山地軌道交通綜合研究與應用

楊利

（中鐵二院工程集團有限責任公司土建二院，四川成都 610031）

0 引言

山地軌道交通主要位于山地環境，服務于旅游景區內部、連接景區及城鎮[1]，滿足大坡度的低運量軌道交通，同時其采用的斷面小、占地少最大程度減少對山區生態環境的影響。登山時主要采用齒軌鐵路，即在普通路軌中間的軌枕上，另外放置一條特別的齒軌，行走齒軌鐵路的機車，配備了一個或多個齒輪，跟齒軌嚙合著行走，這樣機車便能克服黏著力不足的問題[2]，把列車拉上達坡度較大的陡峭斜坡；常規路段（一般指最大坡度小于等于40‰的區段），采用普通黏著輪軌系統。

1 國內、外山地交通應用發展情況

1.1 國外齒軌鐵路發展現狀

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，大多數齒軌鐵路僅僅屬于山地景區內的交通工具，尚未形成規模化的旅游軌道交通[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，尤其后者將自然山川旅游、民族傳統文化、滑雪運動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特的風景線，被稱為20 世紀人為工程的一大創舉，聞名世界。

1.2 國內山地軌道交通研究應用現狀

目前我國國內尚無應用于實際的山地（齒軌）軌道交通線路。我國是多山國家，據粗略估算，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，滿足景區游客快速便捷通達，同時兼顧山地居民出行，目前多省正在規劃和研究“新型山地軌道交通”。

1.2.1 四川省山地軌道交通規劃研究情況

四川省已于2020 年6 月30 日正式發布了《四川省山地軌道交通規劃（2020—2035 年）》，總共規劃11條山地軌道交通線路，連接50 余個著名景點，總里程約1770km，涉及118 個區縣。

其中，以都江堰至四姑娘山山地軌道交通（以下簡稱都四項目）為示范，著力打造生態、綠色、可持續的創新軌道交通，建立“交通+扶貧+旅游+生態”融合發展新模式，形成可推廣可借鑒的經驗，擴大應用區域，搶占市場先機，推動四川山地軌道交通發展。項目起于成灌鐵路都江堰站，途經映秀、耿達、臥龍等地，止于四姑娘山鎮，新建線路長123km，投資約215 億元，目前該示范項目已開工建設。

同時，近期將建設九寨溝世界遺產旅游線、竹海石海休閑度假旅游線、龍門山山地度假旅游線等3 個項目，新建線路全長445km，建設投資約550 億元。

1.2.2 湖南張家界七星山齒軌旅游線

該項目是湖南省、市、區重點項目，項目位于張家界永定區官黎坪辦事處桿子坪村、仙人溪村，止于天門山鎮大坪居委會七星山山頂，線路自七星山下高鷹寺（海拔340m）引出，經五道梯，至七星山站（海拔1370m）。線路長8.4km，全線設客運站2 座，觀景站1座，車輛基地1 處，最大坡度250‰，目前已完成初步設計。

2 山地軌道交通主要特點

2.1 與軌道交通比較

山地軌道交通相較常規鋼輪鋼軌鐵路、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。

2.1.1 爬坡能力強

山地軌道交通采用齒軌登山時，受益于其獨特的牽引方式，有著其他軌道交通不可比擬的爬坡優勢，其獨特的結構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，可實現最大480‰的爬坡能力，是其他軌道交通最大70‰（常規鐵路一般最大為30‰；跨座式單軌最大為70‰）爬坡能力的7 倍[4]。

2.1.2 適應地形能力強

相比常規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地形，主要有3 個方面的優勢：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度；②線路方案可以最大程度依據地形起伏與變化而敷設，最大程度減少重大橋梁、隧道工程的設置；③可以大幅減少地表開挖量，有利于生態環境保護與景觀打造。

2.1.3 斷面小，占地少，最大程度減少對山體的開挖和破壞

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

2.2 與其他傳統交通比較

2.2.1 綠色環保

采用電力牽引，減排效果顯著，相比公路運輸將造成擁堵、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，可與沿線環境融為一體，充分協調解決交通與生態環保的矛盾。

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 年每運送10 億乘客·英里，所發生的實際死傷率統計結果。機動車、區域鐵路（RPR）、快速軌道交通（RRT）、輕軌系統（LRT）、常規公交的平均值分別為647.2、164.2、333.5、394.1、552.5。可以看出，常規公交發生的死傷數是軌道交通（RRT）的1.7 倍，機動車的死傷數則是1.9 倍。

表1 美國各種交通方式死傷人數 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，山地軌道交通運量遠大于公路交通運量，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

軌道交通運行狀態平穩，無論是汽車還是飛機，都有乘客會暈車和暈機，鐵路的運行環境更為平穩，汽車在運行的時候，由于道路狀況或者急剎車，飛機在上升和遇到氣流的時候，都不可避免地會出現顛簸，導致乘客出現暈車和暈機，而火車運行時更平穩，乘客感覺更舒適。

3 以都四項目為例的研究與應用

都四項目途經都江堰市和阿壩藏族羌族自治州的汶川縣、臥龍特別行政區和小金縣。采用“米軌+齒軌”的山地軌道交通系統，線路正線全長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 項目功能定位

項目是四川省著力打造的“交通+扶貧+旅游+生態”示范線，著力打造生態、綠色、可持續的創新軌道交通，建立“交通+扶貧+旅游+生態”融合發展新模式，形成可推廣可借鑒的經驗，擴大應用區域，搶占市場先機，推動山地軌道交通發展。

3.2 采用的主要技術標準

項目位于生態環境極其敏感的山區，為減少對環境的破壞并結合運輸需求，采用米軌軌距，最大程度減少對山體的開挖破壞，減少對土地資源的占用；同時因地制宜，翻越山脈時采用爬坡能力極強的齒軌系統，最大坡度為120‰，大幅減少線路展線長度，降低對環境的影響，主要技術標準如表2 所示。

表2 都四項目采用的主要技術標準

3.3 車輛型式選擇

項目采用新型齒軌旅游交通車輛，采用將齒軌與粘著組合驅動的齒軌鐵路系統，4 節固定編組，編組方式：+Mc1-M1-M2-Mc2+。車輛主要由車體、轉向架、車門、牽引傳動及控制系統、輔助系統、制動系統、空調及通風、車鉤緩沖裝置和列車故障診斷系統等組成。

3.4 齒軌系統選擇

項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‰，根據歐洲齒軌鐵路的應用經驗，Strub 和Riggenbach 能滿足本線的運營要求，且導軌結構簡單，性能穩定，都四項目采用齒條型齒軌系統[5]。圖1 為 齒條型（strub）齒軌結構示意及關鍵尺寸。圖2 為梯子型（Riggenbach）齒軌系統結構示意圖及關鍵尺寸。

圖1 齒條型（strub）齒軌結構示意及關鍵尺寸（單位：mm）

圖2 梯子型（Riggenbach）齒軌系統結構及關鍵尺寸（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，都四項目采用三段緩沖式入齒裝置，該裝置主要由線速度同步區、嚙合校正區以及齒軌嚙合區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生頂齒現象，同時齒輪與過渡裝置間的相互作用力可使鋼輪相對鋼軌進行縱向滑動，進而最終實現齒輪與齒軌的準確嚙合，并采用限位結構約束該裝置的運動自由度。三段緩沖式入齒裝置的結構如圖3 所示。

圖3 三段緩沖式入齒裝置結構示意

3.6 其他技術研究及應用

結合本項目的特點及需求，同步開展齒軌驅動和黏著驅動自動切換技術、齒軌線路列車制動技術、輪軌-齒軌列車運行安全及舒適性設計、齒軌軌道系列技術、大坡度地段線下工程建設技術、新型無線通信信號技術、旅游軌道交通供電方案、齒軌列車養護維修、智能運維管理系統、齒軌旅游軌道交通綜合養護維修技術、接觸軌防護技術等齒軌交通系列技術研究與應用。

4 結語

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，降低了對環境的破壞影響；采用齒軌，爬坡能力強，解決了大坡度條件下傳統鐵路輪軌黏著不足的問題。適用于復雜山地條件，是可自成體系獨立運營，服務于旅游景區內部，以及景區與其他景區、交通樞紐之間旅游客流的專用軌道交通。