（道路与铁道工程专业论文）山区小半径曲线既有线提速无砟轨道应用研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 山区铁路提速的难点在于提高曲线、道岔及接头等限速点的允许通过速度，随着 提速道岔的大面积铺设和无缝线路的应用，道岔和接头限速问题得到了较好的解决， 小半径曲线既有线提速已成为既有线提速的瓶颈问题。无砟轨道稳定性好、整体性强、 纵横向阻力大，可放宽舒适度标准，设置较大的超高与欠超高。论文以此为出发点， 对无砟轨道应用于山区小半径曲线既有线提速的可行性进行研究。 首先，论文介绍了现阶段既有线提速的常用措施，指出现在提速措施不能有效解 决山区小半径曲线既有线提速问题，根据无砟轨道纵横向阻力较大，整体性强，稳定 性好，可采用较大的超高与欠超高，提出无砟轨道是解决山区小半径曲线既有线提速 问题的可能的方法。 其次，对有砟轨道与无砟轨道的纵横向阻力进行了详细的分析比较，根据国内外 既有线提速工程和新建客运专线、高速铁路的技术标准，对既有线提速无砟轨道实设 超高最大允许值、欠超高最大允许值、过超高最大允许值等超高参数进行合理取值， 对山区小半径曲线既有线提速无砟轨道提速效果进行了计算，计算结果表明，无砟轨 道应用于山区小半径曲线既有线提速时，曲线容许通过速度可提高1 1 1 9 。 再次，以改建铁路达州至万州线电气化改造工程为实例，对小半径曲线提速改造 无砟轨道方案进行经济合理性研究。比较结果表明，无砟轨道应用于山区小半径曲线 既有线提速，有较好的经济性。 最后对论文的研究结果进行了总结，并提出了一些不足之处和需要进一步完善的 问题。 关键词：山区既有线；提速；小半径曲线；无砟轨道j 超高参数 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h ed i f f i c u l t yt oe n h a n c et h es p e e do fm o u n t a i nr a i l w a yi se n h a n c i n gt h ea l l o w e d s p e e do ft h el i m i ts p e e dp o i n ta tt h ec u r v e ，t u r n o u t ，a n dj o i n t s ，w i t hl a y i n gal a r g en u m b e ro f s p e e dt u r n o u ta n du s i n gt h ec w r ，t h el i m i ts p e e dp r o b l e m sa tt u r n o u ta n dj o i n t sh a v e b e e na b e t t e rs o l u t i o n ，s p e e d i n gm e a s u r eo ft h er a i l w a yw i t hs m a l lr a d i u sc u r v eh a sb e c o m et h e b o t t l e n e c k b a l l a s t l e s st r a c kw h i c hi ss t a b i l i t y ，h i g hi n t e g r i t y ，a n dl a r g e rh o r i z o n t a lr e s i s t a n c e ， c a nb eu s e dt or e l a xt h es t a n d a r d so fc o m f o r t ，s e t i n gl a r g e ru l t r a h i g ha n dl e s ss u p e rh i g h a s t h i sas t a r t i n gp o i n t ，t h ep a p e rr e s e a r c h e dt h es p e e d i n gm e a s u r eo ft h ee x i s t i n gm o u n t a i n r a i l w a yw i t hs m a l lr a d i u sc u r v e f i r s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ep r e s e n tc o m m o n l yu s e ds p e e d i n gm e a s u r e so fe x i s t i n g l i n e sa n dp o i n to u tt h a tt h ep r e s e n ts p e e d i n gm e a s u r e sc a nn o te f f e c t i v e l ys o l v et h ee x i s t i n g m o u n t a i na r e ar a i l w a yw i t hs m a l lr a d i u sc u l - v e s s p e e d i n gp r o b l e m ，a c c o r d i n g t ot h e b a l l a s t l e s st r a c kw i t hl a r g e rv e r t i c a la n dh o r i z o n t a lr e s i s t a n c e ，h i 曲i n t e g r i t y ，g o o ds t a b i l i t y ， c a nb eu s e dl a r g e rs u p e r e l e v a t i o na n dd e f i c i e n ts u p e r l e v a t i o n ，p r o p o s e dt h a tt h eb a l l a s t l e s s t r a c kw a st h ep o s s i b l em e a s u r et os o l v et h ee x i s t i n gm o u n t a i na r e ar a i l w a yw i t hs m a l lr a d i u s c u r v e ss p e e d i n gp r o b l e m s e c o n d l y n o n - b a l l a s t e dt r a c kw i t ht r a c ko ft h ev e r t i c a la n dh o r i z o n t a lr e s i s t a n c eo fa d e t a i l e da n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n ，a th o m ea n da b r o a dh u m b l ea n dn e wp a s s e n g e rl i n e s ， h i g h s p e e dr a i l w a yt e c h n o l o g ys t a n d a r d s ，h u m b l en oa c t u a le l e v a t i o nt r a c kt h em a x i m u m a l l o w a b l ev a l u e ，l e s st h em a x i m u ma l l o w a b l ev a l u eh i 曲，t o oh i g ht oa l l o wt h ev a l u eo ft h e m a x i m u mr e a s o n a b l ev a l u e so fp a r a m e t e r ss u c ha sh i g ho nt h em o u n t a i nas m a l lr a d i u sc u r v e h u m b l et r a c ks p e e dn oe f f e c tw a sc a l c u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tn o n - t r a c ku s e dm o u n t a i n h u m b l es m a l lr a d i u sc u r v e t h ec u r v et oa l l o wt h es p e e dc a l li n c r e a s eb y11 t o19 、 a g a i n ，a st h er e b u i l d i n go ft h ed a z h o u w a n z h o ur a i l w a y l i n ee l e c t r i f i c a t i o np r o j e c t a l le x a m p l e ，t h er e s e a r c ho ne c o n o m i cr a t i o n a l i t yo ft h es c h e m et r a n s f o r m e dt h er a i l w a yw i t h s m a l lr a d i u sc u r v ei n t ob a l l a s t l e s st r a c k c o m p a r i s o ns h o w st h a tt h eb a l l a s t l e s st r a c ku s e di n s p e e d i n gm e a s u r eo ft h ee x i s t i n gm o u n t a i nr a i l w a yw i t hs m a l lr a d i u sc u r v ei se c o n o m y f i n a l l y , t h ep a p e r sf i n d i n g s a r es u m m a r i z e d ，a n dp u tf o r w a r dan u m b e ro f s h o r t c o m i n g sa n dp r o b l e m sn e e d i n g t ob ef u r t h e ri m p r o v e d k e y w o r d s ：t h ee x i s t i n gm o u n t a i nr a i l w a y ；s p e e d ；s m a l lr a d i u sc u r v e ；b a l l a s t l e s st r a c k ； u l t r a h i g hp a r a m e t e r s 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密司，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 靴敝储鹤嘲 晶甲h 孓刁 指导老师签名： 磅 日期w 汐多i7 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 一、分析了有砟轨道和无砟轨道的轨道纵横向阻力的提供方式，比较了两者纵横 向阻力的大小。 二、提出无砟轨道应用于山区小半径曲线既有线提速的构想。 三、根据国内外相似标准和经验，对既有线提速工程无砟轨道各超高参数进行取 值，并计算无砟轨道提速效果。 四、对无砟轨道应用于山区小半径曲线既有线提速进行经济论证。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名捕 日期：伊j 年飞月 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 提速的重要性 铁路是我国交通运输业的骨干，是我国国民经济的大动脉，铁路运输速度在很大 程度上反映着国家运输生产力的发展水平，反映着国家现代化水平。然而，近些年来， 随着便捷的公路运输和高速的航空运输的飞速发展，我国运输市场的竞争空前激烈， 铁路运输的垄断地位逐步被打破，铁路的速度优势不断丧失，铁路运输速度越来越不 能适应国民经济和社会发展的需要。建设一个现代化的铁路，必须在速度上有所突破。 目前，我国经济处在高速增长期，发展势头迅猛，对交通运输的需求与日俱增， 迫切需要铁路提供强有力的运输支持。同时，随着经济社会的飞速发展，人民生活水 平的日益提高，人们对交通条件的要求越来越高，提高旅客、货物列车运行速度，使 旅客、货物及时、快捷地到达目的地，己成为各国铁路发展的一大趋势。在这种情况 下，铁路必须顺应时代发展、社会进步和人民生活水平提高的要求，努力提高速度， 满足安全快捷、舒适方便等人性化的运输需求。 对于列车提速，世界上采取两种模式，一是新建高速客运专线，客、货分运，最高运 营速度可达3 5 0k i n h ；- - - 是客货共线，对既有线进行设备改造、技术更新，进一步提高客、 货车的速度。解决铁路运输的“瓶颈”问题，从长远看，需要实施中长期铁路网规划， 加快新线建设，扩大路网规模，从整体上提升路网能力。从眼前看，必须从实际出发， 走内涵扩大再生产之路，立足现有基础扩充运力，尽最大努力挖掘运输潜力，提高运 输效率，扩大运输能力。 因此，铁路实施大面积提速，是缓解当前铁路运输“瓶颈”状况的必由之路。只有 通过实施既有线提速，才能使列车运行速度进一步加快，运行密度和载重量进一步加 大，运输能力进一步提高，从而发掘既有铁路的优势和潜力，更好地服务社会、满足 需求，为我国经济和社会的进一步发展起到积极的推动作用【l 】。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 国外发展现状 第二次世界大战以来，世界发达国家经济复苏，对交通运输提出了更高的要求。 在不同经济发展水平的国家和地区，通过采用不同层次的技术和设备，改造客、货运 输繁忙干线，铁路旅客列车速度都有不同程度的提高，截止1 9 6 3 年世界铁路列车达到 1 4 0 1 6 0 k m h 的营业线路总长达1 3 0 0 0 多公里。1 9 6 4 年，世界上第一条高速铁路日 本东海道新干线开通，世界进入发展高速铁路的时代，各国开始陆续修建高速铁路。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 截止2 0 0 8 年1 2 月，全世界运营中的高速铁路营业里程总长达7 7 8 5 k m ，计划或规划建设 的高速铁路( 不含中国内地) 总长达1 9 5 0 0 k m 。 很多国家在新建高速铁路的同时，为了充分发挥高速的优势，在与高速铁路接壤 和延伸的既有铁路线上大范围地进行配套提速，实现铁路的快速运输，以满足高速列 车跨线在既有线上运行的需要，建立和扩大高速列车系统。如日本，为使新干线与既 有线联网，以扩大新干线的服务面，使既有线的旅客列车普遍提高到1 3 0 k m h ，并进行 了提高到1 6 0 k m h 的工作。德国高速铁路仅8 6 7 k m ，但高速列车的服务里程达到了 3 3 8 1 k m ；法国高速铁路1 5 7 6 k m ，t g v 高速列车的服务范围达到了5 9 0 0 k m 。欧盟规划到 2 0 2 0 年，欧洲大陆将新建1 0 0 0 0 k m 的高速铁路，同时改造1 5 0 0 0 k m 的既有线，构成泛 欧铁路快速网。 在进行提速实践的同时，各国还对铁路提速进行了一些理论研究，总结了一些宝 贵的实践经验。 1 、列车速度目标值的选择 1 9 8 5 年5 月，欧洲经济委员会( e c e ) 铝u 定了欧洲铁路行车速度标准，规定高速客运 专线为3 0 0 k m h ，高速客货列车混行线为2 5 0 k m h ，既有线则为1 6 0 - - 2 0 0 k m h 。根据美 国、英国和前苏联的提速实践经验，中长距离繁忙干线提速的目标值以1 4 0 1 6 0 k m h 为宜，如果要将目标值再提高至2 0 0 k m h ，需要相当大的投资。德国的提速经验同样证 明，提速的建设费、更新改造费和维修费，在列车最高速度为1 6 0 k m h 是一个转折点， 上、下相差较大。另外，意大利、瑞典等国的实践证明，采用摆式列车，可在不改造 或少改造线路的情况下，使列车最高速度达到1 6 0 2 0 0 k m h ，是既有线提速的一条新途 径。 2 、既有线提速宜分步实施 为了实现既有铁路提速目标值2 0 0 k m h 的目标，各国大都采取两步走的方案。在初 期，把旅客列车最高速度提高到1 4 0 1 6 0 k m h ，然后再把列车最高速度提高到2 0 0 k m h 。 3 、既有线客车提速的同时，也要相应提高货车速度 由于列车速度不同，为会让快速列车要占用很多的能力。因此，提高旅客列车速 度，会使扣除系数急剧增加，要减少这种扣除，最有效的办法是相应提高货物列车的 速度 4 】 5 1 。 1 2 2 国内发展现状 1 2 2 1 我国铁路提速历程回顾 2 0 世纪末以来，我国大力开展客运提速，通过六次大提速，我国铁路已基本掌握 了1 6 0 k m h 、2 0 0 k m h 等级的运输装备、线路、通信、信号及运营管理成套技术，提速 线路达至u 1 6 0 0 0 多公里。我国铁路既有线提速技术达到世界铁路先进水平。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 第一次大提速：1 9 9 7 年4 月1 日，实施第一次提速，主要在京广、京沪、京哈三大 干线进行。第一次大面积提速后，铁路旅客列车最高时速达n 1 4 0 公里。在提速里程方 面，线路允许速度超过1 2 0 k r n h 的线路延长至1 3 9 8 k m ，其中1 4 0 k m h 的线路为 5 8 8 k m 1 6 0 k m h 的线路为7 5 2 k m 。 第二次大提速：1 9 9 8 年1 0 月1 日，实施第二次提速，重点还是在京广、京沪、京哈 三大干线。客车最高时速达到1 6 0 公里，广深线采用x 2 0 0 0 摆式列车最高时速达至u 2 0 0 公里。线路允许速度超过1 2 0 k m h 的线路延长至6 4 4 9 k m ，其中1 4 0 k m h 的线路为3 5 2 2 k m ， 1 6 0 k m h 的线路为1 1 0 4 k m 。 第三次大提速：2 0 0 0 年1 0 月2 1 日，实施第三次提速，范围主要是陇海、兰新、京 九和浙赣线。提速里程进一步增长，线路允许速度超过1 2 0 k m h 的线路延长至9 5 8 l k m ， 其中超过1 4 0 k m h 的线路为6 4 5 8 k m ，超过1 6 0 k m h 的线路为11 0 4 k m 。 第四次大提速：2 0 0 1 年1 0 月2 1 日，实施第四次提速，范围主要是京九线、武昌一 成都( 汉丹、襄渝、达成) 、京广线南段、浙赣线和哈大线。提速里程再次增长，线路允 许速度超过1 2 0 k m h 的线路延长至1 3 16 6 k m ，其中1 4 0 k m h 的线路为9 7 7 9 k m ，1 6 0 k m h 的 线路为1 1 0 4 k i n 。 第五次大提速：2 0 0 4 年4 月1 8 日，实施第5 次大面积提速，此次提速主要集中在几 大干线。提速后，几大干线的部分线路基本达到2 0 0k m h 的要求，提速网络总里程达到 1 6 5 0 0 k m ，其中时速1 6 0 k m 及以上提速线路7 7 0 0 k r n 1 1 。 第六次大提速：2 0 0 7 年4 月18 日，实施全国铁路第六次大面积提速。我国铁路首次开 行时速2 0 0 公里及以上的旅客列车，这次大面积提速，是在京哈、京沪、京广、陇海、 浙赣、胶济线等既有干线实施的时速2 0 0 公里的提速，有条件的线路列车运行速度可达 2 5 0 k m h 。经过这次提速后，我国既有铁路线路允许速度超过1 2 0 k m h 的线路达到 2 2 0 0 0 k m ，速度超过1 6 0 k m h 的线路达到1 4 0 0 0 k m ，速度超过2 0 0 k r n h 的线路达到 8 0 3 3 k m 2 1 。 1 2 2 2 我国既有线提速理论研究 既有线提速是项复杂的系统工程，涉及到机车、车辆、线路、路基、轨道、桥 梁及信号等多个因素，在这些因素中，线路、轨道、桥梁及路基等土木工程因素是重 中之重。我国在这些因素方面，从提速可行性研究、提速方案设计、影响提速的具体 机理、提速措施的采用等方面都做了细致的分析和有益的探讨。 在提速可行性研究方面，徐鹤剥6 j 论述了既有线提速n 2 0 0k m h 的必要性和技 术可行性，提出了需要解决的关键技术。邱文展 7 】以甬台温铁路为例，结合项目工程特 点和地质特征，论证了提速至2 5 0 k m h 和3 0 0 k m h 的可行性。 在提速总体方案设计方面，叶国东捧】分析总结了湘桂线柳州铁路局管段已实施 的目标值最大运行速度1 2 0 k m h 提速工程所涉及的最小曲线半径、轨道结构、限制坡 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 度等技术标准及改造原则，对提速方案进行了探讨。肖文友【9 】以浙赣线为例，介绍了 既有铁路提速2 0 0k m h 线路设计的主要思路及应注意的问题。张金超【1o 】在参照新建时 速2 0 0 2 5 0k m 客运专线铁路有关规定的基础上，以京广线许昌至遂平段提速至2 5 0k m m 工程为例，介绍设计中遇到的一些问题以及所采取的设计措施。 针对线路因素而言，薛志明【l l j 从线路角度分析了影响既有线提速的主要因素， 通过近年来某些线段提速设计的实例，阐明了如何从线路的角度来看待提速问题。范 华、徐学东、高亮等【l2 j 通过对德国既有线提速主要技术标准与参数与我国相关规范的 比较，结合我国路情，提出了合理建议，并着重指出了在困难条件下可采用较大的超 高参数允许值，以求获得较大的曲线允许通过速度。何华武、刘增杰等【l3 】通过追踪研 究国内外既有线提速相关技术，结合中国既有线实际情况，提出了适应我国旅客列车 运行速度2 0 0k m h 级、货物列车运行速度1 2 0k m h 和2 5 t 轴重双层集装箱运输的既有客 货共线铁路改造工程的线路平纵断面技术标准体系。通过一系列2 0 0 _ 2 5 0k m h 实车 提速综合试验和提速交会试验验证了所提出既有线提速2 0 0k m h 级的线路平纵断面 技术标准体系的科学合理性。贺国栋4 】提出，铁路提速是一项复杂的工作，影响既有 线提速的因素很多，曲线是影响既有线提速的主要因素之一，重点分析了最大超高、允 许过超高、允许欠超高等曲线超高参数的设置对既有线提速的影响。石万新【l5 】指出， 既有线提速改造工程中，如果既有线纵断面不是限定提速的因素时，应基本维持既有纵 断面不动或尽量少动；对于限制坡度和坡度减缓的改造应结合改建工程量、限速点集 中情况、投资等综合分析确定超限坡度保留或改建：竖曲线半径及坡段长度是列车舒 适度和安全的重要因素，改造中应按较高标准进行配置。 在轨道方面，任润堂【1 6 j 提出，主要繁忙干线提速，应该加强轨道工程的技术改造， 并从我国三大干线提速的经验，分析加强轨道结构改造的初步方法和提出提高轨道结 构性能的建议。杨绍举【l7 】以京哈干线既有线提速为例，对制约既有线提速的道岔等线 路条件进行了重点剖析和论述，并科学合理地提出了改造方案，同时，在提速后的轨 道强化上，以及管理和提高线路维修水平上，都提出了切实可行的有效措施。吴旺青 【l8 j 阐述了国内历次客车2 0 0k m h 及以上提速试验轨道不平顺管理方面的技术数据和 经验，从轨道平顺性控制的角度提出客货共线提速线路应进一步研究和试验的课题。 许有全 19 】对既有线提速以来，铁路轨道技术的发展尤其是无碴轨道技术、无缝线路的 铺设、轨道设备和道岔结构的加强等进行简要的介绍，对今后铁路轨道的设计提出了 建议。卢祖文1 2 0 】介绍了提速道岔发展的主要特点，指出我国铁路提速道岔现状及存在 的主要问题，提出我国铁路提速道岔发展要点。 在路桥方面，林世剑2 4 】通过对胶济线提速试验结果的分析研究，得出既有线路基 无病害时可不加固、对既有桥梁可通过动载试验确定是否予以加固利用的结论。谢启 新【2 5 】结合广深线提速技术改造标准和提速后运营观测资料，对既有路基提速改造问 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 题，提出既有线提速的路基改造标准和方案。韩自力【2 6 通过对我国几条干线的路基调 查和试验研究，分析了提速路基动态测试中，路基动应力的分布状况及动应力与速度和 轨道不平顺的关系，对既有线提速路基的主要技术条件进行了分析，同时还对既有线 路基静态测试、无损检测方法和路基加固方法做了一些介绍。宫全美、王炳龙等【2 7 】 结合沪宁线路基面的实测动应力值及轨面不平顺数据，进行了不同列车速度下沪宁线 路基的动力响应分析。陈建国、肖军华等【2 8 】结合铁路提速现状，分析了既有线上运行 最高时速2 0 0k m h 客车、1 2 0k m h 货车时路基的动力响应，通过研究得出以下结论： 列车速度提高对路基动力响应的影响有限，但轴重的影响很大；对既有线路基加固时， 存在一个最佳的路基刚度值；道床厚度增加，路基动应力线性减少，但路基动位移和 加速度变化不明显。在我国提速初期，徐涌、沈家骅等 2 9 】根据沪宁提速试验，提出了 强化线桥设备的建议。张传东、朱德功等【3 0 】提出通过大力采用“四新”产品来降低既有 线提速后线桥设备病害的发生和发展，确保列车过桥时的行车安全和设备安全。徐学 东【j l j 介绍了国外既有线提速或高速铁路桥梁主要技术标准要求，讨论了既有客货共线 铁路提速2 0 0k m h 的竖向动力作用等问题，从提速加固与养护维修等方面提出了既有 客货共线铁路提速2 0 0k m h 的相关技术对策。 在山区铁路提速方面，孙绍麟【3 2 j 经过对宝成、成昆、川黔等既有线改造的研究， 指出山区铁路提速改造应优先改善动力条件，合理选择机车类型及牵引定数，注重平 纵面技术改造与既有线现状相结合。梁建新【3 3 】指出，影响山区铁路提速的因素主要包 括机车车辆动力学、隧道空气动力学及结构动力学、线路系统三个方面。严隽耄【3 4 】 对新型摆式列车在中国的应用前景进行了展望。涂泽义提出者了采用摆式列车建成西 南快速铁路系统的构想。张文桂【3 8 】等分析了摆式列车对繁忙双线旅客列车、一般双 线旅客列车和山区单线旅客列车通过能力的影响，估算了提速的运输成本和效益。据 此，得出摆式列车适用范围与应用前景的初步结论。梁明学【3 9 】通过计算说明了应用摆 式列车可提高铁路曲线限速3 5 左右，并提出，在以中小曲线为主的山区铁路采用 摆式列车提速，是一种最有效的方法。 1 3 既有线提速措施 影响既有线提速的线路因素主要有平面线形条件( 曲线限速、缓和曲线长度、夹 直线及圆曲线长度和复线间线间距) 、纵断面条件( 限制坡度、坡段长度及竖曲线等) 及轨道、路基和桥梁等线路设备。其中，受工程投资、既有线路状况等影响，一般提 速改造中不动或尽量少动线路纵断面，因此，既有线提速，主要从平面线形条件及线 路设备等方面入手。另外，列车的更新改造也可以达到提速的目的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 3 1 平面曲线改造 铁路平面线形条件主要包括曲线、缓和曲线、夹直线及圆曲线和复线铁路的线间 距等因素。一般情况下，缓和曲线、夹直线及圆曲线和复线铁路的线间距等难以改造， 在进行平面线形改造时，主要考虑曲线改造，通过加大曲线半径的方法来实现。 机车车辆在曲线上行驶时，受惯性离心力作用，会出现旅客产生不适、货物移位 等情况，外轨超高就是基于此原理设置的。一旦外轨超高按加权平均速度计算并设置 后，便成为固定设施，当列车通过的实际行驶速度大于加权平均速度时，就会产生欠 超高。 曲线半径、超高参数与列车通过的最高允许速度可用下列公式来表示： 。再1 亚1 8 ( 2 - 1 ) 式中：k m r 曲线允许列车通过的最高运行速度，k m h ； k 既有曲线半径，m ； 无既有曲线实设超高，m m ； 办厂列车通过曲线时的允许欠超高，m m ； 由上式可见，要提高通过曲线的允许速度，可以通过加大曲线半径的方法来解决。 1 3 2 线路设备加强 线路设备的加强主要包括加强轨道结构、铺设提速道岔、无缝线路的应用、桥梁 及路基的加固等。 ( 1 ) 铺设提速道岔 道岔的过岔速度是控制行车速度的重要因素之一。列车通过道岔时，轮轨冲撞频 繁，列车运行动能损失，动能损失与行车速度平方和轮轨间冲击角成正比。为保持列 车过岔时平稳，要限制动能损失数值，进而也限制了过岔速度，使道岔成为线路提速 的限制因素。 我国既有线铁路的道岔普遍标准较低，不能适应提速后的要求，为适应速度的提 高，通过铺设提速道岔，改善道岔几何状态、强化道岔结构、提高直向通过速度、保 证列车以提速目标值通过时不限速，是既有道岔改造的主要途径。 ( 2 ) 无缝线路的应用 钢轨接头是轨道结构的薄弱环节之一，普通线路上由于钢轨接头的存在，列车通 过时发生冲击和振动，影响行车的平顺和旅客乘坐的舒适，且噪音较大。此外，还使 道床松散，加速钢轨及联结零件的磨耗，降低轨道各组成部分及机车车辆的使用寿命。 这些缺点在列车提速的情况下，显得更为突出。 无缝线路及跨区间无缝线路的应用消除了大量的接头，因而具有行车平稳、旅客 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 舒适、机车车辆及轨道维修费用降低、设备使用寿命长等优点，得到广泛的应用。现 在无缝线路在我国既有线线路中占很大比重。 ( 3 ) 加强轨道结构 轨道结构直接承受列车负荷并将其传递至路基。提速改造后，轨道所承受的列车 高速运行产生冲击震动力必然增加。因而除要求轨道铺设提速道岔和跨区间超长无缝 线路外，必须增强轨道结构的整体性能。 在我国既有线提速设计中，客车最高行车速度不小于1 4 0k m h ，货车最高行车速度不 小于9 0k m h 时，应采用6 0k e , m 钢轨、i i i 型轨枕、弹条i i 型或弹条i 型扣件。在小半径 曲线上和大坡地段换铺全长淬火轨。 ( 4 ) 既有线路基及桥梁的加固 林世金1 2 4 通过对胶济线提速试验结果的分析研究，得出既有线路基无病害时可不 加固、对既有桥梁可通过动载试验确定是否予以加固利用的结论。 常见的路基病害有：路肩下沉、路基宽度不足、边坡坍塌、排水不畅、基床压陷、 道碴囊及翻浆冒泥。病害整治及基床加固可采用换填、注浆、封闭、挤密桩、搅拌桩、 土工合成材料加固、土质改良、排水和抬道等处理方式。 既有线提速中桥梁存在两个突出问题，一是桥梁的整体性差，二是一些桥梁的横 向自振频率偏低，横向振动大，影响行车安全性和乘坐舒适性。因此，对于横向没有 联结或只有端部设有横隔板的混凝土并置梁，以及横向自振频率不能满足要求的混凝 土梁和钢梁，均须进行加固【l 】。 1 3 3 列车更新改造 ( 1 ) 摆式列车的采用 为了提高曲线的通过速度，通常用外轨超高的办法，来平衡离心力的影响。摆式 列车车体的特点是当车辆进入曲线时，根据探测器的信息，控制车体产生一个向曲线 内侧的倾斜角，相当于增加了一个额外的超高值。其计算公式如下： 普通客车的曲线限制速度计算公式为 矿- - l 竺垒 (12)r21 2矿f 旦( v1 1 8 摆式列车的曲线限制速度计算公式【4 9 】为 矿：1 h + h q + a ho r(2-1321 3 ) 矿= 、 ) vl 工6 式中：j j l 实际超高，m i l l ； 庇广允许欠超高，i l l m ； 彳b 摆式客车产生的额外超高，m m ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ，k 曲线半径。 我国广深铁路1 9 9 6 年从瑞典引进x 2 0 0 0 摆式列车，列车以2 0 0 k m h 的速度运行， 取得了良好的经济效益和社会效益。2 0 0 3 年3 月1 8 日，我国首辆摆式客车在唐山机车 车辆厂下线，标志着我国首列内燃摆式列车研制取得了重要成果。 ( 2 ) 动车组的发展 传统的列车为动力集中方式，而动车组为动力分散方式，其特点为由若干动车和 拖车组成一个单元，再由多个单元组成动车组。动车组具有减轻轴重、编组灵活，可 调整牵引动力和最高速度的优点，根据各国经验，时速2 0 0 公里的旅客列车采用动车 组是合理选择【l j 。 1 4 研究意义 西部大开发战略实施以来，我国西部地区经济社会有了飞速的发展，2 0 1 0 年温总 理的政府工作报告指出，要推进区域经济协调发展，继续推进西部大开发。作为 经济发展的开路先锋，交通建设尤其是铁路建设在西部大开发中发挥着至关重要的作 用。然而，我国山区铁路大都集中在西部地区，山区铁路铁路起点低、基础差，技术 标准低、线路坡度大，尤其是曲线半径小且数量多、分布面广。以成渝线为例，铁路 全长5 0 4k m ，共有曲线6 5 9 处，长2 3 1 2k m ，占线路全长的4 6 。最小曲线半径仅2 8 5 m ，半 径小于3 0 0m 的曲线计6 6 处，半径在3 0 0 3 5 0m 的曲线计1 1 9 处；半径在3 5 0 4 5 0 m 的曲线 1 1 0 多处；半径为5 0 0 m 6 0 0 m 左右的曲线约为1 4 0 处【4 引。列车在通过曲线时，平面曲线 半径是决定列车最高允许速度的主要条件之一，而铁路一旦建成，线路的形状便难于 改变，故曲线半径是制约既有线提速的关键因素之一。 针对小半径曲线而言，上述普通的提速措施，或投资较大，难以采用，或不能满 足提速效果，所以，在既有线提速改造工程中，受投资及既有线状况等因素的限制， 对小半径曲线经常不作改动，或改动很小，从而，使小半径曲线成为山区铁路的限速 点，小半径曲线提速问题成为既有线提速的瓶颈问题。因此，山区既有线列车速度低、 改建困难，投资费用大、运营设备落后、运输能力严重不足，从而影响了西部地区的经 济发展和运输的需要。 无砟轨道由于其纵横向阻力较大、整体性好、稳定性强，可采用较大的超高及欠 超高。根据曲线半径、曲线超高及欠超高和列车通过曲线的最高允许速度之间的关系， 在半径一定的情况下，采用较大的超高及欠超高，可提高曲线通过允许速度。因此， 无砟轨道成为小半径曲线既有线提速的可能的方法。研究山区小半径曲线既有线提速 无砟轨道应用问题，对于提高西部地区铁路的运力、加快运输速度、缩短客货送达时 间，促进西部地区铁路的发展和西部经济的发展具有十分重要的现实意义和理论研究 价值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 5 本文的主要研究内容 近几年来，无砟轨道的应用技术随着多条客运专线及高速铁路的建设和运营已日 趋完善，但是，目前我国的无砟轨道的应用都是在新建铁路上，对于既有线改造来说， 无砟轨道的适应性还是一个新课题，无砟轨道应用于既有线提速，在理论研究和具体 的实践应用中，都还面临着很多实际问题，比如无砟轨道对于路基、桥梁等基础工程 的要求、无砟轨道施工与既有线运营的协调等。本文以无砟轨道其纵横向阻力较大、 整体性好、稳定性强，可采用较大的超高及欠超高这一特点为出发点，探讨无砟轨道 应用于山区小半径曲线既有线提速的理论可能性，主要研究无砟轨道的提速效果及经 济合理性。 本文的主要内容有： 1 、介绍现阶段既有线提速的常用措施，指出现在提速措施不能有效解决山区小半 径曲线既有线提速问题，提出无砟轨道解决山区小半径曲线既有线提速问题的可能性。 2 、总结无砟轨道的特点及分类，介绍无砟轨道在国外提速既有线上的应用，对有 砟轨道与各种类型的无砟轨道的纵横向阻力进行了详细的分析比较，对各国无砟轨道 超高参数值进行介绍。 3 、对有砟轨道及无砟轨道实设超高最大允许值、欠超高最大允许值、过超高最大 允许值等超高参数进行合理取值，分析计算无砟轨道应用于山区小半径曲线既有线提 速时提速的效果。 3 、研究无砟轨道应用于山区小半径曲线既有线提速的技术主要问题，以改建铁路 达州至万州线电气化改造工程为实例，对小半径曲线提速改造无砟轨道方案进行经济 合理性研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 第2 章无砟轨道超高参数研究 相比有砟轨道，无砟轨道由于其纵横向阻力较大、整体性好、稳定性强，可采用 较大的超高及欠超高。那么为何无砟轨道具备这一特点呢? 本章从各种类型的无砟轨 道结构的结构组成和提供纵横向阻力的方式来作具体分析。 2 1 超高参数基本原理 2 1 1 曲线超高 机车车辆在曲线上行驶时，由于惯性离心力作用，将机车车辆推向外股钢轨，加 大了外股钢轨的压力，使旅客产生不适，货物移位等。因此需要把曲线外轨适当抬高， 使机车车辆的自身重力产生一个向心的水平分力，以抵消惯性离心力，达到内外两股 钢轨受力均匀和垂直磨耗均等，满足旅客舒适感，提高线路的稳定性和安全性。如图 2 1 所示，根据这一原理建立起超高计算公式： 图2 1曲线外轨超高计算图 图中：卜车体的重力； q _ 一轨道反力； 瓦向心力； s l 两轨头中心线距离； 而所需的外轨超高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 由图可见，a a b c - z 3 e d o 。由于轨道倾斜角度很小，从工程实际出发，可取 c b a b = s 1 ，则 墨：鱼 ( 2 一1 ) 尸 5 1 而车体作曲线运动产生的离心力为： ，：芝( 2 2 ) g 足 式中r 重力加速度； p 行车速度；单位为m s 时用矿，取l ( 1 1 1 h 时用i x ； 卜曲线半径。 为使外轨超高度与行车速度相适应，保证内外轨两股钢轨受力相等，由式( 2 1 ) 、 ( 2 2 ) 得 矗：里 ( 2 3 ) 球 1 驭$ 1 = 15 0 0 r a m ，o o = 9 8 m s 2 ，代入上式并变换量纲单位得： 庇= 1 1 8 二_ 一( m m ) ( 2 4 ) t ，z 实际上，通过曲线的机车车辆速度不可能都是相同的。因此，式( 2 4 ) 中的列 车速度v 应当采用各次列车的平均速度v p 【5 3 】，即 2 1 2 未被平衡的超高 j i z ：1 1 8 壁 尺 ( 2 5 ) 在任何一段曲线轨道上，一旦外轨超高按加权平均速度圪计算确定并设置后，便 成为固定设施，但由于列车通过的实际行驶速度，或大于加权平均速度，或小于加权 平均速度时，则外轨超高与行车速度不相适应，因而不可避免地会产生未被平衡的离 心加速度或向心加速度。当实际行驶速度胗时，会产生未被平衡的离心加速度；当 实际行驶速度矿 】2 0 、4 、五：_ 西葚i 蕊式无磊瓴磊一一 圈2 1 2 桥上纵连板式无砟轨道 242 纵连板式无砟轨道纵横向阻力提供方式分析 纵连板式无砟轨道抵抗纵横向作用力的方式主要是采用板间螺杆联结或板下凹 槽。用于路基的隧道内时，抵抗纵横向作用力方式是轨道板间纵向螺杆和夹紧装置联 结( 见图21 3 ) ；用于桥上时，轨道抵抗纵横向作用力的方式方法是板下凹槽( 见 图2 - 1 4 ) 。 翘 图2 一1 3 轨道板间的联结 矍要至鎏奎兰堡圭竺茎兰兰篁鎏塞兰：! 圣 m 21 4 轨道板下抵抗纵横向作用力的凹槽 25 双块式无砟轨道纵横向阻力研究 251 双块式无砟轨道结构组成 敢块式无砟轨道是将预制好的双块式轨枕，在现场通过浇筑混凝土将轨枕埋入到 混凝土道床板中或将轨枕“振入”到道床板中，使轨枕与混凝土道床板成为一个整体的 无砟轨道结构形式， 双块式无砟道床主要由双块式轨扰、现浇混凝土和下部支撑体系( 支承层或底座) 组成。国外常见的双块式无砟轨道有r h c d a 型和z n b l i n 型，经过引进、消化、吸收y p h e & 型和z d b l i n 型无砟轨道的部分相关技术，国内设计的双块式无砟轨道形成t c r t si 型 双块式无砟轨道和c r t s i i 型双块式无砟轨道两种形式。 双块式无碴轨道8 自u i c 6 0 钢轨+ v o s s l o h3 0 0 d 件+ 双块式轨枕+ 道床板+ 底座组成。 底座又常称为水凝性材料支撑层，如r h e d a2 0 0 0 ，见图2 1 5 所示。现以r h e c l a2 0 0 0 为 例，介绍双块式轨道的特点和纵横向作用力提供方式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 ：怯0 1 3 i o 图2 1 5p , h z d a 2 0 0 0 结构断面 r h e d a2 0 0 0 堪称r h e d a 型无碴轨道的完美之作，即实现了结构高度整体性的设计目 标，又达到了减少预制结构与现浇混凝土结合面面积、控制表面裂纹产生与扩展的效 果。r h e d a2 0 0 0 简化了轨枕块结构，取消了混凝土槽，降低了结构高度，完善了结构 的整体性，可降低轨道本身和线路的造价。 1 ) 采用简化的只保留承轨和预埋扣件螵栓部位混凝土的轨枕块，为保持轨距和轨 底坡精度提供保证。 2 ) 预制取块式轨枕通过桁架式的钢筋骨架连接，在现场与纵横向钢筋绑扎起来， 使预制结构与现场浇注混凝土的结合面减至最少：取消混凝土槽，原来预制轨枕与混 凝土槽之间浇注的混凝土不发挥结构作用的情况得以改变，从而完善了结构的整体性 洲。 252 双块式无砟轨道纵横向阻力提供方式分析 在桥上铺设时，双块式轨道底座与桥面间通过凸台结构联结，保证上部结构与下 部基础间不产生相对移动，抵抗纵横向作用力。其中，对于长度t 2 s r n 的长桥来说，需要将道床板分块设置，每块道 床板下设置2 个凸台。在路基和隧道内，双块式轨道依靠轨枕与底座或支承层的有机结 合来抵抗纵横向作用力。 8 i坠 m 肌三 堕耍三翌奎兰要圭至塞皇兰堡鎏兰里塑墨 # 5 青乳涟 撼吉覆盖呈 掘害砂装展 坜青轧蕊 晒吉覆盖层 耩青e 嚏导 目o h 2 5 0 6 靓目。 图2 1 6 长度峙 2 5 m 的桥上r h e d