张家界七星山齿轨铁路轨道技术研究

蔡向辉,张 乾,贺天龙

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043； 2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院)，西安 710043； 3.北京交通大学，北京 100044)

齿轨铁路是一种山地铁路，相较于普通铁路而言，具备更加卓越的爬坡能力，最大爬坡坡度可达48%，而一般铁路可以攀爬的坡度仅为4%～6%。由于齿轨铁路能克服轮轨间黏着力不足问题，增大爬坡坡度，因此可减少展线长度，这对旅游景区及环保要求高的地区环境影响较小，对沿线植被及地质环境能起到有效的保护作用，并降低工程造价[1]，因此适用于山区坡度较大的登山旅游观光线路以及矿井内的辅助运输系统，其运行速度一般不大于40 km/h[2]，轨距一般为800～1 000 mm[3]。

齿轨铁路发展至今已有150年的历史[4]，目前共有近30个国家已经开通180多条各式齿轨铁路，较为成熟的齿轨系统主要有Riggenbach、Abt、Locher、Strub 4种系统，广泛应用于美国和欧洲等山地路段。图1为瑞士少女峰齿轨铁路，其最大坡度为25%。国内的都江堰、张家界和九寨沟等多地均已着手筹划齿轨铁路的规划、建设，同时，为适应齿轨铁路发展的需求，四川省于2019年颁布了《山地(齿轨)轨道交通技术规范》。

图1 瑞士少女峰齿轨铁路

1 齿轨铁路研究现状

相比于传统依靠轮轨蠕滑运行的线路，齿轨铁路的显著特点是轨道中间铺设有一条与钢轨平行的传动设施，一般为齿条，同时在车辆上(通常为转向架中部)安装有相匹配的啮合齿轮。当车辆行驶在大坡度地段时，齿轮与齿条之间的啮合力可以克服钢轮与钢轨间黏着力不足的问题，从而具备较大的爬坡能力。

为促进产业升级，提升景区开发，提高旅游与交通融合[5]，张家界七星山景区规划了国内首个采用现代客运齿轨专线的标准米轨铁路[5]。已规划的线路坡度大(25%)、半径小(120m)、曲线多、物资运输困难、施工不便、养护维修无成熟机械[6]。针对此项目特点，需对轨道系统进行专项研究。

目前国内对于客运齿轨铁路的铺设与运营尚属空白，与其配套的规范也初见雏形，相关的研究十分缺乏。牛悦丞等介绍了几种常见齿轨铁路车辆及轨道的特点，对齿轨车辆转向架形式及驱动制动等相关技术进行说明[7]；刘宗峰对既有规范所规定的桥梁荷载内容，按动态和静态状况下进行了比较分析[8]；李发福等结合工程实际特点，对齿轨车的适用条件进行了总结[9]；尚勤、喜来对国外齿轨铁路的发展与应用现状进行了梳理与总结归纳10-11]；鄢红英、冯帅、陈厚文等对齿轨铁路在山区和景区的发展前景进行了展望与总结[12-15]。

由此可见，既有研究内容较为单一且缺乏，仅有少数研究人员对国外齿轨铁路的发展运营状况进行了综述与展望，国内尚未有针对齿轨铁路轨道结构而开展的系统研究与应用。国外既有线路运营经验和研究主要以有砟道床为主，随着我国高速铁路无砟轨道理论及技术的创新，其应用于齿轨铁路可显著减小既有大坡道有砟轨道沉落整修工作、降低稳定性不良风险，提高旅客舒适度。

因此，从工程实际角度出发，基于Strub齿轨啮合系统，提出适用于齿轨铁路的无砟轨道结构，并对该无砟轨道结构的各部件构成及结构适用性进行了介绍，可为齿轨铁路在国内的建设与运营提供参考，为齿轨铁路的研究工作提供新思路与新方向。

2 齿轨铁路无砟轨道

国外齿轨交通系统主要采用有砟轨道，道床纵向稳定性差，道砟易滑落，线路养护维修工作量大。而当采用既有无砟轨道结构时，又会出现轨道与下部基础工程结合面弱、纵向稳定性不足等问题[16]，无法为齿轮提供稳定啮合条件。

本文研究了一种用于大坡度地段的齿轨铁路桁架枕式无砟轨道结构，能够在超大坡道地段，适应不同线下基础，并具有轨枕与道床联接性强、轨道结构纵向稳定性好、养护维修工作量小等优点，且与传动设施接口简单，能有效降低齿轨铁路啮合不良风险。

其主要结构包括在大坡度地段沿线路方向设置的道床板、桁架式轨枕、钢轨、齿轨、扣件、齿轨紧固件、齿轨传动设施等[17]，如图2所示。

图2 齿轨铁路无砟轨道结构

2.1 路基地段

在路基地段，该轨道结构设计为双层结构，如图3所示，道床板底部设置有底座，底座设置于路基结构之上，具体研究设计思路如下。

(1)道床板通过连接件固定到底座上。连接件为钢筋，包括Z形钢筋或其他形式钢筋，横向均匀分布，纵向等间隔排列，上部伸入道床板内并与道床板内钢筋绑扎连接，下部埋入底座内[18]。

(2)道床板沿线路方向呈单元布置时，底座沿线路方向的下坡端向下扩大形成锚固台，锚固台与底座一体浇筑成型。

(3)道床板沿线路方向呈连续布置时，底座底面沿线路方向间隔设置锚固台，锚固台与底座一体浇筑成型。

(4)锚固台为不等厚的梯形结构，底面水平，底部埋入到路基结构中。锚固台横向居中布置。

图3 路基地段齿轨无砟轨道结构

2.2 桥隧地段

在桥梁或隧道地段，轨道结构设计为单层，道床板通过连接件直接固定连接于桥梁或隧道的仰拱上，如图4所示，具体研究设计思路如下。

(1)固定到桥梁上时，连接件为钢筋，包括Z形钢筋或其他形式钢筋，横向均匀分布，纵向等间隔排列，上部伸入道床板内并与道床板内钢筋绑扎连接，下部埋入桥梁内。

(2)固定到隧道仰拱时，连接件为膨胀螺栓，横向均匀分布，纵向等间隔排列，上部伸入道床板内，下部埋入隧道仰拱内。

图4 隧道地段齿轨无砟轨道结构

3 轨道部件

相比于普通铁路，钢轨、扣件等可与既有无砟轨道系统通用，但齿轨铁路由于中间设置了需连续铺设的齿轨系统，其轨枕、道岔等部件需重新设计研究。

3.1 齿轨

齿轨轨条是齿轨列车的动力基础，列车齿轮通过与齿条的啮合提供运行动力，克服列车重力和线路阻力[19]。目前国外较为成熟的齿轨铁路的齿轨系统主要有4种(图5)。表1为国外较典型的齿轨交通主要技术方案。

图5 齿轨系统

表1 国外齿轨交通主要技术方案

Riggenbach系统的齿轨由两块钢板中间间隔设置圆柱形钢条连结而成，该系统制造简单、维护方便、但啮合精度较低、养护维修工作量大，是最早的轮轨啮合制式。

Abt系统是通过数控机床在钢板上铣割出与齿轮啮合的齿坑。因此制造精度比Riggenbach系统更高，一般两、三条配合使用，在齿轨车上配相同数量的齿，可保证至少有一个齿轮是啮合的。

与前面两种不同，Locher系统配套的车啮合轮是水平旋转的，车辆的两个啮合轮在齿条的两侧啮合前进，不易出现齿轮跳齿现象。

Strub齿条与Abt齿条相似，只采用一条较宽的齿条，制造简易，维修便捷。齿轨通过紧固件与铁垫板相连，铁垫板固定于轨枕中间，防止齿轨纵横向位移。

齿轮齿条系统选择需综合考虑与下部基础、车辆及爬坡坡度等因素，并结合线路工程实施条件、观光铁路的沿线环境特点与运输组织灵活性，并尽可能减少养护维修工作量。

Strub系统结构原理简单明了、加工制造精度高、养护维修简单、性价比高。可作为齿轨铁路在山区旅游项目中的主要形式。

齿轨和齿轮需高度精确匹配来减小磨耗、降低噪声，因此车辆上的齿轮和齿轨应系统设计，齿轨形状比例、断面形状和技术要求应当明确而具体，并根据列车齿轮断面对齿槽的结构形式进行对比分析，选择合适的齿槽材料、形状比例、断面形状等。齿轨与轨枕间通过齿轨紧固件固定。

3.2 轨枕

传统轮轨系统所用的混凝土轨枕，为便于维修人员行走，中部设计平整，在进行齿条固定时，齿条与轨枕顶面之间间距过大，需要通过加高扣件高度来固定齿条，因此易造成齿条扣件高度较高而刚度较小，且安装不便，齿轮与齿条啮合过程中存在齿条稳定性较差的问题。

为解决传统轨枕用于齿轨铁路时存在的上述问题，设计了一种适用于齿轨铁路无砟轨道的轨枕结构，如图6所示，其包括轨枕、齿条承轨台、扣件、预埋套筒等主要构件，主要研究思路如下。

(1)轨枕两段承轨处表面平齐，中部设置承齿台，承齿台侧面与轨枕顶面倒角顺接，倒角顺接角度120°～150°。

(2)齿条采用相对承接式，接头设置于轨枕上，通过L形角钢与承齿台相连。

(3)为适用于无砟道床地段，轨枕底部设置桁架钢筋，增加轨枕高度，增强了与道床混凝土的连接能力，可以有效阻止轨枕纵、横向移动[20]。

(4)预埋套筒在轨枕两端及中间承轨台两侧对称布置。

该轨枕结构可方便齿条的安装与固定，提高齿条固定的稳定性。轨枕预埋套筒保证了齿轨钢轨件之间可靠连接，下部设置桁架式钢筋，保证轨枕与道床混凝土的紧密连接[21]。该轨枕降低了齿条固定高度，保证了齿轨铁路在大坡道地段的轨道结构稳定性和安全性。

图6 轨枕

3.3 道岔

由于齿轨铁路在两股钢轨之间加装了齿条，轨道体系发生改变，因此需设计与齿轨铁路轨道结构相匹配的股道转换系统。结合Strub齿轨系统的安装方式，道岔区轨道结构形式通常有以下3种方案，如图7所示。

方案1采用传统转辙机拉杆槽形式，在齿轨上安装转辙机实现转换功能，结构简单，安全可靠，对道岔结构影响最小。但两线路中钢轨与齿轨均存在有害空间，当其设置于大坡道上时，存在脱轨的风险。

方案2采用翻转尖轨方式，适用于Y形对称道岔，对一般的单开道岔使用受限，对下部基础结构的强度、翻转结构的精度等要求较高，道岔结构需进行较大调整。

方案3采用基本轨、尖轨和齿轨同时拉动平移的形式，转辙机额定转换力要求高，动作杆动程大，动作时间长，对基础工程沉降、结构精度要求高。

图7 齿轨铁路岔区设计方案

综合可知，以上3种道岔设计方案，均可适用于齿轨铁路。其中方案3相比其他两个方案结构简单，对既有普通道岔进行部分改造即可，对转辙设备的要求改变不大，因此在正线地段推荐采用。但以上3种方案道岔如用于车辆段，则道岔设备配置数量多，场段占地面积大，股道转换繁琐。对于山区旅游线路，则投资规模大，养护维修工作频繁，运营调度复杂。

基于山区旅游线路车辆编组小、轴重轻的特点，提出一种旋转圆盘式齿轨股道转换结构，包括旋转圆盘平台和旋转齿轨轨道，旋转圆盘平台表面铺设旋转齿轨轨道，轨道一端为入口，一端为出口，如图8所示。

图8 旋转圆盘式齿轨股道转换结构

旋转齿轨轨道包括两股钢轨和钢轨之间的齿轨，旋转圆盘平台旋转时，旋转齿轨轨道的入口和出口接入不同的齿轨基本轨道。旋转圆盘平台表面设置有钢轨槽和齿条槽，钢轨和齿条分别铺设于钢轨槽和齿条槽内。按照本线车辆编组特点，圆盘平台能承受不小于一列编组长度和荷载(3辆编组)。

旋转圆盘式齿轨股道转换结构技术条件如下。

(1)旋转圆盘平台底面中央设置有竖向轴套，路基圆形槽内对应位置设置有竖向轴，竖向轴插入竖向轴套，旋转圆盘平台绕竖向轴旋转。

(2)旋转圆盘平台底面中央的传动组件包括驱动电机、驱动齿轮和圆盘齿轮；圆盘齿轮环套于竖向轴套外，驱动齿轮位于竖向轴套侧面并与圆盘齿轮啮合，驱动齿轮的轴向为竖直方向，安装到驱动电机的输出端，驱动电机带动驱动齿轮转动，通过圆盘齿轮传动从而带动旋转圆盘平台绕竖向轴旋转。

(3)旋转圆盘平台底面边缘设置有滑行轮，滑行轮位于圆形槽边缘环周设置的环形滑行道上。

(4)旋转圆盘平台底面设置有3处滑行轮，环周均匀布置。滑行轮与环形滑行道接触以支撑旋转圆盘平台平稳滑行和保证旋转圆盘平台平衡。

(5)在驱动电机发生机械故障时，旋转圆盘平台可通过人工旋转方式以保证旋转圆盘平台正常运行。

(6)旋转圆盘平台外包括至少一股前齿轨基本轨道和至少两股后齿轨基本轨道，基本轨道也包括两道钢轨和钢轨之间的齿条。旋转圆盘平台旋转时，旋转齿轨轨道的入口与前齿轨基本轨道对接，出口与后齿轨基本轨道对接。

通过旋转圆盘平台，可使齿轨列车从一股道平稳、可靠地进入多股道，能减少股道众多区域普通齿轨道岔和转换设备设置数量和齿轨养护维修工作量；满足齿轨列车安全、可靠地从本股道进入多条股道的需求，打破了普通齿轨道岔只能进行特定股道的转换局面；结构实用、简单、方便，且具有一定的安全储备。

4 结语

七星山特殊的地质地貌状况使得线路不具备展线条件，而齿轨铁路适用的大坡度可满足旅游线路走向需求。本文提出的无砟轨道可适应不同线下基础，并具有轨枕与道床联接性强、轨道结构纵向稳定性好、养护维修工作量小等优点，且与传动设施接口简单，能有效降低齿轨铁路啮合不良风险,可满足七星山旅游观光火车项目对轨道的要求，并可为齿轨铁路在我国的建设与发展提供新思路和新方向。