（道路与铁道工程专业论文）新建铁路开通速度的技术经济分析.pdf

y7 4 1 1 8 7 摘要 摘要 提高新建铁路的开通速度对于增强铁路运输的竞争优势、充分发挥新建铁 路在路网的作用有着十分重要的意义。针对这个设想，我国的铁路工程技术人 员一直在作有益的尝试，但这个设想的实现是一个贯穿铁路投融资、建设和运 营的整个过程的复杂系统过程，需要对铁路的设计、施工进行相应的加强。 根据经验，影响新建铁路开通速度提高的主要技术因素是轨道的动念不平 顺。而轨道的动、静态不平顺主要是由轨道工程和路基工程的变形( 尤其不均 匀沉降) 引起。文章对引起轨道工程和路基工程变形的技术因素分别进行详细 分析，并针对其存在的工程技术问题尽可能的提出相应的工程技术加强措施。 文章还总结了近几年来我国提高新建铁路开通速度的工程实践实例，对它 们的设计、施工验收标准以及相应的施工工艺加强措施进行了分析总结，归纳 出针对普通铁路不同开通速度的轨道工程和路基工程的施工加强措施。最后还 根据上面的施工工艺加强措施结论以胶新铁路为例针对不通开通速度对其施 工过程进行模拟，计算了其工程量和相应的工程费用，绘出新建铁路不同开通 速度的费用指标变化趋势曲线。 结尾部分并对现在有关开通速度的研究已经取得的成果和存在的问题进 行了阐述，为以后的相关研究指出了方向。 关键词：新建铁路、开通速度、轨道不平顺、工程技术因素分析、施工过 程、工程经济分析 a b s 觚c t a b s t r a c t i t s v e r yi m p o r t a n tt o r a i s et h ei n i t i a l s p e e do fn e wr a i l w a y sf o rr a i l w a y e n t e r p r i s et oe n h a n c et h ec o m p e t i t i v ep o w e ro fr a i l w a yt r a f f i ca n dp l a yt h e i rr o l e s i nr a i l w a yn e t w o r k f u l l y o u rt e c h n i c a lp e r s o n a l sh a v eb e e nh a v e nm a n yg o o dt r i e s t ot u r nt h et e n t a t i v ei d e ai n t or e a l i t y , b u tt h i si sac o m p l e xs y s t e m a t i ce n g i n e e rr u n t h r o u g ht h ep r o c e s s e s i n v e s t m e n t 、c o n s t r u c t i o na n dc h e c kb e f o r e a c c e p t a n c e ， r e l e v a n ts t r e n g t h e nm e a s u r e sa b o u td e s i g na n dc o n s t r u c t i o na r ee s s e n t i a l t h ed e c i s i v ef a c t o ro fn e wr a i l w a yi n i t i a l s p e e d i st h et r a c k d y n a m i c i r r e g u l a r i t y w h i l et h et r a c kd y n a m i c a n ds t a t i ci r r e g u l a r i t yi sm a i n l yc a u s e db yt h e s e d i m e n t a t i o no ft r a c ke n g i n e e r i n ga n dr o a d b e de n g i n e e r i n g ，e s p e c i a l l yi r r e g u l a r s e d i m e n t a t i o n i nt h em a s t e r st h e s i s ，t h ee f f e c t se l e m e n t sw h i c hc a u s et r a c k e n g i n e e r i n g a n dr o a d b e d e n g i n e e r i n g s u b s i d ea r e a n a l y z e de x p l i c i t l y a n d a p p r o p r i a t ee n g i n e e r i n ge n h a n c e m e a s u r e sa l s ob e g i v e no u t a sf a ra sp o s s i b l e af e wr e a le x a m p l e so fn e w r a i l w a y s i n i t i a ls p e e di m p r o v i n gi nl a s ty e a r sa r e s u m m a r i z e d t h e i rc r i t e r i o n so f d e s i g na n dc h e c kb e f o r ea c c e p t a n c e sa r es h o w e d ， t h er e l e v a n ts t r e n g t h e nm e a s u r e sa l s ob ea n a l y z e da st h ee m p h a s i s t h e nd r a wa n i m p o r t a n tc o n c l u s i o n t o s t r e n g t h e nm e a s l e sf o rd i f f e r e n ti n i t i a ls p e e do ft h e n o r m a ln e wr a i l w a y s a ne x a m p l ea b o u tj i a o x i nr a i l w a yi st a k e nu p ，d i f f e r e n t c o n s t r u c t i o np r o c e d u r e sr e l e v a n tt od i f f e r e n ti n i t i a ls p e e da r ed r a w n u pt oc a l c u l a t e t h er e l e v a n te n g i n e e r i n gc o s ta n dt h e nd r a wac i r c l eo f e n g i n e e r i n gc o s tt os h o w t h e c h a n g e c u r r e n t a tl a s t ，t h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa n dt h ed i f f i c u l tp r o b l e m ss t i l le x i s t e di nt h e c o p e a r es h o w nt ot h el a t e rr e s e a r c h e r s a b s t r a c t k e y w o r d s ：n e , wr a i l w a y , i n i t i a ls p e e d ，t r a c k si r r e g u l a r i t y , e n g i n e e d n gf a c t o r a n a l y s i s ，c o n s t r u c t i o np r o c e s s ，e n g i n e e r i n ge c o n o m i ca n a l y s i s i r 第一章绪论 1 1 国内外研究现状 第一章绪论 速度是交通运输的灵魂。在市场经济条件下，任何一种交通运输方式要得 到生存和发展，必须具备与社会发展相适应的速度及其指标。随着社会的不断 进步，人们的时间价值不断提高，对旅行速度的要求越来越高。近几年来对既 有铁路的几次大提速，使既有铁路的运行速度已经接近或超过1 6 0 k m h ，在不 远的将来，还要将部分线路的速度提高到2 0 0 k m h 。将来还将修建大量的客运 专线来满足客运飞速增长的需求，它们的设计速度将达到2 5 0 k m h 甚至 3 5 0 k m h 。 铁道部在1 9 9 7 年4 月、1 9 9 8 年l o 月、2 0 0 0 年1 0 月、2 0 0 1 年1 0 月和2 0 0 4 年4 月进行了五次大规模的铁路提速。明年还将有一次较大规模的提速，这样 部分旅客列车的行车速度将达到2 0 0 k m h 。通过提速，在铁路工程的理论和实 践方面有了一定的成果，逐渐形成和完善了铁路提速的设计标准，并且近十年， 铁道部对影响高速铁路的土木工程因素也进行了综合研究，并完成了京沪高速 铁路设计暂行规定。但由于种种原因，我国原来新建铁路的普遍很低( 一般默 认4 5 k m h ) ，要经过很长的过渡运营期才能逐渐达到设计速度，这个过程既严 重影响了新建铁路作用的发挥，而且每次提速都要化费大量的资金和时间来对 铁路进行加强，还要花费很大的成本来调整运行图来适应提速。对于一般的新 建铁路，针对不同开通速度，我国尚缺乏提高开通速度的系统研究，如何提高 开通速度，使得新建铁路在路网中快速形成作用，以最大限度的发挥铁路的作 用，产生社会效益和企业效益，就越来越显得重要，为此有必要对开通速度做 出全面的研究。 国内对此的研究也刚刚起步，最早的尝试始于京九铁路。当时为了使京九 北京变通大学：魄士学位论文 铁路( 原定4 5 k m h ) 开通速度达到6 0 k m h ，设计和施工单位都做了大量的工 作，并在原来计划投资的基础上追加了一部分。随着科技的发展，新的测量设 备的不断应用，施工的机械化科学化程度不断提高，在京九复线修建时，又尝 试性的试验了开通速度达到8 0 k m h 的试验并获得了成功。2 0 0 2 年铁道部组织 其科研设计单位根据近年来的研究成果，对开通速度达到8 0 k m h 所需的技术 标准和相应的概预算定额进行修订，并针对轨道专业编制了新建改建铁路开 通速度8 0 k m h 轨道工程施工暂行技术标准。刚刚竣工的胶新线在没有进行 设计变更的情况下，通过加强施工使开通速度提高到了l o o k m h ( 原定 8 0 k m h ) ：我国第一条快速铁路的秦沈客运专线则又将开通速度提高到 1 6 0 k m h ( 设计速度：一般地段2 0 0 k m h ，试验段2 5 0 k i n h ) 。新颁布的新建 客货共线铁路设计暂行规定( 铁建设【2 0 0 3 】7 6 号文) 中明确指出：铁路开 通运行速度按有关规定和运输要求应达到设计速度，在困难条件下，i 级铁路 设计速度为2 0 0 k m h 的开通速度不低于1 6 0 k m h ，设计速度为1 6 0 k m h 的开通 运行速度不低于1 2 0 k m h ，i i 级铁路开通运行速度不低于8 0 k m h 。这个规定相 对于以前开通速度为6 0 k m h ( 甚至4 5 k i n h ) 的要求有了很大得提高。尤其是 i 级铁路，要求按照设计速度丌通，对施工和竣工验收标准提出了更高的要求。 较高的开通速度可以使预测的运量早曰到达，扩大铁路的客货运吸引范 围，增加铁路运输同公路和航空运输的竞争优势。同时还可以提高列车的使用 率，加速机车、车辆的周转，减少车辆购置赞，减少机车和固定资产折旧，有 利于铁路投资的回收。 因此非常有必要针对新建铁路的开通速度进行系统的研究。 1 2 开通速度的基本内涵 铁道部令第1 l 号发布的铁路建设管理程序的第十一章竣工验收规定： “第六十八条铁路建设项目按批准的设计文件建成后，必须按国家规定 - 2 - 第一章绪论 验收。未经验收或验收不合格的，不得交付使用。 第六十九条铁路建设项目由验收机构组织验收，验收机构按国家规定设 立。验收包括初验、正式验收和固定资产移交。限额以下项目和小型项目可一 次验收。 第七十条建设管理单位确认建设项目达到初验条件后提出申请初验报 告，验收机构认为达到初验标准后，组织对项目进行初验；初验合格后，方可 交付临管运营。 第七十一条正式验收原则上在初验一年后进行。验收机构认为建设项目 达到正式验收标准的，组织验收。验收合格后交付正式运营。 第七十二条建设项目正式验收合格后，按规定办理固定资产移交工作。” 根据上述规定，至少应该有三个丌通速度： 1 ) 新线建成铺轨通车竣工时“铺通开通速度”。 2 ) 新线建成铺轨通车竣工后，建设管理单位确认建设项目达到初验条件 后并初验后的“临管开通速度” 3 ) 新线建成铺轨通车竣工后，建设管理单位确认建设项目达到初验条件 后并初验一年后、正是验收合格后的“正式运营开通速度”。 可见，人们对开通速度的理解大不相同。 1 3 本文的研究方法和框架 本文首先从轨道工程和路基工程两个方面从各个方面对影响新建铁路开 通的因素进行分析，并对轨道工程和路基工程分别提出了相应的加强措施，并 通过模拟一条具体的线路的几种不同的开通速度模式，对其轨道施工过程进行 模拟，计算其轨道工程技术费用，并分析总结了其变化趋势，为以后我国铁路 的设计、施工提供一定的参考依据，增强其投资决策能力。 文章第一章介绍了本课题的国内外研究现状；第二章分别从轨道工程和路 基工程两个方面详细分析了影响新建铁路开通速度的土木工程因素；第三章针 苎塞奎望查堂堡兰堡堡兰 对第二章的存在问题提出了相应的工程加强措施，并总结了我国近年来提商开 通速度实践的一些工程实例的施工和验收实例，并对其进行分析；第四章为胶 新铁路不同开通速度的经济分析，通过模拟胶新线不同开通速度计算其工程费 用，并总结其变化规律：第五章阐述了本文的一点研究成果并提出了本领域尚 未解决的问题。 第二章影响新建铁路开通速度的十木工程技术因索分析 第二章影响新建铁路开通速度的土木工程技术因 素分析 2 1 概述 新建铁路的实施过程是通过构想、评价、设计、建造、应用以及后评估六 个阶段的一个系统有机整体的过程。新建铁路作为铁路基本建设项目，具有建 设项目的基本特点，即在一个稳定时期执行的规范、资源和系统化管理的约束 下，在预算规定的范围内、为达到预定的科学技术、质量水平而进行的一次性 的并非完全重复以前的活动、有确定的寿命期的特点，所以，建设过程各个环 节包括：( 1 ) 规范( 设计和施工规范) 、( 2 ) 质量( 设计和旋工质量) 、( 3 ) 投 资( 设计概算、施工预算、投资控制) 、( 4 ) 管理( 设计、施工、建设、运营) 、 ( 5 ) 时问( 规范修订周期、设计周期、施工工期) 等。这些都会对新建铁路 开通速度都会产生比较大的影响。 开通速度多年来一直未能达到设计速度的一个重要原因是人们担心的工 程技术未能作为严格的保证。所以工程技术是主要原因之一，集中反映在设计、 施工规范是否能满足相应开通速度的要求。 新建铁路开通速度的提高必须以安全、可靠、舒适等为前提。这就要求构 成铁路系统的各个方面都具有与之相适应的品质和可靠性，其中线路的稳定与 平顺是必不可少的条件之一。铁路线路是由不同特点、性质迥异的构筑物( 桥、 隧、路基等) 和轨道构成的，它们相互作用、相互依存、相互补充，共同构成 了条平滑线路。由于组成线路的结构物在强度、冈度、变形、材料等方面存 在着巨大的差异，因此必然会引起轨道的不平顺。为了满足列车平稳舒适且不 间断地运行，必须将其不平顺控制在相应的范围之内。 轨道的不平顺有静态平顺和动态平顺之分。静态不平顺是指轮轨接触面不 一5 一 垫塞奎望查堂璧主兰堡堡兰 平顺，如钢轨轨面不平顺、不连续( 接头、道佾) 、车轮不圆顺等：动态不平 顺是指轨下基础弹性不均匀，如扣件失效、轨下支承失效、路基不均匀以及桥 台与路基、路堤与路堑、路基与隧道等过渡段的弹性不均匀等。 轨道静态不平顺直观、简洁、便于量测、管理和控制，受到各级铁路工程 技术人员及管理人员的共同认可，但其实轨道的动态不平顺才是影响开通速 度、运营速度的重要方面。这是因为静态不平顺不能反映轨下基础弹性不均匀、 轨道结构中的暗坑、吊空板及轨道结构的弹性不均匀的不平顺，也不能反映出 于组成线路的结构物强度、刚度、变形、材料等方面的差异而引起轨道的不平 顺，只能部分地反映轨道道床、路基不均匀性及不均匀残余变形累积形成的不 平顺。然而真正对行车安全、轮轨作用力、车辆振动产生实际影响，对开通速 度、运营速度起着控制作用的恰恰是轨道的动态不平顺。动态不平顺与静态不 平顺研究结果证明： ( 1 ) 同一地段动态不平顺与静态不平顺的波形有较大差异。暗坑、吊空 板越多、不良扣件越多、道床密实度越不均匀、差异越大。一般动态不平顺的 幅值越大，静、动态之间的差异也越大； ( 2 ) 新线铺轨或大修、维修作业刚完工时，动态不平顺与静态不平顺的 差异较小，起道捣固、拨道作业的质量越好越均匀，两者的差异越小； ( 3 ) 不同轨道结构、不同种类的轨道不平顺，动、静态幅值之间的差异 和相互关系各不相同； ( 4 ) 动、静态不平顺的幅值不存在一一对应的函数关系，一个静态值可 能对应一组动态值，一个动态值也可能对应一组静态值。但在一定置信度的条 件下，可求出相互对应的最大可能值，绘制出静、动态不平顺的统计关系曲线。 从这些研究结论我们可以看出，控制列车运行速度或者开通速度的是动态 不平顺，影响动态不平顺的因素就是影响开通速度的直接因素之一。 目前我国的设计规范中针对不同的速度范围考虑的动、静态不平顺见表 2 1 1 4 。 第一二章影响新建铁踌开通速度的十术_ f = 程技术因素分析 v m a x - l o o i t m h 的静、动态不平腰表表2 1 v i n a x l o o k m h 静态平顺度动态平顺度 项目 设计作业验 经常临时设计超限级别 值收保养补修值 i 级级h i 级 高低( r a m )4461 0i l1 21 62 2 轨向( r a m )4 461 091 01 42 0 + l l ，+ 2 4 ， 轨距( m )+ 6 ，2+ 6 ，一2+ 8 - 4+ 9 ，一4+ 1 1 6+ 1 6 ，一8 5一1 0 水平( m m )4461 0 l l1 21 62 2 扭曲( m ) ( 动 态摹长2 钿，胂态44 45 ，67 ，991 01 21 6 基长6 2 ，m ) 车体乖向加速 o 1o 10 ，1 5o 2 度( g ) 牟体横向加速 0 0 60 0 6o 10 1 5 度( g ) l o o k m h v m a x _ 1 2 0 k m h 的静、动态不平顾表表2 - 2 1 ( 必c m h v m a x 1 2 0 k m h 静态平顺度动态平顺度 项目 设计作业经常临时超限级别 值验收保养补修 设计值 i 级i i 级经 高低( r a m )4 4697 81 22 0 轨向( r n m )4469781 01 6 + 6 ，+ 6 。+ 7 ，+ 8 ， 轨距( r n m ) + 7 5+ 8 ，6+ 1 2 ，8+ 2 0 ，1 0 一2一244 7 北京交通大学碗b 学位论文 水平( m m )4469781 21 8 扭曲( n u n ) f 动卷基长 44 45 66 ，8781 0 1 4 2 , 4 m 静志摹长 6 2 5 n 1 ) 车体垂向 o 10 1o 1 50 2 加速度( g ) 车体横向 n 0 6o 0 6o 10 1 5 加速度( g ) 1 2 0 k m h v m a x 1 6 0 k m h 的静、动态不平颅表表2 , - 3 1 2 0 k m h = l l 弹程8 - 91 01 3 最人横向阻力( 疲劳 k n6 07 07 0 荷载) 直径 1 31 32 0 北京交通大学硕上学位论文 材质6 0 s i 2 m n6 0 s i 2 c r v a 6 0 s i m a 抗拉强度m p a1 3 0 01 9 0 01 3 0 0 屈服强度m p a 1 2 0 01 7 0 01 2 0 0 扣件节点静目n 度 k n r a m9 0 1 2 06 0 8 06 0 8 0 扣件中配套的重要部件还有弹性垫板和蘩板。在机车车辆不稳定重复荷载 作用下，混凝土枕线路将受到很大的冲击和振动，过大的苟载弯矩将会引起轨 枕的破损，为了吸振和减振，减小道床振动加速度和塑性变形，在钢轨和混凝 土枕之间必须铺设弹性垫层。轨道框架作为一个整体结构物，较好的轨下垫层 弹性可以使冲击振动能量合理地分配到轨道各个部件，使轨道部件工作条件得 到改善。如果在安装有轨道电路的轨道上，弹性垫层可使轨道具有电气绝缘性 能。混凝土枕弹性颦层铺设数量大、价格高，弹性是否合理对轨道工作状态影 响极大，因此正确地选择弹性垫层的材质及厚度至关重要。 根据试验和现场使用结果，橡胶垫板具有较好的弹性，7 m m 厚垫板的静 刚度一般在1 0 0 0 1 3 0 0 k n m m 之间，而塑料垫板却达3 0 0 0 4 0 0 0 k n m m 或 更高，特别是老化后弹性更差，因此垫板材料应采用橡胶而不用塑料而不采用 其它材料。另外在轨道铺设和线路修理工作中，橡胶垫板除材质均匀、质量达 标外，必须成段使用同一种垫板，以保证弹性的均匀性。目前我国常用的轨下 橡胶垫板型号和性能见表2 7 。 轨下橡胶垫板型号与性能表2 - 7 轨下橡胶垫板型号静刚度( k n m m )轨枕类型 范围 6 0 l o 一1 19 0 1 2 0 6 0 1 0 1 75 5 8 0 r 6 0 0 m 曲线及直线 6 0 一1 2 一1 74 0 6 0i i 型、i i i 型( 有挡扇) 钢轨接头 6 0 1 2 一1 19 0 1 1 5 r ( 6 0 0 m 曲线 6 0 1 0 - 1 55 5 8 0i i i 型( 无挡肩) 5 0 l o 一99 0 1 3 0 5 0 k g m 钢轨 5 0 7 91 1 0 1 5 05 0 k g m 钢轨 4 3 一i o 一78 0 1 1 0 4 3 k g t a 钢轨 4 3 7 - 71 0 0 1 3 0 4 3 k g 向钢轨 兰= 翌墅堕堑塞壁堕茎望堕塞堕圭查士堡垫查望童坌塑 由于扣件一方面要有足够的纵横向刚度，另一方面又要适当的弹性，这种 矛盾只能通过合理的匹配月能达到预期的目的。而且由于材料性能、施工工艺、 动力作用等原因，其存在的主要问题有： 1 ) 扣压力在一定范围内波动。这是因为扣紧控制采用测力扳手与肉眼观 察相结合第二点接触来控制，人为因素较大。虽然弹条型有安装工具，控 制也是比较困难的。另外，在反复动力荷载作用下 ，还会影响其性能，造成轨 道的整体稳定性差。 2 ) 橡胶垫板的弹性性能差异较大。虽然橡胶垫板在材质、工艺、尺寸、 性能上都作了大量的规定，但橡胶垫板的任何一方面的微小的变化，对其性能 影响较大。比如，同样一条线橡胶挚板( 7 r a m ) 静剐度两点测试结果为1 8 5 、 2 5 6 k n m m ，相差达3 8 ；橡胶垫板( 1 0 r a m ) 静刚度两点测试结果为1 3 6 、 1 3 9 k n m m ( 实测值见表2 _ 8 ) ，较设计多出很多。另外，材质的差异使垫板的 静刚度差异更为明显。这些因素都造成线路纵向、横向刚度不均匀，影响列车 运行的平稳性。 轨下垫板静刚度实测值表2 - 8 拯料垫板橡胶垫板软木垫板软术橡胶垫橡胶垫板 高弹性橡胶 项目 ( 7 n )( 7 n )( 1 咖珊)板( 1 0 m )( 1 0 m m ) 垫板( 1 4 t i n ) 静刚度4 1 4 02 5 6 03 1 6 02 1 4 01 3 9 03 3 0 ( k n c m )3 6 3 01 8 5 02 8 6 01 9 0 01 3 6 03 6 0 这些问题，在新建铁路开通之初，有些是可以控制的，仍有一些是比较难 以控制的，但这些都是影响新建铁路开通速度的重要因素。以下是我国目前常 用的橡胶垫板型号和性能列表，设计时应该根据其性能合理搭配来获得最佳的 效果。 苎室茎望查兰堡兰堂竺堡塞 2 2 2 6 无缝线路 由于以往担心铁路建成初期路基、道床的下沉会对轨道的几何形位造成影 响，新建铁路一般采用有缝线路形式。即使设计铺设无缝线路，也一般采用换 铺法( 一般换铺时间为两年) ，正是由于开通初期有缝线路接头的存在，影响 了线路运行的舒适性，也限制了铁路的开通速度，铺设无缝线路是消除钢轨接 头的根本办法。 普通线路上的钢轨接头，既是轨道结构不可缺少的组成部分，又是轨道结 构的薄弱环节。其数量及接缝大小，是由钢轨长度决定的。钢轨越长接头越少， 但轨缝就越大，车轮经过轨缝所产生的振动也越大，因此钢轨又不能太长。 有资料证明，在钢轨接头部位，如果将接头松开，将会产生4 倍中间部位 的下沉。夹板的刚度只有钢轨本身的l 3 1 4 。所以，如果是相同轨道结构的 话，在接头为中心的2 3 m 范围内，与钢轨中间部位相比，将产生很大的下 沉，产生明显的轨道不平顺；同时，因为有轨缝和轨面折角的存在，所以作用 于钢轨的力不仅仅来源于因列车密贴运行于上述微小凹陷处所造成的轮重变 动，而且还来源于钢轨端部受到簧上质量的冲击所产生的很大的力，冲击程度 会随列车速度的提高而加大，其结果是钢轨端部及夹板产生塑性变形，且随着 变形的加剧而加大。 铁道科学研究院的研究资料表明，直线上钢轨接头附近附加动力计算公式 如下： 正弦形不平顺：f k = 1 6 5 i d 4 ”f 扪”( 彤) ”m v 马鞍形不平顺：f 胁= 3 3 i d ”i “”( 日) ”m v 接头错牙：p n , , = 5 5 6 肘, v 。( 1 + e ) 厝- - h r 大撇= 2 0 0 m 卅e ) 华 ( 式2 2 ) ( 式2 - 3 ) ( 式2 4 ) ( 式2 5 ) 第二章影响新建铁路开通速度的土木工程技术困索分析 其中：v 为列车速率：朋t 为车轮簧下质量；f 为轨端不均匀磨耗坡度；f 轨 枕间距；d 钢轨支点弹性系数；日为钢轨弹性、截面模量；尺为车轮半径：d 1 为轨缝间距；d 2 轨端磨耗程度：e 为恢复系数。 这些公式虽然是经验值，对于特定的情况，基本模拟了钢轨的附加动力。 为了改善钢轨接头的工作状态，曾经从接头的构造上、材质上采取过很多措施， 如轨枕的支承形式和尺寸、夹板断面形状、长度、螺栓个数、轨端淬火等等， 但均未能解决接头的缺陷，接头病害依然存在。实践证明，造成接头病害的主 要原因，有以下几个方面： 1 ) 接头处一对夹板的刚度，仅为钢轨刚度的3 0 左右。如我国5 0 k g m 钢轨夹板剐度为钢轨刚度的2 7 6 ：6 0 k g m 钢轨夹板刚度为钢轨刚度的3 2 6 。因此，车轮经过钢轨接头时，钢轨的弹性挠曲在该处呈折线形，据测试， 其折角约为4 5 1 0 0 r a d ；竖向位移也比轨节中部的竖向位移大1 0 1 5 。 2 ) 在车轮向前滚动临近轨缝的瞬间，两轨端上下相对错动形成台阶。据 铁道部科学研究院测试，一般线路上台阶高差为0 0 2 c m ，当车轮与其碰撞时， 轨道发生强迫振动，这一振动对轨道有较大的破坏作用。 3 ) 接头处由于有轨缝存在，致使轮轨接触在该处间断，轨缝越大这种影 响就越大。 4 ) 钢轨轧制和材质缺陷对接头的影响。 由于上述原因，钢轨接头处的动力响应特别强烈。日本东海道新干线轨道 振动测试结果表明，接头轨枕上下振动加速度低频为l o g ，高频则超过2 0 0 9 ， 要比轨节中部的轨枕上下振动加速度大几倍甚至几十倍。列车速度越高，轨道 振动加速度越大。钢轨接头处在较大的附加动力作用下，线路变形发展较快， 又会使接头处线路产生系列病害。其主要有： 1 ) 在捣固不良或翻浆冒泥地段出现低接头。 2 ) 钢轨端部出现鞍形磨耗，严重者向列车前进方向发展，最终形成波浪 2 1 苎塞壅里查兰堕兰鲎垡丝苎 磨耗。在列车前进的相反方向，在固定轴距范围内，车轮振动也引发小段波浪 磨耗。 3 ) 钢轨破损，轨头表面金属碎裂、剥离、掉块、螺栓孔裂纹，甚至钢轨 折断。 4 ) 夹板产生永久性变形，造成硬弯甚至使夹板裂纹、折断。 5 ) 混凝土轨枕损坏、破裂，主要发生在接头前后轨枕的轨下断面处。 6 ) 道床溜塌、板结、翻浆冒泥。 产生钢轨接头病害的各影响因素互为因果，恶性循环，促使钢轨接头处永 久变形持续发展，进一步使竖向位移和冲击力加大。同时，使机车车辆的振动 加剧，噪声增大，舒适度降低，消耗更多的动力，加速线路和机车车辆的破损， 导致设备使用寿命缩短，修理费用增大。线路维修资料显示，线路接头区的养 护工作量约占线路养护总工作量的6 0 ，所耗经费约占线路养护总费用的3 5 以上。钢轨因轨端损坏而抽换的数量，比其它部分损坏而抽换的数量大2 3 倍，重伤钢轨6 0 左右发生在接头区。 综上所述，线路的钢轨接头不仅对线路设备、机车和车辆的使用寿命、旅 客的舒适度、能源的消耗等有一定的不良影响，而且还赢接威胁着铁路行车安 全。过去为改善接头构造，曾提出很多设想，但均未解决钢轨接头的稳固问题。 冻结接头线路虽然能解决钢轨接头的稳固问题，但平顺性的改善有限。实践证 明，只有将钢轨焊接起来的无缝线路，才是彻底解决钢轨接头的稳固与平顺的 根本出路。 新建铁路越来越多的一次铺设无缝线路，为提高开通速度提供了较好的技 术条件。无缝线路的设计时，在考虑轨道各部件的剐度、强度、耐久性的同时， 还考虑了轨道的整体稳定性，虽然有些地方并不完善，但从总体来看还是大大 提高了轨道的整体稳定性。目前此要求已经写入新的铁路轨道施工规范。 另外，从运营与维护的角度来看，新建铁路有条件的应一次性铺设无缝线 路。如果对线路的要求更高，则还应一次性铺设跨区间无缝线路，以最大限度 2 2 第二章影响新建铁路开通速度的土木工程技术因素分析 减少接头，彻底避免“记忆性病害”。 2 2 2 7 钢轨打磨 钢轨打磨分为两种：预防性打磨和维修性打磨。预防性打磨是在正式开通 前，维修性打磨是在正式运营中，属于养护维修的一部分。正式开通前安排钢 轨打磨车进行预打磨可以消除钢轨的微小缺陷，以提高列车运营的平稳性，其 特点如下： 1 ) 可以消除钢轨疲劳损伤，消除钢轨波浪型磨耗，避免轮轨接触面产生 的夹杂物缺陷，还可避免剥落损伤的发生，并消除轨头表面的“脱碳区”。 2 ) 改善列车的走行面，为车轮提供最佳的圆锥度状态，避免严重的表面 磨耗。 3 ) 可延长维修周期，根据英国有关研究资料，采用预防性打磨，钢轨的 波浪型磨耗可推迟5 年发生。 但这种预打麽只有在设计速度较高的铁路才有必要，而普通铁路( 设计速 度v 兰1 6 0 k r n j h ) 没有必要。 2 3 路基工程对开通速度的影响 2 3 1 路基工程的基本组成与功能 路基是轨道的基础，也叫线路下部结构。同桥梁、隧道相连，共同构成一 个线路接体。路基工程主要有路基本体、路基防护和加固建筑物、路基排水设 备三部分构成。 路基本体是直接铺设轨道结构并承受列车荷载的部分，它是路基工程中的 主体建筑物。作为一种土工结构物，路基本体工程具有某些不同于一般的钢铁 或混凝土结构物的独特的特点：即路基本体工程是完全暴露在大自然之中的、 2 3 j ! 塞皇翌查堂塑主兰丝堡兰 主要由松散的土( 石) 材料所构成的、同时受轨道静荷载和列车动荷载的作用 的土工结构物。这些特点决定了路基本体工程的复杂性。路基本体工程的建设， 必须考虑路基工程所处的环境及工作条件、土的工程性质及其变形和强度的变 化规律，保证路基工程具有足够的坚固、稳定和耐久性，能够抵抗自然因素的 侵袭和破坏。 路堤是承受列车动荷载及轨道和路堤自重并将其扩散到地基上的填土或 填石的工程结构物。路堤的构造应包括基床、基床以下的堤身和地基等部分。 基床是承受列车动荷载的主要部分，容易产生强度不足和变形的问题，因此必 须选用强度高的优质填料填筑并提高压实度。基床以下的堤身也应有足够的强 度并选用合适的边坡坡形与坡度，以保持堤身稳定，防止堤身坍滑和施工后出 现过大的下沉量。地基的承载能力是保证路堤稳定的基础。 综上所述，路基是铁路的重要组成部分，其中的基床、路堤和地基部分又 是铁路路基施工的重中之重，是需要重点加以考虑和精心施工的地方。 2 3 2 基床、地基的基本要求 路基是铁路路基的关键部位，根据研究，路基面以下3 o m 范围内受列车 动荷载的影响很大，并把它定为基床的厚度。基床的作用及对基床的要求主要 有： 1 ) 强度要求：应有足够的强度以抵抗列车荷载产生的动应力而不致破坏； 能抵抗道碴压入基床土中，防止道碴陷槽等病害的形成：在路基填筑阶段能承 受重型施工车辆走行而不形成印坑，以免留下隐患。 2 ) 刚度要求：在列车荷载的重复作用下，塑性积累变形很小，避免形成 过大的不均匀下沉造成轨道不平顺，增加养护维修的困难；在列车高速行驶时， 基床的弹性变形应满足高速行走的安全性和舒适性要求，同时还能保障道床的 稳固。 3 ) 防渗要求：能够防止雨水浸入造成路基士软化，防止翻浆冒泥等病害。 + 2 4 第二覃影响新建铁路开通速艘的土木工程技术因素分析 4 ) 在可能发生病害的地区，还有防冻等特殊要求。 基床结构基本上分为两种，二层系统与多层系统或强化基床结构。传统的 普通线路多为道床与土质基床相连的二层系统称为土基床。根据长期运营的实 际经验，我国规定使用a 、b 组填料构筑基床。基床的加强和保护长期研究表 明，在基床和路基之间设置一层保护层是提高路基承载能力、消除病害的根本 措施。 我国一般铁路路基和重载铁路路基基床材料采用a 、b 级填料或细粒土填 料，其压实系数k - 0 9 5 。底层采用a 、b 、c 级填料或细粒土，压实系数k 0 9 0 。 良好的地基是路基稳固的重要保证。如地基土质不良、承载能力不足，在 路堤施工中会造成明塌破坏，故应对不良地基进行处理。处理方法有以下几种： 1 ) 放缓路堤堤身的边坡，以改善地基内应力分布； 2 ) 放缓路堤填筑速度，使地基土在附加应力的作用下产生固结并提高强 度； 3 ) 对地基进行加固处理或改良地基土质。 2 3 4 路基变形的影响因素 2 3 4 1 路基规范 由于我国铁路工程技术发展相对滞后，加上各种新的设计施工规范的编制 和颁布和贯彻实施需要一定的周期，因此一般现行的规范跟不上形式的发展。 原来我国的铁路设计只注重列车的通过能力和列车轴重，没有很好体现出速度 差异对设计的影响。例如传统设计规范对于不同等级v 1 4 0 k m h 的铁路( 设 计运量和速度不同) ，除了路基顶宽等外形尺寸外，对其填料、施工工艺、压 实标准、工程概预算定额方面均没有差异。造成不同等级的铁路路基设计施工 层次不明确，尤其是竣工验收，均采用同一指标，使得各等级铁路的施工质量 差异不显著，严重影响了新建铁路( 尤其是高等级铁路) 的开通速度。 2 5 韭塞奎望查堂塑圭兰竺丝皇 目前我国的铁路建设管理部门已经开始总结以往的建设经验，针对我国的 实际情况制定了不同等级铁路相应的设计、施工、验收等方面的规范，如总结 既有线提速经验的新建客货共线铁路设计暂行规定以及基于秦沈客运专线 设计施工经验的时速2 0 0 h l ，h 客货共线设计暂行规定，还有针对我国将修 建大量客运专线的现实，其相应标准的制定也正在进行中。它们针对不同等级 的铁路确定了不同层次的设计、施工、验收标准，将大大有利于以后的铁路建 设标准化。 另一个比较突出问题目前的路基规范只从强度的角度来对路基进行设计， 并没有考虑路基的刚度。由于列车荷载向下传搔时是逐渐衰减的，因此路基底 部的动应力要比路基顶面小。从力学角度考虑，规范规定路基底部的压实指标 比上部小是可行的，路基强度不存在大的问题，但路基整体的刚度就不是很高， 不能满足高速开通要求。当列车通过时会产生较大弹性下沉，影响了列车运营 的安全性。建议以后的路基规范修订时多加考虑此方面的因素，使得整个路基 的刚度一致，甚至底部应稍高于上部标准，以便使路基真正能满足高速开通的 要求。 2 3 。4 2 设计意识 现行的设计很少从整体的角度综合考虑而进行沿线路纵向的特殊设计，只 是在桥路过渡段作特殊设计，常常出现不应该出现对开通和运营都十分不利的 高填方、深挖方现象，有时甚至连软弱地基都勘测不明确就设计成一般路基， 且仅仅对特殊地质地段给予熏视，其结果是出现大段路基纵向整体性刚度不好 的情况。 而且对基床填料的选择时只是一味地套用规范，不结合规定性能结合实地 进行设计，对路基本体填料的特性也不作深入的研究、调查，只是从纸上计算 工程进行土石方调配，结果是与实际情况出入很大，出现不应该出现的路基土 石调配。施工在基床、路堤填料选择时，出现疏忽填料土石特性、改良措施等 第二章影响新建铁龉开通速度的土术丁程技术凶素分析 不合理现象；路基施工有时忽视填料土石特性，只是按照一种施工方法、工艺 过程、机具施工，忽视了两者间的匹配等 2 3 4 3 路基填料 路基的填筑按路堤不同部分的特点选用不同的填土材料，用于路堤部分的 填料需满足以下三个方面的基本要求：在列车与路堤自重荷载作用下能使路 堤保持长期的稳定性；路堤本体的压实沉降能较快完成；填料的力学性质 不受其它因素( 如水、温度等) 的影响。为了确保路堤的稳定、减少压实后期 下沉、增加耐久性，应选用优质级配良好的粗颗粒的填料。 路堤坡面部分的填料一方面受降水和气温的变化的作用，另一方面它还起 着防止坡面以内核心土体受力外挤的作用。所以坡面部分应选用抗风化、能在 水、温变化中保持稳定和对核心土体起疏干、增强作用的填料。 基床以下、边坡以内的堤身，所承受的荷载虽然比基床部分小，但亦应有 足够的压实密度，以保证整个路堤稳固和较小的下沉量，其填料应尽可能选用 在压实后有足够强度的士石料。 基床是承受列车动荷载的主要部分，需要相应的填料、压实密度，填料应 尽可能选用在压实后有足够强度、刚度的土石料。 路堤的填料按土石性质和粒径分为块石类、粗粒土和细粒土。此外按填 料的渗水性分为渗水土和非渗水土两类，细粘土( 包括粉砂和粘砂) 属后者。 路基填料的工程分类法见表2 - 9 ( 见下页) 。 路基填料工程分类表表2 , - 9 填料 组成备注 组别性质 硬块石、级配良好的漂石土、卵石土、碎石土、砾石土、 a 优质填料 砂砾、砾砂和粗中砂 不宜风化的硅质或钙质胶结的软块石，级配不良的漂石土、 b 良好填料 卵石土、碎石士、砾石土、砂砾、砾砂和糨中砂。细粒土 北京交通大学硕士学位论文 含量在1 5 3 0 的漂石十、卵石土、碎石土、砾打士。 细砂、粘砂、砂粉士和沙枯土 可使用填宜风化的泥质胶结的软块石、细粒土，含量在3 0 的漂石 c 料土、卵石土、碎一十、砾石士、攒砂、投土和粉粘t 。 不应使用如使用，需 d风化严重的软块石、粘粉十、枯土 的填料改良 严禁使用有机质含鼍 e 有机土 的填料 5 早期的路基规范并没有对路基填料进行严格的分类，且对其使用范围没有 做出明确的规定，目前正在修订的铁路路基设计规范( 2 0 0 4 版) 则正式增 加了填料一章，将大大规范路基填料的使用，为提高新建铁路的路基工程 质量打下了良好的基础，也为提高新建铁路的丌通速度提供了可靠保证。 2 3 4 4 路基刚度 在列车荷载作用下，路基的变形既有塑性变形又有弹性变形。弹性变形是 高速列车通过时列车动荷载短暂作用产生的。它主要发生在基床部位，尤其是 基床表层，而决定这个变形值的关键因素就是路基的刚度。路基的刚度越小， 其弹性变形就越大。路基的弹性变形反映在轨面弹性变形之中，弹性变形大， 车速就不能提高。确定路基的弹性变形控制值需考虑以下两个因素：基床表 层不发生结构破坏；由于基床表层弹性变形导致轨面的弹性变形( 钢轨挠度) 应满足高速行车的舒适度和安全要求。 当上部结构和道床的技术条件确定之后，影响轨面弹性变形的因素就主要 是路基了。路基的刚度反映了路基的质量，为了尽可能的提高新建铁路的开通 速度，提高列车运营的安全性，必须将路基的弹性变形控制在一定的范围之内。 这就要求尽可能的增加路基的刚度，尤其是基床表层的刚度。这些是通过对路 基表层的填料的标准和压实密度的控制柬实现的，已经在路基设计规范之中已 经比较多地考虑。 以下是历版规范对路基基床表层的填料和压实标准对照表( 见下页) ，可 以看出其变化规律。 2 8 第二章影响新建铁路开通速度的十木工程技术因索分析 路基基床表层压实标准表2 - 1 0 压实标准压实标准压实标准压实标准 填料 地基系数 孔隙地基系数孔隙地基系数孔隙地基系数孔隙 k s o 毫 k 3 0 家 k 3 0 窒 k 3 0 窒 n ( m p a m n ( m p a m n ( m p a m n ( m p a m )