（道路与铁道工程专业论文）城市轨道交通纵断面CAD系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 城市轨道交通纵断面的设计工作量大而且需要反复修改，通过计算机辅助 设计可以节省大量人力，提高设计效率。本文在叙述了城市轨道交通纵断面设 计的相关知识和理论的基础上进行了纵断面c a d 系统的开发。系统以a u t o c a d 作为二次开发平台，并直接进入a u t o c a d 数据库进行实体的自定义，用户对系 统的操作与对a u t o c a d 系统命令的操作无异。系统具有强大的动态交互功能， 设计界面友好，用户操作简单方便。 城市轨道交通纵断面设计过程中包含大量的数据资料，系统采用简便易操 作的m i c r o s o f ta c c e s s 数据库作为系统数据的管理工具。对于城市轨道交通纵 断面的高程控制点，系统向用户提供了动态交互式的插入、移动和删除功能。 用户在纵断面拉坡设计的过程中，系统提供了动态拖动、对话框交互的坡段设 计功能。系统具有强大的修改功能，用户可对变坡点、竖曲线、高程控制点等 设计信息进行修改。对于用户的设计信息，系统提供了丰富的查询功能。用户 的设计成果系统按照最新的规范进行检验，将不合格的设计信息进行特殊标识， 并可以以报表的形式输出。系统适应用户的需要进行出图，用户生成的图纸按 a u t o c a d 的d w g 格式进行保存，并将用户的设计成果保存于数据库。 本文所研制的系统还使用了大量的图形交互技术，文中做了详细的论述。 本文所涉及的图形交互技术包括信息化网格定位交互技术、对话框交互技术、 “橡皮筋 拉坡交互技术、鼠标拾取交互技术、系统容错处理交互技术。 本文对所研制的系统，用具体实例进行了验证，验证过程中充分体现了系 统操作界面的友好和系统优越的动态交互能力，系统的验证结果表明系统完全 满足城市轨道交通纵断面设计的要求。 本文设计的系统是在w i n d o w sx p 操作系统上进行开发的，采用v i s u a lc + + 6 0 作为系统编译平台，a u t o c a d2 0 0 2 作为图形支撑环境，m i c r o s o r f t a c c e s s 2 0 0 0 作为数据管理工具，用o b j e c t a r x2 0 0 2 作为系统的二次开发工具。 关键词：线路纵断面；交互拉坡；功能模块；c a d ；o b j e c t a r x a b s t r a c t t h eu r b a nr a i lt r a n s p o r tp r o f i l ed e s i g nw o r kl o a dt ob ev e r ym u c hh e a v ya n di t n e e dt ob er e p e a t e d l ym o d i f i e d t h r o u g hc o m p u t e r - a i d e dd e s i g nc a l ls a v eal o to f m a n p o w e r ，i m p r o v ed e s i g ne f f i c i e n c y i nt h i sp a p e r ，t h er e l a t e dk n o w l e d g ea n dt h e o r y o ft h eu r b a nr a i lt r a n s p o r tp r o f i l ed e s i g ni sd e s c r i b e d a n dt h ep r o f i l ec a ds y s t e mi s d e s i g n e do nt h eb a s i so ft h i s a u t o c a di sa sas e c o n d a r yd e v e l o p m e n tp l a t f o r mo f t h i ss y s t e m a n di td i r e c ta c c e s st od a t a b a s e so fa u t o c a da n dc u s t o me n t i t i e s t h a t u s e ro p e r a t et h i ss y s t e ma n do p e r a t es y s t e mo fa u t o c a di sn od i f f e r e n c e t h e s y s t e mh a sp o w e r f u ld y n a m i ci n t e r a c t i v ec a p a b i l i t i e s ，f r i e n d l yd e s i g ni n t e r f a c e ，a n d u s e r so p e r a t i o ni ss i m p l ea n dc o n v e n i e n t al o to fd a t aa n dal a r g en u m b e ro fd e s i g nr e s u l t sa r ei n c l u d e di nt h eu r b a nr a i l t r a n s p o r tp r o f i l ed e s i g np r o c e s s ，a n dt h em i c r o s o f ta c c e s sd a t a b a s ew h i c hi ss i m p l e e a s y - t o o p e r a t ei sa sad a t am a n a g e m e n tt o o l i nt h i s s y s t e m f o rt h eu r b a nr a i l t r a n s p o r te l e v a t i o nc o n t r o lp o i n t s ，t h ef u n c t i o n sa r ep r o v i d e dt h a tu s e rc a nd y n a m i c i n t e r a c t i v ei n s e r t ，m o v ea n dd e l e r e i nt h ep r o c e s so fs l o p ed e s i g n ，d y n a m i cd r a ga n d i n t e r a c t i v ed i a l o gf u n c t i o n sa r ep r o v i d e dt ou s e r t h ep o w e r f u lr e v i s i o nf u n c t i o n sa r e i n c l u d e di nt h i ss y s t e m ，a n du s e r sc a nc h a n g ed e s i g ni n f o r m a t i o ns u c ha st h es l o p e ， t h ev e r t i c a lc u r v e ，e l e v a t i o nc o n t r o lp o i n t s f o ru s e r so fd e s i g ni n f o i r m a t i o n ，t h e s y s t e r np r o v i d e saw e a l t ho fe n q u i r yf u n c t i o n t h eu s e r sd e s i g nr e s u l t sa r ei n s p e c t e d w h i c hi su s e 也el a t e s tn o r m s t h eu n q u a l i f i e dd e s i g ni n f o r m a t i o nw i l lb es p e c i a ll o g o ， a n dc a l lb eo u t p u tw i t hr e p o r tf o r m s y s t e m sd r a w i n g so u t p u ti sa d a p tt ot h en e e d s o fu s e r s ，d r a w i n g sa r es a v e da s ”d w g ”o fa u t o c a d ，t h eu s e r sd e s i g nr e s u l t sa r e s t o r e di nt h ed a t a b a s e al o to fg r a p h i ci n t e r a c t i v et e c h n o l o g yw h i c ha r eu s e di nt h es y s t e ma n da d e t a i l e de x p o s i t i o na r ei n c l u d e di nt h i sp a p e r s o m eg r a p h i c si n t e r a c t i v et e c h n o l o g y a r ei n v o l v e di nt h i sp a p e r ；t h e ya r et h ei n f o r m a t i o ng r i dp o s i t i o n i n gi n t e r a c t i v e t e c h n o l o g y ，d i a l o g i n t e r a c t i v e t e c h n o l o g y ，”e l a s t i c ”p u l l i n gs l o p e i n t e r a c t i v e t e c h n o l o g y , p i c k i n gu p w i t hm o u s ei n t e r a c t i v e t e c h n o l o g y , a n d t h es y s t e m f a u l t t o l e r a n ti n t e r a c t i v et e c h n o l o g y t h es y s t e mw h i c hi sd e s i g n e di nt h i sp a p e rh a sb e e nc o n f i r m e dw i t hac o n c r e t e e x a m p l e i th a v eb ef u l l ye m b o d i e dt h eo p e r a t i n gs y s t e r nt h ef r i e n d l yi n t e r f a c ea n d e x c e l l e n td y n a m i ci n t e r a c t i v es y s t e mc a p a c i t yi nt h ev e r i f i c a t i o np r o c e s s a n ds y s t e m v e r i f i c a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mf u l l ym e e tm eu r b 衄r a i lt r a n s p o r td e s i g n r e q m r e m e n t s i nt h i sp a p e r ，t h es y s t e mi sd e s i g n e di nt h ew i n d o w sx po p e r a t i n gs y s t e m ，u s i n g v i s u a lc + + 6 0a sas y s t e mc o m p il e rp l a t f o r m a u t o c a d2 0 0 2a sag r a p h i c s u p p o r t i n ge n v i r o n m e n t ，m i c r o s o f ta c c e s s 2 0 0 0a sd a t am a n a g e m e n tt o o l s ，w i t h 0 b je c t arx2 0 0 2a st h es y s t e mo fs e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt o o l s k e yw o r d s ：l i n e sp r o f i l e ；i n t e r a c t i v ed r a g g i n gs l o p e ；f u n c t i o n a lm o d u l e s ；c a d ； o b i e c t a r x 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 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 、不保密函适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学雠文储虢构剌指剥币签慨 签字日期o 8 年。节月。7 日 签字日期0 8 年。尹月哆日 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文创新性声明 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， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： l 、本文研究开发出了一套完全适用于城市轨道交通纵断面设计的系统， 命名为u r l c a d 。系统实现了动态拖动及对话框交互式的拉坡功能，用户可 以自由的按两种方式插入、移动、修改变坡点来达到坡段设计的目的；系统 利用m i c r o s o i ta c c e s s 数据库对纵断面设计的基础数据及设计成果资料进行 管理，使数据库与系统邦定起来；系统适应用户的要求进行图形、图表的输 出，设计成果以a u t o c a d 的d w g 格式保存，并将设计数据资料存于a c c e s s 数据库中。 2 、本系统使用了大量的交互技术有：“信息化网格辅助定位交互技术 、 “对话框交互技术”、“橡皮筋拉坡交互技术”、“鼠标拾取交互技术 、“系统 容错交互技术”。 3 、在系统的研制开发过程中还使用了a d o 数据库连接、自定义实体、 反应器等a u t o c a d 的a r x 开发技术。 学位论文作者签名：抽刎 签字嗍0 8 年。 呷日 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 城市轨道交通概述 城市中使用车辆在固定导轨上运行并主要用于城市客运的交通系统称为城 市轨道交通。城市轨道交通按照构筑物形态可分为地下铁路、地面铁路和高 架铁路；按列车运营组织可分为传统轨道交通、区域快速铁路、市郊铁路；按 运输能力及车辆类型可分为地下铁道、轻轨交通、独轨交通、有轨电车等。 1 1 1 世界城市轨道交通的发展概况 1 8 6 3 年1 月1 0 日世界上第一条地铁在英国伦敦建成，列车由蒸汽机车牵引， 每年可运送1 0 0 0 万旅客。随后伦敦于1 8 9 0 年1 2 月1 8 日开通了世界第一条电 力牵引地铁，到2 0 世纪末英国有5 座城市已经建有地铁和轻轨，它们是伦敦、 格拉斯哥、纽卡斯尔、设菲尔德和曼彻斯特。1 8 8 6 年，美国蒙哥马利市出现了 有轨电车，此后有轨电车得到了很快的发展，到2 0 世纪2 0 年代美国的有轨电 车线路总长达2 5 万k m 。法国于1 8 9 8 年开始在巴黎修建第一条地下铁道，1 9 0 0 年建成通车。1 9 0 2 年德国柏林地铁建成通车，至1 9 9 6 年德国已有1 8 座城市建 有地铁和轻轨。东京是日本第一个修建地下铁道的城市。1 9 2 7 年最先建成了浅 草至上野2 2 k m 的运营线路。1 9 3 9 年又建成了银座线1 4 3 k m 的运营线路，此 后因战争中断，自1 9 5 1 年又开始了新线建设，5 0 年代建成了1 6 6 k m ，6 0 年代 建成了1 0 1 7 k m ，7 0 年代建成了5 7 4 k m ，到1 9 9 6 年东京地铁线路长度为2 3 0 3 k m ， 年平均客运量为2 5 00 0 0 万人次。1 9 3 5 年前苏联莫斯科修建了第一条地铁线路， 到目前为止莫斯科已拥有一个遍及全市的立体交叉地铁网，总长达2 4 3 k m ，1 4 0 多个车站，由一条环线和8 条辐射线组成【2 】。 迄今为止，全世界己有8 5 座城市修建了总长超过5 5 0 0 k m 的地铁，最近轻 轨的势头甚为迅猛，全世界己修建了近2 0 0 0 k m 的轻轨，德国己有3 0 多个城市 拥有轻轨系统，美国和加拿大己有7 5 个城市拥有或正在建设轻轨系统。 1 1 2 我国城市轨道交通的发展概况 我国城市轨道交通建设始于2 0 世纪初，1 9 0 8 年我国上海第一条有轨电车建 成运营，1 9 6 9 年我国最早的地铁在北京建成通车即北京地铁一号线，从北京车 站到苹果园站，全长2 3 6 k m ，随后延伸至四惠站，一号线全长3 1 k i n 。上海地 铁一号线北起火车站到终点站虹梅路，全长1 6 1 k m ，于1 9 9 5 年4 月通车，先 后经南、北延伸，一号线全长增加到3 3 k m ，至今2 号线1 9 k m ，三号线2 5 k m ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 四号线1 7 7 k i n ，莘庄至闵行轻轨线1 7 k m ，另有磁浮线3 0 k i n ，目前上海轨道交 通运营线路里程达11 2 k i n 。 我国台湾省台北市地铁于1 9 8 8 年动工，1 9 9 5 年基本建成试运营，其地铁 共规划五条线路，全长7 3 1 k m ，设7 0 个车站。中国香港地区白1 9 7 5 年开始修 建地铁以来，共建成观塘线、荃湾线、港岛线、将军澳线、东涌线、迪斯尼线、 机场快线，全长9 1k m ，共设5 3 个车站，另外香港轻轨铁路于1 9 8 5 年底开始 施工，1 9 8 8 年第一期轻轨工程正式投入运行，线路全长3 0 9 k m 。澳门拟投巨 资建地铁，初步方案全长2 7 k m 投资1 2 0 亿，首段线路预计2 0 0 9 年建成启用。 目前，我国其他城市运营的城市轨道交通线路有：广州地铁一号线1 8 5 k m 、 二号线1 8 6 5 k m ，深圳一号线2 1 8 7 k m ，天津滨海线4 5 9 k m 、一号线2 6 1 9 k m ， 南京一号线2 1 7 2 k m ，重庆轻轨线1 4 k m ，武汉一号线1 0 4 k m ，大连城市快速交 通线4 9 0 4 k m 、城市电车线1 2 5 k m ，长春轻轨线1 3 8 9 k m 。 迄今为止，全国已开通运营的城市轨道交通的城市有北京、上海、广州、 南京、深圳、天津、重庆、长春、武汉、大连等1 0 座城市的2 0 多条线路，总 长度近5 0 0 k m ，正在建设的线路也已达5 0 0 k m 之多。此外，还有沈阳、杭州、 成都、西安、哈尔滨、苏州等城市正在规划建设之中。城市轨道交通已成为城 市持续发展的重要方面，建设城市轨道交通的城市迅速增加，我国城市轨道交 通已经进入快速发展的阶段。 1 2 城市轨道交通线路c a d 的研究与应用现状 1 2 1 城市轨道交通线路c a d 的研究背景 城市轨道交通线路c a d 技术是在一般线路c a d 技术发展过程中诞生的， 对于城市轨道交通线路c a d 系统的研究，必然是在一般路网铁路线路c a d 技 术及公路路线c a d 技术的发展背景下进行的。对于线路c a d 技术的研究，从 6 0 年代末期开始以来，欧美发达国家已经开始了对道路c a d 技术的研究。早 期西方工业国家的研究工作，主要是在线路方案优化上，进入九十年代后，西 方发达国家致力于集成式土木工程设计系统的研究与开发。我国选线计算机辅 助设计的研究于始7 0 年代末期，在早期主要集中在线路的优化方面，开发出的 软件主要进行数值分析和计算，以及基本的绘图功能。随着我国铁路事业的蓬 勃发展，在“九五 期间提出了“铁路勘测设计一体化和智能化系统 的思想， 随后又提出了“基于虚拟环境铁路选线设计 的理论，使铁路线路设计的思想 转向三维环境n 。近年来我国各大城市又掀起了城市轨道交通建设的热潮，c a d 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 技术在城市轨道交通线路设计中应运而生。 1 2 2 城市轨道交通线路c a d 的应用现状 城市轨道交通线路设计是城市轨道交通建设工程的一个重要组成部分，进 行一个城市轨道交通工程项目的设计，首先要由线路设计开始，因而线路设计 的快慢直接影响整个工程项目的设计进度。但线路设计除受相关专业的影响外， 其本身的因素，如设计方案多和大量繁琐的计算及绘图工作均影响设计进度。 以往这些繁琐的工作，均由人工来完成，耗费了设计人员大量的宝贵时间来从 事相对较为简单的计算和绘图工作，不仅工作效率较低，而且影响设计人员抽 出时间来进行方案设计等需要具有智能的工作。如果通过计算机来辅助线路设 计，可以大大节省时间，使设计人员有更多时间花在线路的方案设计和比选上。 目前c a d 技术在一般铁路线路和公路路线设计中应用比较广泛，国内外比较成 熟的线路c a d 设计系统也层出不穷。对于城市轨道交通的线路设计，早期主要 参照一般铁路线路和公路路线的设计，在计算机辅助设计方面也主要受一般路 网铁路及公路的影响。国内外有一些设计人员参照一般路网轨道交通线路及公 路路线的c a d 软件应用系统，自己编制了一些关于城市轨道交通线路方面的计 算程序和绘图程序，虽然这些程序使得设计者工作效率有所提高，但是其功能 非常单一，交互能力较差，自动化程度较低，有时需要大量的手工修改才能满 足设计的要求，因此其应用存在一定的局限。由西南交通大学和北京城建设计 研究院合编的a l c a d 2 5 j 是我国早期研究的城市轨道交通线路设计软件之一，它 主要具有以下特点：( 1 ) 对设计数据的管理具有高度的共享和一致性；( 2 ) 具 有良好的用户界面；( 3 ) 提供开放性的用户设计环境；( 4 ) 能进行平、纵断面 的计算及相应成果输出。从a l c a d 的功能来看，它能较好的完成线路平纵断 面的基本绘图功能，然而对于线路设计来讲，并不能利用程序进行设计的自动 化，只能说是一种较好的专业绘图工具。目前在国内市场上出现的城市轨道交 通线路c a d 的软件还有东南大学李方教授的“t i c a d 和武汉捷力软件公司的 “城市轨道交通线路平纵一体化辅助设计系统”，这些软件大都参照一般路网铁 路线路及公路路线c a d 选线系统而进行的改进，对于城市轨道交通线路设计的 针对性还不够强。因此，目前对于城市轨道交通线路c a d 技术的研究将具有重 要的现实意义， 1 2 3 城市轨道交通线路c a d 的发展趋势 随着城市轨道交通建设的飞速发展，城市轨道交通线路c a d 技术将会由大 西南交通大学硕士研究生学位论文鱼4 页 量的理论研究转为实际应用，所设计出的软件系统其专业性将会增强，其主要 发展趋势有： ( 1 ) 线路计算能力和绘图交互能力将会更加强大，系统的交互界面将更加 友好。 ( 2 ) 对于不同的城市轨道交通类型其涵盖范围较大，针对性较强，即设计 模块包含的城市轨道交通类型将越来越多。 ( 3 ) 线路的平、纵、横断面设计朝着集成、联动的方向发展，从而实现城 市轨道交通线路设计“一体化”的思想。 ( 4 ) 城市轨道交通线路优化方面将会取得更大的提高。 ( 5 ) 随着三维仿真技术的发展，城市轨道交通线路c a d 技术也会有三维 选线的发展趋势。 1 3 本文研究主要内容 本文研究的主要内容是针对城市轨道交通线路纵断面c a d 系统的软件开 发，在开发过程中对城市轨道交通线路纵断面设计理论、城市轨道交通线路纵 断面c a d 系统需求分析、城市轨道交通线路纵断面c a d 系统系统分析、城市 轨道交通线路纵断面c a d 系统编制等方面进行分析研究。 ( 1 ) 城市轨道交通线路纵断面设计理论及探析 由于城市轨道交通线路设计是在已经确定的城市轨道交通线网条件下，研 究某一条或某一段线路的具体位置，确定相关细节，包括线路的路由方案、敷 设方式以及站点选择等。本文对城市轨道交通线路纵断面设计理论进行了研究 与探析，对于纵断面设计的坡度、坡段长度和坡段连接进行了深入的研究，并 对于其中的一些关键技术进行了探析，详见本文的第二章。 ( 2 ) 城市轨道交通线路纵断面c a d 系统需求分析 由于纵断面设计在整个城市轨道交通线路设计中具有十分重要的意义，研 究设计一套通用、灵活、针对性较强的城市轨道交通线路纵断面设计软件，不 仅给设计人员带来了极大的方便，节省人力、物力、财力的消耗，缩短设计时 间，提高设计效率，更重要的是能及时提供给其它专业设计资料，加快它们的 后续设计，使专业的设计流程能够进行良好高效的衔接，这将使整个项目的设 计周期明显缩短。因此研究设计一套城市轨道交通纵断面的c a d 系统将是十分 必要的，本文对城市交通纵断面c a d 的系统功能需求做了全面的分析，详见本 文第三章。 ( 3 ) 城市轨道交通线路纵断面c a d 系统分析及系统设计 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 本文对于城市轨道交通纵断面c a d 的系统进行了分析，并对系统的设计过 程及研制方法加以论述，详见文章的第四章，对于系统各种交互技术的应用详 见第五章的阐述。城市轨道交通线路纵断面c a d 系统设计主要包括以下几部 分： 系统项目基础数据库的建立 纵断面设计数据资料的数据库管理 纵断面拉坡环境的设置 用户项目设计控制点的系统管理 用户动态交互式拉坡设计 用户设计信息的高速快捷查询管理 设计成果的规范检验 用户自定义出图管理 ( 4 ) 城市轨道交通线路纵断面c a d 系统编制 本文所研究的城市轨道纵断面c a d 系统主要有八个功能模块，系统功能菜 单的编制为：项目管理、基础数据、拉坡环境、高程控制、交互拉坡、信息查 询、规范检验和出图管理。 1 4 本文研究方法 本文的研究主要为系统软件的开发，本文采用面向对象的系统开发技术， 系统以a u t o c a d 作为强大的图形支撑平台，采用菜单、按钮驱动方式与用户进 行交互。本系统以o b j e c t a r x 2 0 0 2 作为开发工具，并以v i s u a lc + + 6 0 作为编 译调试平台，通过a d o 的方式与a c c e s s 数据库进行连接。对于系统各功能 模块的实现，采用多种算法，在开发过程中不断进行实例验证。在研究的过程 中，对一般路网铁路线路和公路路线纵断面设计软件进行分析研究，总结其优 缺点来研发系统。 1 5 本文研究特点 本文是在线路c a d 技术和城市轨道交通线路设计理论的基础上，对城市轨 道交通纵断面c a d 技术进行的研究。针对目前市场上存在的城市轨道交通线路 c a d 的软件系统相对较少，本文结合城市轨道交通线路设计的理论，对城市轨 道交通线路纵断面c a d 系统进行研发，从一般线路工程c a d 技术出发对城轨 线路纵断面c a d 技术进行研究，分析般线路工程设计与城市轨道交通线路设 计的差异，再结合大量的公路、铁路c a d 软件系统开发城市轨道交通纵断面 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 c a d 系统，本系统取名为“城市轨道交通纵断面c a d ，简称u t l c a d 。本文 所研究的系统具有以下特点： ( 1 ) 系统采用面向对象的编程方法对系统进行开发，实现系统界面与用户 友好的交互。 ( 2 ) 系统采用m i c r o s o f ta c c e s s 通用数据库对设计数据进行管理，用户对 数据资料的访问修改更加方便和快捷。 ( 3 ) 系统针对城市轨道交通线路纵断面设计的特点，对控制点进行单独处 理，方便用户交互设计。 ( 4 ) 系统针对不同的设计方式用户可以自由切换系统的菜单。 ( 5 ) 系统面向用户设置“橡皮筋”等图形交互方式的拉坡技术。 ( 6 ) 面向用户建立了详细的信息查询和对设计成果规范检验系统。 ( 7 ) 适应用户的需求进行出图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章城市轨道交通线路纵断面设计概论 2 1 城市轨道交通线路设计概述 城市轨道交通线路设计主要包括平面设计、纵断面设计，城市轨道交通线 路的空间位置由线路平面和线路纵断面所决定。线路平面是线路中心线在水平 面上的投影；线路纵断面是沿线路中心线展直后的轨面标高在铅垂面上的投影 线。城市轨道交通线路设计的任务是在规划路网和预可行性研究的基础上，对 拟建的城市轨道交通线路走向及其平面和纵断面位置，通过不同的设计阶段， 逐步由浅入深，进行研究与设计，达到最佳确定城市轨道交通线路在城市三维 空间的准确位置。线路设计的基本要求是保证行车安全、平顺，并且使整个工 程在技术上可行、经济上合理1 4 j p j 。 城市轨道交通的线路设计和一般路网铁路线路设计一样，铁路平面设计质 量的好坏是由线路的纵断面设计成果来评价的【z 6 j 。在工程设计中，为了提高设 计的质量，设计者往往需要对纵断面设计方案反复进行比较，因此对城市轨道 交通线路纵断面的研究，首先从纵断面切入将十分必要。 城市轨道交通的线路纵断面由坡段和连接相邻坡段的竖曲线组成。轨道交 通线路纵断面设计的主要技术要素有坡度、坡段长度及坡段连接，以下将分别 阐述各设计要素。 2 2 城市轨道交通纵断面坡度设计h 1 】 由于城市轨道交通载重量小，运距短，坡度已不是限制列车牵引质量的主 要因素、也不存在机车增减的情况、所以把线路允许设计的最大坡度值就称之 为最大坡度，而不称为限制坡度，也不存在加力坡度。城市轨道交通由于高密 度行车和大运量，为保证行车安全与准点，设计原则要求列车失去部分( 最大可 达到一半) 牵引动力的条件下，仍能用另一部分牵引动力将列车从最大坡度上起 动，因此，最大坡度阻力及各种附加阻力之和不宜大于列车牵引动力的一半。 在实际纵断面设计过程中，线路坡度在满足排水及标高控制要求的前提下 应尽可能平缓。正线允许的最大坡度值主要受行车安全( 与制动设备性能有关) 、 旅客舒适度、运营速度三个因素影响，一般不大于3 0 ，在困难地段( 例如，深 埋线路需要上升至地面以上时) ，若有适当理由，则允许将正线坡度设计到3 5 ；辅助线的最大坡度一般不大于4 0 。根据地铁设计规范( g b 5 0 1 5 7 2 0 0 3 ) 以目前我国采用的a 、b 型车作为坡度检算的代表，验算超员载客重车在大坡 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 道上的启动问题。设检算的最大启动坡度为i m 缸，按式2 - 1 计算出b 型车4 3 9 5 坡道上，a 型车在4 1 7 6 的坡道上都能启动，启动速度都按5 k m h 考虑。 i 一1 0 0 0 一( 5 6 2 t + 8 p ) r ，1 、 懈一 丁+ 尸+ 胖i 幅“ 式中尸牵引动车重( t ) ； 丁被牵引车总重( t ) ； 、圪车辆轮轨间粘着系数，、壬，置2 i 百面1 3 z 丽； v 一列车启动速度( k m h ) ； 当v = 0 时，k = o 2 v = 5 k m h 时，k = o 1 9 4 ； 5 6 2 、8 列车启动时的常数。 因此规定的正线最大坡度不宜大于3 0 ，困难地段可采用3 5 ，联络线、 出入段线上的最大坡度不宜大于4 0 是合适的。但随着各种城市轨道交通车辆 的改进，允许的最大坡度值也正在增大。例如，新型的线性电机车允许的正线 设计最大坡度可以达到6 0 。目前，日本东京都营地铁1 2 号线路的正线设计最 大坡度已经达到5 0 。原苏联的地下铁道设计规范( 1 9 8 1 年7 月1 日起执行) 规 定的地下线段以及隐蔽地面线段的纵断面坡度不大于4 0 ，而敞开的地面线段 的纵断面坡度则不大于3 5 。法国巴黎市区地铁线路最大坡度为4 0 ，地区快 车线最大坡度为3 0 o ，困难地段的坡度还可以大一些。香港地铁的线路最大坡 度为3 0 ，个别地段允许超过。【蹦】 城市轨道交通线路位于地下部分因有充足的水源、为便于排水，地下线路 区间不能设计成平坡，而要设计成不小于3 0 0 0 的坡度。当然，在能解决排水问题 的地段，可不受此条件限制。隧道内的车站站台段线路应设单一坡度，坡度值 宜采用3 0 o o ，困难时，可设在2 0 o o 5 的坡道上，坡度太大，不利于列车起停， 坡度太小，不利于隧道排水。特殊情况下，站台也可设在平坡上，但需设置一 定坡度的排水沟，以保证排水。 隧道内的存车线和车辆折返用的尽端线上应设2 0 o o 的纵向坡度，且方向是由 车站向车挡为上坡。地面和高架桥上的车站站台段线路宜设在平坡道上，在困 难地段，可设在不大于5 的坡道上。 地面或高架桥上车场线可设在不大于1 5 的坡道上，主要是根据溜车条件 决定的。关于车辆溜动问题，从理论上分析，车辆单位坡道阻力i ( 相当于下坡 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 方向的单位分力) 小于车辆开始溜动时的单位启动阻力国，车辆才不会溜走。c o 随很多因素而变化，与车辆重量、气候条件等都有很大关系，由于我国尚未启 动阻力的试验资料，参照前苏联的有关资料： 国：2 + 0 3 ( 竿+ 吼) ( 2 2 ) 、r 一 7 假设列车停在直线上( r = 0 0 ) ，又设在坡度值为零( i = 0 ) ，则： 国= 2 ( ) 当停车线坡度i 时，车辆就不会溜动。但车辆停留在车场内受很多外 力影响( 如风力和振动等) ，需要考虑一定的安全系数，根据经验，当停车线坡 度i 1 5 o 时，尚未发现溜车现象，所以车场线可设在不大于1 5 的坡道上。 为便于道岔的养护和维修，道岔应铺设在较缓的坡道上，因道岔设在大于 1 0 的坡道上容易爬行、养护困难，所以规范规定设在不大于5 o 的坡道上，在 困难条件下可设在不大于1 0 的坡道上。 2 3 城市轨道交通纵断面坡段长度设计h 。7 1 两个坡段的连接点称为变坡点，一个坡段两端变坡点之间的水平距离称为 坡段长度。列车通过变坡点时要产生附加力和附加加速度，从行车平稳考虑， 宜设计较长的坡段，但为了适应线路高程的变化，坡段也不能太长，否则将发 生较大的工程量，给施工带来困难，因此应综合考虑两者的影响来确定最短坡 段长度。当坡段长度小于列车长度，列车就会同时跨越2 个或2 个以上的变坡 点。各个变坡点所产生的附加应力和局部加速度会因叠加而加剧，影响列车的 平稳运行和旅客的舒适。坡段长度还应满足竖曲线既不互相重叠，又能相隔一 定的距离，有利于列车运行和线路维修养护。从保证行车平顺性考虑，希望在 两竖曲线间能放下二、三节车辆，因此规定坡段长度不宜小于5 0 m 。另外与城 间铁路不同，城市轨道交通线路不要求坡段长度取整为5 0 m 的整倍数，通常个 位数取整即可。 2 4 城市轨道交通纵断面坡段连接设计h 。7 1 ( 1 ) 坡度代数差 列车通过变坡点时，车钩产生附加应力，并致使车辆的局部加速度增加， 其值与相邻两坡段的坡度代数差成正比。坡度代数差太大，会影响旅客舒适度。 虽然地铁规范没有对坡度代数差加以限制，但是根据国内外传统经验做法，如 两反向坡段的坡度值均超过5 o 时，通常采用一段坡度不大于5 o 的坡段连接【5 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 ( 2 ) 竖曲线 在纵断面上，若各坡段直接相连则形成一条折线。列车运行至坡度代数差 较大的变地点处，容易造成车轮脱轨、车钩脱钩等问题。为避免出现这类情况 发生，当坡度代数差等于或大于2 0 o o 时，应在变坡点处设置竖曲线，把折线断面 平顺地连接起来，以保证行车的安全和平稳。竖曲线有抛物线型和圆曲线型两 种。抛物线型曲率是渐变的，更适宜于列车运行，但由于铺设和养护工作较复 杂，当要求速度不高时，基本上不采用。圆曲线型竖曲线，具有便于铺设和养 护的优点，当竖曲线半径较大时，近似于抛物线型。因此，我国城市轨道交通 线路采用圆曲线型竖曲线。 当列车通过变坡点时产生的附加加速度即竖向加速度为a 矿( m s 2 ) ，则竖曲 线半径r 矿( m ) 与行车速度v ( k m h ) 及a y ( m s 2 ) 的关系为： 彤= 岳沼3 ， 根据国外资料，a 矿值采用的范围为o 0 7 - 0 3 l m s 2 ，但多数国家采用r 矿= 矿2 ，即a y 值为o 0 8 m s 2 ；困难条件下采用r y = v 2 2 ，即a y 值为o 1 5 m s 2 。参 照实际情况，一般a 矿 - 0 1 0 1 5 4 m s 2 ，困难条件下为a 矿= o 1 7 - - - 0 2 6 m s 2 。考 虑到区间正线与站端的运行速度不同，按2 - - 3 式验算取整数，对正线区间线路， 竖曲线半径一般取5 0 0 0 m ，困难情况下，取2 5 0 0 - - 一3 0 0 0 m 车站两端因行车速度 较低，其线路的竖曲线半径可取3 0 0 0 m 。困难情况下，可取2 0 0 0 m 。对辅助线 和车场线，竖曲线半径可取2 0 0 0 m 。 在设置竖曲线时，应注意以下两点： a 竖曲线不应与平面缓和曲线重叠。曲线超高是由缓和曲线外轨逐渐完成 的，若在缓和曲线范围内设竖曲线，则外轨难以制成圆弧状，故竖曲线不应与 平面缓和曲线重叠。 b 为了保证站台平整和乘客安全，并有利于车站的设计和施工，竖曲线不得 侵入车站站台范围；道岔范围内不宜设竖曲线，道岔的辙岔和尖轨是线路中的 薄弱环节，宜保持在一面坡上，以减轻车辆的冲击和摇摆，困难时，可设在竖 曲线上，但竖曲线半径不小于5 0 0 0 m 。 ( 3 ) 竖曲线夹直线 由于允许的坡段长度较短，而允许的坡度值又较大，因而实际设计时常会 出现两条竖曲线重叠或相距很近的情形。为了避免或减轻列车同时位于两条竖 曲线而产生的振动叠加，地铁规范规定，两条竖曲线之间的夹直线长度不宜小 西南交通大学硕士研究生学位论文1 1 页 于5 0 m 。 2 5 城市轨道交通纵断面的设计步骤1 线路的纵断面设计是在平面设计的基础上进行，同时又是对平面设计进行 检验和调整，它最终确定线路在城市三维空间的位置。线路纵断面设计可采用 以下步骤进行： 2 5 1 确定敷设方式和过渡段 在纵断面设计中地下线路的设计方式，主要是确定洞口以及过渡段的位置 和型式。轨道交通线路由地下过渡到地上，一般有以下几种方式： 在道路中间开口 这种方式是在道路中间设置过渡段，可分为双线同时出洞和单线先后出洞 两种型式，其纵断面示意如图2 1 所示。双线同时出洞型式占用道路路幅宽度 较大，但影响道路长度较短，适宜路幅较宽的地段，是经常采用的一种出洞方 式。单线先后出洞是为了解决路幅较窄提出的一种过渡方式，但它占用道路纵 向距离长，有时需要跨路口，工程也较为复杂，是在特殊情况下采用的一种方 法。 n i巴一， 一 一 夕 il一 一 r 多 ， 一艺 i i 多 一 一之 一 ( 1 ) 双线同时出洞 啊 啊 l多 ， l夕 ， 一 一 夕 一 一 乡 ， il ， 一 r 多 一 r ， 一三一 _ 一 一一 一 _ 二； 一一 1 r 二一 一 一一 - ，r 一 在道路红线以外开口 ( 2 ) 单线先后出洞 图2 - 1 线路出洞方式 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 这种方式一般是结合城市规划，与街区改造同步实施，以避免大量的拆迁， 但它建成运营后对周围环境影响较大，需采取减震降噪措施，一般在环境要求 不高的地段采用。 结合地形等环境条件开口 在工程实践中，应优先考虑采用这种方式，与地形结合的办法可多种多样， 一般可利用山地高差出口、绿化带出口等。 2 5 2 分析控制点 在确定了各种敷设方式的分界点以后，要针对不同的敷设方式地段，进行 高程控制点的分析。控制点一般有以下几种： 地下线结构顶板疆土厚度 当地下线位于道路下方时，要考虑路面铺装和管线要求，一般在城市道路 中，隧道结构项板距地面为2 3 m ：当地下线位于城市公园或绿地时，要考虑 植被的最小厚度，一般草坪为0 2 - - 0 5 m ，灌木为o 5 - 一1 o m ，乔木为1 5 - - 2 5 m ； 当地下线经常位于水面下方时，要考虑隔水层厚度要求，一般为h 左右；当地 下线作为人防工程时，需考虑防空工程的最小覆土要求；在寒冷地带应考虑保 温层最小厚度要求。 地下管线及构筑物 在明挖车站遇地下管线时，应尽可能考虑改移，以减少覆土厚度，方便乘 客出入。地下隧道结构以明挖法通过地下管线或地下构筑物时，隧道与管道( 构 筑物) 可不留土层，甚至两者共用结构。地下隧道以暗挖法通过地下构筑物、 楼房基础时，两结构之间应保持必要的土层厚度，最小厚度应根据结构要求而 ，工 匕o 地质条件 当地下线路遇到不良地质条件时，主要是淤泥质粘土及流沙地层，应尽量 考虑躲避，若躲避有困难时，应采取工程措施。 施工方法 地下线采用明挖法时，为减少土方开挖量，线路埋深应尽可能的浅；当采 用暗挖法时，应选择较好地层，一般埋设深度较深。 排水站位置 地下线排水站一般设于线路纵断面的最低点，因此纵断面设计要考虑排水 站的位置。 桥下净高 西南交通