張家界七星山齒軌鐵路軌道技術研究

蔡向輝,張 乾,賀天龍

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院)，西安 710043； 3.北京交通大學，北京 100044)

齒軌鐵路是一種山地鐵路，相較于普通鐵路而言，具備更加卓越的爬坡能力，最大爬坡坡度可達48%，而一般鐵路可以攀爬的坡度僅為4%～6%。由于齒軌鐵路能克服輪軌間黏著力不足問題，增大爬坡坡度，因此可減少展線長度，這對旅游景區及環保要求高的地區環境影響較小，對沿線植被及地質環境能起到有效的保護作用，并降低工程造價[1]，因此適用于山區坡度較大的登山旅游觀光線路以及礦井內的輔助運輸系統，其運行速度一般不大于40 km/h[2]，軌距一般為800～1 000 mm[3]。

齒軌鐵路發展至今已有150年的歷史[4]，目前共有近30個國家已經開通180多條各式齒軌鐵路，較為成熟的齒軌系統主要有Riggenbach、Abt、Locher、Strub 4種系統，廣泛應用于美國和歐洲等山地路段。圖1為瑞士少女峰齒軌鐵路，其最大坡度為25%。國內的都江堰、張家界和九寨溝等多地均已著手籌劃齒軌鐵路的規劃、建設，同時，為適應齒軌鐵路發展的需求，四川省于2019年頒布了《山地(齒軌)軌道交通技術規范》。

圖1 瑞士少女峰齒軌鐵路

1 齒軌鐵路研究現狀

相比于傳統依靠輪軌蠕滑運行的線路，齒軌鐵路的顯著特點是軌道中間鋪設有一條與鋼軌平行的傳動設施，一般為齒條，同時在車輛上(通常為轉向架中部)安裝有相匹配的嚙合齒輪。當車輛行駛在大坡度地段時，齒輪與齒條之間的嚙合力可以克服鋼輪與鋼軌間黏著力不足的問題，從而具備較大的爬坡能力。

為促進產業升級，提升景區開發，提高旅游與交通融合[5]，張家界七星山景區規劃了國內首個采用現代客運齒軌專線的標準米軌鐵路[5]。已規劃的線路坡度大(25%)、半徑小(120m)、曲線多、物資運輸困難、施工不便、養護維修無成熟機械[6]。針對此項目特點，需對軌道系統進行專項研究。

目前國內對于客運齒軌鐵路的鋪設與運營尚屬空白，與其配套的規范也初見雛形，相關的研究十分缺乏。牛悅丞等介紹了幾種常見齒軌鐵路車輛及軌道的特點，對齒軌車輛轉向架形式及驅動制動等相關技術進行說明[7]；劉宗峰對既有規范所規定的橋梁荷載內容，按動態和靜態狀況下進行了比較分析[8]；李發福等結合工程實際特點，對齒軌車的適用條件進行了總結[9]；尚勤、喜來對國外齒軌鐵路的發展與應用現狀進行了梳理與總結歸納10-11]；鄢紅英、馮帥、陳厚文等對齒軌鐵路在山區和景區的發展前景進行了展望與總結[12-15]。

由此可見，既有研究內容較為單一且缺乏，僅有少數研究人員對國外齒軌鐵路的發展運營狀況進行了綜述與展望，國內尚未有針對齒軌鐵路軌道結構而開展的系統研究與應用。國外既有線路運營經驗和研究主要以有砟道床為主，隨著我國高速鐵路無砟軌道理論及技術的創新，其應用于齒軌鐵路可顯著減小既有大坡道有砟軌道沉落整修工作、降低穩定性不良風險，提高旅客舒適度。

因此，從工程實際角度出發，基于Strub齒軌嚙合系統，提出適用于齒軌鐵路的無砟軌道結構，并對該無砟軌道結構的各部件構成及結構適用性進行了介紹，可為齒軌鐵路在國內的建設與運營提供參考，為齒軌鐵路的研究工作提供新思路與新方向。

2 齒軌鐵路無砟軌道

國外齒軌交通系統主要采用有砟軌道，道床縱向穩定性差，道砟易滑落，線路養護維修工作量大。而當采用既有無砟軌道結構時，又會出現軌道與下部基礎工程結合面弱、縱向穩定性不足等問題[16]，無法為齒輪提供穩定嚙合條件。

本文研究了一種用于大坡度地段的齒軌鐵路桁架枕式無砟軌道結構，能夠在超大坡道地段，適應不同線下基礎，并具有軌枕與道床聯接性強、軌道結構縱向穩定性好、養護維修工作量小等優點，且與傳動設施接口簡單，能有效降低齒軌鐵路嚙合不良風險。

其主要結構包括在大坡度地段沿線路方向設置的道床板、桁架式軌枕、鋼軌、齒軌、扣件、齒軌緊固件、齒軌傳動設施等[17]，如圖2所示。

圖2 齒軌鐵路無砟軌道結構

2.1 路基地段

在路基地段，該軌道結構設計為雙層結構，如圖3所示，道床板底部設置有底座，底座設置于路基結構之上，具體研究設計思路如下。

(1)道床板通過連接件固定到底座上。連接件為鋼筋，包括Z形鋼筋或其他形式鋼筋，橫向均勻分布，縱向等間隔排列，上部伸入道床板內并與道床板內鋼筋綁扎連接，下部埋入底座內[18]。

(2)道床板沿線路方向呈單元布置時，底座沿線路方向的下坡端向下擴大形成錨固臺，錨固臺與底座一體澆筑成型。

(3)道床板沿線路方向呈連續布置時，底座底面沿線路方向間隔設置錨固臺，錨固臺與底座一體澆筑成型。

(4)錨固臺為不等厚的梯形結構，底面水平，底部埋入到路基結構中。錨固臺橫向居中布置。

圖3 路基地段齒軌無砟軌道結構

2.2 橋隧地段

在橋梁或隧道地段，軌道結構設計為單層，道床板通過連接件直接固定連接于橋梁或隧道的仰拱上，如圖4所示，具體研究設計思路如下。

(1)固定到橋梁上時，連接件為鋼筋，包括Z形鋼筋或其他形式鋼筋，橫向均勻分布，縱向等間隔排列，上部伸入道床板內并與道床板內鋼筋綁扎連接，下部埋入橋梁內。

(2)固定到隧道仰拱時，連接件為膨脹螺栓，橫向均勻分布，縱向等間隔排列，上部伸入道床板內，下部埋入隧道仰拱內。

圖4 隧道地段齒軌無砟軌道結構

3 軌道部件

相比于普通鐵路，鋼軌、扣件等可與既有無砟軌道系統通用，但齒軌鐵路由于中間設置了需連續鋪設的齒軌系統，其軌枕、道岔等部件需重新設計研究。

3.1 齒軌

齒軌軌條是齒軌列車的動力基礎，列車齒輪通過與齒條的嚙合提供運行動力，克服列車重力和線路阻力[19]。目前國外較為成熟的齒軌鐵路的齒軌系統主要有4種(圖5)。表1為國外較典型的齒軌交通主要技術方案。

圖5 齒軌系統

表1 國外齒軌交通主要技術方案

Riggenbach系統的齒軌由兩塊鋼板中間間隔設置圓柱形鋼條連結而成，該系統制造簡單、維護方便、但嚙合精度較低、養護維修工作量大，是最早的輪軌嚙合制式。

Abt系統是通過數控機床在鋼板上銑割出與齒輪嚙合的齒坑。因此制造精度比Riggenbach系統更高，一般兩、三條配合使用，在齒軌車上配相同數量的齒，可保證至少有一個齒輪是嚙合的。

與前面兩種不同，Locher系統配套的車嚙合輪是水平旋轉的，車輛的兩個嚙合輪在齒條的兩側嚙合前進，不易出現齒輪跳齒現象。

Strub齒條與Abt齒條相似，只采用一條較寬的齒條，制造簡易，維修便捷。齒軌通過緊固件與鐵墊板相連，鐵墊板固定于軌枕中間，防止齒軌縱橫向位移。

齒輪齒條系統選擇需綜合考慮與下部基礎、車輛及爬坡坡度等因素，并結合線路工程實施條件、觀光鐵路的沿線環境特點與運輸組織靈活性，并盡可能減少養護維修工作量。

Strub系統結構原理簡單明了、加工制造精度高、養護維修簡單、性價比高。可作為齒軌鐵路在山區旅游項目中的主要形式。

齒軌和齒輪需高度精確匹配來減小磨耗、降低噪聲，因此車輛上的齒輪和齒軌應系統設計，齒軌形狀比例、斷面形狀和技術要求應當明確而具體，并根據列車齒輪斷面對齒槽的結構形式進行對比分析，選擇合適的齒槽材料、形狀比例、斷面形狀等。齒軌與軌枕間通過齒軌緊固件固定。

3.2 軌枕

傳統輪軌系統所用的混凝土軌枕，為便于維修人員行走，中部設計平整，在進行齒條固定時，齒條與軌枕頂面之間間距過大，需要通過加高扣件高度來固定齒條，因此易造成齒條扣件高度較高而剛度較小，且安裝不便，齒輪與齒條嚙合過程中存在齒條穩定性較差的問題。

為解決傳統軌枕用于齒軌鐵路時存在的上述問題，設計了一種適用于齒軌鐵路無砟軌道的軌枕結構，如圖6所示，其包括軌枕、齒條承軌臺、扣件、預埋套筒等主要構件，主要研究思路如下。

(1)軌枕兩段承軌處表面平齊，中部設置承齒臺，承齒臺側面與軌枕頂面倒角順接，倒角順接角度120°～150°。

(2)齒條采用相對承接式，接頭設置于軌枕上，通過L形角鋼與承齒臺相連。

(3)為適用于無砟道床地段，軌枕底部設置桁架鋼筋，增加軌枕高度，增強了與道床混凝土的連接能力，可以有效阻止軌枕縱、橫向移動[20]。

(4)預埋套筒在軌枕兩端及中間承軌臺兩側對稱布置。

該軌枕結構可方便齒條的安裝與固定，提高齒條固定的穩定性。軌枕預埋套筒保證了齒軌鋼軌件之間可靠連接，下部設置桁架式鋼筋，保證軌枕與道床混凝土的緊密連接[21]。該軌枕降低了齒條固定高度，保證了齒軌鐵路在大坡道地段的軌道結構穩定性和安全性。

圖6 軌枕

3.3 道岔

由于齒軌鐵路在兩股鋼軌之間加裝了齒條，軌道體系發生改變，因此需設計與齒軌鐵路軌道結構相匹配的股道轉換系統。結合Strub齒軌系統的安裝方式，道岔區軌道結構形式通常有以下3種方案，如圖7所示。

方案1采用傳統轉轍機拉桿槽形式，在齒軌上安裝轉轍機實現轉換功能，結構簡單，安全可靠，對道岔結構影響最小。但兩線路中鋼軌與齒軌均存在有害空間，當其設置于大坡道上時，存在脫軌的風險。

方案2采用翻轉尖軌方式，適用于Y形對稱道岔，對一般的單開道岔使用受限，對下部基礎結構的強度、翻轉結構的精度等要求較高，道岔結構需進行較大調整。

方案3采用基本軌、尖軌和齒軌同時拉動平移的形式，轉轍機額定轉換力要求高，動作桿動程大，動作時間長，對基礎工程沉降、結構精度要求高。

圖7 齒軌鐵路岔區設計方案

綜合可知，以上3種道岔設計方案，均可適用于齒軌鐵路。其中方案3相比其他兩個方案結構簡單，對既有普通道岔進行部分改造即可，對轉轍設備的要求改變不大，因此在正線地段推薦采用。但以上3種方案道岔如用于車輛段，則道岔設備配置數量多，場段占地面積大，股道轉換繁瑣。對于山區旅游線路，則投資規模大，養護維修工作頻繁，運營調度復雜。

基于山區旅游線路車輛編組小、軸重輕的特點，提出一種旋轉圓盤式齒軌股道轉換結構，包括旋轉圓盤平臺和旋轉齒軌軌道，旋轉圓盤平臺表面鋪設旋轉齒軌軌道，軌道一端為入口，一端為出口，如圖8所示。

圖8 旋轉圓盤式齒軌股道轉換結構

旋轉齒軌軌道包括兩股鋼軌和鋼軌之間的齒軌，旋轉圓盤平臺旋轉時，旋轉齒軌軌道的入口和出口接入不同的齒軌基本軌道。旋轉圓盤平臺表面設置有鋼軌槽和齒條槽，鋼軌和齒條分別鋪設于鋼軌槽和齒條槽內。按照本線車輛編組特點，圓盤平臺能承受不小于一列編組長度和荷載(3輛編組)。

旋轉圓盤式齒軌股道轉換結構技術條件如下。

(1)旋轉圓盤平臺底面中央設置有豎向軸套，路基圓形槽內對應位置設置有豎向軸，豎向軸插入豎向軸套，旋轉圓盤平臺繞豎向軸旋轉。

(2)旋轉圓盤平臺底面中央的傳動組件包括驅動電機、驅動齒輪和圓盤齒輪；圓盤齒輪環套于豎向軸套外，驅動齒輪位于豎向軸套側面并與圓盤齒輪嚙合，驅動齒輪的軸向為豎直方向，安裝到驅動電機的輸出端，驅動電機帶動驅動齒輪轉動，通過圓盤齒輪傳動從而帶動旋轉圓盤平臺繞豎向軸旋轉。

(3)旋轉圓盤平臺底面邊緣設置有滑行輪，滑行輪位于圓形槽邊緣環周設置的環形滑行道上。

(4)旋轉圓盤平臺底面設置有3處滑行輪，環周均勻布置。滑行輪與環形滑行道接觸以支撐旋轉圓盤平臺平穩滑行和保證旋轉圓盤平臺平衡。

(5)在驅動電機發生機械故障時，旋轉圓盤平臺可通過人工旋轉方式以保證旋轉圓盤平臺正常運行。

(6)旋轉圓盤平臺外包括至少一股前齒軌基本軌道和至少兩股后齒軌基本軌道，基本軌道也包括兩道鋼軌和鋼軌之間的齒條。旋轉圓盤平臺旋轉時，旋轉齒軌軌道的入口與前齒軌基本軌道對接，出口與后齒軌基本軌道對接。

通過旋轉圓盤平臺，可使齒軌列車從一股道平穩、可靠地進入多股道，能減少股道眾多區域普通齒軌道岔和轉換設備設置數量和齒軌養護維修工作量；滿足齒軌列車安全、可靠地從本股道進入多條股道的需求，打破了普通齒軌道岔只能進行特定股道的轉換局面；結構實用、簡單、方便，且具有一定的安全儲備。

4 結語

七星山特殊的地質地貌狀況使得線路不具備展線條件，而齒軌鐵路適用的大坡度可滿足旅游線路走向需求。本文提出的無砟軌道可適應不同線下基礎，并具有軌枕與道床聯接性強、軌道結構縱向穩定性好、養護維修工作量小等優點，且與傳動設施接口簡單，能有效降低齒軌鐵路嚙合不良風險,可滿足七星山旅游觀光火車項目對軌道的要求，并可為齒軌鐵路在我國的建設與發展提供新思路和新方向。