素材來源：中鐵二院規(guī)劃院 作者：劉威、麻丁一
引言
我國地形復(fù)雜多樣，山區(qū)面積占全國面積的2/3，受地形和環(huán)保限制，山區(qū)交通發(fā)展嚴重滯后，不滿足新時代高質(zhì)量均衡發(fā)展的需求;齒軌鐵路是爬坡能力強、地形適應(yīng)性好的一種新型軌道交通，為山區(qū)交通發(fā)展提供了契機，可帶動山地區(qū)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展，將山區(qū)稀缺的旅游資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)換為經(jīng)濟優(yōu)勢，帶動地區(qū)社會經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展。
一、工作原理
齒軌鐵路是鋼輪鋼軌鐵路的創(chuàng)新升級版，其通過在兩鋼軌之間增設(shè)齒條，在列車機車下方設(shè)置齒盤，在列車行進過程中通過齒盤與齒條的咬合力以克服傳統(tǒng)鋼輪鋼軌因摩擦力不足而難以實現(xiàn)大坡道運行的目的，依據(jù)齒條與齒輪的不同結(jié)構(gòu)設(shè)計形式，國外將齒軌系統(tǒng)分為Strub(Abt)、Riggenbach、Locher，最大爬坡能力可達480‰，如下圖1所示：
圖1 齒軌系統(tǒng)示意圖
二、主要特點
1、設(shè)備設(shè)施小型化、工程造價低
采用寬2.5m的窄車體、1000mm的軌距，能減少占地和土建工程體量，減少對環(huán)境生態(tài)的影響，有效降低工程投資，同等條件下每正線公里經(jīng)濟指標較常規(guī)鐵路省20%。
圖2 齒軌鐵路與常規(guī)鐵路對比示意圖
2、爬坡能力強，選線靈活，適應(yīng)山地地形好，生態(tài)環(huán)境影響小
通過在傳統(tǒng)鋼輪鋼軌黏著驅(qū)動的基礎(chǔ)上引入了齒軌系統(tǒng)，在大坡度地段依靠齒輪齒條進行驅(qū)動，突破了車輪與軌道之間摩擦力限制，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，國外最大已實現(xiàn)480‰的爬坡能力，是其他軌道交通最大70‰爬坡能力的7倍。強大的爬坡能力，能更好地適應(yīng)地形，可減少傳統(tǒng)軌道交通因坡度不足而展線，大幅縮短線路長度;也可最大程度依據(jù)地形起伏與變化敷設(shè)線路，減少橋隧工程;還可大幅減少地表開挖量，利于生態(tài)環(huán)境保護與景觀打造。
圖3 齒軌鐵路在山區(qū)的地形適應(yīng)性表征示意圖
3、齒輪+齒條嚙合驅(qū)動，冰雪惡劣環(huán)境下運營穩(wěn)定性強、安全性高
齒軌系統(tǒng)通過齒輪與齒條的緊密結(jié)合將自動破除結(jié)冰、霜雪，如同給結(jié)冰路面上的汽車輪胎安裝上了鏈條，避免了打滑、失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生，顯著增強穩(wěn)定性和安全性，能適應(yīng)冰雪惡劣天氣。
圖4 齒軌鐵路在山區(qū)的雪地應(yīng)用示意圖
4、齒軌地段速度相對較低，車內(nèi)觀景旅行適宜
根據(jù)國外的運營經(jīng)驗以及仿真分析結(jié)論，受齒輪齒條耦合作用影響和列車功率限制，齒軌列車在齒軌地段的運行速度較低，一般不大于30km/h，考慮下坡制動安全需要，下坡方向速度在上坡限速的基礎(chǔ)上進一步降低，一般不大于20km/h，且列車運行速度與線路坡度成反比例關(guān)系，坡度越大、列車運行速度越低。無論上坡、下坡，20~30km/h的速度非常適宜在風景優(yōu)美的環(huán)境中觀光賞析。
圖5 齒軌鐵路與景色融合示意圖
三、國內(nèi)外發(fā)展概況
1、國外齒軌起源
齒軌鐵路在我國尚為空白，未有建成項目。但在國外起步較早，最初主要應(yīng)用于山區(qū)礦藏、木材等資源的運輸，后逐漸應(yīng)用于旅游，已有150多年的歷史。全球范圍已有20多個國家建成登山鐵路、觀光鐵路等齒軌鐵路180余條，總里程達3000余公里，技術(shù)成熟可靠。
第一條齒軌鐵路是位于英國的米德爾頓鐵路，主要用于煤礦運輸;第一條載客的齒軌鐵路是美國華盛頓山齒軌鐵路，于1871年正式開通運營。
2、全球齒軌鐵路建設(shè)運營里程最多的國家---瑞士
瑞士實現(xiàn)了齒軌鐵路和輪軌鐵路的無縫銜接，并將齒軌鐵路的應(yīng)用范圍由單純的短途登山鐵路拓展到長大旅游觀光線路。
3、最具盛名和代表性的齒軌鐵路項目
有皮拉圖斯山齒軌鐵路、瑞吉山齒軌鐵路、少女峰齒軌鐵路(圖6)、冰川快線、黃金快線和楚格峰齒軌鐵路等。
圖6 少女峰齒軌鐵路
四、應(yīng)用場景
1、齒軌鐵路常應(yīng)用于復(fù)雜山區(qū)、生態(tài)脆弱、低運量的交通支線
極大的爬坡能力能適應(yīng)復(fù)雜山區(qū)地形;小型化的設(shè)備設(shè)施能減少土建工程量，對生態(tài)環(huán)境影響小，可滿足低運量需求。因運能低、齒軌段速度慢，難以成為主干線，僅適合交通支線。
2、齒軌鐵路是山區(qū)旅游特色線路
山區(qū)往往有著豐富的旅游資源，受地形氣候限制，其他交通方式難以適應(yīng)。齒軌鐵路既能解決交通問題，又可與旅游資源相結(jié)合，通過全體車身透明化定制處理、線路橋隧路工程與環(huán)境融合協(xié)調(diào)處理達到車內(nèi)觀景、景內(nèi)觀車的良好體驗，成為山區(qū)旅游特色線路及旅游產(chǎn)品。
五、適應(yīng)性分析
1、運能適應(yīng)性
根據(jù)運量，山地軌道交通車體寬度按2500mm設(shè)計， 4輛編組列車，共設(shè)坐席240人，定員400人。按照12~20對/h(3~5min間隔)考慮，運輸能力全坐席可達到2800~4800人/h，定員標準可達到4800~8000人次/h左右，與山區(qū)客流適應(yīng)性較好。
2、經(jīng)濟適應(yīng)性
經(jīng)過對齒軌車輛轉(zhuǎn)向架技術(shù)進行研究，考慮與2500mm車寬的匹配，選用米軌軌距不僅可實現(xiàn)車與轉(zhuǎn)向架的協(xié)調(diào)匹配，同時還可縮減線路建設(shè)投資：軌距1000mm，較1435mm準軌的常規(guī)鐵路的路基、橋梁、隧道斷面更窄、結(jié)構(gòu)形式更加簡單，其中，橋梁寬度僅為準軌鐵路的79%，路基寬度僅為準軌鐵路的87%，隧道斷面僅為準軌鐵路的75%，可節(jié)約工程投資20%，經(jīng)濟適應(yīng)性顯著提高。
3、地形適應(yīng)性
3.1登山地段顯著爬升優(yōu)勢
山地軌道交通受益于獨特的牽引方式，其齒軌鐵路有著其他軌道交通不可比擬的爬坡優(yōu)勢，其獨特的結(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，一般可實現(xiàn)最大250‰的爬坡能力，是其他軌道交通常規(guī)鐵路(最大30‰)的8倍，跨座式單軌(最大為70‰)的3.5倍，二級山區(qū)公路(最大60‰)的4.2倍。
圖7 爬坡地段齒軌鐵路、普通鐵路和公路展線平面比較示意圖
3.2山區(qū)環(huán)境地形適應(yīng)性分析
山地軌道交通主要走行于山區(qū)山地環(huán)境，其設(shè)計速度在60~120km/h之間,所采用的線路條件與常規(guī)鐵路相比，擁有最小200m的平面曲線半徑和2000m的豎曲線半徑，輪軌地段最大坡度可達40‰(普通客運鐵路最大為縱坡30‰)，齒軌段可達250‰，使得線路可以很好的適應(yīng)地形，從而節(jié)省投資。
圖8 齒軌鐵路超大爬坡能力示意圖
圖9 齒軌鐵路小半徑曲線傍山而行示意圖
六、應(yīng)用中應(yīng)重點關(guān)注的問題
1、設(shè)計經(jīng)濟性問題
齒軌鐵路主要應(yīng)用于經(jīng)濟欠發(fā)達的山地區(qū)域，為最大程度減少線路工程投資，在設(shè)計中宜選擇小型化及輕量化的設(shè)備設(shè)施，在站后設(shè)備選擇方面不宜一味追求智能化、信息化。在設(shè)計過程中應(yīng)結(jié)合場景需求，以經(jīng)濟適用為導向?qū)Y(jié)構(gòu)、設(shè)備設(shè)施進行定制化設(shè)計。
2、建設(shè)安全性問題
齒軌鐵路主要應(yīng)用于復(fù)雜山地區(qū)域，地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，線路不可避免以橋梁、隧道方式通過河谷、山體，在最大坡度為250‰甚至480‰的施工條件下，應(yīng)做好模擬和試驗，避免施工過程中出現(xiàn)安全事故。
3、發(fā)展可持續(xù)問題
項目建設(shè)位于山區(qū)，建設(shè)成本高、資金回收較難，項目前期宜做好建設(shè)資金的回收方案、運營期內(nèi)的補虧方案，通過不斷優(yōu)化投融資模式，創(chuàng)新沿線旅游產(chǎn)品開發(fā)，爭取地方財政補貼等不同方式確保項目的可持續(xù)。
結(jié)語
齒軌鐵路在國內(nèi)是一種新型軌道交通制式，目前全國僅在四川省實現(xiàn)了工程化應(yīng)用，未來前景廣闊，將成為山地區(qū)域旅游開發(fā)的主要交通方式。齒軌鐵路的應(yīng)用將改善我國面積三分之二的山地區(qū)域的交通條件，提高旅游目的地的通達性和便捷性，促進山地區(qū)域交通和旅游資源充分融合發(fā)展，對實現(xiàn)旅游資源開發(fā)、地區(qū)社會經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展等具有重要意義。