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跨座型モノレールのレール
4.跨座型モノレールのレール(軌道) 跨座式モノレールのレールは、一般の鉄道における左右二本の鋼製レールとは性格が大きく異なります。跨座式モノレールでは、車両がまたがって走行する一本の桁そのものが走行路であり、同時に案内・支持・安定の機能を担います。本稿では、この構造物を「軌道桁」と表記します。 軌道桁は、大きく分けてコンクリート製と鋼製の二種類に分類されます。通常区間ではプレストレストコンクリート製のPC軌道桁が多く用いられ、交差点、河川、鉄道、高速道路などを横断する長大スパン部、あるいは分岐器を含む特殊区間では鋼軌道桁が採用されます。 モノレールの軌道桁は、単に車両の重量を支えるだけではありません。走行輪が接する上面、案内輪が接する側面、安定輪が接する側面、排水、支承、伸縮継目、集電装置や信号設備との関係まで含めて成立する、モノレールシステムの中核部材です。
(1)桁長 跨座式モノレールでは、軌道桁がそのまま軌道となります。鉄道であればレール、まくらぎ、道床、橋梁が別々の要素として構成されますが、跨座式モノレールでは軌道桁がそれらの役割を一体的に担います。 日本国内の跨座式モノレールでは、標準部においてプレストレストコンクリート桁、すなわちPC軌道桁が広く用いられています。標準桁長はおおむね20〜22m程度で、曲線半径や桁幅、桁高、荷重条件、架設条件によって使い分けられます。 現在主流となっている標準桁長は、軌道桁幅に対する支間長の目安、たわみ、ねじり、製作・運搬時の重量、道路上への架設条件などを総合して設定されています。800mm幅の軌道桁では約20m、850mm幅の軌道桁では約21〜22m級が基準となり、日本国内の都市モノレールではこの範囲が実用上の標準と考えられます。 一方で、支柱を短い間隔で設置できない場所では、PC軌道桁だけでは対応が難しくなります。たとえば大きな交差点の進入部、河川横断部、鉄道や高速道路との交差部では、支間を大きく取る必要があります。このような箇所では、鋼製の軌道桁、すなわち鋼軌道桁が多く用いられます。 曲線区間でも、条件によっては鋼軌道桁が採用されます。跨座式モノレールでは、曲線通過時に遠心力が作用するため、必要に応じて軌道桁にカントを設けます。PC軌道桁でも一定範囲の曲線には対応できますが、線形条件、横荷重、製作精度、架設条件が厳しい場合には、鋼軌道桁の方が適する場合があります。 鋼軌道桁でも支間長が不足する場合、または分岐器など重量のある特殊設備を支持する必要がある場合には、モノレール橋が用いられます。モノレール橋とは、下部の橋梁構造によってPC軌道桁または鋼軌道桁を支持する構造であり、軌道桁そのものとは別の支持構造を持つ点に特徴があります。実際には、橋梁部と軌道桁部は独立した部材として設置され、支承部を介して荷重を伝達します。 以下に、各軌道桁およびモノレール橋における桁長、採用箇所、採用例を示します。
(2)桁幅およびサイズ アルウェーグ式を源流とする跨座式モノレールでは、メーカー、導入時期、車両規模、路線条件の違いにより、さまざまな軌道桁断面が存在します。軌道桁の断面寸法は、車両の走行輪、案内輪、安定輪の配置、車両床面高さ、集電方式、信号設備、保守通路、建築限界と密接に関係しています。 PC軌道桁の断面では、上面が走行輪の走行面となり、側面が案内輪および安定輪の接触面となります。そのため、単なる橋梁桁とは異なり、断面寸法の精度、表面仕上げ、摩耗管理、排水処理が非常に重要です。とくに走行面の不陸や段差は、車両の振動、タイヤ摩耗、騒音、乗り心地に直結します。 日本国内では、東京モノレールなど初期の導入例で800mm幅級の軌道桁が用いられ、その後、日本跨座式モノレールの標準化に伴い、850mm幅級の軌道桁が広く採用されるようになりました。大型・中型・小型の各規格では、車両寸法や輸送力に応じて軌道桁断面が変わります。 軌道桁高さは、桁幅だけでなく、支間長、曲線半径、ねじり剛性、車両荷重、地震時荷重、風荷重、制動荷重、架設時荷重などを考慮して設定されます。跨座式モノレールの軌道桁は、車両が桁をまたぐ構造であるため、桁上部だけでなく側面にも荷重が作用します。特に曲線部では、走行輪からの鉛直荷重に加え、案内輪・安定輪からの水平荷重が大きくなるため、断面のねじり性能が重要になります。 (4-8.項 PC軌道桁のサイズ（日本国内）)
4-1.鋼軌道 鋼軌道は、基本構造を鋼製としたモノレール軌道桁です。一般に、PC軌道桁では対応が難しい長大スパン部、交差点部、河川横断部、鉄道・道路横断部、分岐器部などに用いられます。 鋼軌道桁は、単純桁と連続桁に分類されます。単純桁は支点間ごとに独立した桁として構成されるため、構造が比較的明快で施工性にも優れます。一方、連続桁は複数支点をまたぐ構造となり、支点部の曲げモーメントを利用することで支間を大きく取りやすくなりますが、温度変化、支点沈下、地震時挙動への配慮がより重要になります。 複線区間の鋼軌道では、上下線それぞれの軌道桁を横桁や横溝によって連結し、全体として剛性を確保する構造が採られます。横桁は、おおむね数メートル間隔で配置され、軌道桁の横方向変形やねじりを抑える役割を持ちます。 曲線部に設置される鋼軌道桁では、車両の傾斜に対応するため、鋼軌道桁全体を傾けてカントを設ける形式と、走行面、案内面、安定面の各面板に必要な形状を与える形式があります。いずれの場合も、走行輪が接する上面、案内輪・安定輪が接する側面の位置関係を精密に保つ必要があります。
鋼軌道の走行面には、必要に応じて溝付き鋼板や摩擦係数を確保するための表面処理が施されます。ゴムタイヤ式の跨座式モノレールでは、走行面とタイヤとの摩擦係数が加減速性能や登坂性能に大きく影響します。雨天時、降雪時、急勾配区間では、走行面の排水性とすべり抵抗の確保が重要です。
東京モノレールなどで採用されている合成軌道桁も、広い意味では鋼軌道に含まれます。合成軌道桁は、腰下の架台や主構造を鋼製とし、走行面および案内輪走行面にPCまたはRCのプレキャスト版を取り付けたものです。鋼製走行面だけでは不足しやすい摩擦係数を補い、雨天時や勾配区間での粘着性能を確保する目的があります。 また、鋼軌道では信号電流、集電装置、接地、迷走電流、電食、塗装防食も重要な設計要素となります。鋼材は軽量で長大スパンに適する一方、腐食、疲労、騒音、温度伸縮、維持管理の面ではPC軌道桁より注意が必要です。 4-2.鋼軌道（分岐機等） 分岐器は、モノレール車両の進路を変更するための鋼製軌道装置です。一般鉄道では左右のレールの一部を可動させて車輪の進路を変えますが、跨座式モノレールでは車両が軌道桁をまたいで走行するため、レールだけを切り替えることはできません。そのため、分岐器では軌道桁そのもの、または軌道桁を構成する一部部材を動かして進路を切り替えます。 モノレールにおける分岐器の成立は、モノレールが都市交通システムとして発展するうえで非常に大きな意味を持ちました。分岐器がなければ、折り返し、車両基地への入出庫、支線分岐、異常時の折り返し運転が著しく制約されます。単線的な遊覧交通であればともかく、都市交通としてのモノレールには、信頼性の高い分岐装置が不可欠です。 一方で、モノレールの分岐器は構造が大掛かりになりやすく、製作費、保守費、設置スペース、重量、駆動装置、検知装置、保安設備が大きくなります。分岐器は単なる土木構造物ではなく、軌道、機械、電気、信号、保安が一体となった装置です。転換後には、軌道桁の位置を機械的に固定するロック装置が必要であり、転換状態を検知するリミットスイッチや照査回路も必要となります。 今日では、各モノレールシステムを開発したメーカーや、それを引き継いだメーカーによって、さまざまな形式の分岐器が開発されています。構造上の分類に加え、配置形式によっても名称が細分化されます。 4-2-1.構造上の分類 まず構造上の分類についてです。 跨座式モノレールについては、以下に示すタイプの分岐装置が一般的であると言えます。 ①関節式分岐器… 複数の鋼軌道から成り、それぞれの折角を持って進路を変更する分岐装置。 採用路線…多数（主に車両基地内等） ②関節可撓(とう)式分岐器… 関節式をベースとしつつ安定面版のみを折角に平行して緩和させ、通過速度および乗り心地を向上させた分岐装置。 採用路線…多数（主に営業路線上等） ③可撓(とう)式分岐器… 一本の鋼軌道を物理的（力）に変形させ、進路を変更させる分岐装置。 採用路線…東京モノレール(現在は廃止) ④全可動方分岐器 あらかじめ進路方向ＡおよびＢに造形された鋼軌道をスライドさせ、進路を変更する分岐装置。 ある種のトラバーサ装置の応用システム。 ロッキード式（岐阜試験所および姫路）、ラスベガス、ディズニー等 ⑤トラバーサ 鋼軌道を進行方向より横方向にスライドさせ、進路を変更する分岐装置。 採用路線…セントーサエキスプレス、他工作車基地等にて多数
4-2-1-① 関節式分岐器 関節式分岐器は、跨座式モノレールにおいて最も基本的な分岐方式の一つです。複数の鋼軌道桁を関節状に連結し、それぞれの桁を所定の角度に動かすことで、直進側または分岐側の線形を構成します。 この方式では、軌道桁自体が折れ線状に配置されるため、構造は比較的単純です。駆動装置、台車、ロック装置、位置検知装置を備え、転換後に各桁が確実に固定されることで、車両が安全に通過できる状態となります。 ただし、関節式分岐器では、各桁の接続部に折れ角が生じます。通過速度が高い場合や乗客を乗せた営業列車が通過する場合には、案内輪・安定輪に衝撃が生じやすく、乗り心地にも影響します。そのため、関節式分岐器は主に車両基地内など、通過速度が低く、乗客を乗せた状態で通過する機会が少ない箇所で採用される傾向があります。
4-2-1-② 関節可撓(とう)式分岐器 関節可撓式分岐器は、アルウェーグ式をはじめとする跨座式モノレールを説明するうえで欠かせない分岐方式です。基本構造は関節式分岐器と同じく、複数の鋼軌道桁を関節状に動かして進路を構成します。ただし、関節部に生じる折れ角をそのまま車両に伝えないよう、案内輪・安定輪が接触する側面板をたわませ、滑らかな曲線に近づける点が大きな特徴です。 跨座式モノレールでは、車両の進路を決めるうえで案内輪と安定輪の役割が非常に大きくなります。走行輪は軌道桁上面を転がりますが、車両の左右方向の位置は案内輪・安定輪が軌道桁側面に接することで制御されます。したがって、分岐器通過時に側面の折れ角が大きいと、水平輪に衝撃が加わり、車体揺れや乗り心地の悪化につながります。 関節可撓式分岐器では、曲げ装置によって案内面・安定面をたわませ、関節部の折れ角を緩和します。これにより、車両はより滑らかに分岐器を通過できます。営業本線上や折り返し駅付近など、乗客を乗せた列車が通過する箇所では、関節式より関節可撓式が適しています。 一方で、関節可撓式分岐器は構造が複雑です。可撓板、曲げ装置、駆動機構、ロック機構、位置検知装置、給電・信号設備との照査など、保守対象となる部品が多くなります。そのため、車両基地内のように低速通過が前提となる箇所では、関節式分岐器が選ばれる場合があります。
4-2-1-③ 可とう式分岐器 可撓式分岐器は、一本の鋼軌道桁を物理的に曲げることで進路を変更する方式です。関節式のように複数の桁を折れ線状に動かすのではなく、一本の軌道桁全体を弾性的に変形させ、直線側または分岐側の線形を形成します。 この方式の特徴は、理論上、関節部の折れ角を少なくし、滑らかな線形を得やすい点にあります。しかし、一本の鋼軌道桁を繰り返し曲げるため、桁本体には大きな応力が発生します。疲労、復元性、転換力、ロック精度、温度変化による影響など、維持管理上の課題も多くなります。 東京モノレールでは、かつて可撓式分岐器が使用されていました。現在、営業線上の分岐方式としては一般的ではなくなっていますが、昭和島車両基地内では、過去の可撓式分岐器に由来する構造を確認できる箇所があります。跨座式モノレール分岐器の発達史を考えるうえで、非常に興味深い方式です。
4-2-1-④ 全可動方分岐器 全可動形分岐器は、あらかじめ進路方向AおよびBに対応した形状の軌道桁を用意し、これを横方向にスライドさせて進路を切り替える方式です。関節式のように桁を折り曲げるのではなく、所定の線形を持つ軌道桁ユニットそのものを移動させるため、トラバーサ装置の応用と考えることができます。 国内では、ロッキード式モノレールを採用した姫路市営モノレールで使用されていましたが、同線の廃止に伴い撤去されました。国外では、ディズニー系モノレールやラスベガスのモノレールなど、特定のシステムで採用例があります。 全可動形分岐器は、進路ごとの線形をあらかじめ作り込める利点があります。一方で、可動する軌道桁ユニットが大きく重くなるため、装置全体の占有面積、駆動力、停止精度、ロック機構が大掛かりになります。
⑤トラバーサ トラバーサは、軌道桁を進行方向に対して横方向へ移動させ、車両または工作車の進路を変更する装置です。厳密には分岐器とは異なる装置ですが、軌道上の進路を変更する機能を持つため、本項で扱います。 トラバーサは、一本の軌道桁または短い軌道桁ユニットを横移動させ、複数の留置線や作業線に接続します。構造上、長大編成の営業列車を頻繁に移動させる用途には適しませんが、短編成車両や工作車の入換、車両基地内の線路配置を簡素化する用途では有効です。 セントーサ・エクスプレスのような短編成路線、各モノレール事業者の保守基地、工作車基地などで採用例があります。限られた敷地内で複数の線路を使い分けるための装置として、トラバーサは有効な方式です。 4-2-2.配置上の分類 次に、分岐器の配置上の分類について述べます。跨座式モノレールでは、分岐器単体の構造だけでなく、上下線間、折り返し線、車両基地入出庫線、支線分岐との関係によって、配置名称が変わります。 代表的な配置は、渡り線分岐器、両渡り線付き交差渡り分岐器、シーサス分岐器、複合分岐器です。 ①渡り線（逃し桁付）分岐器… 渡り線分岐器は、上り線と下り線の間を接続するための分岐配置です。片渡りの場合、上り線から下り線へ、または下り線から上り線へ進路を切り替えるために用いられます。 跨座式モノレールでは、軌道桁自体が大きな構造物であるため、分岐側の軌道桁と本線側の軌道桁が干渉しないように配置する必要があります。このため、渡り線分岐器には、非選択側の桁を退避させる「逃し桁」が設けられる場合があります。逃し桁は、車両の進路を確保するだけでなく、軌道桁同士の干渉を避けるための重要な可動部です。 ②両渡り線付き交差渡り分岐器… 両渡り線付き交差渡り分岐器は、上下線相互の渡りを両方向に設けた配置です。鉄道における両渡り線に相当するもので、異常時の折り返し、運転整理、車両基地への入出庫などに有効です。 跨座式モノレールでは、軌道桁が大きく可動部も複雑であるため、両渡り配置は設備規模が大きくなります。設置には十分な直線区間、支柱配置、駆動装置の設置スペース、保守通路、安全離隔が必要です。北九州モノレールの平和通駅付近、沖縄都市モノレールの那覇空港駅付近などは、複雑な分岐配置を確認できる代表例です。 ③シーサス転轍機(シーサス分岐器)… シーサス分岐器は、上下線間をX字状に接続する分岐配置です。鉄道でいうシーサスクロッシングに相当しますが、跨座式モノレールでは軌道桁同士の交差部を通常の鉄道のように単純なクロッシングで処理できないため、配置と可動部が大掛かりになります。 シーサス配置は、限られた距離で上下線双方への転線機能を持たせられる利点があります。ただし、分岐器の数、可動桁、逃し桁、ロック装置、信号照査が多くなるため、設備費と保守費は増大します。東京モノレール羽田空港第2ターミナル駅付近などに見られる複雑な分岐配置は、この種の機能を理解するうえで重要です。 ④複合分岐器… 複合分岐器は、渡り線分岐器、両渡り線分岐器、支線分岐、折り返し線分岐などを組み合わせた配置です。支線を持つ路線、折り返し運転を行う駅、車両基地への入出庫線が接続する箇所では、複数の分岐器が連続して配置されます。 大阪モノレールの万博記念公園駅付近は、複合分岐器の代表的な例です。本線と彩都線が分岐するため、直進、分岐、折り返し、車庫方への進路が複雑に組み合わされます。跨座式モノレールの分岐器が単なるポイントではなく、都市交通の運行計画そのものを支える装置であることがよく分かる事例です。 4-2-2-① 渡り線（逃し桁付）分岐器 2差2差間において上り線入り側および下り線入り側(またはその逆配置)を接続する片渡り分岐装置（配置）
4-2-2-② 両渡り線付き交差渡り分岐器 2差2差間を両渡り配置に分岐器を配置した分岐装置(配置) 4-2-2-③ シーサス転轍機(シーサス分岐器) 2差2差間を各直線およびクロッシング方向（各片線接続）に分岐器を配置した分岐装置(配置) 4-2-2-④ 複合分岐器 渡り線分岐器および両渡り線分岐器を複合的に配置した分岐器 支線への分岐(大阪モノレール本線および彩都線)や折り返し線で使用されるケースが多い。
4-3.鋼軌道道における降雪および凍結防止策
※プレストレストコンクリート
4-6.UFC軌道(超高強度繊維補強コンクリート軌道)
4-8.ロッキード式(鉄製弾性車輪方式)モノレール軌道
4-9.モノレール橋 モノレール橋とは、河川、大型交差点、鉄道、高速道路など、通常の軌道桁だけでは支間長や荷重条件に対応しにくい区間において、モノレール軌道桁を下部の橋梁構造で支持する構造物を指します。 ここで重要なのは、モノレール橋が軌道桁の材料分類ではないという点です。モノレール橋は、PC軌道桁または鋼軌道桁を支えるための高架橋部を含んだ構造全体の呼称です。つまり、軌道桁そのものと、それを支持する橋梁構造が組み合わさって成立します。 日本国内では、大阪モノレールが淀川を越える区間のモノレール橋が代表的です。大河川を横断するため、通常のPC軌道桁や鋼軌道桁だけでは対応が難しく、下部橋梁によって軌道を支持する構造が採られています。 また、分岐器装置一式を支持する分岐橋も、広い意味ではモノレール橋の一種といえます。分岐器は可動桁、駆動装置、ロック装置、台車、支持フレームを含む重量物であり、通常の単純な支柱・軌道桁構造では対応しにくい場合があります。そのため、分岐器全体を支える橋梁状の支持構造が設けられます。 モノレール橋は、軌道桁と橋梁部が二重構造となるため、一般に不経済です。重量も大きく、支承、伸縮、耐震、維持管理の対象も増えます。そのため、採用箇所は河川横断部、大型交差点、分岐器支持部など、必要性の高い場所に限られます。
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| [参考資料] 北九州市立交通化学館 /北九州市立交通化学館(-2003)(2004.3閉館) 北九州モノレール50年のあゆみ展 /北九州市立交通化学館(2004.3閉館) ゆいレール展示室 /沖縄都市モノレール株式会社(2014) 手柄山交流ステーション /手柄山交流ステーション(2015) |
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