山地軌道交通綜合研究與應(yīng)用

楊利

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司土建二院，四川成都 610031）

0 引言

山地軌道交通主要位于山地環(huán)境，服務(wù)于旅游景區(qū)內(nèi)部、連接景區(qū)及城鎮(zhèn)[1]，滿足大坡度的低運(yùn)量軌道交通，同時(shí)其采用的斷面小、占地少最大程度減少對(duì)山區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響。登山時(shí)主要采用齒軌鐵路，即在普通路軌中間的軌枕上，另外放置一條特別的齒軌，行走齒軌鐵路的機(jī)車，配備了一個(gè)或多個(gè)齒輪，跟齒軌嚙合著行走，這樣機(jī)車便能克服黏著力不足的問題[2]，把列車?yán)线_(dá)坡度較大的陡峭斜坡；常規(guī)路段（一般指最大坡度小于等于40‰的區(qū)段），采用普通黏著輪軌系統(tǒng)。

1 國內(nèi)、外山地交通應(yīng)用發(fā)展情況

1.1 國外齒軌鐵路發(fā)展現(xiàn)狀

目前國外已建成的山地齒軌鐵路約180 條，總里程超過3000km，其軌距最窄為750mm，最寬為1435mm，一般為800～1000mm，坡度最大為480‰，主要分布在瑞士、德國、法國、奧地利、日本和澳大利亞等國，大多數(shù)齒軌鐵路僅僅屬于山地景區(qū)內(nèi)的交通工具，尚未形成規(guī)?；穆糜诬壍澜煌╗3]。其中，德國DB 鐵路+楚格峰齒軌鐵路和瑞士黃金快線+少女峰齒軌鐵路已形成較為完整的旅游軌道交通系統(tǒng)，尤其后者將自然山川旅游、民族傳統(tǒng)文化、滑雪運(yùn)動(dòng)與歷史悠久且濃厚的軌道交通融為一體，既可車中觀景，亦可景中觀車，齒軌列車已成為登頂“歐洲之巔”不可或缺的交通工具，更是少女峰旅游途中一條獨(dú)特的風(fēng)景線，被稱為20 世紀(jì)人為工程的一大創(chuàng)舉，聞名世界。

1.2 國內(nèi)山地軌道交通研究應(yīng)用現(xiàn)狀

目前我國國內(nèi)尚無應(yīng)用于實(shí)際的山地（齒軌）軌道交通線路。我國是多山國家，據(jù)粗略估算，山地、高原、丘陵的面積約占土地總面積的69%，山地一般高差大、地形陡、旅游資源豐富，圍繞改善旅游資源外部交通條件，滿足景區(qū)游客快速便捷通達(dá)，同時(shí)兼顧山地居民出行，目前多省正在規(guī)劃和研究“新型山地軌道交通”。

1.2.1 四川省山地軌道交通規(guī)劃研究情況

四川省已于2020 年6 月30 日正式發(fā)布了《四川省山地軌道交通規(guī)劃（2020—2035 年）》，總共規(guī)劃11條山地軌道交通線路，連接50 余個(gè)著名景點(diǎn)，總里程約1770km，涉及118 個(gè)區(qū)縣。

其中，以都江堰至四姑娘山山地軌道交通（以下簡(jiǎn)稱都四項(xiàng)目）為示范，著力打造生態(tài)、綠色、可持續(xù)的創(chuàng)新軌道交通，建立“交通+扶貧+旅游+生態(tài)”融合發(fā)展新模式，形成可推廣可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，擴(kuò)大應(yīng)用區(qū)域，搶占市場(chǎng)先機(jī)，推動(dòng)四川山地軌道交通發(fā)展。項(xiàng)目起于成灌鐵路都江堰站，途經(jīng)映秀、耿達(dá)、臥龍等地，止于四姑娘山鎮(zhèn)，新建線路長(zhǎng)123km，投資約215 億元，目前該示范項(xiàng)目已開工建設(shè)。

同時(shí)，近期將建設(shè)九寨溝世界遺產(chǎn)旅游線、竹海石海休閑度假旅游線、龍門山山地度假旅游線等3 個(gè)項(xiàng)目，新建線路全長(zhǎng)445km，建設(shè)投資約550 億元。

1.2.2 湖南張家界七星山齒軌旅游線

該項(xiàng)目是湖南省、市、區(qū)重點(diǎn)項(xiàng)目，項(xiàng)目位于張家界永定區(qū)官黎坪辦事處桿子坪村、仙人溪村，止于天門山鎮(zhèn)大坪居委會(huì)七星山山頂，線路自七星山下高鷹寺（海拔340m）引出，經(jīng)五道梯，至七星山站（海拔1370m）。線路長(zhǎng)8.4km，全線設(shè)客運(yùn)站2 座，觀景站1座，車輛基地1 處，最大坡度250‰，目前已完成初步設(shè)計(jì)。

2 山地軌道交通主要特點(diǎn)

2.1 與軌道交通比較

山地軌道交通相較常規(guī)鋼輪鋼軌鐵路、中低速磁浮、跨座式單軌、懸掛式單軌等其他軌道交通方式，主要有如下特點(diǎn)。

2.1.1 爬坡能力強(qiáng)

山地軌道交通采用齒軌登山時(shí)，受益于其獨(dú)特的牽引方式，有著其他軌道交通不可比擬的爬坡優(yōu)勢(shì)，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)突破了車輪與軌道之間的摩擦力限制，解決了大坡度條件下傳統(tǒng)鐵路輪軌黏著不足的問題，為列車在陡峭斜坡上的攀爬提供了可能，可實(shí)現(xiàn)最大480‰的爬坡能力，是其他軌道交通最大70‰（常規(guī)鐵路一般最大為30‰；跨座式單軌最大為70‰）爬坡能力的7 倍[4]。

2.1.2 適應(yīng)地形能力強(qiáng)

相比常規(guī)軌道交通齒軌鐵路擁有最小200m 的平面曲線半徑和2000m 的豎曲線半徑，使得可以很好地適應(yīng)地形，主要有3 個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：①可以避免由于坡度不足而帶來的展線，從而大幅縮短線路長(zhǎng)度；②線路方案可以最大程度依據(jù)地形起伏與變化而敷設(shè)，最大程度減少重大橋梁、隧道工程的設(shè)置；③可以大幅減少地表開挖量，有利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)與景觀打造。

2.1.3 斷面小，占地少，最大程度減少對(duì)山體的開挖和破壞

山地軌道交通位于平原、緩坡地段通常采用的軌距為1m，相比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)矩1.435m 的常規(guī)鐵路，斷面較小，雙線寬度僅7m（僅為常規(guī)鐵路寬度的70%，），占地少，隧道斷面僅42m2，可最大程度減少對(duì)山體的開挖破壞。

2.2 與其他傳統(tǒng)交通比較

2.2.1 綠色環(huán)保

采用電力牽引，減排效果顯著，相比公路運(yùn)輸將造成擁堵、尾氣污染等一系列問題，山地軌道交通作為一種低能耗、污染少的交通方式，可與沿線環(huán)境融為一體，充分協(xié)調(diào)解決交通與生態(tài)環(huán)保的矛盾。

2.2.2 安全可靠性高

軌道交通安全性僅次于航空，表1 是美國各種交通方式在2002—2004 年每運(yùn)送10 億乘客·英里，所發(fā)生的實(shí)際死傷率統(tǒng)計(jì)結(jié)果。機(jī)動(dòng)車、區(qū)域鐵路（RPR）、快速軌道交通（RRT）、輕軌系統(tǒng)（LRT）、常規(guī)公交的平均值分別為647.2、164.2、333.5、394.1、552.5?？梢钥闯?，常規(guī)公交發(fā)生的死傷數(shù)是軌道交通（RRT）的1.7 倍，機(jī)動(dòng)車的死傷數(shù)則是1.9 倍。

表1 美國各種交通方式死傷人數(shù) 單位：人/（10 億乘客·英里）

2.2.3 載客量大

與公路等非軌道交通相比，山地軌道交通運(yùn)量遠(yuǎn)大于公路交通運(yùn)量，每列車的定員在400～600 人，約為公路的20～30 倍。

2.2.4 乘客舒適感更強(qiáng)

軌道交通運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)，無論是汽車還是飛機(jī)，都有乘客會(huì)暈車和暈機(jī)，鐵路的運(yùn)行環(huán)境更為平穩(wěn)，汽車在運(yùn)行的時(shí)候，由于道路狀況或者急剎車，飛機(jī)在上升和遇到氣流的時(shí)候，都不可避免地會(huì)出現(xiàn)顛簸，導(dǎo)致乘客出現(xiàn)暈車和暈機(jī)，而火車運(yùn)行時(shí)更平穩(wěn)，乘客感覺更舒適。

3 以都四項(xiàng)目為例的研究與應(yīng)用

都四項(xiàng)目途經(jīng)都江堰市和阿壩藏族羌族自治州的汶川縣、臥龍?zhí)貏e行政區(qū)和小金縣。采用“米軌+齒軌”的山地軌道交通系統(tǒng)，線路正線全長(zhǎng)123.18km，軌距1000mm，最小曲線半徑800m，困難地段200m，限制坡度輪軌段40‰，齒軌段120‰，采用第三軌供電。

3.1 項(xiàng)目功能定位

項(xiàng)目是四川省著力打造的“交通+扶貧+旅游+生態(tài)”示范線，著力打造生態(tài)、綠色、可持續(xù)的創(chuàng)新軌道交通，建立“交通+扶貧+旅游+生態(tài)”融合發(fā)展新模式，形成可推廣可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，擴(kuò)大應(yīng)用區(qū)域，搶占市場(chǎng)先機(jī)，推動(dòng)山地軌道交通發(fā)展。

3.2 采用的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

項(xiàng)目位于生態(tài)環(huán)境極其敏感的山區(qū)，為減少對(duì)環(huán)境的破壞并結(jié)合運(yùn)輸需求，采用米軌軌距，最大程度減少對(duì)山體的開挖破壞，減少對(duì)土地資源的占用；同時(shí)因地制宜，翻越山脈時(shí)采用爬坡能力極強(qiáng)的齒軌系統(tǒng)，最大坡度為120‰，大幅減少線路展線長(zhǎng)度，降低對(duì)環(huán)境的影響，主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示。

表2 都四項(xiàng)目采用的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

3.3 車輛型式選擇

項(xiàng)目采用新型齒軌旅游交通車輛，采用將齒軌與粘著組合驅(qū)動(dòng)的齒軌鐵路系統(tǒng)，4 節(jié)固定編組，編組方式：+Mc1-M1-M2-Mc2+。車輛主要由車體、轉(zhuǎn)向架、車門、牽引傳動(dòng)及控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、空調(diào)及通風(fēng)、車鉤緩沖裝置和列車故障診斷系統(tǒng)等組成。

3.4 齒軌系統(tǒng)選擇

項(xiàng)目位于平原溝谷地帶采用“米軌”，翻越巴郎山上坡段（海拔2772m 上升至3696m）和沿大縱坡溝谷走行采用“齒軌”，最大縱坡為120‰，根據(jù)歐洲齒軌鐵路的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，Strub 和Riggenbach 能滿足本線的運(yùn)營(yíng)要求，且導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，都四項(xiàng)目采用齒條型齒軌系統(tǒng)[5]。圖1 為 齒條型（strub）齒軌結(jié)構(gòu)示意及關(guān)鍵尺寸。圖2 為梯子型（Riggenbach）齒軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖及關(guān)鍵尺寸。

圖1 齒條型（strub）齒軌結(jié)構(gòu)示意及關(guān)鍵尺寸（單位：mm）

圖2 梯子型（Riggenbach）齒軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵尺寸（單位：mm）

3.5 輪軌－齒軌過渡裝置

在輪軌與齒軌之間的過渡地段，都四項(xiàng)目采用三段緩沖式入齒裝置，該裝置主要由線速度同步區(qū)、嚙合校正區(qū)以及齒軌嚙合區(qū)3 部分組成，通過底部的彈性元件可有效避免齒輪與齒條間發(fā)生頂齒現(xiàn)象，同時(shí)齒輪與過渡裝置間的相互作用力可使鋼輪相對(duì)鋼軌進(jìn)行縱向滑動(dòng)，進(jìn)而最終實(shí)現(xiàn)齒輪與齒軌的準(zhǔn)確嚙合，并采用限位結(jié)構(gòu)約束該裝置的運(yùn)動(dòng)自由度。三段緩沖式入齒裝置的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 三段緩沖式入齒裝置結(jié)構(gòu)示意

3.6 其他技術(shù)研究及應(yīng)用

結(jié)合本項(xiàng)目的特點(diǎn)及需求，同步開展齒軌驅(qū)動(dòng)和黏著驅(qū)動(dòng)自動(dòng)切換技術(shù)、齒軌線路列車制動(dòng)技術(shù)、輪軌-齒軌列車運(yùn)行安全及舒適性設(shè)計(jì)、齒軌軌道系列技術(shù)、大坡度地段線下工程建設(shè)技術(shù)、新型無線通信信號(hào)技術(shù)、旅游軌道交通供電方案、齒軌列車養(yǎng)護(hù)維修、智能運(yùn)維管理系統(tǒng)、齒軌旅游軌道交通綜合養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)、接觸軌防護(hù)技術(shù)等齒軌交通系列技術(shù)研究與應(yīng)用。

4 結(jié)語

山地軌道交通采用“米軌+齒軌”的組合方式，減少了線路展線、占地少，降低了對(duì)環(huán)境的破壞影響；采用齒軌，爬坡能力強(qiáng)，解決了大坡度條件下傳統(tǒng)鐵路輪軌黏著不足的問題。適用于復(fù)雜山地條件，是可自成體系獨(dú)立運(yùn)營(yíng)，服務(wù)于旅游景區(qū)內(nèi)部，以及景區(qū)與其他景區(qū)、交通樞紐之間旅游客流的專用軌道交通。