《山地(齿轨)轨道交通技术规范》主要内容解析

余浩伟,徐银光,林世金

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

1 概述

一直以来，为便于专业技术人员正确理解、运用相关设计规范，规范主编人员较为重视对规范的主要技术标准进行解读，并借此对规范编制理念进行宣贯。如孙海富[1-2]对《城际铁路设计规范》《市域铁路设计规范》主要技术标准进行了介绍，柳世辉[3]、匡亮[4]、李海光[5]等分别对《铁路线路设计规范》《铁路隧道设计规范》《铁路路基支挡结构设计规范》修订内容进行了评析，李秋义[6]、余超等[7-10]分别对《铁路轨道设计规范》《铁路通信设计规范》进行了解读。

齿轨铁路是目前唯一具有超大爬坡能力的轨道交通制式，通过列车齿轮与轨道齿条的啮合作用，可适应480‰以下坡度的需要[11-19]。《山地(齿轨)轨道交通技术规范》(以下简称“《规范》”)是国内首部关于齿轨铁路的设计规范，由中铁二院主编，于2018年12月正式批准发布实行，《规范》按综合性设计规范编制，由范围、规范性引用文件、术语和定义、总则、总体设计、行车组织和运营管理、车辆、限界、线路、路基、桥梁结构、隧道、轨道、站场、供电、电力、通信、信号、信息、灾害监测、车辆基地、综合维修、给水和排水、车站建筑、供暖通风空调、环境保护26章组成[20]。

规范编制过程中，编制组充分借鉴了铁路、地铁等轨道交通的成熟建设经验，充分体现了齿轨铁路的“齿轨牵引、极大坡度”的鲜明技术特点和“以旅游为主、兼顾客货运”的应用需求，在总体设计、行车组织、土建工程、供电方式、运营维护等方面做了积极的探索与创新。

2 编制背景

2.1 是满足国内齿轨铁路建设的需要

近年来，齿轨铁路因为拥有其他轨道交通不具备的超大爬坡能力而受到重视，四川省率先启动了首条齿轨铁路—都江堰至四姑娘山山地轨道交通项目建设工作，项目位于四川省成都市和阿坝州境内，东起成灌高铁都江堰站，向西经虹口、龙池、映秀、耿达、卧龙、邓生沟、巴朗山，止于阿坝州小金县四姑娘山镇，地理位置如图1所示。线路全长123.2 km，全线新建车站12个，车辆基地1座。正线为双线，采用1 000 mm轨距，限制坡度轮轨段40‰、齿轨段120‰，最小曲线半径一般800 m，困难条件下200 m，采用DC1500V第三轨供电和兼具黏着与齿轨牵引能力的动车组。建设工期72个月。

图1 都四项目地理位置示意

此外，四川省还组织编制了《四川省山地轨道交通规划》，拟在全川建设齿轨铁路2 000余km，覆盖全省不通铁路的地州以及5A等重要旅游景点。

在众多项目规划建设之初，面临无规范可依的尴尬局面，亟待按照“标准先行”的理念，立项编制规范，以为项目的实施提供依据和指导，并为后续相关施工验收、产品制造等规范的编制奠定基础。

因此，本规范的编制是满足都江堰至四姑娘山等国内齿轨铁路建设的需要。

2.2 是进一步丰富我国轨道交通技术标准体系的需要

经过几十年的发展，我国铁路及城市轨道交通标准日趋完善，形成了完善的轨道交通技术标准体系，涵盖规划、设计、施工、验收、运营全过程，为我国轨道交通建设奠定了良好的技术基础。然而，纵观国内已有的轨道交通相关标准，主要集中在已有的普速铁路、高速铁路、重载铁路、地铁、轻轨、市域铁路、跨座式单轨、有轨电车等制式领域，尚无针对山地轨道交通的齿轮齿轨特殊制式以及旅游观光特殊应用范围的相关规范。作为今后轨道交通发展的重点方向之一，齿轨铁路相关技术标准的缺失亟待补充完善。

因此，本规范是国内轨道交通技术标准体系的重要补充，对于进一步丰富我国轨道交通技术标准体系具有重要意义。

3 编制的总体思路与原则

3.1 总体思路

《规范》编制之初，国内尚无任何齿轨铁路建设以及实践经验，在对国外齿轨铁路进行充分调研的基础上，依托四川省科技支撑计划《齿轨铁路工程建设关键技术》等课题的科学研究成果，结合国内轨道交通的建设运营经验编制而成。

编制的总体思路是：以保证安全为根本，充分借鉴成熟经验，重点突出齿轨特色技术，提高项目经济性，满足四川当地建设需要。

3.2 编制原则

(1)定位为齿轨铁路设计的总体性规范，具体条款或参数以控制性要求为主，重点做好涉及安全的相关条款的规定。

(2)充分借鉴国内铁路、城市轨道交通的成熟技术，认真吸取国外齿轨铁路的成熟经验与失败教训，注意与其他相关轨道交通标准、规范的协调性。

(3)根据齿轨铁路“齿轨牵引、极大坡度”的鲜明技术特点，重点做好轨道和土建结构的研究与创新。

(4)充分认识齿轨铁路 “小运量+旅游轨道交通” 的总体定位和“以旅游为主、兼顾客货运”的应用需求，注重项目经济性，减小不影响安全性的备用功能及设计富余量，实行灵活的运营组织模式。

(5)充分体现地域特点和地方自然环境特色。

4 适用范围与主要技术标准

明确规范适用于新建1 000 mm轨距，采用齿轮齿轨驱动或齿轮齿轨+钢轮钢轨驱动，最高运行速度不超过120 km/h，最大坡度不超过480‰的山地(齿轨)轨道交通工程设计。

4.1 轨距

考虑齿轨铁路应用场景多在旅游景区，应尽量减少占地面积，结合最高运行速度要求，确定轨距为1 000 mm。

4.2 最大坡度

坡度越大，对于地形的适应性越好，但对于车辆以及轨道、土建工程的要求越高，根据国外实验经验，结合国内技术现状综合确定最大为480‰。

4.3 驱动方式

为了提高齿轨铁路运行速度、满足长大距离建设齿轨铁路的需要，提出了齿轮齿轨+钢轮钢轨驱动的要求，坡度≥40‰时采用齿轨驱动，坡度<40‰时采用钢轮钢轨驱动。

4.4 最高运营速度

综合考虑1 000 mm轨距铁路实际最高运营经验、齿轨铁路应用环境、黏着地段与齿轨地段车辆功率匹配关系等因素，最高运营速度暂定为120 km/h，可基本保证需要。

5 主要技术内容

5.1 山地(齿轨)轨道交通定义

目前国内没有关于山地(齿轨)轨道交通的明确定义，本规范定义为：位于山地环境，服务于旅游景区内部、景区之间以及沿线主要城镇的客货运输，可满足40‰～480‰最大坡度的低运量轨道交通系统。

5.2 总则

规定齿轨铁路主要服务于山地旅游景区内部、景区之间以及沿线主要城镇的低运量客货运输，宜自成体系独立运营。对设计年度、建设规模、环保及景观要求等进行了明确，着重强调了工程设计应注重项目经济性，严格控制建设规模和系统配置，合理采取降低工程造价和有利于节省运营成本的措施。

5.3 总体设计

对主要技术标准、综合选线、系统设计等进行了规定，重视投资控制，要求从技术标准、设计方案、系统设备选型、工程措施和施工组织设计等多方面进行比选。规定齿轨路段宜集中设置，针对山区地质灾害频发的特点，要求对危及行车及设备安全的地质灾害以及重要桥梁、隧道、边坡等结构物进行监测。

5.4 行车组织和运营管理

提出了大小交路、多交路运行、站站停运行、跳站运行、快慢车越行、专列直达运行、上下行不对称运行等满足不同功能需求的运营组织方案，要求初期高峰时段每小时发车对数不宜小于6 对；对齿轨路段下坡限速值不宜超过上坡限速值进行了规定。

针对旅游景区淡、旺季客流差别较大的特点，要求车辆编组方式应灵活可变，高峰时段多编组重联运行、平峰时段短编组独立运行，减少淡季时的空车数量，节省运营成本；从乘客对于旅游旺季的乘车舒适度要求不太高出发，规定设置4人/m2的站席、提高列车定员，大幅压缩系统建设规模以及上线列车数量。

5.5 车辆

明确提出了车辆的主要技术规格要求、车辆使用条件以及车辆安全及应急措施，对车辆在轮轨段运行能力、齿轨段运行能力、黏着和齿轨路段的牵引切换能力等进行了规定。提出了Ⅰ、Ⅱ型两类山地(齿轨)轨道交通车辆的技术要求，其中Ⅰ型车具备轮轨黏着与齿轨并用特征，能适应坡度≯250‰的坡道；Ⅱ型车爬坡能力更强，能适应坡度≯480‰的坡道，但只能应用于纯齿轨路段，车辆主要技术要求详见表1。规定在海拔3 000 m及以上地段使用的车辆，客室内宜配备供紧急情况下使用的乘客供氧装置。

表1 车辆主要技术要求

5.6 线路

黏着和齿轨路段的最小平面曲线半径分别为800 m和200 m，圆曲线夹直线最小长度分别为40 m和15 m，最小竖曲线半径分别为6 000 m和1 000 m(时速20 km/h时可减小到500 m)，提出了入齿装置以及齿轨地段设置车站的条件。

5.7 线下基础

强调齿轨段路基应结合降雨和地震工况进行路基局部纵向稳定性分析，安全系数宜取1.15～1.25。考虑齿轨运营调度相对灵活，边坡破坏的抢修条件相对宽松，可对永久边坡下限值适当降低。提出了重大不良地质防控技术要求。

规定了桥梁结构的计算荷载、变形限值以及结构选型设计等内容，齿轨路段宜采用连续刚架结构形式，应充分考虑大坡度对桥梁受力、预应力钢束布置、支座受力及布置形式的影响。

5.8 轨道

规定在坡度大于40‰的地段采用齿轮-齿轨驱动系统，其可适应的最小曲线半径为150 m，齿轨类型选择与结构尺寸设计应综合考虑线路坡度、车辆参数及环境温度等因素，对齿轨结构强度、稳定性等进行计算后确定。齿轮-齿轨系统的齿廓线宜采用渐开线形式，齿轨模数可采用非标准模数；轮轨磨耗至极限容许状态下，齿轮-齿轨啮合系统滑动系数≯4，齿顶间隙应≮0.25倍模数(mm)。齿轮-齿轨啮合系统重叠系数不宜小于1.3。齿轨路段轨枕宜采用钢枕，扣件设计应考虑齿轨结构的纵向阻力要求。在不能满足轨道结构纵向稳定性要求的路段，可额外采取纵向防爬措施。

明确齿轨道岔应根据实际情况进行单独设计，可选择整体平移式、单端整体平移式、齿轨非覆盖导曲线钢轨的辙岔式、齿轨覆盖导曲线钢轨的辙岔式等不同结构，道岔齿条可采用与区间不同的齿轨类型，但强度等级及材质要求不得低于相邻区间齿轨，扣压件及道床形式宜与相邻区间一致。

规定齿轨过渡装置宜采用多段式入齿结构，保证齿轨列车以一定速度直接从黏着路段驶入齿轨路段，并实现齿轮与齿轨间准确有效啮合。过渡装置驶入端底部应采取竖向弹性支撑，在发生顶齿时驶入端可向下运动，以保证车辆运行的安全性。

5.9 车站

由于道岔结构复杂、成本高，车站咽喉区布置应在满足车站接发车能力要求的基础上，减少正线上的道岔数量，但每2～3个车站或20～30 km范围内应有1个车站设置渡线，朝向根据维修车间(工区)的位置确定。

5.10 供电系统

规定牵引供电制式可采用单相工频交流(25 kV)、直流牵引供电制式(DC1500V)或混合供电制式，对外部电源、接地方案等进行了明确。规定了变电所、不同接触网系统授流方式等的相关要求，并特别提出，从环保角度考虑，采用接触轨授流时应设置特殊的防护罩，以防止沿线小动物意外触电。

5.11 信号

为保证道岔设备的正常使用，规定每20年年平均降雪日达到10 d及以上的项目，应设置适应轮轨道岔和齿轨道岔的电加热道岔融雪系统。

5.12 灾害监测

规定齿轨铁路应设置自然灾害监测系统，对地震、滑坡、落石、泥石流等自然灾害进行实时在线监测，以确保运营安全。

5.13 车辆基地

规定了齿轨车辆的检修修程及检修周期，主要零部件维修采用返厂维修，大修走行里程数为120万～150万 km，时间间隔为8～10 年。

5.14 其他

相关配套设施，按照方便快捷、经济适用的原则进行了规定，提出静态标识应根据地域文化结合建筑特色优化标识形式，在少数民族地区应照顾少数民族语言文字习惯，并考虑山区寒冷、潮湿的特点，对暖通空调的配置方案与设计原则进行特别强调。

6 结论

(1)规范编制是满足国内齿轨铁路建设的需要，是进一步丰富我国轨道交通技术标准体系的需要。

(2)规范适用于新建1 000 mm轨距，采用齿轮齿轨驱动或齿轮齿轨+钢轮钢轨驱动，最高运行速度不超过120 km/h，最大坡度不超过480‰的山地(齿轨)轨道交通工程设计。

(3)Ⅰ型车具备轮轨黏着与齿轨并用特征，能适应≯250‰的坡道；Ⅱ型车能适应≯480‰的坡道，但只能应用于纯齿轨路段。

(4)坡度大于40‰的地段采用齿轮-齿轨驱动系统，可适应的最小曲线半径为150 m，应重点考虑大坡度引起的纵向力对路基、桥梁结构以及轨道稳定性产生的影响。