《山地(齒軌)軌道交通技術(shù)規(guī)范》主要內(nèi)容解析

余浩偉,徐銀光,林世金

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031)

1 概述

一直以來(lái)，為便于專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員正確理解、運(yùn)用相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，規(guī)范主編人員較為重視對(duì)規(guī)范的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解讀，并借此對(duì)規(guī)范編制理念進(jìn)行宣貫。如孫海富[1-2]對(duì)《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》《市域鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了介紹，柳世輝[3]、匡亮[4]、李海光[5]等分別對(duì)《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》修訂內(nèi)容進(jìn)行了評(píng)析，李秋義[6]、余超等[7-10]分別對(duì)《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》《鐵路通信設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行了解讀。

齒軌鐵路是目前唯一具有超大爬坡能力的軌道交通制式，通過(guò)列車(chē)齒輪與軌道齒條的嚙合作用，可適應(yīng)480‰以下坡度的需要[11-19]?！渡降?齒軌)軌道交通技術(shù)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱“《規(guī)范》”)是國(guó)內(nèi)首部關(guān)于齒軌鐵路的設(shè)計(jì)規(guī)范，由中鐵二院主編，于2018年12月正式批準(zhǔn)發(fā)布實(shí)行，《規(guī)范》按綜合性設(shè)計(jì)規(guī)范編制，由范圍、規(guī)范性引用文件、術(shù)語(yǔ)和定義、總則、總體設(shè)計(jì)、行車(chē)組織和運(yùn)營(yíng)管理、車(chē)輛、限界、線路、路基、橋梁結(jié)構(gòu)、隧道、軌道、站場(chǎng)、供電、電力、通信、信號(hào)、信息、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、車(chē)輛基地、綜合維修、給水和排水、車(chē)站建筑、供暖通風(fēng)空調(diào)、環(huán)境保護(hù)26章組成[20]。

規(guī)范編制過(guò)程中，編制組充分借鑒了鐵路、地鐵等軌道交通的成熟建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，充分體現(xiàn)了齒軌鐵路的“齒軌牽引、極大坡度”的鮮明技術(shù)特點(diǎn)和“以旅游為主、兼顧客貨運(yùn)”的應(yīng)用需求，在總體設(shè)計(jì)、行車(chē)組織、土建工程、供電方式、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等方面做了積極的探索與創(chuàng)新。

2 編制背景

2.1 是滿足國(guó)內(nèi)齒軌鐵路建設(shè)的需要

近年來(lái)，齒軌鐵路因?yàn)閾碛衅渌壍澜煌ú痪邆涞某笈榔履芰Χ艿街匾?，四川省率先啟?dòng)了首條齒軌鐵路—都江堰至四姑娘山山地軌道交通項(xiàng)目建設(shè)工作，項(xiàng)目位于四川省成都市和阿壩州境內(nèi)，東起成灌高鐵都江堰站，向西經(jīng)虹口、龍池、映秀、耿達(dá)、臥龍、鄧生溝、巴朗山，止于阿壩州小金縣四姑娘山鎮(zhèn)，地理位置如圖1所示。線路全長(zhǎng)123.2 km，全線新建車(chē)站12個(gè)，車(chē)輛基地1座。正線為雙線，采用1 000 mm軌距，限制坡度輪軌段40‰、齒軌段120‰，最小曲線半徑一般800 m，困難條件下200 m，采用DC1500V第三軌供電和兼具黏著與齒軌牽引能力的動(dòng)車(chē)組。建設(shè)工期72個(gè)月。

圖1 都四項(xiàng)目地理位置示意

此外，四川省還組織編制了《四川省山地軌道交通規(guī)劃》，擬在全川建設(shè)齒軌鐵路2 000余km，覆蓋全省不通鐵路的地州以及5A等重要旅游景點(diǎn)。

在眾多項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)之初，面臨無(wú)規(guī)范可依的尷尬局面，亟待按照“標(biāo)準(zhǔn)先行”的理念，立項(xiàng)編制規(guī)范，以為項(xiàng)目的實(shí)施提供依據(jù)和指導(dǎo)，并為后續(xù)相關(guān)施工驗(yàn)收、產(chǎn)品制造等規(guī)范的編制奠定基礎(chǔ)。

因此，本規(guī)范的編制是滿足都江堰至四姑娘山等國(guó)內(nèi)齒軌鐵路建設(shè)的需要。

2.2 是進(jìn)一步豐富我國(guó)軌道交通技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的需要

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，我國(guó)鐵路及城市軌道交通標(biāo)準(zhǔn)日趨完善，形成了完善的軌道交通技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，涵蓋規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收、運(yùn)營(yíng)全過(guò)程，為我國(guó)軌道交通建設(shè)奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。然而，縱觀國(guó)內(nèi)已有的軌道交通相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，主要集中在已有的普速鐵路、高速鐵路、重載鐵路、地鐵、輕軌、市域鐵路、跨座式單軌、有軌電車(chē)等制式領(lǐng)域，尚無(wú)針對(duì)山地軌道交通的齒輪齒軌特殊制式以及旅游觀光特殊應(yīng)用范圍的相關(guān)規(guī)范。作為今后軌道交通發(fā)展的重點(diǎn)方向之一，齒軌鐵路相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的缺失亟待補(bǔ)充完善。

因此，本規(guī)范是國(guó)內(nèi)軌道交通技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的重要補(bǔ)充，對(duì)于進(jìn)一步豐富我國(guó)軌道交通技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系具有重要意義。

3 編制的總體思路與原則

3.1 總體思路

《規(guī)范》編制之初，國(guó)內(nèi)尚無(wú)任何齒軌鐵路建設(shè)以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在對(duì)國(guó)外齒軌鐵路進(jìn)行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，依托四川省科技支撐計(jì)劃《齒軌鐵路工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)》等課題的科學(xué)研究成果，結(jié)合國(guó)內(nèi)軌道交通的建設(shè)運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)編制而成。

編制的總體思路是：以保證安全為根本，充分借鑒成熟經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)突出齒軌特色技術(shù)，提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性，滿足四川當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)需要。

3.2 編制原則

(1)定位為齒軌鐵路設(shè)計(jì)的總體性規(guī)范，具體條款或參數(shù)以控制性要求為主，重點(diǎn)做好涉及安全的相關(guān)條款的規(guī)定。

(2)充分借鑒國(guó)內(nèi)鐵路、城市軌道交通的成熟技術(shù)，認(rèn)真吸取國(guó)外齒軌鐵路的成熟經(jīng)驗(yàn)與失敗教訓(xùn)，注意與其他相關(guān)軌道交通標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的協(xié)調(diào)性。

(3)根據(jù)齒軌鐵路“齒軌牽引、極大坡度”的鮮明技術(shù)特點(diǎn)，重點(diǎn)做好軌道和土建結(jié)構(gòu)的研究與創(chuàng)新。

(4)充分認(rèn)識(shí)齒軌鐵路 “小運(yùn)量+旅游軌道交通” 的總體定位和“以旅游為主、兼顧客貨運(yùn)”的應(yīng)用需求，注重項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性，減小不影響安全性的備用功能及設(shè)計(jì)富余量，實(shí)行靈活的運(yùn)營(yíng)組織模式。

(5)充分體現(xiàn)地域特點(diǎn)和地方自然環(huán)境特色。

4 適用范圍與主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

明確規(guī)范適用于新建1 000 mm軌距，采用齒輪齒軌驅(qū)動(dòng)或齒輪齒軌+鋼輪鋼軌驅(qū)動(dòng)，最高運(yùn)行速度不超過(guò)120 km/h，最大坡度不超過(guò)480‰的山地(齒軌)軌道交通工程設(shè)計(jì)。

4.1 軌距

考慮齒軌鐵路應(yīng)用場(chǎng)景多在旅游景區(qū)，應(yīng)盡量減少占地面積，結(jié)合最高運(yùn)行速度要求，確定軌距為1 000 mm。

4.2 最大坡度

坡度越大，對(duì)于地形的適應(yīng)性越好，但對(duì)于車(chē)輛以及軌道、土建工程的要求越高，根據(jù)國(guó)外實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀綜合確定最大為480‰。

4.3 驅(qū)動(dòng)方式

為了提高齒軌鐵路運(yùn)行速度、滿足長(zhǎng)大距離建設(shè)齒軌鐵路的需要，提出了齒輪齒軌+鋼輪鋼軌驅(qū)動(dòng)的要求，坡度≥40‰時(shí)采用齒軌驅(qū)動(dòng)，坡度<40‰時(shí)采用鋼輪鋼軌驅(qū)動(dòng)。

4.4 最高運(yùn)營(yíng)速度

綜合考慮1 000 mm軌距鐵路實(shí)際最高運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)、齒軌鐵路應(yīng)用環(huán)境、黏著地段與齒軌地段車(chē)輛功率匹配關(guān)系等因素，最高運(yùn)營(yíng)速度暫定為120 km/h，可基本保證需要。

5 主要技術(shù)內(nèi)容

5.1 山地(齒軌)軌道交通定義

目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有關(guān)于山地(齒軌)軌道交通的明確定義，本規(guī)范定義為：位于山地環(huán)境，服務(wù)于旅游景區(qū)內(nèi)部、景區(qū)之間以及沿線主要城鎮(zhèn)的客貨運(yùn)輸，可滿足40‰～480‰最大坡度的低運(yùn)量軌道交通系統(tǒng)。

5.2 總則

規(guī)定齒軌鐵路主要服務(wù)于山地旅游景區(qū)內(nèi)部、景區(qū)之間以及沿線主要城鎮(zhèn)的低運(yùn)量客貨運(yùn)輸，宜自成體系獨(dú)立運(yùn)營(yíng)。對(duì)設(shè)計(jì)年度、建設(shè)規(guī)模、環(huán)保及景觀要求等進(jìn)行了明確，著重強(qiáng)調(diào)了工程設(shè)計(jì)應(yīng)注重項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性，嚴(yán)格控制建設(shè)規(guī)模和系統(tǒng)配置，合理采取降低工程造價(jià)和有利于節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本的措施。

5.3 總體設(shè)計(jì)

對(duì)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、綜合選線、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等進(jìn)行了規(guī)定，重視投資控制，要求從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)方案、系統(tǒng)設(shè)備選型、工程措施和施工組織設(shè)計(jì)等多方面進(jìn)行比選。規(guī)定齒軌路段宜集中設(shè)置，針對(duì)山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的特點(diǎn)，要求對(duì)危及行車(chē)及設(shè)備安全的地質(zhì)災(zāi)害以及重要橋梁、隧道、邊坡等結(jié)構(gòu)物進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

5.4 行車(chē)組織和運(yùn)營(yíng)管理

提出了大小交路、多交路運(yùn)行、站站停運(yùn)行、跳站運(yùn)行、快慢車(chē)越行、專(zhuān)列直達(dá)運(yùn)行、上下行不對(duì)稱運(yùn)行等滿足不同功能需求的運(yùn)營(yíng)組織方案，要求初期高峰時(shí)段每小時(shí)發(fā)車(chē)對(duì)數(shù)不宜小于6 對(duì)；對(duì)齒軌路段下坡限速值不宜超過(guò)上坡限速值進(jìn)行了規(guī)定。

針對(duì)旅游景區(qū)淡、旺季客流差別較大的特點(diǎn)，要求車(chē)輛編組方式應(yīng)靈活可變，高峰時(shí)段多編組重聯(lián)運(yùn)行、平峰時(shí)段短編組獨(dú)立運(yùn)行，減少淡季時(shí)的空車(chē)數(shù)量，節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本；從乘客對(duì)于旅游旺季的乘車(chē)舒適度要求不太高出發(fā)，規(guī)定設(shè)置4人/m2的站席、提高列車(chē)定員，大幅壓縮系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模以及上線列車(chē)數(shù)量。

5.5 車(chē)輛

明確提出了車(chē)輛的主要技術(shù)規(guī)格要求、車(chē)輛使用條件以及車(chē)輛安全及應(yīng)急措施，對(duì)車(chē)輛在輪軌段運(yùn)行能力、齒軌段運(yùn)行能力、黏著和齒軌路段的牽引切換能力等進(jìn)行了規(guī)定。提出了Ⅰ、Ⅱ型兩類(lèi)山地(齒軌)軌道交通車(chē)輛的技術(shù)要求，其中Ⅰ型車(chē)具備輪軌黏著與齒軌并用特征，能適應(yīng)坡度≯250‰的坡道；Ⅱ型車(chē)爬坡能力更強(qiáng)，能適應(yīng)坡度≯480‰的坡道，但只能應(yīng)用于純齒軌路段，車(chē)輛主要技術(shù)要求詳見(jiàn)表1。規(guī)定在海拔3 000 m及以上地段使用的車(chē)輛，客室內(nèi)宜配備供緊急情況下使用的乘客供氧裝置。

表1 車(chē)輛主要技術(shù)要求

5.6 線路

黏著和齒軌路段的最小平面曲線半徑分別為800 m和200 m，圓曲線夾直線最小長(zhǎng)度分別為40 m和15 m，最小豎曲線半徑分別為6 000 m和1 000 m(時(shí)速20 km/h時(shí)可減小到500 m)，提出了入齒裝置以及齒軌地段設(shè)置車(chē)站的條件。

5.7 線下基礎(chǔ)

強(qiáng)調(diào)齒軌段路基應(yīng)結(jié)合降雨和地震工況進(jìn)行路基局部縱向穩(wěn)定性分析，安全系數(shù)宜取1.15～1.25?？紤]齒軌運(yùn)營(yíng)調(diào)度相對(duì)靈活，邊坡破壞的搶修條件相對(duì)寬松，可對(duì)永久邊坡下限值適當(dāng)降低。提出了重大不良地質(zhì)防控技術(shù)要求。

規(guī)定了橋梁結(jié)構(gòu)的計(jì)算荷載、變形限值以及結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)等內(nèi)容，齒軌路段宜采用連續(xù)剛架結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)充分考慮大坡度對(duì)橋梁受力、預(yù)應(yīng)力鋼束布置、支座受力及布置形式的影響。

5.8 軌道

規(guī)定在坡度大于40‰的地段采用齒輪-齒軌驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其可適應(yīng)的最小曲線半徑為150 m，齒軌類(lèi)型選擇與結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮線路坡度、車(chē)輛參數(shù)及環(huán)境溫度等因素，對(duì)齒軌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性等進(jìn)行計(jì)算后確定。齒輪-齒軌系統(tǒng)的齒廓線宜采用漸開(kāi)線形式，齒軌模數(shù)可采用非標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)；輪軌磨耗至極限容許狀態(tài)下，齒輪-齒軌嚙合系統(tǒng)滑動(dòng)系數(shù)≯4，齒頂間隙應(yīng)≮0.25倍模數(shù)(mm)。齒輪-齒軌嚙合系統(tǒng)重疊系數(shù)不宜小于1.3。齒軌路段軌枕宜采用鋼枕，扣件設(shè)計(jì)應(yīng)考慮齒軌結(jié)構(gòu)的縱向阻力要求。在不能滿足軌道結(jié)構(gòu)縱向穩(wěn)定性要求的路段，可額外采取縱向防爬措施。

明確齒軌道岔應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，可選擇整體平移式、單端整體平移式、齒軌非覆蓋導(dǎo)曲線鋼軌的轍岔式、齒軌覆蓋導(dǎo)曲線鋼軌的轍岔式等不同結(jié)構(gòu)，道岔齒條可采用與區(qū)間不同的齒軌類(lèi)型，但強(qiáng)度等級(jí)及材質(zhì)要求不得低于相鄰區(qū)間齒軌，扣壓件及道床形式宜與相鄰區(qū)間一致。

規(guī)定齒軌過(guò)渡裝置宜采用多段式入齒結(jié)構(gòu)，保證齒軌列車(chē)以一定速度直接從黏著路段駛?cè)臊X軌路段，并實(shí)現(xiàn)齒輪與齒軌間準(zhǔn)確有效嚙合。過(guò)渡裝置駛?cè)攵说撞繎?yīng)采取豎向彈性支撐，在發(fā)生頂齒時(shí)駛?cè)攵丝上蛳逻\(yùn)動(dòng)，以保證車(chē)輛運(yùn)行的安全性。

5.9 車(chē)站

由于道岔結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，車(chē)站咽喉區(qū)布置應(yīng)在滿足車(chē)站接發(fā)車(chē)能力要求的基礎(chǔ)上，減少正線上的道岔數(shù)量，但每2～3個(gè)車(chē)站或20～30 km范圍內(nèi)應(yīng)有1個(gè)車(chē)站設(shè)置渡線，朝向根據(jù)維修車(chē)間(工區(qū))的位置確定。

5.10 供電系統(tǒng)

規(guī)定牽引供電制式可采用單相工頻交流(25 kV)、直流牽引供電制式(DC1500V)或混合供電制式，對(duì)外部電源、接地方案等進(jìn)行了明確。規(guī)定了變電所、不同接觸網(wǎng)系統(tǒng)授流方式等的相關(guān)要求，并特別提出，從環(huán)保角度考慮，采用接觸軌授流時(shí)應(yīng)設(shè)置特殊的防護(hù)罩，以防止沿線小動(dòng)物意外觸電。

5.11 信號(hào)

為保證道岔設(shè)備的正常使用，規(guī)定每20年年平均降雪日達(dá)到10 d及以上的項(xiàng)目，應(yīng)設(shè)置適應(yīng)輪軌道岔和齒軌道岔的電加熱道岔融雪系統(tǒng)。

5.12 災(zāi)害監(jiān)測(cè)

規(guī)定齒軌鐵路應(yīng)設(shè)置自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)地震、滑坡、落石、泥石流等自然災(zāi)害進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，以確保運(yùn)營(yíng)安全。

5.13 車(chē)輛基地

規(guī)定了齒軌車(chē)輛的檢修修程及檢修周期，主要零部件維修采用返廠維修，大修走行里程數(shù)為120萬(wàn)～150萬(wàn) km，時(shí)間間隔為8～10 年。

5.14 其他

相關(guān)配套設(shè)施，按照方便快捷、經(jīng)濟(jì)適用的原則進(jìn)行了規(guī)定，提出靜態(tài)標(biāo)識(shí)應(yīng)根據(jù)地域文化結(jié)合建筑特色優(yōu)化標(biāo)識(shí)形式，在少數(shù)民族地區(qū)應(yīng)照顧少數(shù)民族語(yǔ)言文字習(xí)慣，并考慮山區(qū)寒冷、潮濕的特點(diǎn)，對(duì)暖通空調(diào)的配置方案與設(shè)計(jì)原則進(jìn)行特別強(qiáng)調(diào)。

6 結(jié)論

(1)規(guī)范編制是滿足國(guó)內(nèi)齒軌鐵路建設(shè)的需要，是進(jìn)一步豐富我國(guó)軌道交通技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的需要。

(2)規(guī)范適用于新建1 000 mm軌距，采用齒輪齒軌驅(qū)動(dòng)或齒輪齒軌+鋼輪鋼軌驅(qū)動(dòng)，最高運(yùn)行速度不超過(guò)120 km/h，最大坡度不超過(guò)480‰的山地(齒軌)軌道交通工程設(shè)計(jì)。

(3)Ⅰ型車(chē)具備輪軌黏著與齒軌并用特征，能適應(yīng)≯250‰的坡道；Ⅱ型車(chē)能適應(yīng)≯480‰的坡道，但只能應(yīng)用于純齒軌路段。

(4)坡度大于40‰的地段采用齒輪-齒軌驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可適應(yīng)的最小曲線半徑為150 m，應(yīng)重點(diǎn)考慮大坡度引起的縱向力對(duì)路基、橋梁結(jié)構(gòu)以及軌道穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。