素材来源：中铁二院规划院 作者：刘威、麻丁一
引言
我国地形复杂多样，山区面积占全国面积的2/3，受地形和环保限制，山区交通发展严重滞后，不满足新时代高质量均衡发展的需求;齿轨铁路是爬坡能力强、地形适应性好的一种新型轨道交通，为山区交通发展提供了契机，可带动山地区域产业发展，将山区稀缺的旅游资源优势转换为经济优势，带动地区社会经济高质量发展。
一、工作原理
齿轨铁路是钢轮钢轨铁路的创新升级版，其通过在两钢轨之间增设齿条，在列车机车下方设置齿盘，在列车行进过程中通过齿盘与齿条的咬合力以克服传统钢轮钢轨因摩擦力不足而难以实现大坡道运行的目的，依据齿条与齿轮的不同结构设计形式，国外将齿轨系统分为Strub(Abt)、Riggenbach、Locher，最大爬坡能力可达480‰，如下图1所示：
图1 齿轨系统示意图
二、主要特点
1、设备设施小型化、工程造价低
采用宽2.5m的窄车体、1000mm的轨距，能减少占地和土建工程体量，减少对环境生态的影响，有效降低工程投资，同等条件下每正线公里经济指标较常规铁路省20%。
图2 齿轨铁路与常规铁路对比示意图
2、爬坡能力强，选线灵活，适应山地地形好，生态环境影响小
通过在传统钢轮钢轨黏着驱动的基础上引入了齿轨系统，在大坡度地段依靠齿轮齿条进行驱动，突破了车轮与轨道之间摩擦力限制，解决了大坡度条件下传统铁路轮轨黏着不足的问题，为列车在陡峭斜坡上的攀爬提供了可能，国外最大已实现480‰的爬坡能力，是其他轨道交通最大70‰爬坡能力的7倍。强大的爬坡能力，能更好地适应地形，可减少传统轨道交通因坡度不足而展线，大幅缩短线路长度;也可最大程度依据地形起伏与变化敷设线路，减少桥隧工程;还可大幅减少地表开挖量，利于生态环境保护与景观打造。
图3 齿轨铁路在山区的地形适应性表征示意图
3、齿轮+齿条啮合驱动，冰雪恶劣环境下运营稳定性强、安全性高
齿轨系统通过齿轮与齿条的紧密结合将自动破除结冰、霜雪，如同给结冰路面上的汽车轮胎安装上了链条，避免了打滑、失稳现象的发生，显著增强稳定性和安全性，能适应冰雪恶劣天气。
图4 齿轨铁路在山区的雪地应用示意图
4、齿轨地段速度相对较低，车内观景旅行适宜
根据国外的运营经验以及仿真分析结论，受齿轮齿条耦合作用影响和列车功率限制，齿轨列车在齿轨地段的运行速度较低，一般不大于30km/h，考虑下坡制动安全需要，下坡方向速度在上坡限速的基础上进一步降低，一般不大于20km/h，且列车运行速度与线路坡度成反比例关系，坡度越大、列车运行速度越低。无论上坡、下坡，20~30km/h的速度非常适宜在风景优美的环境中观光赏析。
图5 齿轨铁路与景色融合示意图
三、国内外发展概况
1、国外齿轨起源
齿轨铁路在我国尚为空白，未有建成项目。但在国外起步较早，最初主要应用于山区矿藏、木材等资源的运输，后逐渐应用于旅游，已有150多年的历史。全球范围已有20多个国家建成登山铁路、观光铁路等齿轨铁路180余条，总里程达3000余公里，技术成熟可靠。
第一条齿轨铁路是位于英国的米德尔顿铁路，主要用于煤矿运输;第一条载客的齿轨铁路是美国华盛顿山齿轨铁路，于1871年正式开通运营。
2、全球齿轨铁路建设运营里程最多的国家---瑞士
瑞士实现了齿轨铁路和轮轨铁路的无缝衔接，并将齿轨铁路的应用范围由单纯的短途登山铁路拓展到长大旅游观光线路。
3、最具盛名和代表性的齿轨铁路项目
有皮拉图斯山齿轨铁路、瑞吉山齿轨铁路、少女峰齿轨铁路(图6)、冰川快线、黄金快线和楚格峰齿轨铁路等。
图6 少女峰齿轨铁路
四、应用场景
1、齿轨铁路常应用于复杂山区、生态脆弱、低运量的交通支线
极大的爬坡能力能适应复杂山区地形;小型化的设备设施能减少土建工程量，对生态环境影响小，可满足低运量需求。因运能低、齿轨段速度慢，难以成为主干线，仅适合交通支线。
2、齿轨铁路是山区旅游特色线路
山区往往有着丰富的旅游资源，受地形气候限制，其他交通方式难以适应。齿轨铁路既能解决交通问题，又可与旅游资源相结合，通过全体车身透明化定制处理、线路桥隧路工程与环境融合协调处理达到车内观景、景内观车的良好体验，成为山区旅游特色线路及旅游产品。
五、适应性分析
1、运能适应性
根据运量，山地轨道交通车体宽度按2500mm设计， 4辆编组列车，共设坐席240人，定员400人。按照12~20对/h(3~5min间隔)考虑，运输能力全坐席可达到2800~4800人/h，定员标准可达到4800~8000人次/h左右，与山区客流适应性较好。
2、经济适应性
经过对齿轨车辆转向架技术进行研究，考虑与2500mm车宽的匹配，选用米轨轨距不仅可实现车与转向架的协调匹配，同时还可缩减线路建设投资：轨距1000mm，较1435mm准轨的常规铁路的路基、桥梁、隧道断面更窄、结构形式更加简单，其中，桥梁宽度仅为准轨铁路的79%，路基宽度仅为准轨铁路的87%，隧道断面仅为准轨铁路的75%，可节约工程投资20%，经济适应性显著提高。
3、地形适应性
3.1登山地段显著爬升优势
山地轨道交通受益于独特的牵引方式，其齿轨铁路有着其他轨道交通不可比拟的爬坡优势，其独特的结构突破了车轮与轨道之间的摩擦力限制，解决了大坡度条件下传统铁路轮轨黏着不足的问题，为列车在陡峭斜坡上的攀爬提供了可能，一般可实现最大250‰的爬坡能力，是其他轨道交通常规铁路(最大30‰)的8倍，跨座式单轨(最大为70‰)的3.5倍，二级山区公路(最大60‰)的4.2倍。
图7 爬坡地段齿轨铁路、普通铁路和公路展线平面比较示意图
3.2山区环境地形适应性分析
山地轨道交通主要走行于山区山地环境，其设计速度在60~120km/h之间,所采用的线路条件与常规铁路相比，拥有最小200m的平面曲线半径和2000m的竖曲线半径，轮轨地段最大坡度可达40‰(普通客运铁路最大为纵坡30‰)，齿轨段可达250‰，使得线路可以很好的适应地形，从而节省投资。
图8 齿轨铁路超大爬坡能力示意图
图9 齿轨铁路小半径曲线傍山而行示意图
六、应用中应重点关注的问题
1、设计经济性问题
齿轨铁路主要应用于经济欠发达的山地区域，为最大程度减少线路工程投资，在设计中宜选择小型化及轻量化的设备设施，在站后设备选择方面不宜一味追求智能化、信息化。在设计过程中应结合场景需求，以经济适用为导向对结构、设备设施进行定制化设计。
2、建设安全性问题
齿轨铁路主要应用于复杂山地区域，地形、地质条件复杂，线路不可避免以桥梁、隧道方式通过河谷、山体，在最大坡度为250‰甚至480‰的施工条件下，应做好模拟和试验，避免施工过程中出现安全事故。
3、发展可持续问题
项目建设位于山区，建设成本高、资金回收较难，项目前期宜做好建设资金的回收方案、运营期内的补亏方案，通过不断优化投融资模式，创新沿线旅游产品开发，争取地方财政补贴等不同方式确保项目的可持续。
结语
齿轨铁路在国内是一种新型轨道交通制式，目前全国仅在四川省实现了工程化应用，未来前景广阔，将成为山地区域旅游开发的主要交通方式。齿轨铁路的应用将改善我国面积三分之二的山地区域的交通条件，提高旅游目的地的通达性和便捷性，促进山地区域交通和旅游资源充分融合发展，对实现旅游资源开发、地区社会经济持续发展等具有重要意义。