高速铁路第二章.ppt

第二章 高速铁路线路,主要内容,第一节 概述第二节 线路的平纵断面第三节 路基与桥梁第四节 轨道,第一节 概述,1.1 线路整体工程,1.2 高速铁路线路特征,1.3 列车风对安全运行的影响,1.1 线路整体工程,广义的线路概念,指除供电、接触网、通信信号以外的所有基础设施。包括：平纵断面、路基、轨道、桥隧以及建筑材料,随着速度的提高，线路处于更为复杂的工作条件下的工程结构，需要达到新的线路特征。,1.2 高速铁路线路特征,高平顺性高稳定性高精度、小残变、少维修宽大、独行的线路空间高标准的环境保护严格的轨道状态检测和严密的防灾安全监控开通运营之日列车即可以设计速度运行,其中，高平顺度是设计、建设高速铁路的控制性条件，也是有别于中低速铁路的最主要特点。,1.3列车风对安全的影响,列车风对线路两侧的影响列车风对高架桥维修通路的影响列车风对站台人员的影响列车风对列车会车的影响隧道内列车风的影响,人员安全退避距离：,当v300km/h时，车站取2.0m,线路取3.0m,第二节 线路的平纵断面,2.1 线路平面2.2 线路纵断面,Q：1、线路平、纵断面的组成因素分别是什么？,2.1 线路平面,2.1.1 曲线的影响,（1）曲线存在的意义：,减少工程量，减少投资数,（2）曲线带来的缺陷：,降低行车速度，增加轮轨磨耗,曲线带来的影响大小，取决于曲线半径的大小,影响最小曲线半径的因素,2.1 线路平面,2.1.2 超高度,（1）理论超高,（2）最大超高,（3）过超高与欠超高,日本200mm，法国180mm，我国暂定180mm,影响欠超高允许值hq过超高允许值hg,未被平衡的超高,2.1 线路平面,2.1.3 最小曲线半径,在纯高速列车运行的线路上最小圆曲线半径取决于最高速度、实设超高与欠超高之和的允许值等因素,2.1 线路平面,2.1.3 最小曲线半径,在高、中速旅客列车共线运行的线路上，最小圆曲线半径主要取决于高速列车最高运行速度、中速列车运行速度、欠超高、过超高之和的允许值等因素,曲线半径的合理选择,曲线半径的选用，首先应考虑满足规定的行车速度和舒适度要求。并结合地形地貌、工程地质、重大桥渡、跨越条件和车站设置等因素，选用适应的曲线半径，尽量减少工程，减少各种设施及房屋建筑物的拆迁或改移。求取速度与工程经济的合理结合。就速度、舒适度和运行条件而言，平面设计应优先采用以下曲线半径：,速度350 kmh，R 7000-12000 m；速度250 kmh，R 3500-12000 m；速度200 kmh，R 2200-12000 m。,2.1.4 缓和曲线,（1）线型选定,直线超高型：三次抛物线,曲线超高型：一波正弦、半波正弦、七次四项式,理论分析：,影响舒适性的主要指标,未被平衡的横向加速度,未被平衡的横向加速度时变率,车体倾斜角速度w,结果分析加试验表明,缓和曲线类型并不是制约行车运行速度的决定性因素，缓和曲线的长度也就是缓和曲线的动力学参数取值，才是影响行车速度的关键。,考虑到三次抛物线线形简单、设计方便、现场运用经验丰富等特点，高铁仍以三次抛物线为首选线型。困难条件下，缓和曲线不能保证足够长度时，可采用三次抛物线圆改善型缓和曲线。,2.1.4 缓和曲线,（2）缓和曲线的长度,是对行车的安全平顺性有着直接影响的。,其长度重点考虑以下因素：,外轨超高的递增坡度不致使内轮轮缘脱轨,外轨升高速度不致影响旅客的舒适,未被平衡离心加速度的增长率不影响旅客的舒适,外轨升高速度不致影响旅客的舒适,2.1.4 缓和曲线,（3）增加夹直线的长度,夹直线,京沪：,一般条件下：,困难条件下：,（3）两相邻缓和曲线间夹直线和圆曲线的最小长度,理论依据：列车在缓和曲线进出口（即夹直线或圆曲线的起终点）产生的列车振动不产生叠加。实验表明：列车在缓和曲线进出口所产生的激挠振动通常在一个半至两个周期内基本衰减完，车辆振动周期约为1.0 s，则夹直线或圆曲线最小长度为：,（m）,式中：L夹直线、圆曲线最小长度（m）;T车辆振动周期为1s。,国外夹直线、圆曲线最小长度，日本东海道和山阳新干线为0.42v，德国ICE线0.6v，法国TGV线0.67v，正在施工的地中海TGV线则为1.0v。,我国客运专线确定一般条件下为0.8v，困难条件下为0.6v。,SS9单机牵引旅客列车均衡速度表,坡度与速度、牵引动力的关系,纵断面对速度影响随不同种类列车而异。开行动车组的列车由于其牵引质量较轻、牵引功率大，在长大坡道运行对速度基本没有影响。SS9型电力机车是我国目前干线铁路牵引旅客列车功率最大的机车，持续功率4800kW、最大功率5400kW，牵引工况恒功速度范围为99-160kmh，最高速度为170kmh。,SS9双机牵引旅客列车均衡速度表,2.2.1 区间正线最大坡度,2.2 线路纵断面,坡度与地形的关系,由于客运专线铁路曲线半径大，地形条件是选择最大坡度的主要因素。平原地区坡度大小对工程造价的影响不大，如京沪客运专线宁沪段曾对8、12、15和20最大坡度的工程做经济比较。其结果，四种不同坡度的工程造价差别为；8比12增加工程费1.22亿元，15、20分别比12增加0.25亿元和0.27亿元，15和20比12的投资差额不及总造价的0.5。丘陵和低山区采用不同坡度将明显影响工程造价。如法国东南线采用35大坡，线路顺低山地形起伏爬行，没有出现一座隧道，桥梁也只占全线长的2.8，消除了大量桥隧工程。其纵断面设计是成功的一例。,2.2.1 区间正线最大坡度,区间正线的最大坡度应根据牵引种类和工程情况，经牵引计算检算并经过比选后确定。,动车组适应坡道上的加速性能,2.2.1 区间正线最大坡度,综上所述，动车组的功率质量比大，对坡度适应能力强。,根据新建时速200-250公里客运专线设计暂规规定：正线最大坡度不大于20；动车组走行线最大坡度不应大于35。且最大坡度不考虑平面曲线阻力和隧道阻力的坡度折减。,图片5-2-1“蓝箭”号动车组,图片5-2-2“中华之星”号动车组,2.2.1 区间正线最大坡度,（1）相邻坡度差值,普通铁路考虑货物列车在凹形或凸形纵断面时保证货物列车不挤钩脱轨和断钩，规定了允许的最大相邻坡坡差值。客运专线铁路的相邻坡度差值可不受限制。,2.2.2 竖曲线,（2）竖曲线半径,竖曲线半径，取决于列车在竖曲线运行时所产生的竖向离心加速度。受此限制的竖曲线半径为：,根据国外高速铁路的经验，为乘客舒适度允许的竖向离心加速度 取值为0.4ms2，则竖曲线半径为：,2.2.2 竖曲线,式中：竖曲线半径(m)；线路确定的最大行车速度(kmh)；离心加速度(m/s2),竖曲线半径,理论上，线路纵断面直线与圆曲线的连接同平面情况应设纵向缓和曲线。但竖曲线半径比平面曲线半径大很多，运行条件比平面好，且因大半径曲线再设缓和曲线，难以保持线型，竖曲线与直线坡连接无需设缓和曲线。,2.2.2 竖曲线,2.2.3 最小夹破段长度,除了要满足列车平稳运行的要求，还要兼顾工程投资，因为较短的破段能够很好地适应地形，减少工程投资。,第三节 路基与桥梁,3.1 高速铁路路基结构3.2路基面形状及宽度3.3基床3.4 桥隧建筑物,路基是轨道的基础，也叫线路下部结构，承受轨道和机辆荷载。,轨道结构重量和列车荷载+列车高速运行,动力作用,路基变形,轨道不平顺,影响速度及舒适度,工后沉降,3.1 高速铁路路基结构,路基是轨道的基础，也叫线路下部结构，承受轨道和机辆荷载。,高速铁路路基的特点:,高速铁路路基的多层结构系统；严格控制路基变形；保证路基刚度的均匀性；在列车运行及自然条件下的稳定性。,控制路基工后沉降标准，主要依据：高速铁路行车线路的要求和线路的维修能力；前期建设投资与后期养护费用的经济比较。,高速铁路路基由以下3部分组成：,高速铁路路基的结构,1、路基本体,直接铺设轨道结构并承受列车荷载的部分，有路堤、路堑等形式。,它是由路基顶面、路肩、基床、边坡、基底几部分构成。,由基床表层、基床底层、路堤下部和地基组成。,2、路基防护和加固建筑,3、路基排水设施,坡面防护、冲刷防护；挡土墙、抗滑桩等。,高速铁路路基的结构,4、国外各国高速铁路路基的结构：,日本铁路路基结构分为基床表层、上部填土和下部填土三部分。其中基床表层是指道床下面直接承载轨道的垫层，上部填土指基床表面以下3 m以内的部分，下部填土指上部填土以下的填土部分。基床表层可分为强化基床表层和土基床表层两种。强化基床表层按材质可分为碎石基床表层和水硬性矿砟基床表层；土基床表层采用优质自然土填筑，与强化路基相比，工程造价低。基床表层的选用可根据线路或区间的重要程度，重要线路或区间选择强化基床表层，一般线路或区间选择土基床表层。,高速铁路路基的结构,4、国外各国高速铁路路基的结构：,德国有砟轨道的路基结构分为路基保护层(PSS)、防冻层(PSS)、填筑路堤层、地基过渡层。,法国对铁路路基的质量控制是从运营维修、机车类型、轨道结构和铁路路基各组成部分统一考虑，根据具体情况确定。其结构依次是：道砟层、垫层和路基。,路基面形状及宽度,由路基面中心向两侧设置不小于4的横向排水坡，有砟轨道路基两侧的路肩宽度，双线不应小于1.4m，单线不应小于1.5m。直线地段标准路基面宽度：,3.2路基面形状及宽度,路基面在无砟轨道正线曲线地段一般不加宽，当轨道结构和接触网支柱等设施的设置有特殊要求时，根据具体情况分析确定；有砟轨道正线曲线地段加宽值应在曲线外侧按下表规定加宽。,路基面形状及宽度,路基面形状及宽度,基床,（1）基床有足够的强度，它能抵抗列车荷载产生的动心力而不使基床破坏，能抵抗道砟压入基床土中，防止道砟陷槽等病害的形成。（2）基床具有足够的刚度，在列车荷载的重复作用下，塑性积累变形很小，能避免形成过大的不均匀下沉而造成轨道的不平顺，增加养护维修的困难。（3）基床具有良好的排水性，能防止雨水浸入造成路基土软化，防止发生翻浆冒泥等病害。（4）在可能发生冻害的地区，基床还有防冻等特殊作用。,1、对基床的要求,3.3基床,基床,基床由表层和底层组成。,对于无砟轨道路基，基床表层由两部分组成，即30cm的混凝土支撑层和40 cm的级配碎石层（250km/h）；对于有砟轨道路基，基床表层采用级配砂砾石或级配碎石材料。,2、基床的组成,第二次作业：1.什么是路基工后沉降，沉降包含那三个部分？2.高速铁路为什么要设置过渡段，过渡段处理措施？3.处理软土地基有哪几种工程措施？,40,桥隧建筑物是铁路跨越河流、山谷或穿过山岭及其他障碍的建筑物，是铁路线路的组成部分。,一、高速铁路桥梁的类型,按照不同的用途，高速铁路桥梁可分为以下三类：,(1)高架桥用以穿越既有交通路网、人口稠密地区及地质不良地段，高架桥通常墩身不高，跨度较小，但桥梁很长，往往伸展达十余公里；(2)跨谷桥用以跨越山谷，跨度较大，墩身较高；(3)跨河桥跨越河流的一般桥梁。,3.4桥隧建筑物,二、高速铁路桥梁的特点,1.,秦沈客专跨度16m四片式整体桥面T梁简支桥梁,秦沈客专杨士岗大桥（16+224+16）m 钢筋混凝土刚构连续梁,德国摩尔斯富尔达谷架桥25跨58m简支梁，A型支撑,德国科隆-莱茵/美因河拉恩特尔桥（438m）主跨116m混凝土拱,京沪高速铁路圆端形空心墩,京沪高速铁路矩形空心墩,二、高速铁路桥梁的特点,2.,二、高速铁路桥梁的特点,3.,二、高速铁路桥梁的特点,4.具有良好的动力特性,二、高速铁路桥梁的特点,5.,二、高速铁路桥梁的特点,6.,7.,三、桥面布置与结构,有砟桥面布置图,三、桥面布置与结构,无砟桥面布置图,三、桥面布置与结构,桥梁桥面结构组成,四、高速铁路桥梁减震降噪措施,从噪声源上治理从传播途径上加以控制,合理的选用桥梁形式，并分别采用减震降噪的措施，可以降低桥梁结构的噪声和轮轨辐射噪声。一般从两方面考虑：,对基础设施的建设的标准要求高，线路最小曲线半径较大，所以高速铁路的选线设计，必然会出现大量的隧道工程。高速铁路隧道的特点主要是与列车空气动力 学相关。,高速铁路隧道与普通铁路隧道最大的区别就是当列车以高速通过隧道时，会产生极强的空气动力学效应，主要表现在：瞬变压力、洞口微气压和行车阻力。另外，高速列车隧道对于防排水标准、防灾救援和耐久性等方面也有较高的要求。,高速铁路隧道空气动力学问题,高速铁路进入隧道的空气动力学效应受多种因素影响，包括：,(1)机车车辆方面：行车速度，车头和车尾形状，列车横断面，列车长度，列车外表面形状和粗糙度，车辆的密封性等。(2)隧道方面:隧道净空断面面积，双线单洞还是单线双洞，隧道壁面的粗糙度，洞口及辅助结构物形式，竖井、斜井和横洞，道床类型等。(3)其他方面，列车在隧道中的交会等。,高速铁路隧道空气动力学问题,(1)机车车辆方面：行车速度，车头和车尾形状，列车横断面，列车长度，列车外表面形状和粗糙度，车辆的密封性等。,高速铁路隧道空气动力学问题,(2)隧道方面:隧道净空断面面积，双线单洞还是单线双洞，隧道壁面的粗糙度，洞口及辅助结构物形式，竖井、斜井和横洞，道床类型等。,高速铁路隧道空气动力学问题,(3)其他方面，列车在隧道中的交会等。,高速铁路隧道的主要技术标准,1、净空有效面积,隧道的横断面由堵塞比决定，即列车的横断面面积与隧道的横断面面积比值。也就是在高速铁路隧道设计时，确定了运营列车的类型与速度，根据列车的断面面积确定隧道的断面面积。,列车横截面面积,隧道净空断面积,五、高速铁路隧道的主要技术标准,2、单洞双线和双洞单线方案选择,3、隧道的衬砌,4、辅助洞室的设置,5、隧道内的预留空间,安全空间、救援通道,6、运营通风,7、照明设备,第四节 轨道,4.1 轨道结构的基本类型4.2 轨道组成部分,4.1 轨道结构的基本类型,4.1.1 有砟轨道,（1）优缺点,优点：,结构简单，造价低；弹性与减震性能好,缺点：,横向抗力较小；后期维修费用大,（2）条件改善方法,采用高强度钢轨。如UIC60采用双块式混凝土枕，增加横向受力点提高轨枕铺设密度提高道砟压实度采用性能更好的弹性扣件,4.1 轨道结构的基本类型,4.1.2 无砟轨道,（1）定义,优点：,缺点：,（2）优缺点,采用混凝土、沥青混合料等整体基础取代散粒体碎石道床的轨道结构统称为无砟轨道。,良好的结构连续性和平顺性,良好的结构恒定性和稳定性,良好的结构耐久性和少维修性能,工务养护、维修设施减少,免除高速条件下有碴轨道的道碴飞溅,减少客运专线特级道碴的需求,建设期工程总投资大于有碴轨道,无碴轨道弹性较差,修复、调整困难,我国对无砟轨道应用的考虑：,首先应用于混凝土桥梁、高架结构及有仰拱的隧道内，有条件的车站正线、到发线亦可,工后徐变上拱量控制在扣件调高量范围内,扣件调高量的要求,进一步加强完善工艺,（3）无碴轨道类型及特点,整体结构式：支承钢轨的混凝土与混凝土基础浇注或预制成为一体。直接支承结构式：基础上直接铺设无碴轨道。,按结构分类的无碴轨道,（4）无碴轨道设计,无碴轨道采用标准钢轨类型：按一次铺设跨区间无缝线路设计。钢轨采用60kg/m U75V热轧新轨。扣件：路基及隧道内采用WJ-7型分开式扣件，桥上采用小阻力弹条分开式扣件道床类型双块式无碴轨道轨枕埋入无碴式轨道板式轨道,板式轨道,板式轨道分为普通平板型、框架型和减振型三种。由钢轨、弹性分开式扣件、充填式垫板、轨道板、板下橡胶垫层（仅减振型板式轨道采用）、CA砂浆调整层、凸形挡台及混凝土底座等组成。,双块式轨道,双块式轨道由钢轨、扣件、双块式轨枕、道床板和底座（仅在桥梁上设置）以及混凝土支承层（仅在路基上设置）等组成。,（5）无碴轨道相关工程,路基工程,无碴轨道对路基残余变形（工后沉降及沉降差）控制要求严格，参考德国和日本经验，控制标准如下：,钢筋混凝土桩网结构,钢筋混凝土桩板结构,4.2 轨道组成部分,4.2.1 钢轨与联接零件,（1）力学性能,刚硬性,柔韧性,60kg/m,抗弯性,（2）类型选择,外形尺寸的精确度内部质量的纯净度,（3）质量要求,（4）铺设情况,无缝线路，钢轨伸缩调节器,4.2 轨道组成部分,4.2.1 钢轨与联接零件,（5）检查情况,着色探伤,（6）弹性扣件,埋置螺栓的弹性扣件,超声波探伤,内部缺陷：,表面缺陷：磁粉检查,4.2 轨道组成部分,4.2.2 轨枕,木枕,整体式,混凝土枕,我国采用型混凝土枕,双块式,4.2.3 道床,由30cm左右的碎石层（道砟层）和20cm左右的砂砾层（底砟层）组成。,底砟层的作用：,日本的单层道床结构,粒径的过渡、防止渗混、隔水、防冻以及传递列车荷载和振动。,建筑物设计标准解说：土构造物,道砟层35cm底砟层由基床表层取代，定为70cm，95%压实,我国道床结构：,采用单层道床结构，即在碎石道砟下面采用强化路盘（强化基床表层）代替双层道床中的底砟层。,4.2.4 道岔,（1）普通道岔组成,（2）道岔号数、几何表示、长度计算,（3）改善道岔结构，提高通过速度,加大道岔号数,设置锁闭设置及道岔可动部件密贴状态监视器，提高锁闭可靠性,采用活动心轨道岔，消除有害空间,选择合理过渡线型,接头焊接，实现跨区间无缝线路，辙叉前后设置钢轨伸缩调节器,道岔设计,我国国铁从未铺设过适应于时速200km的无碴道岔，也无相应的道岔通用图。无碴道岔须在现有有碴道床道岔的基础上进行改进。道岔选用SC325和专线4245A的基本形式，道岔尺寸保持不变，道岔结构局部进行优化。,道岔是永久轨旁设备，允许轨道车辆无需中断运行便可从一条轨道越到另一条轨道；是进路元件，轨道通过其活动尖轨和心轨实现分岔。,为了满足铁路运营的要求，转辙机必须符合下列标准：施加必要的转换力，将道岔尖轨移动到所需的密贴位置 施加必要的保持力，将道岔尖轨保持在所需的密贴位置 在限制的转换时间内完成道岔动作 在不破坏转辙机的情况下允许挤岔（注意：不能挤脱活动心轨）允许道岔尖轨在动程中进行反向运动 允许左右侧安装转辙机 可维护性 高度的可靠性 减少轨道和道床的维护阻碍,