山地轨道交通综合研究与应用

杨利

（中铁二院工程集团有限责任公司土建二院，四川成都 610031）

0 引言

山地轨道交通主要位于山地环境，服务于旅游景区内部、连接景区及城镇[1]，满足大坡度的低运量轨道交通，同时其采用的断面小、占地少最大程度减少对山区生态环境的影响。登山时主要采用齿轨铁路，即在普通路轨中间的轨枕上，另外放置一条特别的齿轨，行走齿轨铁路的机车，配备了一个或多个齿轮，跟齿轨啮合着行走，这样机车便能克服黏着力不足的问题[2]，把列车拉上达坡度较大的陡峭斜坡；常规路段（一般指最大坡度小于等于40‰的区段），采用普通黏着轮轨系统。

1 国内、外山地交通应用发展情况

1.1 国外齿轨铁路发展现状

目前国外已建成的山地齿轨铁路约180 条，总里程超过3000km，其轨距最窄为750mm，最宽为1435mm，一般为800～1000mm，坡度最大为480‰，主要分布在瑞士、德国、法国、奥地利、日本和澳大利亚等国，大多数齿轨铁路仅仅属于山地景区内的交通工具，尚未形成规模化的旅游轨道交通[3]。其中，德国DB 铁路+楚格峰齿轨铁路和瑞士黄金快线+少女峰齿轨铁路已形成较为完整的旅游轨道交通系统，尤其后者将自然山川旅游、民族传统文化、滑雪运动与历史悠久且浓厚的轨道交通融为一体，既可车中观景，亦可景中观车，齿轨列车已成为登顶“欧洲之巅”不可或缺的交通工具，更是少女峰旅游途中一条独特的风景线，被称为20 世纪人为工程的一大创举，闻名世界。

1.2 国内山地轨道交通研究应用现状

目前我国国内尚无应用于实际的山地（齿轨）轨道交通线路。我国是多山国家，据粗略估算，山地、高原、丘陵的面积约占土地总面积的69%，山地一般高差大、地形陡、旅游资源丰富，围绕改善旅游资源外部交通条件，满足景区游客快速便捷通达，同时兼顾山地居民出行，目前多省正在规划和研究“新型山地轨道交通”。

1.2.1 四川省山地轨道交通规划研究情况

四川省已于2020 年6 月30 日正式发布了《四川省山地轨道交通规划（2020—2035 年）》，总共规划11条山地轨道交通线路，连接50 余个著名景点，总里程约1770km，涉及118 个区县。

其中，以都江堰至四姑娘山山地轨道交通（以下简称都四项目）为示范，着力打造生态、绿色、可持续的创新轨道交通，建立“交通+扶贫+旅游+生态”融合发展新模式，形成可推广可借鉴的经验，扩大应用区域，抢占市场先机，推动四川山地轨道交通发展。项目起于成灌铁路都江堰站，途经映秀、耿达、卧龙等地，止于四姑娘山镇，新建线路长123km，投资约215 亿元，目前该示范项目已开工建设。

同时，近期将建设九寨沟世界遗产旅游线、竹海石海休闲度假旅游线、龙门山山地度假旅游线等3 个项目，新建线路全长445km，建设投资约550 亿元。

1.2.2 湖南张家界七星山齿轨旅游线

该项目是湖南省、市、区重点项目，项目位于张家界永定区官黎坪办事处杆子坪村、仙人溪村，止于天门山镇大坪居委会七星山山顶，线路自七星山下高鹰寺（海拔340m）引出，经五道梯，至七星山站（海拔1370m）。线路长8.4km，全线设客运站2 座，观景站1座，车辆基地1 处，最大坡度250‰，目前已完成初步设计。

2 山地轨道交通主要特点

2.1 与轨道交通比较

山地轨道交通相较常规钢轮钢轨铁路、中低速磁浮、跨座式单轨、悬挂式单轨等其他轨道交通方式，主要有如下特点。

2.1.1 爬坡能力强

山地轨道交通采用齿轨登山时，受益于其独特的牵引方式，有着其他轨道交通不可比拟的爬坡优势，其独特的结构突破了车轮与轨道之间的摩擦力限制，解决了大坡度条件下传统铁路轮轨黏着不足的问题，为列车在陡峭斜坡上的攀爬提供了可能，可实现最大480‰的爬坡能力，是其他轨道交通最大70‰（常规铁路一般最大为30‰；跨座式单轨最大为70‰）爬坡能力的7 倍[4]。

2.1.2 适应地形能力强

相比常规轨道交通齿轨铁路拥有最小200m 的平面曲线半径和2000m 的竖曲线半径，使得可以很好地适应地形，主要有3 个方面的优势：①可以避免由于坡度不足而带来的展线，从而大幅缩短线路长度；②线路方案可以最大程度依据地形起伏与变化而敷设，最大程度减少重大桥梁、隧道工程的设置；③可以大幅减少地表开挖量，有利于生态环境保护与景观打造。

2.1.3 断面小，占地少，最大程度减少对山体的开挖和破坏

山地轨道交通位于平原、缓坡地段通常采用的轨距为1m，相比标准规矩1.435m 的常规铁路，断面较小，双线宽度仅7m（仅为常规铁路宽度的70%，），占地少，隧道断面仅42m2，可最大程度减少对山体的开挖破坏。

2.2 与其他传统交通比较

2.2.1 绿色环保

采用电力牵引，减排效果显著，相比公路运输将造成拥堵、尾气污染等一系列问题，山地轨道交通作为一种低能耗、污染少的交通方式，可与沿线环境融为一体，充分协调解决交通与生态环保的矛盾。

2.2.2 安全可靠性高

轨道交通安全性仅次于航空，表1 是美国各种交通方式在2002—2004 年每运送10 亿乘客·英里，所发生的实际死伤率统计结果。机动车、区域铁路（RPR）、快速轨道交通（RRT）、轻轨系统（LRT）、常规公交的平均值分别为647.2、164.2、333.5、394.1、552.5。可以看出，常规公交发生的死伤数是轨道交通（RRT）的1.7 倍，机动车的死伤数则是1.9 倍。

表1 美国各种交通方式死伤人数 单位：人/（10 亿乘客·英里）

2.2.3 载客量大

与公路等非轨道交通相比，山地轨道交通运量远大于公路交通运量，每列车的定员在400～600 人，约为公路的20～30 倍。

2.2.4 乘客舒适感更强

轨道交通运行状态平稳，无论是汽车还是飞机，都有乘客会晕车和晕机，铁路的运行环境更为平稳，汽车在运行的时候，由于道路状况或者急刹车，飞机在上升和遇到气流的时候，都不可避免地会出现颠簸，导致乘客出现晕车和晕机，而火车运行时更平稳，乘客感觉更舒适。

3 以都四项目为例的研究与应用

都四项目途经都江堰市和阿坝藏族羌族自治州的汶川县、卧龙特别行政区和小金县。采用“米轨+齿轨”的山地轨道交通系统，线路正线全长123.18km，轨距1000mm，最小曲线半径800m，困难地段200m，限制坡度轮轨段40‰，齿轨段120‰，采用第三轨供电。

3.1 项目功能定位

项目是四川省着力打造的“交通+扶贫+旅游+生态”示范线，着力打造生态、绿色、可持续的创新轨道交通，建立“交通+扶贫+旅游+生态”融合发展新模式，形成可推广可借鉴的经验，扩大应用区域，抢占市场先机，推动山地轨道交通发展。

3.2 采用的主要技术标准

项目位于生态环境极其敏感的山区，为减少对环境的破坏并结合运输需求，采用米轨轨距，最大程度减少对山体的开挖破坏，减少对土地资源的占用；同时因地制宜，翻越山脉时采用爬坡能力极强的齿轨系统，最大坡度为120‰，大幅减少线路展线长度，降低对环境的影响，主要技术标准如表2 所示。

表2 都四项目采用的主要技术标准

3.3 车辆型式选择

项目采用新型齿轨旅游交通车辆，采用将齿轨与粘着组合驱动的齿轨铁路系统，4 节固定编组，编组方式：+Mc1-M1-M2-Mc2+。车辆主要由车体、转向架、车门、牵引传动及控制系统、辅助系统、制动系统、空调及通风、车钩缓冲装置和列车故障诊断系统等组成。

3.4 齿轨系统选择

项目位于平原沟谷地带采用“米轨”，翻越巴郎山上坡段（海拔2772m 上升至3696m）和沿大纵坡沟谷走行采用“齿轨”，最大纵坡为120‰，根据欧洲齿轨铁路的应用经验，Strub 和Riggenbach 能满足本线的运营要求，且导轨结构简单，性能稳定，都四项目采用齿条型齿轨系统[5]。图1 为 齿条型（strub）齿轨结构示意及关键尺寸。图2 为梯子型（Riggenbach）齿轨系统结构示意图及关键尺寸。

图1 齿条型（strub）齿轨结构示意及关键尺寸（单位：mm）

图2 梯子型（Riggenbach）齿轨系统结构及关键尺寸（单位：mm）

3.5 轮轨－齿轨过渡装置

在轮轨与齿轨之间的过渡地段，都四项目采用三段缓冲式入齿装置，该装置主要由线速度同步区、啮合校正区以及齿轨啮合区3 部分组成，通过底部的弹性元件可有效避免齿轮与齿条间发生顶齿现象，同时齿轮与过渡装置间的相互作用力可使钢轮相对钢轨进行纵向滑动，进而最终实现齿轮与齿轨的准确啮合，并采用限位结构约束该装置的运动自由度。三段缓冲式入齿装置的结构如图3 所示。

图3 三段缓冲式入齿装置结构示意

3.6 其他技术研究及应用

结合本项目的特点及需求，同步开展齿轨驱动和黏着驱动自动切换技术、齿轨线路列车制动技术、轮轨-齿轨列车运行安全及舒适性设计、齿轨轨道系列技术、大坡度地段线下工程建设技术、新型无线通信信号技术、旅游轨道交通供电方案、齿轨列车养护维修、智能运维管理系统、齿轨旅游轨道交通综合养护维修技术、接触轨防护技术等齿轨交通系列技术研究与应用。

4 结语

山地轨道交通采用“米轨+齿轨”的组合方式，减少了线路展线、占地少，降低了对环境的破坏影响；采用齿轨，爬坡能力强，解决了大坡度条件下传统铁路轮轨黏着不足的问题。适用于复杂山地条件，是可自成体系独立运营，服务于旅游景区内部，以及景区与其他景区、交通枢纽之间旅游客流的专用轨道交通。