系统和部件，经过多年的研究，国产化产品基本可满足相关要求。

跨座式单轨走出了一条“ 引进—消化—再研发”的创新发展之路，打破了国外企业的长期垄断，实现了95%以上设备的国产化。

因此，从系统国产化率来看，3种制式的设备生产与采购均能满足建设要求。

4.2.3 相关规范情况

有轨电车、跨座式单轨的相关规范、标准齐全，涵盖车辆、设计、施工等，可为其建设提供全方位的技术支撑与保障。悬挂式单轨目前尚无国家层面的统一规范，行业标准《悬挂式单轨交通技术标准》正在编制过程中，四川省、河南省分别颁布了地方标准《悬挂式单轨交通设计标准》（DBJ51/T 099-2018）[13]和《悬挂式单轨交通技术标准》（DBJ41/T 217-2019）[14]。

总而言之，跨座式单轨规范最为齐全，有轨电车次之，悬挂式单轨暂时缺乏国家层面的统一规范，仅各地根据自身情况出台了地方标准。

4.3 环境适应性

4.3.1 噪声

有轨电车属于钢轮钢轨体系，轮轨接触噪声、受电弓-接触网接触噪声相对较大，基本无遮挡，在70km/h

的最高速度下，车外噪声达78 dB。

悬挂式单轨由于整个走行机构都置于箱型轨道梁内，振动噪声能被轨道梁体吸收，因此噪声较低，对乘客影响较小，环境污染小。该系统的车内噪声≤65dB，车外噪声≤68 dB。

根据重庆跨座式单轨实测数据，跨座式单轨在速度为75 km/h的条件下，距离线路中心10 m处的噪声为74 dB，20m处为69 dB。

4.3.2 与道路及周围建筑物的协调性

规划线路穿越攀枝花市主城区和新区。攀枝花市主城区道路为非标准双向4车道，无中央分隔带，周边建筑物密集;新区道路条件较好，为双向6车道（图1）。

3种制式的线路敷设方式及其对道路及周围建筑物的影响如下。

（1）有轨电车。有轨电车的敷设方式主要有3种：地面、高架和地下。地面敷设时，须侵占既有道路宽度8 m，即占用2条机动车道，对地面道路的通行能力有较大影响。高架敷设时，高架桥路面宽度为8 m，桥墩宽度为3 m。主城区受条件限制，须采用地下敷设形式，长度约2.4 km，采用明挖法或盖挖法施工，施工期间对道路交通影响较大，建成后对道路交通无影响。

（2）悬挂式单轨。根据攀枝花市道路交通现状，推荐悬挂式单轨采用路中式敷设，在既有道路中央增设1m隔离带用于布置桥墩，车底保持至少5 m净空，车辆运行过程中对路面交通无干扰，见图2。

（3）跨座式单轨。跨座式单轨全部采用高架桥梁结构，车辆运行过程中对路面交通无干扰。

4.3.3 视野通透性与采光效果

这一点是针对高架形式而言的。有轨电车高架桥面宽度至少为8 m，而悬挂式单轨与跨座式单轨区间均为双线轨道梁，梁体宽度分别为0.8 m和0.85 m，因此悬挂式单轨和跨座式单轨系统在视野通透性和采光效果上均优于有轨电车高架桥。

4.3.4 施工过程中对既有地面交通的影响

有轨电车采用路面敷设时，每侧各需占用一条道路或中央绿化带，不可避免会对既有地面交通产生影响，而且采取现场施工作业的方式，施工时间较长，对既有地面交通影响较大。采用高架敷设时，需占用一条车道的宽度设置混凝土墩柱，也需现场施工作业，施工时间较长，对既有地面交通影响较大。

悬挂式单轨梁体、墩柱均为钢结构，车站也可采用拼装式，墩柱直径小于1 m，大部分工程可在工厂内加工完成，现场施工周期短，占用地面道路资源少，对于既有地面交通影响较小。

跨座式单轨采用高架结构，且大部分为混凝土结构，需现场施工，常规情况下跨座式单轨对于既有地面交通的影响与有轨电车高架结构相当。目前，国内已经研发出了新型跨座式单轨墩柱结构，采用预制式，由工厂生产标准节段，运至现场后拼装，可大大缩短现场施工时间，减小对地面交通的影响。

综上所述，不同制式敷设方式的环境适应性比较见表3。

悬挂式单轨因梁体纤细，且采用钢结构，因此环境适应性最优，跨座式单轨次之，有轨电车对既有环境的影响最大。

4.4 建设及运营成本

4.4.1 投资匡算

以近期即将建设的攀枝花市轨道交通1号线一期工程（大渡口街站—攀枝花南站）和轨道交通2号线一期工程（疾控中心站—攀枝花南站）为例，对3种制式的投资匡算进行对比分析，见表4。

根据道路条件，有轨电车有50%以上的路段可采用路面敷设方式，因此总投资低于全部采用高架的悬挂式单轨和跨座式单轨。

4.4.2 运营成本

由于不同制式的城市轨道交通车辆功率不同、检修维修费用不同以及固定设备的配备投资和磨耗不同，因此它们运营成本的主要差异体现在电力费用、维修费用和折旧等方面。

由于悬挂式单轨和跨座式单轨系统的车辆及梁体结构比有轨电车复杂，且均采用胶轮，其维修费用较采用钢轮钢轨系统的有轨电车略高。

4.5 預留未来发展空间

城市轨道交通作为百年大计，其各项建设条件应以客流预测结果为基础，但客流预测依据的是城市现阶段的发展情况以及目前已有的相关规划，无法考虑到规划调整或其他重大变化。因此，应在最大程度发挥线路效率（如缩小发车间隔等基础措施）的基础上，针对实际客流超过预测客流的极端情况研究相关改造升级措施。

有轨电车和悬挂式单轨属于小运量城市轨道交通，可通过增加车辆编组数、更换更宽更大的车辆2种方式应对后续升级的需要。若采用增加车辆编组数方案，因车辆数量增加，需扩大牵引供电系统容量、加大车站长度、扩大车辆基地规模、调整通信信号设施以及道岔布置等。若更换更宽更大的车辆，则车辆宽度、载重等均会发生较大变化，因此需对后续不可更改的建（构）筑物提前按预留的标准进行设计，如桥梁和车站的宽度、荷载，车辆基地等，如此需增加一定的前期投资;此外，还需对牵引供电、通信信号系统、道岔系统等进行增容或升级改造。而跨座式单轨本身属于中等运量城市轨道交通（高峰小时单向断面客运量1～3万人次），通过增加车辆编组数即可完全满足攀枝花市未来发展的需要。

为减小投资决策的不确定性，3种制式最合理的升级改造方案均为增加车辆编组数，后续升级改造的措施及空间无明显差别。

4.6 比选结论

由于有轨电车审批政策风险小，建设及运营成本低，国内已建成并投入商业运营的项目较多，系统成熟可靠，因此为保证项目的顺利建设，推荐采用有轨电车制式。

此外，考虑到有轨电车环境适应性相对较差，建议选择道路空间条件较好的地段进行建设。

5 研究结论

（1）中小型山地城市建设城市轨道交通应对有轨电车、悬挂式单轨、跨座式单轨3种制式进行认真的比选研究。

（2）制式选择时，应从审批政策风险、技术可靠性、环境适应性、建设及运营成本、预留未来发展空间等方面进行充分比选。

（3）受审批政策的影响，现阶段有轨电车仍是确保建设顺利推进的唯一选择。

（4）小型化的跨座式单轨及悬挂式单轨可很好地满足中小型山地城市特殊地形及小运量的需要。但由于国家审批政策不明确，悬挂式单轨在国内无实际应用经验，跨座式单轨在中小城市应用存在运量过大、投资过高的缺点等，单轨制式在制式比选中未能占据优势。随着审批政策的进一步明确，单轨制式将为中小型山地城市建设城市轨道交通提供全新的制式解决方案。

参考文献

[1]魏庆朝，潘姿华，臧传臻. 城市轨道交通制式分类及适用性[J]. 都市快轨交通，2017，30（1）：34-40.

[2]韩宝明，金天凤，方恒堃，等. 中国城市轨道交通系统多制式发展综述[J]. 都市快轨交通，2018，31（1）：45-50.

[3]许莹. 中低运量城市轨道交通系统制式选择研究[D]. 北京：北京交通大学，2014.

[4]钱清泉. 城市轨道交通制式选择的破与立[J]. 科学新闻，2014（8）：48-49.

[5]王仲林. 城市轨道交通系统制式选择研究[D]. 广东广州：华南理工大学，2009.

[6]孔令洋. 城市轨道交通系统型式选择研究[D]. 北京：北京交通大学，2009.

[7]李海波. 城市中运量轨道交通系统制式选择研究[D]. 陕西西安：长安大学，2017.

[8]闵国水. 关于市域铁路系统制式选择的探讨[J]. 中国铁路，2014（12）：27-31.

[9]胡仁兵. 市域铁路制式选择分析[J]. 铁道工程学报，2014（6）：99-103.

[10] 严飞. 市域铁路制式选择对车辆基地影响分析[J]. 铁道标准设计，2018，62（6）：176-180.

[11] 喻文球. 温州市域铁路网系统制式研究[J]. 铁道工程学报，2014（3）：14-18.

[12] 余浩伟，徐银光，李涛，等. 悬挂式单轨交通在国内的适应性研究[J]. 铁道工程学报，2019，36（4）：70-74.

[13] DBJ51/T 099-2018 悬挂式单轨交通设计标准[S]. 2018.

[14] DBJ41/T 217-2019 悬挂式单轨交通技术标准[S]. 2019.

[15] 閔国水，曾琼. 中小城市发展中低运量城市轨道交通系统制式选择研究[J]. 铁路技术创新，2016（6）：40-45.

收稿日期 2019-09-08

责任编辑 苏靖棋

Study on comparison and selection of rail transit systems in small and medium-sized mountainous cities

Xie Yi， Yu Haowei， Jiang Mei

Abstract： As the first issue to be addressed in the construction of urban rail transit， the choice of system is the key point in the early stage of the project construction. Taking Panzhihua Sichuan as an example， this paper studies the rail transit system of small and medium-sized mountainous cities from the perspectives of project approval policy risk， technical reliability， environmental adaptability， construction and operation costs， and future development space. Considering from the perspective of traffic volume and natural conditions， tram， suspended monorail and straddle monorail are available for selection. However， influenced by the transit project approval policy， tram is still the only choice to ensure the smooth progress of construction at this stage. With a further clear approval policy， small straddle monorail and suspension monorail will give a full play to their advantages in adapting to the special natural environment， and provide a new system solution for the construction of urban rail transit in small and medium-sized mountainous cities.

Keywords： urban rail transit， mountainous city， system comparison， tram， suspended monorail， straddle monorail