余浩偉,徐銀光,林世金

(中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

1 概述

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

齒軌鐵路是目前唯一具有超大爬坡能力的軌道交通制式，通過列車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》(以下簡稱“《規(guī)范》”)是國內(nèi)首部關(guān)于齒軌鐵路的設(shè)計規(guī)范，由中鐵二院主編，于2018年12月正式批準發(fā)布實行，《規(guī)范》按綜合性設(shè)計規(guī)范編制，由范圍、規(guī)范性引用文件、術(shù)語和定義、總則、總體設(shè)計、行車組織和運營管理、車輛、限界、線路、路基、橋梁結(jié)構(gòu)、隧道、軌道、站場、供電、電力、通信、信號、信息、災(zāi)害監(jiān)測、車輛基地、綜合維修、給水和排水、車站建筑、供暖通風空調(diào)、環(huán)境保護26章組成[20]。

規(guī)范編制過程中，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，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)特點和“以旅游為主、兼顧客貨運”的應(yīng)用需求，在總體設(shè)計、行車組織、土建工程、供電方式、運營維護等方面做了積極的探索與創(chuàng)新。

2 編制背景

2.1 是滿足國內(nèi)齒軌鐵路建設(shè)的需要

近年來，齒軌鐵路因為擁有其他軌道交通不具備的超大爬坡能力而受到重視，四川省率先啟動了首條齒軌鐵路—都江堰至四姑娘山山地軌道交通項目建設(shè)工作，項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、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123.2 km，全線新建車站12個，車輛基地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車組。建設(shè)工期72個月。

圖1 都四項目地理位置示意

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。

在眾多項目規(guī)劃建設(shè)之初，面臨無規(guī)范可依的尷尬局面，亟待按照“標準先行”的理念，立項編制規(guī)范，以為項目的實施提供依據(jù)和指導(dǎo)，并為后續(xù)相關(guān)施工驗收、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內(nèi)齒軌鐵路建設(shè)的需要。

2.2 是進一步豐富我國軌道交通技術(shù)標準體系的需要

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國鐵路及城市軌道交通標準日趨完善，形成了完善的軌道交通技術(shù)標準體系，涵蓋規(guī)劃、設(shè)計、施工、驗收、運營全過程，為我國軌道交通建設(shè)奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。然而，縱觀國內(nèi)已有的軌道交通相關(guān)標準，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、有軌電車等制式領(lǐng)域，尚無針對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)展的重點方向之一，齒軌鐵路相關(guān)技術(shù)標準的缺失亟待補充完善。

因此，本規(guī)范是國內(nèi)軌道交通技術(shù)標準體系的重要補充，對于進一步豐富我國軌道交通技術(shù)標準體系具有重要意義。

3 編制的總體思路與原則

3.1 總體思路

《規(guī)范》編制之初，國內(nèi)尚無任何齒軌鐵路建設(shè)以及實踐經(jīng)驗，在對國外齒軌鐵路進行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，依托四川省科技支撐計劃《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)合國內(nèi)軌道交通的建設(shè)運營經(jīng)驗編制而成。

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，重點突出齒軌特色技術(shù)，提高項目經(jīng)濟性，滿足四川當?shù)亟ㄔO(shè)需要。

3.2 編制原則

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

(2)充分借鑒國內(nèi)鐵路、城市軌道交通的成熟技術(shù)，認真吸取國外齒軌鐵路的成熟經(jīng)驗與失敗教訓(xùn)，注意與其他相關(guān)軌道交通標準、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，重點做好軌道和土建結(jié)構(gòu)的研究與創(chuàng)新。

(4)充分認識齒軌鐵路 “小運量+旅游軌道交通” 的總體定位和“以旅游為主、兼顧客貨運”的應(yīng)用需求，注重項目經(jīng)濟性，減小不影響安全性的備用功能及設(shè)計富余量，實行靈活的運營組織模式。

(5)充分體現(xiàn)地域特點和地方自然環(huán)境特色。

4 適用范圍與主要技術(shù)標準

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

4.1 軌距

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

4.2 最大坡度

坡度越大，對于地形的適應(yīng)性越好，但對于車輛以及軌道、土建工程的要求越高，根據(jù)國外實驗經(jīng)驗，結(jié)合國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀綜合確定最大為480‰。

4.3 驅(qū)動方式

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

4.4 最高運營速度

綜合考慮1 000 mm軌距鐵路實際最高運營經(jīng)驗、齒軌鐵路應(yīng)用環(huán)境、黏著地段與齒軌地段車輛功率匹配關(guān)系等因素，最高運營速度暫定為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

目前國內(nèi)沒有關(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)的客貨運輸，可滿足40‰～480‰最大坡度的低運量軌道交通系統(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)的低運量客貨運輸，宜自成體系獨立運營。對設(shè)計年度、建設(shè)規(guī)模、環(huán)保及景觀要求等進行了明確，著重強調(diào)了工程設(shè)計應(yīng)注重項目經(jīng)濟性，嚴格控制建設(shè)規(guī)模和系統(tǒng)配置，合理采取降低工程造價和有利于節(jié)省運營成本的措施。

5.3 總體設(shè)計

對主要技術(shù)標準、綜合選線、系統(tǒng)設(shè)計等進行了規(guī)定，重視投資控制，要求從技術(shù)標準、設(shè)計方案、系統(tǒng)設(shè)備選型、工程措施和施工組織設(shè)計等多方面進行比選。規(guī)定齒軌路段宜集中設(shè)置，針對山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的特點，要求對危及行車及設(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)物進行監(jiān)測。

5.4 行車組織和運營管理

提出了大小交路、多交路運行、站站停運行、跳站運行、快慢車越行、專列直達運行、上下行不對稱運行等滿足不同功能需求的運營組織方案，要求初期高峰時段每小時發(fā)車對數(shù)不宜小于6 對；對齒軌路段下坡限速值不宜超過上坡限速值進行了規(guī)定。

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

5.5 車輛

明確提出了車輛的主要技術(shù)規(guī)格要求、車輛使用條件以及車輛安全及應(yīng)急措施，對車輛在輪軌段運行能力、齒軌段運行能力、黏著和齒軌路段的牽引切換能力等進行了規(guī)定。提出了Ⅰ、Ⅱ型兩類山地(齒軌)軌道交通車輛的技術(shù)要求，其中Ⅰ型車具備輪軌黏著與齒軌并用特征，能適應(yīng)坡度≯250‰的坡道；Ⅱ型車爬坡能力更強，能適應(yīng)坡度≯480‰的坡道，但只能應(yīng)用于純齒軌路段，車輛主要技術(shù)要求詳見表1。規(guī)定在海拔3 000 m及以上地段使用的車輛，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(時速20 km/h時可減小到500 m)，提出了入齒裝置以及齒軌地段設(shè)置車站的條件。

5.7 線下基礎(chǔ)

強調(diào)齒軌段路基應(yīng)結(jié)合降雨和地震工況進行路基局部縱向穩(wěn)定性分析，安全系數(shù)宜取1.15～1.25。考慮齒軌運營調(diào)度相對靈活，邊坡破壞的搶修條件相對寬松，可對永久邊坡下限值適當降低。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)的計算荷載、變形限值以及結(jié)構(gòu)選型設(shè)計等內(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)動系統(tǒng)，其可適應(yīng)的最小曲線半徑為150 m，齒軌類型選擇與結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計應(yīng)綜合考慮線路坡度、車輛參數(shù)及環(huán)境溫度等因素，對齒軌結(jié)構(gòu)強度、穩(wěn)定性等進行計算后確定。齒輪-齒軌系統(tǒng)的齒廓線宜采用漸開線形式，齒軌模數(shù)可采用非標準模數(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)實際情況進行單獨設(shè)計，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)間不同的齒軌類型，但強度等級及材質(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)定齒軌過渡裝置宜采用多段式入齒結(jié)構(gòu)，保證齒軌列車以一定速度直接從黏著路段駛?cè)臊X軌路段，并實現(xiàn)齒輪與齒軌間準確有效嚙合。過渡裝置駛?cè)攵说撞繎?yīng)采取豎向彈性支撐，在發(fā)生頂齒時駛?cè)攵丝上蛳逻\動，以保證車輛運行的安全性。

5.9 車站

由于道岔結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，車站咽喉區(qū)布置應(yīng)在滿足車站接發(fā)車能力要求的基礎(chǔ)上，減少正線上的道岔數(shù)量，但每2～3個車站或20～30 km范圍內(nèi)應(yīng)有1個車站設(shè)置渡線，朝向根據(jù)維修車間(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，對外部電源、接地方案等進行了明確。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，采用接觸軌授流時應(yīng)設(shè)置特殊的防護罩，以防止沿線小動物意外觸電。

5.11 信號

為保證道岔設(shè)備的正常使用，規(guī)定每20年年平均降雪日達到10 d及以上的項目，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

規(guī)定齒軌鐵路應(yīng)設(shè)置自然災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)，對地震、滑坡、落石、泥石流等自然災(zāi)害進行實時在線監(jiān)測，以確保運營安全。

5.13 車輛基地

規(guī)定了齒軌車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120萬～150萬 km，時間間隔為8～10 年。

5.14 其他

相關(guān)配套設(shè)施，按照方便快捷、經(jīng)濟適用的原則進行了規(guī)定，提出靜態(tài)標識應(yīng)根據(jù)地域文化結(jié)合建筑特色優(yōu)化標識形式，在少數(shù)民族地區(qū)應(yīng)照顧少數(shù)民族語言文字習(xí)慣，并考慮山區(qū)寒冷、潮濕的特點，對暖通空調(diào)的配置方案與設(shè)計原則進行特別強調(diào)。

6 結(jié)論

(1)規(guī)范編制是滿足國內(nèi)齒軌鐵路建設(shè)的需要，是進一步豐富我國軌道交通技術(shù)標準體系的需要。

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

(3)Ⅰ型車具備輪軌黏著與齒軌并用特征，能適應(yīng)≯250‰的坡道；Ⅱ型車能適應(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)動系統(tǒng)，可適應(yīng)的最小曲線半徑為150 m，應(yīng)重點考慮大坡度引起的縱向力對路基、橋梁結(jié)構(gòu)以及軌道穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。