都江堰—四姑娘山山地轨道交通（简称都四山地轨道交通）工程位于横断山脉东缘，由高程~m的成都平原向高程~5m的青藏高原行进，起点为成灌高铁都江堰站，终点为四姑娘山站，全长.km，其中轮轨段长约.km、齿轨段长约11.km。新建车站11座、预留1座，桥隧比为97.78%（其中桥梁30.36%、隧道67.42%）。
都江堰至四姑娘山山地轨道交通扶贫项目效果图
齿轨铁路是一种适用于山地地区的爬坡铁路，该结构在钢轨中间安装平行于钢轨的齿条，并在列车下部安装可与齿条啮合的齿轮。通过齿条和齿轮的啮合，增强爬坡能力，减少线路展线长度，克服爬坡时黏着力不足等问题。齿轨铁路走行速度低（40km/h）、轨距窄、占地面积小、建设对环境破坏小、舒适便捷，适用于以观光旅游为主的大坡度山区铁路，距今已有年历史。目前国外已修建并投入使用的齿轨铁路约有余条，总里程达到km。
齿轨铁路工作原理
目前针对采用齿轨的山地轨道交通研究相对较少。牛悦丞等对齿轨铁路发展及应用现状进行了综合介绍；杨雪凇等对新型山地轨道交通牵引供电制式及供电能力进行了描述和计算，根据国内外研究现状，通过交流和直流制式的对比分析，最终推荐直流牵引+接触轨授流的供电方式，但文献并未提及车辆系统的选型原则及牵引供电系统和车辆系统如何匹配问题；徐剑等对城市轨道交通牵引供电制式进行探讨，推荐采用交流25kV制式，并提出新型车辆需与供电系统相互匹配，但文献并未分析轨道交通授流制式如何适应山地高海拔、多自然灾害等特点；喜来等对国外齿轨技术的发展和应用情况进行介绍，包括常见齿轨模式和应用情况、常见齿轨车辆及车辆的驱动制动；鄢红英等对齿轨在观光旅游线路中的应用进行分析并对车辆选型进行探讨；刘宗峰通过力学公式、有限元模拟得出七星山登山段适宜采用齿轨；余浩伟等对我国首部齿轨设计规范《山地（齿轨）轨道交通技术规范》进行解析。但是，既有研究主要集中在齿轨发展历史、车辆制式、选型等方面，由于齿轨轨道结构受力的特殊性，需加强对其研究和了解。
都四山地轨道交通工程是我国首个山地轨道交通，具有山区工程环境条件、轨道交通运营要求、创新系统关键技术的特点。高海拔、高地震烈度、不良地质、脆弱敏感的生态环境和景观要求等因素，对车辆和轨道类型、牵引供电制式等关键技术提出了全新要求。
都四山地轨道交通工程线路示意图
齿轨系统概况
1Marsh齿轨系统
年，美国工程师SylvesterMarsh设计了Marsh齿轨系统，由圆柱形钢棒连接2个L型角钢形成。机车上的小齿轮具有较深的齿，可确保至少2个齿始终与齿条咬合，有助于减少小齿轮上升和离开齿条的可能性。
Marsh齿轨系统
2Riggenbach齿轨系统
年，瑞士工程师NiklausRiggenbach设计了Riggenbach齿轨系统。该系统与Marsh齿轨系统相似，由固定间距排列的柱形或方形钢棒连接钢板或槽型钢，组成导轨梯架，最大爬坡能力达‰。该系统结构虽较为复杂，但便于制造，且具有较好的防脱轨和耐磨性能。该系统应用具有局限性，主要问题在于制造和加工成本高、齿轨铁路道岔复杂、固定梯架比其他系统更加复杂昂贵。
Riggenbach齿轨系统
3Abt齿轨系统
年，瑞士工程师CarlRomanAbt设计了Abt齿轨系统。Abt齿轨系统是Riggenbach系统的改良版，其在车轮上设置至少2排齿盘，且相邻齿盘上的齿交错排列。对应在轨道中部安装至少2根实心齿条，齿条之间的错动量与齿盘一致，当单个齿盘即将脱开与齿条的啮合时，相邻齿盘已进入与相对应齿条的啮合状态，始终保持齿盘和齿条啮合状态。相对于Riggenbach齿轨系统，Abt齿轨系统的齿条通过铣床铣削出准确的齿坑，可以实现更平滑地齿轮驱动，减少齿轨系统由于制造偏差或磨耗等因素造成齿轨纵向冲击，其最大爬坡能力也能达到‰。但由于受安装空间的限制，多排齿盘决定了啮合应力较大，因此其可适应的最大坡度较小。该齿轨系统的应用最广泛，世界上有72条山地铁路使用这一系统，其中包括世界著名山地铁路Arica—LaPaz(坐落在玻利维亚(Bolivia))美国派克峰铁路。
Abt齿轨系统
4Strub齿轨系统
年，美国工程师EmilStrub设计了Strub齿轨系统。该齿轨系统与Abt齿轨系统类似，只是Strub齿轨系统的基本形式为单根较宽的齿条结构，也就是将轧制平底钢轨或者厚钢板进行铣削，形成mm齿间距的齿条导轨，机车上的齿盘与其相啮合，防止脱轨并起到制动作用。利用现有扣件系统将该齿条导轨(钢轨)与轨枕进行连接或通过安装在两侧L型角钢和螺栓将其与轨枕连接，便于现场施工安装，有效防止齿轨的纵横向移动，最大爬坡能力也能达到‰。Strub齿轨系统结构简单、维修最便利，成本较低，并与Riggenbach齿轨系统具有兼容性，故越来越受到工程应用的青睐。
Strub齿轨系统
5Locher齿轨系统
年，美国工程师ThEduardLocher设计Locher齿轨系统。与前述齿轮设置于齿条顶部的驱动方式不同，Locher齿轨系统为在齿条两侧水平对称设置凸齿，利用2个安装在机车上的水平齿盘来驱动列车运行。Locher齿轨系统可以防止在更陡峭的路段齿盘爬上或跳出齿条，避免了脱轨危险。Locher齿轨系统具有较强的抗倾覆能力，即便在山区大风区段，仍能安全运行，非常适合大坡度地段。前4种齿条铁轨的应用山地坡度一般不大于‰，而Locher齿轨系统可以适应坡度达‰的线路。该系统的最大缺点是:因水平齿轮的存在，传统标准铁路道岔不再适用于该系统，并且必须使用转移平台或其他复杂设备实现列车的变换轨道。
Locher齿轨系统
车辆系统和速度目标值选择
1车辆系统
车辆系统是交通运输系统设备的核心，是确保系统安全、正点、高效运行的关键，同时是实现运输效益的实际载体。车辆系统选择主要取决于客运量与车辆制造设备的运能。
根据年客运量初期万人、近期万人和远期万人的预测，采用mm标准轨距铁路运量有较大富余，本着节约用地、减小工程及投资、保护自然环境的原则，采用轨距0mm米轨铁路。
车辆牵引系统、制动系统、车体等均可采用米轨铁路的成熟系统和部件，我国经过多年研究和工程实践，已有成熟的轨道交通车辆研制技术和丰富的城轨交通、高速铁路等轨道交通车辆设计经验，并具有整车自主知识产权，可满足国家发展和改革委员会对车辆国产化率的要求。
我国米轨铁路列车基本参数见下表，基本满足都四山地轨道交通工程对车辆系统的需求。
我国米轨铁路列车基本参数
2速度目标值系统
都四山地轨道交通工程的主要竞争是公路运输，为体现竞争优势，采用轨道交通出行的时间不应大于公路。针对不同速度目标值的轨道交通出行时间与公路进行对比。
不同交通形式出行时间对比
都四山地轨道交通工程齿轨段集中在邓生沟—巴朗山区段，越行速度限速40km/h，对节省时间意义不大，可考虑不越行；巴郎山站小里程端m处为Rm曲线，限速55km/h，至巴郎山站可供加速距离约m，按照0.5m/s2的加速度，通过巴郎山站速度可达到70km/h，可考虑越行。采用最高速度km/h列车，计算旅行速度为56km/h；采用最高速度km/h列车，计算旅行速度可达到68km/h。为保证一定的旅行速度富余，提高竞争力，推荐采用最高速度km/h列车，此速度目标值也能利用城市轨道交通成熟的技术体系，提高工程建设和运营的可靠性。
最大坡度与齿轨制式选择
设计采用的坡度大小对线路走向、长度、工程投资、运营费用、牵引质量及输送能力都有较大影响。因此，线路坡度选择是铁路设计的主要技术指标之一。结合都四山地轨道交通工程选用车辆性能特征及地形情况，最大坡度值按40‰考虑，齿轨段最大坡度值按‰考虑。
目前国外已建成的齿轨铁路约条，总里程超过km，主要分布在瑞士、德国、法国、奥地利、日本和澳大利亚等国家，齿轨铁路通过安装在车轴上的齿盘与铺设在轨道上的齿条相啮合，可克服黏着力不足问题，爬坡能力强，可缩短展线长度；齿轨铁路运行速度较慢，适宜旅游观光。
目前世界上列车可攀爬的坡度达到‰，较著名的线路有德国海拔最高铁路——楚格峰齿轨铁路、全球最陡铁路——皮拉图斯齿轨铁路、欧洲第一条齿轨铁路——瑞吉山铁路、欧洲海拔最高铁路——少女峰齿轨铁路，以及堪称世界旅游轨道交通典范的瑞士黄金快线等。
主流齿轨制式性能对比
结合上表及欧洲齿轨铁路的应用经验，Strub和Riggenbach制式均满足都四山地轨道交通工程的运营要求，且导轨结构简单，性能稳定，拟采用Strub和Riggenbach2种齿轨制式。
新型齿轨列车线路适应性强，通过齿轨与黏着组合驱动，既能适应‰的大坡度运行，也能适应40‰及以下常规轮轨坡道，且轮轨与齿轨间换轨运行无须乘客换乘，方便了乘客出行。
牵引供电制式选择
综合考虑地形、速度标准、牵引质量及节能环保等方面影响，都四山地轨道交通工程牵引种类选择电力牵引。合理的牵引供电制式是解决牵引供电系统能力的基础，也是影响全线投资的主要因素。线路需兼顾旅游、沿线扶贫和通勤快线功能，可采用的牵引供电制式主要有单相工频25kV交流制或直流牵引供电制式。
AC25kV适用于运量大、负荷重、速度高、运输距离长的干线电气化铁路，采用该制式可大幅减少牵引变电所及外部电源引入数量，牵引网载流截面小，可节约牵引供电系统投资，对高速重载牵引负荷适应性好，国内外大部分铁路均采用此种制式。同样因其电压等级高，绝缘距离要求较大，对土建净空及隧道断面要求也较大。
DCV和DCV适用于列车功率小、供电半径小、列车密度高、站间距小且起动频繁的城市轨道交通供电系统。由于电压等级低，绝缘距离相对较小，因此对土建净空要求较小。
DCV与DCV供电制式对比
经过综合考量，都四山地轨道交通工程牵引供电系统采用AC25kV或DCV供电制式，均可满足供电能力需求。
牵引受流制式选择
轨道交通运用较多的受流方式主要有接触轨受流和接触网受流2种形式，能承载不同供电制式和不同电压等级，2种方式的受流特点、安装位置及其配套车辆的受流系统也存在一定差异。
接触轨受流方式是将接触轨沿走行轨敷设，列车通过安装在转向架两侧的集电靴与其接触取电。接触网受流方式分为柔性架空接触网和刚性架空接触网2种。接触网架设在线路上方，列车通过安装在车顶的受电弓与接触线接触取电。接触网和接触轨二者对建筑限界、直接工程投资、运营维护等的要求如下：
（1）设备选型及安装方式不同。二者安装支撑结构、隔离开关、分段设备等技术参数及构造截然不同。
（2）电分段布置不同。接触网电分段布置在有牵引变电所的车站一端附近；接触轨电分段布置在有牵引变电所的车站两端，即在线路惰性侧布置电分段。
（3）限界要求不同。接触网约占用接触线上方mm安装净空；接触轨安装位置在机车底部侧面，约占用结构mm×mm的安装净空。接触网隔离开关安装在行车方向右侧线路边缘侧墙或立柱上，3台隔离开关占用安装净空为0mm（长）×0mm（高）×mm（厚）；接触轨隔离开关采用隔离开关柜，需要安装在车站两端设备房内，所需设备房的面积约为35m2，同时还要敷设相应的电缆。
（4）运营维护。接触轨的运营维护主要集中在清洗、更换支持绝缘子，调整和处理接触轨不平顺和弯头、防爬器，检查和防止零部件、电缆被盗，绝缘防护罩损坏，以及线路两侧防护栅栏被盗和损坏等；架空悬挂接触网的运营维护主要集中在清洗、更换支持绝缘子，调整和处理接触悬挂，检查和更换磨耗到位的接触线等。
2种受流制式参数对比见下表。
2种受流制式参数对比
考虑到都四山地轨道交通工程所在区域环境敏感，环保、景观要求高，不适宜采用接触网形式，建议采用接触轨供电方式，并研发相关安全保护措施。
结束语
山地（齿轨）轨道交通建设标准应根据项目功能定位及所处位置，结合线路长度、车站分布、运输组织模式需求、工程条件、旅游观光需要等因素研究确定。对于非景区内部的山地（齿轨）轨道交通，还应考虑乘客在途时间目标要求。
山地轨道交通与常规地铁相比，外部环境发生了明显变化，对车辆、土建、供电等系统方案和接口产生了较大影响。最终系统制式的选取取决于系统特点及其技术经济性。
根据都四山地轨道交通工程特点，最终采用米轨+齿轨+DCV接触轨供电的组合制式，属于世界首次采用，作为我国齿轨与传统轮轨相结合技术研发的试验线和推广线，其建设有利于重点掌握和深化关键技术，形成新型制式轨道交通系统成套技术，加快实现向全国推广齿轨与传统轮轨相结合的旅游观光轨道交通，进一步推动轨道交通新制式的产业发展。
END
文献来源
（1）都四山地轨道交通关键技术创新研究（《中国铁路》年第3期）
（2）齿轨铁路齿轨系统及轨下基础研究
（《中国铁路》年第3期）
作者介绍
（1）章玉伟四川省铁路产业投资集团有限责任公司
唐勇四川省铁路产业投资集团有限责任公司
（2）井国庆北京交通大学
杜文博北京交通大学
蔡向辉中铁第一勘察设计院集团有限公司陕西省铁道及地下交通工程重点实验室
苏成光中铁第一勘察设计院集团有限公司陕西省铁道及地下交通工程重点实验室
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