《山地(齒軌)軌道交通技術規范》主要內容解析

余浩偉,徐銀光,林世金

(中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

1 概述

一直以來，為便于專業技術人員正確理解、運用相關設計規范，規范主編人員較為重視對規范的主要技術標準進行解讀，并借此對規范編制理念進行宣貫。如孫海富[1-2]對《城際鐵路設計規范》《市域鐵路設計規范》主要技術標準進行了介紹，柳世輝[3]、匡亮[4]、李海光[5]等分別對《鐵路線路設計規范》《鐵路隧道設計規范》《鐵路路基支擋結構設計規范》修訂內容進行了評析，李秋義[6]、余超等[7-10]分別對《鐵路軌道設計規范》《鐵路通信設計規范》進行了解讀。

齒軌鐵路是目前唯一具有超大爬坡能力的軌道交通制式，通過列車齒輪與軌道齒條的嚙合作用，可適應480‰以下坡度的需要[11-19]。《山地(齒軌)軌道交通技術規范》(以下簡稱“《規范》”)是國內首部關于齒軌鐵路的設計規范，由中鐵二院主編，于2018年12月正式批準發布實行，《規范》按綜合性設計規范編制，由范圍、規范性引用文件、術語和定義、總則、總體設計、行車組織和運營管理、車輛、限界、線路、路基、橋梁結構、隧道、軌道、站場、供電、電力、通信、信號、信息、災害監測、車輛基地、綜合維修、給水和排水、車站建筑、供暖通風空調、環境保護26章組成[20]。

規范編制過程中，編制組充分借鑒了鐵路、地鐵等軌道交通的成熟建設經驗，充分體現了齒軌鐵路的“齒軌牽引、極大坡度”的鮮明技術特點和“以旅游為主、兼顧客貨運”的應用需求，在總體設計、行車組織、土建工程、供電方式、運營維護等方面做了積極的探索與創新。

2 編制背景

2.1 是滿足國內齒軌鐵路建設的需要

近年來，齒軌鐵路因為擁有其他軌道交通不具備的超大爬坡能力而受到重視，四川省率先啟動了首條齒軌鐵路—都江堰至四姑娘山山地軌道交通項目建設工作，項目位于四川省成都市和阿壩州境內，東起成灌高鐵都江堰站，向西經虹口、龍池、映秀、耿達、臥龍、鄧生溝、巴朗山，止于阿壩州小金縣四姑娘山鎮，地理位置如圖1所示。線路全長123.2 km，全線新建車站12個，車輛基地1座。正線為雙線，采用1 000 mm軌距，限制坡度輪軌段40‰、齒軌段120‰，最小曲線半徑一般800 m，困難條件下200 m，采用DC1500V第三軌供電和兼具黏著與齒軌牽引能力的動車組。建設工期72個月。

圖1 都四項目地理位置示意

此外，四川省還組織編制了《四川省山地軌道交通規劃》，擬在全川建設齒軌鐵路2 000余km，覆蓋全省不通鐵路的地州以及5A等重要旅游景點。

在眾多項目規劃建設之初，面臨無規范可依的尷尬局面，亟待按照“標準先行”的理念，立項編制規范，以為項目的實施提供依據和指導，并為后續相關施工驗收、產品制造等規范的編制奠定基礎。

因此，本規范的編制是滿足都江堰至四姑娘山等國內齒軌鐵路建設的需要。

2.2 是進一步豐富我國軌道交通技術標準體系的需要

經過幾十年的發展，我國鐵路及城市軌道交通標準日趨完善，形成了完善的軌道交通技術標準體系，涵蓋規劃、設計、施工、驗收、運營全過程，為我國軌道交通建設奠定了良好的技術基礎。然而，縱觀國內已有的軌道交通相關標準，主要集中在已有的普速鐵路、高速鐵路、重載鐵路、地鐵、輕軌、市域鐵路、跨座式單軌、有軌電車等制式領域，尚無針對山地軌道交通的齒輪齒軌特殊制式以及旅游觀光特殊應用范圍的相關規范。作為今后軌道交通發展的重點方向之一，齒軌鐵路相關技術標準的缺失亟待補充完善。

因此，本規范是國內軌道交通技術標準體系的重要補充，對于進一步豐富我國軌道交通技術標準體系具有重要意義。

3 編制的總體思路與原則

3.1 總體思路

《規范》編制之初，國內尚無任何齒軌鐵路建設以及實踐經驗，在對國外齒軌鐵路進行充分調研的基礎上，依托四川省科技支撐計劃《齒軌鐵路工程建設關鍵技術》等課題的科學研究成果，結合國內軌道交通的建設運營經驗編制而成。

編制的總體思路是：以保證安全為根本，充分借鑒成熟經驗，重點突出齒軌特色技術，提高項目經濟性，滿足四川當地建設需要。

3.2 編制原則

(1)定位為齒軌鐵路設計的總體性規范，具體條款或參數以控制性要求為主，重點做好涉及安全的相關條款的規定。

(2)充分借鑒國內鐵路、城市軌道交通的成熟技術，認真吸取國外齒軌鐵路的成熟經驗與失敗教訓，注意與其他相關軌道交通標準、規范的協調性。

(3)根據齒軌鐵路“齒軌牽引、極大坡度”的鮮明技術特點，重點做好軌道和土建結構的研究與創新。

(4)充分認識齒軌鐵路 “小運量+旅游軌道交通” 的總體定位和“以旅游為主、兼顧客貨運”的應用需求，注重項目經濟性，減小不影響安全性的備用功能及設計富余量，實行靈活的運營組織模式。

(5)充分體現地域特點和地方自然環境特色。

4 適用范圍與主要技術標準

明確規范適用于新建1 000 mm軌距，采用齒輪齒軌驅動或齒輪齒軌+鋼輪鋼軌驅動，最高運行速度不超過120 km/h，最大坡度不超過480‰的山地(齒軌)軌道交通工程設計。

4.1 軌距

考慮齒軌鐵路應用場景多在旅游景區，應盡量減少占地面積，結合最高運行速度要求，確定軌距為1 000 mm。

4.2 最大坡度

坡度越大，對于地形的適應性越好，但對于車輛以及軌道、土建工程的要求越高，根據國外實驗經驗，結合國內技術現狀綜合確定最大為480‰。

4.3 驅動方式

為了提高齒軌鐵路運行速度、滿足長大距離建設齒軌鐵路的需要，提出了齒輪齒軌+鋼輪鋼軌驅動的要求，坡度≥40‰時采用齒軌驅動，坡度<40‰時采用鋼輪鋼軌驅動。

4.4 最高運營速度

綜合考慮1 000 mm軌距鐵路實際最高運營經驗、齒軌鐵路應用環境、黏著地段與齒軌地段車輛功率匹配關系等因素，最高運營速度暫定為120 km/h，可基本保證需要。

5 主要技術內容

5.1 山地(齒軌)軌道交通定義

目前國內沒有關于山地(齒軌)軌道交通的明確定義，本規范定義為：位于山地環境，服務于旅游景區內部、景區之間以及沿線主要城鎮的客貨運輸，可滿足40‰～480‰最大坡度的低運量軌道交通系統。

5.2 總則

規定齒軌鐵路主要服務于山地旅游景區內部、景區之間以及沿線主要城鎮的低運量客貨運輸，宜自成體系獨立運營。對設計年度、建設規模、環保及景觀要求等進行了明確，著重強調了工程設計應注重項目經濟性，嚴格控制建設規模和系統配置，合理采取降低工程造價和有利于節省運營成本的措施。

5.3 總體設計

對主要技術標準、綜合選線、系統設計等進行了規定，重視投資控制，要求從技術標準、設計方案、系統設備選型、工程措施和施工組織設計等多方面進行比選。規定齒軌路段宜集中設置，針對山區地質災害頻發的特點，要求對危及行車及設備安全的地質災害以及重要橋梁、隧道、邊坡等結構物進行監測。

5.4 行車組織和運營管理

提出了大小交路、多交路運行、站站停運行、跳站運行、快慢車越行、專列直達運行、上下行不對稱運行等滿足不同功能需求的運營組織方案，要求初期高峰時段每小時發車對數不宜小于6 對；對齒軌路段下坡限速值不宜超過上坡限速值進行了規定。

針對旅游景區淡、旺季客流差別較大的特點，要求車輛編組方式應靈活可變，高峰時段多編組重聯運行、平峰時段短編組獨立運行，減少淡季時的空車數量，節省運營成本；從乘客對于旅游旺季的乘車舒適度要求不太高出發，規定設置4人/m2的站席、提高列車定員，大幅壓縮系統建設規模以及上線列車數量。

5.5 車輛

明確提出了車輛的主要技術規格要求、車輛使用條件以及車輛安全及應急措施，對車輛在輪軌段運行能力、齒軌段運行能力、黏著和齒軌路段的牽引切換能力等進行了規定。提出了Ⅰ、Ⅱ型兩類山地(齒軌)軌道交通車輛的技術要求，其中Ⅰ型車具備輪軌黏著與齒軌并用特征，能適應坡度≯250‰的坡道；Ⅱ型車爬坡能力更強，能適應坡度≯480‰的坡道，但只能應用于純齒軌路段，車輛主要技術要求詳見表1。規定在海拔3 000 m及以上地段使用的車輛，客室內宜配備供緊急情況下使用的乘客供氧裝置。

表1 車輛主要技術要求

5.6 線路

黏著和齒軌路段的最小平面曲線半徑分別為800 m和200 m，圓曲線夾直線最小長度分別為40 m和15 m，最小豎曲線半徑分別為6 000 m和1 000 m(時速20 km/h時可減小到500 m)，提出了入齒裝置以及齒軌地段設置車站的條件。

5.7 線下基礎

強調齒軌段路基應結合降雨和地震工況進行路基局部縱向穩定性分析，安全系數宜取1.15～1.25。考慮齒軌運營調度相對靈活，邊坡破壞的搶修條件相對寬松，可對永久邊坡下限值適當降低。提出了重大不良地質防控技術要求。

規定了橋梁結構的計算荷載、變形限值以及結構選型設計等內容，齒軌路段宜采用連續剛架結構形式，應充分考慮大坡度對橋梁受力、預應力鋼束布置、支座受力及布置形式的影響。

5.8 軌道

規定在坡度大于40‰的地段采用齒輪-齒軌驅動系統，其可適應的最小曲線半徑為150 m，齒軌類型選擇與結構尺寸設計應綜合考慮線路坡度、車輛參數及環境溫度等因素，對齒軌結構強度、穩定性等進行計算后確定。齒輪-齒軌系統的齒廓線宜采用漸開線形式，齒軌模數可采用非標準模數；輪軌磨耗至極限容許狀態下，齒輪-齒軌嚙合系統滑動系數≯4，齒頂間隙應≮0.25倍模數(mm)。齒輪-齒軌嚙合系統重疊系數不宜小于1.3。齒軌路段軌枕宜采用鋼枕，扣件設計應考慮齒軌結構的縱向阻力要求。在不能滿足軌道結構縱向穩定性要求的路段，可額外采取縱向防爬措施。

明確齒軌道岔應根據實際情況進行單獨設計，可選擇整體平移式、單端整體平移式、齒軌非覆蓋導曲線鋼軌的轍岔式、齒軌覆蓋導曲線鋼軌的轍岔式等不同結構，道岔齒條可采用與區間不同的齒軌類型，但強度等級及材質要求不得低于相鄰區間齒軌，扣壓件及道床形式宜與相鄰區間一致。

規定齒軌過渡裝置宜采用多段式入齒結構，保證齒軌列車以一定速度直接從黏著路段駛入齒軌路段，并實現齒輪與齒軌間準確有效嚙合。過渡裝置駛入端底部應采取豎向彈性支撐，在發生頂齒時駛入端可向下運動，以保證車輛運行的安全性。

5.9 車站

由于道岔結構復雜、成本高，車站咽喉區布置應在滿足車站接發車能力要求的基礎上，減少正線上的道岔數量，但每2～3個車站或20～30 km范圍內應有1個車站設置渡線，朝向根據維修車間(工區)的位置確定。

5.10 供電系統

規定牽引供電制式可采用單相工頻交流(25 kV)、直流牽引供電制式(DC1500V)或混合供電制式，對外部電源、接地方案等進行了明確。規定了變電所、不同接觸網系統授流方式等的相關要求，并特別提出，從環保角度考慮，采用接觸軌授流時應設置特殊的防護罩，以防止沿線小動物意外觸電。

5.11 信號

為保證道岔設備的正常使用，規定每20年年平均降雪日達到10 d及以上的項目，應設置適應輪軌道岔和齒軌道岔的電加熱道岔融雪系統。

5.12 災害監測

規定齒軌鐵路應設置自然災害監測系統，對地震、滑坡、落石、泥石流等自然災害進行實時在線監測，以確保運營安全。

5.13 車輛基地

規定了齒軌車輛的檢修修程及檢修周期，主要零部件維修采用返廠維修，大修走行里程數為120萬～150萬 km，時間間隔為8～10 年。

5.14 其他

相關配套設施，按照方便快捷、經濟適用的原則進行了規定，提出靜態標識應根據地域文化結合建筑特色優化標識形式，在少數民族地區應照顧少數民族語言文字習慣，并考慮山區寒冷、潮濕的特點，對暖通空調的配置方案與設計原則進行特別強調。

6 結論

(1)規范編制是滿足國內齒軌鐵路建設的需要，是進一步豐富我國軌道交通技術標準體系的需要。

(2)規范適用于新建1 000 mm軌距，采用齒輪齒軌驅動或齒輪齒軌+鋼輪鋼軌驅動，最高運行速度不超過120 km/h，最大坡度不超過480‰的山地(齒軌)軌道交通工程設計。

(3)Ⅰ型車具備輪軌黏著與齒軌并用特征，能適應≯250‰的坡道；Ⅱ型車能適應≯480‰的坡道，但只能應用于純齒軌路段。

(4)坡度大于40‰的地段采用齒輪-齒軌驅動系統，可適應的最小曲線半徑為150 m，應重點考慮大坡度引起的縱向力對路基、橋梁結構以及軌道穩定性產生的影響。