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高速铁路线路设计技术交流 主要内容一 高速铁路 客运专线总体技术特点二 线路平纵断面设计三 我国高速铁路 客运专线设计概况四 高速铁路线路施工要点 一 高速铁路 客运专线总体技术特点 高速铁路实现了由高质量及高稳定的铁路基础设施 性能优越的高速列车 受电效能稳定的弓网供电系统 先进可靠的列车运行控制系统 高效的运输组织与运营管理体系等综合集成 高速铁路在实施中 从规划设计开始就把各项基础设施 运载装备 供电 通信信号 运输组织及经营管理等子系统纳入整个大系统工程之中统筹运作 一 高速铁路是当代高新技术的集成 为实现总体目标 采用了多项关键技术 虽然这些新技术分别隶属于各有关的子系统 但其主要技术指标 性能参数是相互依存 相互制约的 均须经详细研究 反复论证与修订 才能保证实现大系统综合集成特性的要求 达到整个系统的合理优化与集成 一 高速铁路是当代高新技术的集成 一 高速铁路 客运专线总体技术特点 高新技术综合集成的高速铁路总示意图 二 高速度是高速铁路高新技术的核心 交通运输的速度是与经济 社会发展水平相适应的 现代交通运输的发展史在一定意义上就是以提高速度为核心的技术开发史 国内外铁路的发展历史和趋势都说明速度是参与市场竞争的主要手段 是交通企业赖以生存和发展的最基本的因素 一 高速铁路 客运专线总体技术特点 二 高速度是高速铁路高新技术的核心 高速铁路是一个具有国际性和时代性的概念 1970年5月 日本在第71号法律 全国新干线铁路整备法 中规定 列车在主要区间能以200km h以上速度运行的干线铁道称为高速铁路 这是世界上第一个以国家法律条文的形式给高速铁路下的定义 1985年5月 联合国欧洲经济委员会将高速铁路的列车最高运行速度规定为 客运专线300km h 客货混线250km h 1986年1月 国际铁路联盟秘书长勃莱认为 高速列车最高运行速度至少应达到200km h 一 高速铁路 客运专线总体技术特点 二 高速度是高速铁路高新技术的核心 目前世界上有三种类型的高速铁路 一是既有线客货混运型 最高运行速度200km h 如俄罗斯 英国等 二是新建客货混运型 最高运行速度250km h 如德国 意大利等 三是新建客运专线型 最高运行速度可达300km h及其以上 如日本 法国 德国 西班牙 韩国等 一 高速铁路 客运专线总体技术特点 二 高速度是高速铁路高新技术的核心 速度是高速铁路的技术核心 也是其主要的技术经济优势所在 高速铁路的速度目标值是由常规铁路发展到高速铁路最主要的区别 列车运行速度是属第一层次的系统目标 只有将速度目标值确定之后才能选定线路的设计参数 列车总体技术条件 列车运行控制及通信信号系统 一 高速铁路 客运专线总体技术特点 二 高速度是高速铁路高新技术的核心 一 高速铁路 客运专线总体技术特点 试验最高速度 运营最高速度 最高速度增长的情况 二 高速度是高速铁路高新技术的核心 一 高速铁路 客运专线总体技术特点 国外高速和快速线路最高运行速度 注 表中前5个国家仅列出高速线的指示 三 系统间相互作用发生了质变 随着速度的提高 各子系统原有的规律和相互间关系将转化为强作用而须重新认定 系统中某项参数或标准选择不慎都将引发连锁反应 例如 线路参数 路基密实度或桥梁刚度选择不合理 不仅是线路质量问题 还将影响列车运行的平稳性及可靠性 也干扰运输组织 行车指挥 反之 确定列车主要参数及性能也必须考虑线路参数与控制系统方案 否则最终都要制约整个系统效能的发挥 系统之间的关系远比常规铁路复杂 所以 在筹划高速铁路之初 必须从总体上估计到这一庞大系统更加复杂的综合特性 认真研究并协调各子系统主要技术参数变异的合理范围 重视新系统的强耦联特性 一 高速铁路 客运专线总体技术特点 四 系统动力学问题更加突出 世界各国在确定高速铁路基本功能与主要技术参数时 都根据各自的条件结合其国情与路情做了周密的调查 进行必要的理论研究与试验分析 其中 高速铁路系统动力学问题是这一切的根由 一 高速铁路 客运专线总体技术特点 高速列车速度越高 激励车 线 桥系统发生的振动与冲击越强 致振的敏感因素越寛 振动与冲击的频响函数关系 主要取决于参振系统各自的动力学特性 它包括其内在的物理力学参量 相互间发生接触或约束的几何参量与物理参量 很明显 相互接触的物体其相对速度越高 在研究动载作用时应考察的截止频率越高 而可能发生的强作用点就越多 振动与冲击动力响应的物理量 位移 速度 加速度 幅值是与速度的平方成正比 在頻域范围内 应考察的频率不仅取决于激励频率的高低 还与系统的固有頻率密切相关 激扰频率与速度成正比 与接触表面沿速度方向上的几何变异之波长成反比 一 高速铁路 客运专线总体技术特点 1 高速列车的振动与冲击问题 四 系统动力学问题更加突出 由此可见 高速铁路的基础设施及运载装备不但应具备优良的固有特性 还必须在界面上彼此都要保有均匀 平顺 光滑的特征 这是建立高速铁路各子系统都必须遵守的共性准则 系统振动与冲击力学分析 最主要的目的是协调各子系统组成部分的特性参数 保证系统功能优化 对于高速铁路来说 最重要的是确保列车持续 安全 平稳运行 因此 必须预见在各种速度工况下系统的动力响应 突出的问题如 轮轨间接触力的变化将影响列车牵引与制动的实现 轮轨的磨损与疲劳 运行的安全指标 车 线 桥系统的动力反应 将影响结构功能与列车平稳运行 弓网系统的振动 将影响授电效能及安全 所以动力响应是涉及高速行车技术深层次的基本问题 须认真处理 一 高速铁路 客运专线总体技术特点 1 高速列车的振动与冲击问题 四 系统动力学问题更加突出 在系统振动与冲击的动力学分析中 主要着重于研究列车以常速在直线线路上运行的动力反应 实际上对更为复杂的问题 如列车起动或制动时的变速运行工况 通过平面曲线或变坡段竖曲线上运行及高速过岔等问题 只能简化为刚体动力学或弹性联接的多体动力学来分析 其基本点是在理想状态下分析选定系统的固有特征及界面特性 对更复杂的某些非稳态问题着重研究列车的走行性能 限定在低频域内研究列车运行中的惯性问题 预见高速列车运行中可能发生的纵向及横向加速度 前者与列车的牵引制动性能 列车的操纵及线路纵断面有关 后者主要受线路平面设计参数制约 一 高速铁路 客运专线总体技术特点 2 高速列车运行中的惯性问题 四 系统动力学问题更加突出 对于舒适度 人体承受振动的能力与频率密切相关 根据试验结果 其频率在10HZ以下更为敏感 承受能力较低 从感到不适的加速度幅值来看约为0 1g左右 对于这种超低频振动横向加速度的承受能力 因人体质而异 它与姿态 年龄 性别 职业 经历等都有关 一 高速铁路 客运专线总体技术特点 2 高速列车运行中的惯性问题 四 系统动力学问题更加突出 列车运行中旅客不同姿态舒适度的感受 2 高速列车运行中的惯性问题 另外 共振现象在日 法等国高速铁路上是有教训的 当行车速度在160km h以下时 对波长为56 70 83 97m的中长波高低不平顺可不予管理 但分别在200 250 300 350km h速度下 其激扰频率与日 法高速车辆的车体垂向自振频率1Hz相当 导致车体产生一度称为 不明原因的强烈振动 轨检车测不出 养路机械修不了 较晚时间才认识到此道理 从而重视了路基的不均匀沉降和初始不平顺问题 一 高速铁路 客运专线总体技术特点 四 系统动力学问题更加突出 2 高速列车运行中的惯性问题 例如 幅值为10mm 波长为40m的连续高低不平顺 在速度达300km h时 可使车体产生频率为2Hz 半幅值为0 18g的持续振动加速度 人体承受这种加速度的持续时间只能5小时 否则 会导致乘客血压 脉搏 消化等生理现象不正常 又如 幅值5mm 波长40m的方向不平顺 在300km h速度下 车体将产生约2Hz 半振幅约0 066g的横向振动加速度 乘务人员在此种振动环境下仅能工作3小时 司机的判断 应急能力将减退 舒适度减退 限度为 工作能力减退 限度的1 3 在振动频率为1 2Hz 累计时间4小时的车体振动环境下 保持舒适感不减退的振动加速度 横向为0 017g 垂向为0 035 0 05g 一 高速铁路 客运专线总体技术特点 四 系统动力学问题更加突出 2 高速列车运行中的惯性问题 所以 为保证列车行驶时旅客的舒适度必须重视运动中的惯性问题 这应从线路基本参数 列车性能及操纵技术予以保证 一 高速铁路 客运专线总体技术特点 四 系统动力学问题更加突出 3 高速列车空气动力学问题 地面交通系统都有一个难以避免的共性问题 这就是空气动力学问题 在地表大气层中 交通载体所受到的空气阻力 竪向力 横向力和压力波等与速度平方成正比 随着速度的提高急剧增加 从而成为提高地面高速交通速度主要的制约因素 作为地面交通运载工具的车辆是在稠密的空气介质中运行的 当车辆速度超过160km h后 空气阻力显著上升 其阻力值大约与速度的平方成正比 当速度达到300km h时 即使采取各种降低空气阻力的措施 空气阻力也会占车辆运行阻力的80 以上 速度达到350km h以上的 空气阻力将超过90 用以克服空气阻力所消耗的功率按速度的三次方增加 一 高速铁路 客运专线总体技术特点 1 列车空气阻力问题 四 系统动力学问题更加突出 3 高速列车空气动力学问题 根据计算 速度由350km h提高到500km h 所消耗的功率将增加1 1倍 高速列车时速超过200km h就必须认真研究这一问题 为减缓空气动力的影响 通过大比例风洞模型试验及三维有限元空气动力学理论分析 筛选设计方案 作出技术经济合理抉择 其主要问题如下 在一定速度下 高速列车空气阻力及其它空气动力作用取决于列车的外流型 列车的截面及外表面的光滑平顺度 所以 在列车的总体设计及车体设计中都必须周密处置 使整列车具有良好的气动性能 一 高速铁路 客运专线总体技术特点 1 列车空气阻力问题 四 系统动力学问题更加突出 3 高速列车空气动力学问题 高速运行的列车 由于各种气动效应影响使列车内外压差增大 若列车密封性差 则必将引起车内气压的变化 超过一定范围 将引起人体各种不适感 所以 对车窗 车门 车辆间联结风挡都要求具有良好的密封性 一 高速铁路 客运专线总体技术特点 2 列车内部空气密封问题 四 系统动力学问题更加突出 3 高速列车空气动力学问题 两列相对行驰的高速列车在线路上会车时各种空气动力作用比单列车行驰时强烈 并将影响列车运行的平稳性与车内人员的舒适感 这种影响在其他条件一定的情况下 与高速铁路的线间距成反比 高速铁路的线间距应根据车速 车宽 列车头型系数 车体密封程度 车窗玻璃承压能力等因素来考虑 若在高速线上有各种不同类型式列车运行 应顾及性能较差列车的承受能力 一 高速铁路 客运专线总体技术特点 3 线间距问题 四 系统动力学问题更加突出 3 高速列车空气动力学问题 对于有限界面的隧道而言 高速铁路的空气动力学作用将比在明线环境条件强烈 在一定速度下 其幅值主要与隧道断面的堵塞比密切相关 所以 列车速度越高 隧道断面应越大 对长隧道来说还必须考虑隧道内空气有较通畅的导流途径以缓解其动力效应 一 高速铁路 客运专线总体技术特点 4 隧道断面选择问题 四 系统动力学问题更加突出 高速铁路与常规铁路相比最大的区别在于线路高平顺度特性方面 高平顺性最终体现是在轨道上 无论轨道是在路基上或在桥梁上 也无论是何种类型的轨道 都要求它不仅在空间要具有平缓的线型 高精度的允差 高光洁度的轨面 而在时间上还必须具有稳固的高保持性 由此决定了高速铁路基础设施各主要组成部分 路基 桥梁 及隧道等的主要技术参数与技术规定 必须互相协调 使之整体上满足高速行车在运动学 动力学 空气动力学及运输质量方面各项技术指标 一 高速铁路 客运专线总体技术特点 五 高速铁路对基础设施主要子系统的基本要求 五 高速铁路对基础设施主要子系统的基本要求 列车速度越高 刚度变化越剧烈 引起列车振动越强烈 轻则使旅客舒适度降低 重则影响列车运行安全 所以 要求路基在线路纵向做到刚度均匀 变化缓慢 刚度突变是不允许的 所有基础设施在运营管理方面还必须具备高可靠度与可维修 少维修的条件 以利降低成本及提高效能 一 高速铁路 客运专线总体技术特点 二 线路设计 列车与线路是相互依存 相互适应的关系 列车是载体 线路是基础 高速运行的列车要求线路具有高平顺性 高稳定性 高精度 小残变 少维修以及良好的环境保护等等 也只有这样的线路才能保证列车高速 不间断运行的安全 平稳与舒适 这里所谈的线路 是广义的线路概念 即指除供电 接触网 通信信号以外的所有基础设施 主要包括线路平纵断面 路基 轨道 桥梁 隧道以及建筑材料等 二 线路设计 高平顺性是设计 建设高速铁路的控制性条件 也是高速铁路有别于中低速铁路的最主要之点 高平顺性需要从线形 路基 轨道 桥梁等各方面采取必要的技术措施加以保证 首先 要求线路的空间曲线平滑 也就是线路的平纵断面变化尽可能平缓 二 线路设计 对于数量较少 而幅值较大的局部轨道不平顺 为保障旅客阅读 书写 餐饮等不受干扰 不受到惊吓 不产生反感 日 法 德等国规定 局部轨道不平顺引起的瞬时作用的垂向加速度不得大于0 12 0 15g 横向加速度不大于0 10 0 12g 再如 一个微小的0 2mm的迎轮台阶形焊缝不平顺 在300km h行车速度下 引起的冲击性轮轨高频动作用力P1达720kN 低频轮轨附加力P2达320kN 可导致轨道破坏 路基产生不均匀沉陷 各种微小的短波不平顺 都是恶化轨道几何状态的根源 可能引发轮 轨 轴断裂 也是产生噪音的根源之一 二 线路设计 第二 要求路基 轨道 桥梁具有高稳定性 高精度和小残余变形 少维修 以保证高平顺性因此 一改以往以 强度 控制普速铁路的路基和桥梁的设计与施工 而为以 变形 控制高速铁路路基的设计与施工 以 刚度 和 整体性与耐久性 控制高速铁路桥梁的设计与施工 一改普速铁路轨道结构的全套技术标准和施工工艺 从钢轨的材质到几何公差 从道碴的材质到各项标准 从道床的结构形式到施工工艺 从无缝线路的焊接到铺设以及大号码道岔的设计与运铺等等 都以保证高平顺 高稳定的轨道结构为目标 采取多种多样的适应高速的技术 二 线路设计 法国高速铁路规定 路基铺轨后 五年内最大允许沉降量5cm 韩国高速铁路规定为7cm 日 法等国对路基顶面不平顺规定为 每20m测点不得大于 25mm 严格控制轨道铺设精度是实现轨道初始高平顺的保证 轨道铺设的初始不平顺 是运营后不平顺发生 发展 恶化的根源 初始状态好的轨道 维修周期长 可长期保持轨道的良好水平 而初期状态不好的轨道 不仅维修周期短 即使增加维修次数 也难改变 先天不良 的痼疾 二 线路设计 严格控制轨道的铺设精度 首先是提高线路的测量精度 日 法等国在建设高速铁路时 线路放线测量要求每10m设一基桩 基桩的定位允许误差在x y z方向各为1mm 二是严格控制钢轨的的平直性和焊接接头的平顺性 我国目前生产的60kg m钢轨 其断面形状和尺寸与UIC60轨相似 但轨面平直度 尺寸公差 轨面缺陷以及焊接接头尺寸公差与UIC标准及国外高速铁路钢轨标准的差距很大 因此 我国目前生产的60kg m轨不能用于京沪高速铁路 三是在完成铺轨后 开通运营前 打磨钢轨 去掉钢轨在轧制和施工过程中造成的轨面微小不平顺 提高焊接接头平顺性 这已被国外证明是一项技术经济效益显著的成功经验 既保证了高速铁路在开通运营之日列车即按设计速度运行 并降低了轮轨噪声 又延长了钢轨和道碴的使用寿命 大大减少了维修工作量 延长了维修周期 二 线路设计 第三 要求给高速列车提供一个宽大 独行的线路空间列车沿地面高速运行时 将带动列车周围的空气随之运动 形成一种特定的非定常流场 称为 列车绕流 俗称 列车风 这种列车风形成的列车气动力将威胁沿线工作人员和站台旅客的安全 对沿线建筑物也有破坏作用 列车风卷起的杂物也可能危及行车安全 相邻线路两列车相向高速运行交会时 产生的空气压力冲击波易震碎车窗玻璃 使旅客耳朵感到不适 甚至影响列车运行的平稳性 所以高速铁路要求有一个宽大的行车空间 即增大两线间的距离和加宽站台上旅客的安全退避距离 在有高速列车通过的车站站台上 除加宽临近站台的安全退避距离外 还需在安全线上设置手扶安全护栏 留出可供旅客上下车的活门 二 线路设计 此外 由于高速列车动能和惯性力都很大 一旦与其他物体发生碰撞 其后果是不堪设想的 故高速线路要求一个独行的空间 即采用全封闭形式 沿线路两侧设全长护栏 同时 在高速铁路与道路或既有铁路相交时 一律采用立体交叉 这样可避免列车在平交道口与汽车等物体相撞的可能 也避免出现列车频繁加减速的可能 二 线路设计 第四 要求建立严格的线路状态检测和保障轨道持久高平顺及严密地防灾安全监控的科学管理系统 高平顺的轨道在列车荷载的不断作用下 是会发生变形和位移的 当轨道及其各部件的变形 位移量值或其变形 位移发展的速度超过一定限值时 将失去轨道的高平顺性 从而恶化轮轨间的相互作用 影响列车运行的舒适性 安全性 因此 对运营中的高速线路要实行严格的轨道状态检测和科学的轨道管理制度 及时掌握铁路运营过程中轨道不平顺的量值及其发展速度 并予以校正 使其恢复到小残变或初始高平顺状态 以保证高速列车运行的安全 平稳 舒适 二 线路设计 安全对于任何交通工具都是第一位的技术条件 对于高速铁路来说就更为重要 因此 高速铁路除了保证设备本身安全要求外 对于一些超出设备本身安全限度范围的灾害 如自然灾害 暴雨 强风 地震等 突发性灾害 坍方落石 异物侵入限界等 以及设备的运用状态 故障等要实时监测 并根据这些监测信息 对列车的运行进行严格的管理 如限速 停车