量化对比分析中国高速铁路与既有普速铁路在线路关键技术与标准方面的差异及原因

量化对比分析中国高速铁路与既有线普速铁路在线路关键技术与标准方面的差异及原因高速铁路概论结课论文（一） 量化对比分析中国高速铁路与既有普速铁路在线路关键技术与标准方面的差异及原因姓 名：_ _学 号：_指导老师：_ _第一章 铁路线路概述1.1 铁路线路的地位与作用自1825年第一条铁路在英国投入运营以来，目前全世界已有铁路超过120万千米。2004年以来，我国多条客运专线相继开工建设并开通运营，截至2010年底，我国的高铁运营里程已达到7531千米，占世界高铁总里程超过30%。铁路运输以其运量大，安全性高，受天气影响小等特点，逐渐在我国的运输行业中占据了重要地位。铁路要完成运输任务，必须有机车车辆和线路轨道。铁路运输的运营管理包括机车、车辆、工务、电务、运输等几大铁路部门，在这几大部门中，工务是铁路运输的基础设备，公务包括线路、桥梁、隧道、路基、涵洞、道口、绿化等维修管理部门。线路是工务的一个重要业务部门。线路是列车运行的基础，在铁路运输中是不可替代的基础设备。作为机车车辆荷载的承载结构和导向系统，线路状态的优劣直接影响到行车的安全性和舒适度。近几年来，随着我国线路的多次提速，对铁路线路和轨道结构也提出了更高的要求，并对线路和轨道结构进行多次改造。1.2 铁路线路及轨道组成铁路线路是由轨道、路基和桥隧建筑物（桥梁、隧道和涵洞）等组成的总称。新建和改建铁路（或区段）的等级，应根据其在铁路网中的地位、作用、性质、旅客列车设计行车速度和客货运量来确定。轨道是由钢轨、轨枕、连接零件、道床、防爬器、道岔、道砟等组成。路基主要包括路基主体、路基排水建筑物和支挡建筑物。根据自然条件不同，有各种特殊路基，如软土、冻土、沙漠、黄土等路基。桥梁主要包括梁部构造、墩台、基础。涵洞以箱型、圆形、拱形为主，同时还有虹吸管、渡槽等。隧道包括洞门、洞身的结构，并应根据围岩种类设计衬砌的类型等。第二章 高速铁路与既有线普速在线路标准方面的差异2.1与铁路线路标准相关的法律法规根据中华人民共和国铁路法等相关法律法规，我国制定了铁路线路设计规范（简称线规）来规范我国既有线普速铁路线路的设计施工，并试行高速铁路设计规范来规范高速铁路的设计施工。线规所适用的旅客列车最高行车速度是140km/h，其中包括：线路的平面和纵断面、铁路和道路的交叉、正线轨道等技术规范。线规是铁路设计的主要依据。高速铁路设计规范则适用于旅客列车设计行车速度250350km/h的高速铁路，它统一了高速铁路设计技术标准。线规中主要规定了以下几种关于铁路线路的技术标准：（1）正线数目；（2）限制坡度；（3）最小曲线半径；（4）到发线有效长；高速铁路设计规范中主要规定了以下几种关于高铁线路的技术标准：（1）正线线间距；（2）最小平面曲线半径；（3）最大坡度；（4）到发线有效长度；2.2 对比分析通过对线规和高速铁路设计规范的对比，二者对于规定线路技术标准的条目大致相同，下面就二者的相似标准对它们进行对比分析。2.2.1 最小（平面）曲线半径列车在高速通过弯道时由于离心力作用向弯道的外侧产生横向力，会对钢轨产生挤压，外翻，为了保证列车的行驶安全，在铁路的设计和建造时，线规对不同速度等级的铁路规定了车辆可以安全通过的圆曲线的最小半径，就是线路的最小曲线半径。最小曲线半径定的小，可适应地形，减少工程费用，但会限制行车速度，影响行车安全和旅客舒适，增加轮轨磨耗。增加轨道设备及线路维修工作量等，因而必须根据铁路等级、行车速度、地形条件等全面研究决定。既有线客货共线铁路的最小曲线半径既要保证旅客乘车通过曲线时的舒适条件，又要考虑货物列车通过时不致引起轮轨的严重损耗，其计算式如下：Rmin=11.8Vmax2-VH2hQ+hG(m) （式2-1）hQ欠超高允许值；hG过超高允许值；Vmax 客运列车最大运行速度；VH 货车速度；选定最小半径的影响因素主要有路段设计速度，货物列车的通过速度、地形条件等，因此，设计显得最小曲线半径要根据具体情况分路段拟定。线规中按式（2-1）得到初步结果，并结合我国工程和运营的实际情况，确定了各级铁路不同路段设计速度的最小曲线半径，如表2-1所示。表2-1 最小曲线半径及计算参数表铁路等级路段设计速度km/h140120100801201008010080货物列车通过速度km/h807060507060506050允许欠超高hQ/mm一般707070707070707070困难909090909090909090允许过超高hG/mm一般303030303030303030困难505050505050505050计算的最小曲线半径值/m一般15601120760460112060460760460困难1120800540330800540330540330线规采用的最小曲线半径值/m一般160012008005001000700450600400困难1200800550450800550400550350设计线选定的最小曲线半径，一般不小于表3-3所列规定值，特殊困难路段的个别曲线，经鉴定批准，可采用400m的最小曲线半径。与既有线不同的是，我国高速铁路的运输组织模式为高速与低速列车共线运行，高速铁路最小曲线半径的确定首先要满足最高设计行车速度350km/h、300km/h、250km/h、200km/h的要求，其次还要满足不同速度匹配条件下的速差要求。对于高速铁路列车线路的最小曲线半径，其计算公式为：Rmin=11.8vG2-vD2hq+hg （式2-2）VG 曲线段高速列车设计速度（曲线限制速度）；VD 低速列车设计速度因此，综合考虑后，得出高速铁路线路平面曲线最小曲线半径取值如表2-2所示。表2-2 高速铁路最小曲线半径值（m）设计行车速度350/250(km/h)300/200(km/h)250/200(km/h)250/160(km/h)有砟轨道一般7000500035004000困难6000450030003500无砟轨道一般7000500032004000困难55004000280035002.2.2 最大坡度新建铁路的最大坡度，在单机牵引路段称限制坡度，在两台及以上机车的牵引路段称加力牵引坡度，其中最常见的为双机牵引坡度。限制坡度是铁路的主要技术标准之一，影响限制坡度选择的因素很多，包括铁路等级、运输需求和机车类型、地形条件、邻线的牵引定数等。线规中规定既有线普速列车限制坡度的最大值如下表： 表2-3 限制坡度最大值 %铁路等级地形类别平原丘陵山区平原丘陵山区平原丘陵山区牵引种类电力0.61.21.50.61.52.00.91.82.5内燃0.60.91.20.60.9150.81.21.8 高速列车采用大功率，轻型动车组，牵引和制动性能优良，能适应大坡度运行。与传统铁路相比，高速铁路比较突出的特点是允许采用较大的坡度值。采用坡度的大小，对设计线的运营和工程影响很大。高速铁路采用大坡度的有利条件如下：（1）现代高速铁路机车的大功率，特别是动力分散式动车组，可以提供强劲动力支持，为大坡度运营奠定基础。（2）列车速度越快，爬同样的坡，减速度越小，重力作用时间越短，为设置大坡度提供条件。我国规范中规定正线的最大坡度，一般情况下不应大于2.0%，困难情况下，经技术经济比较，不应大于3.0%；动车组走行线的最大坡度不应大于3.5%。2.2.3 到发线有效长度 到发线有效长是车站到发线能停放货物列车而不影响相邻线路作业的最大长度，货物列车到发线有效长度应根据运输需求和货物列车长度确定，且宜与邻接线路的货物列车到发线有效长度相协调。 高、中速共线运行的到发线有效长受中速列车长度控制。应按照中速旅客列车编挂辆数确定到发线有效长。按我国25型客车长度（26.6m）不同编挂辆数的有效长分别为：20辆编组650m、18辆编组600m、16辆编组550m。 运行全高速列车线路的到发线有效长，应同时满足两个条件：一是高速列车长度及有关参数之和，二是进站信号机至到发线另一端出发信号机之间的距离应大于列车由进站信号机到停车的制动距离。 高速客车到发线有效长L的计算公式为：L=l1+l2+2l3+L式中 l1列车长，包括机车和旅客列车长； l2为使站台在直线上，l2为警冲标至曲线终点的横坐标； l3富余量，按5m计； L停车安全距离，参照日本资料，为不小于50m。计算得到发线有效长表2-4：表2-4 到发线有效长 有效长动力方式及辆数 l1 l2 l3LL动力分散式12辆300319.243.761050403.76422.9614辆350372.443.761050453.76476.1616辆400425.643.761050503.76529.36两台机车12辆342361.243.761050445.76464.9614辆392414.443.761050495.76518.1616辆442467.643.761050545.76571.36 取整后的到发线有效长序列车为： 动力分散式：450m、500m、550m。 动力集中式：500m、550m、600m。第三章 高速铁路与既有线普速在线路关键技术方面的差异 铁路线路技术包括轨道技术、路基技术和桥隧涵建筑物技术等多个方面。以下主要针对缓和曲线设计、道岔、桥梁技术和隧道技术几个方面来对比高铁与既有线线路关键技术的差异。3.1 缓和曲线对比 线路平面由直线和曲线组成，铁路曲线由圆曲线和缓和曲线构成。旅客列车在曲线上运行时，要产生离心加速度，因此，适当的曲线半径，与列车运行的安全性息息相关。为使列车安全、平稳、舒适地由直线过渡到圆曲线或由圆曲线过渡到直线，在直线和圆曲线间必须设置一定长度的缓和曲线。下面就着重比较既有线与高铁缓和曲线的差别。3.1.1 既有线缓和曲线 在缓和曲线范围内，其半径由无限大渐变到圆曲线半径，从而使车辆产生的离心力逐渐增加，有利于行车平稳；在缓和曲线范围内，外轨超高由零递增到圆曲线上的超高亮，使向心力逐渐增加，与离心力的增加相配合；当曲线半径小于350m，轨距需要加宽时，可在缓和曲线范围内，由标准轨距逐步加宽到圆曲线上的加宽量。 设计缓和曲线时，应考虑线性选择、长度计算、如何选用和保证缓和曲线间圆曲线的必要长度四个问题，下面着重讨论缓和曲线的选用和圆曲线最小长度的问题。 我国铁路选用的是直线型超高顺坡的三次抛物型缓和曲线。其优点是线性简单，长度较短，计算方便，易于铺设养护。拟定缓和曲线标准时，有三点需要注意，一是保证超高顺坡不致使车轮脱轨；二是保证超高时变率不致使旅客不适；三是保证欠超高时变率不影响旅客舒适。缓和曲线长度应取三个计算值中的较大者，并进整为10的倍数。线规中规定缓和曲线长度如表3-1：表3-1 缓和曲线长度（m，v=160km/h）路段旅客列车设计行车速度（km/h）14012010080标准类型一般困难一般困难一般困难一般困难曲线半径/m10000302020202020202080004020302020202020600050303020202020205000604040302020202040006040503030202020300070505040402020202500807060404030302020009080605050403020180010080706050403020160011010070605040402014001301108070604040201200150130908060504030设计线路时，应根据曲线半径、旅客列车的路段设计速度和地形条件按表选用。有条件时，应选用较长的缓和曲线。3.1.2 高速铁路缓和曲线 对于高速铁路，由于旅客乘坐舒适度要求较高，因而对缓和曲线的设置要求也更为严格。在线形选择方面，我国高速铁路仍以三次抛物线缓和曲线为首选线形。 缓和曲线长度的计算取决于超高顺坡率允许值、未被平衡的横向加速度时变率允许值（欠超高时变率允许值）、车体倾斜角度允许值（超高时变率允许值）等相关参数的取值。其计算公式为：L1himax=0.5h m (式3-1)L2vG3.6hf m （式3-2）L3vG3.6hq (式3-3)imax最大超高顺坡率；vG设计最高速度（曲线限制速度）；f旅客舒适度允许的超高时变率限值，良好条件25mm/s，一般条件下取28mm/s,困难条件下31mm/s；h圆曲线设计超高（mm）；欠超高时变率允许值，良好条件取23mm/s，困难条件取38mm/s；hq圆曲线设计欠超高（mm）。 设计缓和曲线长度取L1，L2，L3中的最大值，并取10的整数倍。经计算分析，对高速铁路而言，多以计算的L2控制缓和曲线长度。 普速铁路的超高时变率f值一般取3236mm/s，欠超高时变率一般取4552.5mm/s。高速铁路为提高舒适度，一般将超高时变率和欠超高时变率减小，使缓和曲线长度相应增加。根据旅客的舒适度水平，限制速度在200km/h以上时，一般条件下超高时变率的允许值f取25mm/s，欠超高时变率允许值取23mm/s。其缓和曲线长度取值如表3-2。表3-2，缓和曲线长度取值（m）设计行车速度（km/h）350300250舒适度优秀良好一般优秀良好一般优秀良好一般曲线半径/m1200037033030022020018014013012010000470420380240210190160140130800059053047034033027021019017060006705905404504103702802502305000540480430340300270400057051046042038034030004804303803.2 道岔技术对比 道岔是机车车辆从一股轨道转入或越过另一个轨道是必不可少的线路设备，是铁路轨道的一个重要组成部分。它的基本形式有三种，即线路的连接、交叉、连接与交叉的组合。 我国最常见的道岔类型是普通单开道岔，简称单开道岔。单开道岔由转辙器、辙叉及护轨、连接部分和岔枕组成，单开道岔以它的钢轨每米质量及道岔号数区分类型。目前我国的钢轨有75kg/m、60kg/m、50kg/m、45kg/m和43kg/m等类型，标准道岔号数（用辙叉号数来表示）有6、7、9、12、18、24号等。 目前我国铁路干线上大量使用60kg/m钢轨固定性辙叉的12号单开道岔。 高速铁路道岔在功能上和构造上与常速铁路道岔相比，没有原则上的区别，只是对行车的安全性和舒适度的要求更高了。高铁道岔的技术特点表现为：高速度、高安全性、高平稳性、高可靠性、高平顺性与高精度、较好的适应性与较少的维修工作量。高铁道岔结构和常速道岔一样，由转辙器、辙叉及转换设备等三部分组成。 3.2.1 转辙器部分 高铁道岔的基本轨通常采用与区间线路钢轨材质及断面相同的类型。为了使基本轨保持正常断面，避免减弱钢轨的横向惯性力矩，许多国家在设计中采用了尖轨尖端低与基本轨的办法，采用藏尖式尖轨结构。其尖轨多采用专门轧制的矮型特种断面钢轨制造，尖轨跟端采用稳妥可靠的弹性可弯式结构。关于尖轨的线性设计，当前主要有正割和正切两种线形。尖轨跟端结构的处理对尖轨的伸缩位移有直接影响，为减少尖轨伸缩位移，根据道岔所处地区的温差，可采用限位器或间隔铁结构。3.2.2 辙叉部分 主要是设法消除辙叉有害空间，以使辙叉的结构能够达到不用护轨但轮缘仍可连续沿轨平稳运行，而不发生冲击的目的。主要采用可动辙叉，可动辙叉在平面上消除了几何不平顺，在剖面及纵断面上的几何不平顺大为减少，与转折器部分甚为接近，可显著减小轮轨间的附加作用力。可动心轨辙叉与可动翼轨辙叉相比，不存在翼轨稳定性的问题，易传递横向作用力，是各国铁路大力研制并广泛采用的结构形式。 在既有线的改造中也有使用固定式辙叉的实例，由于固定式辙叉在造价、转换技术、设备及管理等方面比可动心轨具有优越性，故在客货混运的既有线上仍是一种可供选择的结构形式。3.2.3 转换设备 转换设备的任务是保证列车按规定的速度安全运行。为此，转换系统必须按照给定的方向将密贴尖轨（或心轨）与基本轨（或翼轨）牢靠的紧贴在一起。同时，要求斥离的尖轨与基本轨有足够的距离以保证轮缘能顺利通过。高速铁路道岔中多采用外锁闭装置，来改善转辙机械的工作条件，确保转换安全。3.2.4 加强道岔结构 焊接道岔部位的接头形成无缝道岔，能提高高速列车过道岔时的走行平稳性。道岔区钢轨扣件均为可调型，转辙器部分设置可调式轨撑，中间扣件为扣板式，护轨部分设调整片。道岔区内各钢轨表面均经表面全长中频感应淬火处理。采用特种断面的弹性护轨，护轨轨面高于基本轨，这样可增加护轨与车轮的接触面，更有效的引导车轮，减小心轨磨损。3.3 桥隧涵技术3.3.1 既有线桥隧涵（1）桥涵路段 桥梁按其长度可划分为特大桥、大桥、中桥和小桥。涵洞孔径一般为0.756.0m。小桥和涵洞对线路平面无特殊要求。特大桥、大桥应设在直线上，困难条件下必须设在曲线上时，宜采用较大的曲线半径。设在曲线会限制行车速度，并产生列车运行不平稳、线路易变形、钢轨磨损加剧、养护工作增加等问题。 涵洞和道砟桥面桥可设在任何纵断面的坡道上。明桥面桥宜设在平道上。设在坡道上时，由于钢轨爬行的影响，线路难于锁定，轨距也难于保持，给线路养护带来困难，同时影响行车安全。如果必须设在坡度上时，坡度不宜大于4，以免列车下坡时，在桥上制动增加钢轨爬行。（2）隧道路段 隧道内的测量、施工、运营、通风和养护等条件均比空旷地段差，曲线隧道更为严重，所以隧道宜设在直线上。必须设在曲线上时，宜将曲线设在洞口附近，并采用较大的曲线半径。 隧道内的线路纵断面可设置为单面坡或人字坡。单面坡能争取高度且有利于长隧道的运营通风；人字坡有利于施工中的排水和出砟。3.3.2 高速铁路桥隧涵（1）桥梁技术在高速铁路建设中，桥梁设计与建造已成为关键技术之一。进入21世纪以来，随着中国高速铁路规模的迅速发展，通过广泛借鉴世界高速铁路桥梁先进技术和成功建设经验，在我国高速铁路桥梁建设实践过程中，逐步形成了具有中国特色的高速铁路桥梁建设关键技术。桥梁作为轨道的下部结构，为确保高速运行条件下的安全性、平稳性和乘车舒适性要求，必须具有高平顺性、高稳定性和高可靠性等特点。高速铁路桥梁与普通铁路桥梁的显著区别在于列车运行速度，确保设计速度目标值条件下的安全与舒适性，是高速铁路桥梁建设的关键之一，涉及动力响应、桥梁结构非弹性变形、稳定频率和路桥刚度过渡、大跨度桥梁低频振动、桥面构造以及高速铁路线型要求等方面。动力响应问题是高速铁路桥梁设计的关键。高速列车在桥梁上运行时，列车与桥梁之间的互动影响明显，在结构设计中除满足常规桥梁的静力强度、刚度要求外，对结构的动力特性必须高度重视。梁跨结构必须具有足够的刚度和自振频率，宜采用箱形梁等刚度大、动力性能好的结构形式。控制桥梁结构非弹性变形对轨道持续稳定和平顺性的影响。高速铁路桥梁结构在与跨区间无缝轨道的相互作用以及在各种荷载工况下的变形，会直接导致桥上轨道结构的变形，影响高速列车运行的安全和乘坐的舒适。必须对梁轨作用的位移差值、桥墩台的水平刚度、基础的沉降变形、梁体挠度、梁端转角、预应力混凝土梁体的弹性变形及后期收缩徐变变形进行控制，使线路轨道平顺性保持在允许的范围内。由于线路、水文、地质、立交等要求，高速铁路的长桥较多，有的长达数十千米，甚至上百千米，列车匀速行驶所引起的等跨简支长桥与列车达到某一稳定频率的问题需引起关注，并应避免对列车走行造成不利影响。路基填土相对于桥梁结构具有可压缩性，提供的竖向刚度也比桥梁弱。为了保证高速行车的安全和舒适，必须重视路桥刚度过渡问题，做好刚度过渡措施，减少路基、桥梁交变地段竖向刚度突变对高速行车的影响。研究大跨度桥梁低频振动影响。在大跨度桥梁设计中，除常规动力学问题外，还需对高速行车条件下的低频振动问题进行专题研究与分析，把握其对行车以及对结构自身的影响。高速铁路桥梁的桥面除布置轨道系统外，还设置电力、电气化、通信、信号、声屏障等相关设施。桥面在施工期间有施工运载机具通过，在运营阶段不仅走行高速列车，还有机械化养护维修设施通过。列车在高速行车时产生的风吸附作用，也将对桥面设施产生影响，进而影响高速行车安全。要重视桥面构造系统研究，综合考虑各种因素，合理布置桥面形式。高速铁路的平面曲线半径大，不能按照传统桥渡的概念控制线路走向，除个别特大桥外，大多数桥梁的桥位受线形控制，需采用技术措施，以实现高速运行为前提。对于技术复杂、具有控制性要求的个别特大桥的桥渡设计，要在充分研究水文、地质、河道、航道及道路设施的通行条件等因素的基础上进行综合比选，采用有利于缩短行车时分、技术经济条件好的方案，并结合施工条件，选择合理的桥式结构、桥跨布置、墩台基础形式。（2）隧道技术高速铁路隧道与一般铁路隧道相比有较多的不同，高速铁路隧道的特点主要是空气动力学特性 方面的。国际上目前列车最高运行速度达到200 kmh及其以上的铁路为高速铁路；当高速列车进入隧道时，原来占据着空间的空气被排开。空气的粘性以及隧道壁面和列车表面的摩阻作用使得被排开的空气不能像隧道外那样及时、顺畅地沿列车侧和上部形成绕流。于是，列车前方空气受到压缩，列车后方则形成一定的负压。这就产生一个压力波动过程。这种压力波动又以声速传播至隧道口，形成反射波，回传，叠加，产生一系列复杂的空气动力字效应。因此，必须从隧道和列车两方面着手，减少隧道中的空气压缩对列车行驶安全造成的影响。以高速铁路发达的日本和德国为例。日本德国1)改善洞口形状，在洞口设置微气压波缓冲段以减 压力波的冲击。 2)洞内设施尽量隐蔽设置，使隧道表面平整光滑，减少列车运行时的阻力对设施的破坏。 3)在洞内设置减压信道或竖井。4)改变轨道结构。提高洞内列车运行的稳定性和舒适度。使机车具有良好的空气动力学特性的形状。为减少隧道横断面积和列车运行时的阻力，就必须改进现行车辆的车体横断面积和车辆头部的形状。 6)增加车辆密封指数车辆方面的措施。1)改善隧道横断面的面积，特别是隧道的“有效净空面积“，德国高速隧道”有效净空面积“是世界各国高速铁路中较大的。客货混运线路达82 m2，客运专线为92 m2。2)为消减洞口微压波的爆裂声而修建了辅助建筑物(洞口缓冲棚)。对于瞬变压力而言，理论研究认为隧道的最不利长度3.2 Ltr(Ltr为列车长度)，同德国铁路实验研究资料(2.8 Ltr)较为吻合，但德国铁路资料指出，当隧道长度进一步缩短时，在1.3 Ltr处还存在一个瞬变压力最不利的长度。因此对于l km 左右或l km以下的短隧道，空气动力学效应也不容 忽视。由于空气阻力加大而引起的纵向坡度折减。4)隧道内作业人员承受的列车风不超过临界值参考文献：1陈应先.高速铁路线路与车站设计.中国铁道出版社.2李东侠.铁路线路.北京理工大学出版社.3韩峰.铁道线路工程概论.中国铁道出版社.4李良英，何江.高速铁路线路工程.人民交通出版社.5 李书庆.高速铁路隧道减小空气动力的措施.河南建材2011年第六期.6 郑健. 中国高速铁路桥梁建设关键技术.