素材來源：中鐵二院規劃院 作者：劉威、麻丁一
引言
我國地形復雜多樣，山區面積占全國面積的2/3，受地形和環保限制，山區交通發展嚴重滯后，不滿足新時代高質量均衡發展的需求;齒軌鐵路是爬坡能力強、地形適應性好的一種新型軌道交通，為山區交通發展提供了契機，可帶動山地區域產業發展，將山區稀缺的旅游資源優勢轉換為經濟優勢，帶動地區社會經濟高質量發展。
一、工作原理
齒軌鐵路是鋼輪鋼軌鐵路的創新升級版，其通過在兩鋼軌之間增設齒條，在列車機車下方設置齒盤，在列車行進過程中通過齒盤與齒條的咬合力以克服傳統鋼輪鋼軌因摩擦力不足而難以實現大坡道運行的目的，依據齒條與齒輪的不同結構設計形式，國外將齒軌系統分為Strub(Abt)、Riggenbach、Locher，最大爬坡能力可達480‰，如下圖1所示：
圖1 齒軌系統示意圖
二、主要特點
1、設備設施小型化、工程造價低
采用寬2.5m的窄車體、1000mm的軌距，能減少占地和土建工程體量，減少對環境生態的影響，有效降低工程投資，同等條件下每正線公里經濟指標較常規鐵路省20%。
圖2 齒軌鐵路與常規鐵路對比示意圖
2、爬坡能力強，選線靈活，適應山地地形好，生態環境影響小
通過在傳統鋼輪鋼軌黏著驅動的基礎上引入了齒軌系統，在大坡度地段依靠齒輪齒條進行驅動，突破了車輪與軌道之間摩擦力限制，解決了大坡度條件下傳統鐵路輪軌黏著不足的問題，為列車在陡峭斜坡上的攀爬提供了可能，國外最大已實現480‰的爬坡能力，是其他軌道交通最大70‰爬坡能力的7倍。強大的爬坡能力，能更好地適應地形，可減少傳統軌道交通因坡度不足而展線，大幅縮短線路長度;也可最大程度依據地形起伏與變化敷設線路，減少橋隧工程;還可大幅減少地表開挖量，利于生態環境保護與景觀打造。
圖3 齒軌鐵路在山區的地形適應性表征示意圖
3、齒輪+齒條嚙合驅動，冰雪惡劣環境下運營穩定性強、安全性高
齒軌系統通過齒輪與齒條的緊密結合將自動破除結冰、霜雪，如同給結冰路面上的汽車輪胎安裝上了鏈條，避免了打滑、失穩現象的發生，顯著增強穩定性和安全性，能適應冰雪惡劣天氣。
圖4 齒軌鐵路在山區的雪地應用示意圖
4、齒軌地段速度相對較低，車內觀景旅行適宜
根據國外的運營經驗以及仿真分析結論，受齒輪齒條耦合作用影響和列車功率限制，齒軌列車在齒軌地段的運行速度較低，一般不大于30km/h，考慮下坡制動安全需要，下坡方向速度在上坡限速的基礎上進一步降低，一般不大于20km/h，且列車運行速度與線路坡度成反比例關系，坡度越大、列車運行速度越低。無論上坡、下坡，20~30km/h的速度非常適宜在風景優美的環境中觀光賞析。
圖5 齒軌鐵路與景色融合示意圖
三、國內外發展概況
1、國外齒軌起源
齒軌鐵路在我國尚為空白，未有建成項目。但在國外起步較早，最初主要應用于山區礦藏、木材等資源的運輸，后逐漸應用于旅游，已有150多年的歷史。全球范圍已有20多個國家建成登山鐵路、觀光鐵路等齒軌鐵路180余條，總里程達3000余公里，技術成熟可靠。
第一條齒軌鐵路是位于英國的米德爾頓鐵路，主要用于煤礦運輸;第一條載客的齒軌鐵路是美國華盛頓山齒軌鐵路，于1871年正式開通運營。
2、全球齒軌鐵路建設運營里程最多的國家---瑞士
瑞士實現了齒軌鐵路和輪軌鐵路的無縫銜接，并將齒軌鐵路的應用范圍由單純的短途登山鐵路拓展到長大旅游觀光線路。
3、最具盛名和代表性的齒軌鐵路項目
有皮拉圖斯山齒軌鐵路、瑞吉山齒軌鐵路、少女峰齒軌鐵路(圖6)、冰川快線、黃金快線和楚格峰齒軌鐵路等。
圖6 少女峰齒軌鐵路
四、應用場景
1、齒軌鐵路常應用于復雜山區、生態脆弱、低運量的交通支線
極大的爬坡能力能適應復雜山區地形;小型化的設備設施能減少土建工程量，對生態環境影響小，可滿足低運量需求。因運能低、齒軌段速度慢，難以成為主干線，僅適合交通支線。
2、齒軌鐵路是山區旅游特色線路
山區往往有著豐富的旅游資源，受地形氣候限制，其他交通方式難以適應。齒軌鐵路既能解決交通問題，又可與旅游資源相結合，通過全體車身透明化定制處理、線路橋隧路工程與環境融合協調處理達到車內觀景、景內觀車的良好體驗，成為山區旅游特色線路及旅游產品。
五、適應性分析
1、運能適應性
根據運量，山地軌道交通車體寬度按2500mm設計， 4輛編組列車，共設坐席240人，定員400人。按照12~20對/h(3~5min間隔)考慮，運輸能力全坐席可達到2800~4800人/h，定員標準可達到4800~8000人次/h左右，與山區客流適應性較好。
2、經濟適應性
經過對齒軌車輛轉向架技術進行研究，考慮與2500mm車寬的匹配，選用米軌軌距不僅可實現車與轉向架的協調匹配，同時還可縮減線路建設投資：軌距1000mm，較1435mm準軌的常規鐵路的路基、橋梁、隧道斷面更窄、結構形式更加簡單，其中，橋梁寬度僅為準軌鐵路的79%，路基寬度僅為準軌鐵路的87%，隧道斷面僅為準軌鐵路的75%，可節約工程投資20%，經濟適應性顯著提高。
3、地形適應性
3.1登山地段顯著爬升優勢
山地軌道交通受益于獨特的牽引方式，其齒軌鐵路有著其他軌道交通不可比擬的爬坡優勢，其獨特的結構突破了車輪與軌道之間的摩擦力限制，解決了大坡度條件下傳統鐵路輪軌黏著不足的問題，為列車在陡峭斜坡上的攀爬提供了可能，一般可實現最大250‰的爬坡能力，是其他軌道交通常規鐵路(最大30‰)的8倍，跨座式單軌(最大為70‰)的3.5倍，二級山區公路(最大60‰)的4.2倍。
圖7 爬坡地段齒軌鐵路、普通鐵路和公路展線平面比較示意圖
3.2山區環境地形適應性分析
山地軌道交通主要走行于山區山地環境，其設計速度在60~120km/h之間,所采用的線路條件與常規鐵路相比，擁有最小200m的平面曲線半徑和2000m的豎曲線半徑，輪軌地段最大坡度可達40‰(普通客運鐵路最大為縱坡30‰)，齒軌段可達250‰，使得線路可以很好的適應地形，從而節省投資。
圖8 齒軌鐵路超大爬坡能力示意圖
圖9 齒軌鐵路小半徑曲線傍山而行示意圖
六、應用中應重點關注的問題
1、設計經濟性問題
齒軌鐵路主要應用于經濟欠發達的山地區域，為最大程度減少線路工程投資，在設計中宜選擇小型化及輕量化的設備設施，在站后設備選擇方面不宜一味追求智能化、信息化。在設計過程中應結合場景需求，以經濟適用為導向對結構、設備設施進行定制化設計。
2、建設安全性問題
齒軌鐵路主要應用于復雜山地區域，地形、地質條件復雜，線路不可避免以橋梁、隧道方式通過河谷、山體，在最大坡度為250‰甚至480‰的施工條件下，應做好模擬和試驗，避免施工過程中出現安全事故。
3、發展可持續問題
項目建設位于山區，建設成本高、資金回收較難，項目前期宜做好建設資金的回收方案、運營期內的補虧方案，通過不斷優化投融資模式，創新沿線旅游產品開發，爭取地方財政補貼等不同方式確保項目的可持續。
結語
齒軌鐵路在國內是一種新型軌道交通制式，目前全國僅在四川省實現了工程化應用，未來前景廣闊，將成為山地區域旅游開發的主要交通方式。齒軌鐵路的應用將改善我國面積三分之二的山地區域的交通條件，提高旅游目的地的通達性和便捷性，促進山地區域交通和旅游資源充分融合發展，對實現旅游資源開發、地區社會經濟持續發展等具有重要意義。