高速铁路概论教案.ppt

高速铁路概论 任课教师 胡明 QQ 49007232 第一章绪论 第一节高速铁路的产生及发展 一 高速铁路的产生 1825年 英国人修建了世界上第一条铁路 铁路运输的特点 运量大 可靠性高 全天候 提高列车速度是铁路赖以生存和适应社会经济发展的唯一出路 1903年 德国时速210KM H 1955年 法国时速331KM H 1964年10月1日 世界上第一条高速铁路 日本东海道新干线 20世纪80年代 世界铁路进入 第二发展期 高速铁路的大发展期 日本新干线上的300及700系高速列车 二 高速铁路的发展 高速铁路是现代世界铁路的一项重大技术成就 它集中反映了一个国家铁路牵引动力 线路结构 车辆技术 制造工艺 列车运行控制 运输组织和经营管理水平等方面的发展和进步 也集中体现了一个国家科技和工业化发展的水平以及铁路运输组织管理的水平 在亚洲 日本 高速铁路被誉为日本 经济起飞的脊梁 在亚洲 台湾 2003年 台北 高雄 345KM H 在亚洲 韩国 2004年 汉城 釜山 300KM H 在欧洲 高速铁路建设始于法国 台湾高速铁路上的700T电联车 三 高速铁路的概念 一条铁路是否能称为高速铁路 即高速铁路的定义 它有一个产生 发展 形成的过程 定义 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 1985年 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 当今世界上 铁路速度的分档规定为 时速100 120KM H称为常速 120 160KM H称为中速 160 200KM H称为准高速或快速 时速200 400KM H称为高速 时速400KM H以上称为特高速 四 高速铁路的形式 1 按列车的动力配置方式 动力集中性型和动力分散型 2 按列车的转向架方式 独立式和铰接式 用铰链把两个物体连接起来的一种形式 第二节高速铁路的技术经济特征 铁路运输包括机车车辆 线路桥隧 通信信号 牵引供电 运输组织及安全保障等系统 一 高速铁路是当代高新技术的集成 高速铁路的诞生是继航天事业之后 世界上最庞大 最复杂的现代系统工程 二 高速铁路的主要技术经济特点 1 速度快 2 安全性好 3 运能大 5 污染轻 4 能耗低 6 占地少 8 舒适度高 7 造价低 9 效益好 第三节我国高速铁路的规划与建设 一 我国发展高速铁路的必要性 1 高速铁路是我国经济及社会发展的需要 2 高速铁路的比较优势决定其在运输市场竞争中的重要地位 3 高速铁路额发展符合我国国情的需要 4 高速铁路的建设有利于促进我国铁路装备水平及工业制造整体水平的提高 4 高速铁路的建设符合我国城市化发展战略的需要 二 我国高速铁路发展的战略规划 1 我国高速铁路的发展目标 2 我国高速铁路的发展模式 1 繁忙干线客货分线 建设大能力客运通道 2 中心城市间建设客运专线 实现旅客运输高速化 3 繁忙单线客货分线 全面提升旅客运输质量 三 我国高速铁路的布局原则 四 我国高速铁路的布局规划 其他国家日本 作为世界上最早开始发展高速铁路的国家 日本政府在1970年发布第71号法令 为制定全国新干线铁路发展的法律时 对高速铁路的定义是 凡一条铁路的主要区段 列车的最高运行速度达到200公里 小时或以上者 可以称为高速铁路 美国 美国联邦铁路管理局对 高速铁路 的官方定义为最高营运速度高于145公里 小时 90mph 的铁路 但从社会大众的角度 高速铁路 一词在美国通常会被用来指营运速度高于160公里 小时的铁路服务 这是因为在当地除了阿西乐快线 最高速度240公里 小时 以外并没有其他营运速度高于128公里 小时 80mph 的铁路客运服务 中国 中国铁道部对 高速铁路 的定义分为两部分 既有线改造达到200公里 小时和新建时速达到200 250公里 小时的线路 在这部分线路上运营的时速不超过250公里 小时的列车称为 动车组 以及新建的时速达到300 350公里 小时的线路 这部分线路上运营的时速达到300公里 小时及以上的列车称为 高速动车组 世界各地营运的高铁日本新干线东海道新干线 东京站至新大阪站 全长515 4公里 山阳新干线 新大阪站至博多站 全长553 7公里 东北新干线 东京站至新青森站 全长674 9公里 上越新干线 大宫站至新潟站 全长269 5公里 北陆新干线 高崎站至长野站 全长117 4公里 九州新干线 博多站至鹿儿岛中央站 全长256 8公里秋田新干线 盛冈站至秋田站 全长127 3公里 山形新干线 福岛站至新庄站 全长148 6公里 法国TGV东南线 巴黎至里昂 大西洋线 巴黎至图尔和勒芒 北线 巴黎至加来和比利时边境 罗纳 阿尔卑斯线 东南线至瓦朗斯 地中海线 瓦朗斯至马赛 东线 巴黎至斯特拉斯堡 德国ICE汉堡经汉诺威 法兰克福至弗赖堡 瑞士巴塞尔 汉堡经不来梅 汉诺威 富尔达 纽伦堡至慕尼黑 汉堡经柏林 莱比锡 纽伦堡至慕尼黑 汉堡经多特蒙德 科隆 法兰克福至斯图加特 慕尼黑或弗赖堡 瑞士巴塞尔 汉堡 不来梅经汉诺威至柏林 巴塞尔 瑞士 弗赖堡 斯图加特经法兰克福至柏林 萨尔布吕肯经法兰克福 莱比锡或哈勒 至柏林或德累斯顿 多特蒙德 明斯特经过埃森 科隆 法兰克福国际机场至纽伦堡慕尼黑 西班牙AVE马德里至塞维利亚 经雷阿尔城 CiudadReal Puertollano 科尔多瓦 马德里至巴利亚多利德 经塞哥维亚 马德里至巴塞罗那 经瓜达拉哈拉 Calatayud 萨拉戈萨 Lleida 塔拉戈纳 CampdeTarragona 马德里至韦斯卡 经瓜达拉哈拉 Calatayud 萨拉戈萨 马德里至马拉加 经雷阿尔城 Puertollano 科尔多瓦 安达克拉 Antequera 巴塞罗那至塞维利亚 经萨拉戈萨 马德里 科尔多瓦 巴塞罗那至马拉加 经萨拉戈萨 马德里 科尔多瓦 第二章高速铁路线路 第一节概述 高速铁路线路是保证高速列车按规定的最高速度安全 平稳和不间断运行的基础和前提 因此 高速铁路线路都应当具有一定的坚固性和稳定性 高速铁路要求轨道具有稳定性 可靠性 良好的弹性和便于维修等特征 传统的砟轨道结构难以满足这些要求 因此 我国高速铁路主要采用无砟轨道结构 有砟轨道是指在路基上面使用石渣作为道床 石渣就是石头子 其要求是构造均匀 坚硬 耐风化 冲击韧性好 富有弹性 有利于排水等特点 无砟轨道是指在路基上面没有石子 而采用整体式道床板 道床板是在后方工厂预制好的 一般是3米宽5米长 钢筋混凝土结构 预制时会将钢轨的扣件预埋在其中 无砟轨道在中国一般应用于客运专线 也就是高速铁路 特点是构造时速高 铺设速度快 列车运行更平稳 但同时造价高 道床是轨道的重要组成部分 是轨道框架的基础 道床通常指的是铁路轨枕下面 路基面上铺设的石碴 道碴 垫层 主要作用是支撑轨枕 把轨枕上部的巨大压力均匀地传递给路基面 并固定轨枕的位置 阻止轨枕纵向或横向移动 大大减少路基变形的同时还缓和了机车车辆轮对对钢轨的冲击 便于排水 高速铁路要求严格控制路基工后沉降 不均匀沉降和路基的初始不平顺 高速铁路的高速度 高舒适性 高安全性 高密度连续运营等特点对高速铁路桥梁结构的刚度和整体性提出了严格的要求 第二节高速铁路线路的平面及纵断面 一 高速铁路线路的特征 1 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 低速铁路的最主要特点之一 因此 必须从线形 路基 道床 钢轨 桥梁等各方面采取保证措施 才能实现高平顺性要求 2 高稳定性 稳定 沉降小且沉降均匀的平顺路基是高平顺性轨道的基础 路基的稳定性主要靠控制路基工后沉降 不均匀沉降以及路基顶面的初始不平顺来保证 3 高精度 小残变 少维修 严格控制轨道铺设精度是实现轨道初始高平顺的保证 4 宽大 独行的线路空间5 高标准的环境保护6 开通运营之日 列车即以设计速度运行7 运营中 实行科学的轨道管及严密的防灾安全监控 二 高速铁路对线路平面的要求线路平面是由直线和曲线组成 曲线一般能较好的适应地形变化 减少施工工作量 轨道的高平顺性 要求其空间线路曲线尽可能平滑 即线路平纵断面的变化尽可能平缓 正线线路的平面圆曲线半径应因地制宜 合理选用 优先选用常用曲线半径 慎用最小和最大曲线半径 必要时刻采用最大与最小曲线半径间100m整倍数的曲线半径 注解 因列车在高速通过弯道时由于离心力作用向弯道的外侧产生横向力 会对钢轨产生挤压 外翻 参看 2008年胶济铁路列车相撞事故 为了保证列车的行驶安全 在铁路的设计和建造时 国家 修规 对不同速度等级的铁路规定了车辆可以安全通过的圆曲线的最小半径 就是线路的最小曲线半径 高速铁路和平原地区干线铁路一般比较平直 用较大的曲线半径 山区铁路 工厂支线 车辆段道岔的咽喉区 编组站 城市地铁等受地形的制约较大的地段 只能使用较小的曲线半径 列车必须限速通过 三 线路纵断面要求 坡度的设计应适应地形 合理选用 区间正线的最大坡度应根据地形条件和动车组功率 经牵引计算验算并经技术经济比选分析后确定 竖向离心力和竖向离心加速度对列车运行的安全性和旅客舒适性有影响 因而 竖曲线半径决定于列车运行的安全性和旅客乘坐的安全性和旅客乘坐的舒适性要求 区间正线的最小竖曲线半径应根据所处区段设计最高速度按表2 3选用 但最大竖曲线半径不得大于40000m 第三节高速铁路轨道 一 高速铁路对轨道的要求 1 稳定的轨道结构 高速铁路对轨道结构的设备和材质都有比较大的加强 轨道各部件的静力强度已不是对轨道整体结构承载能力起控制作用的因素 2 平顺的运行表面 为保证列车高速运行的需要 要求轨道必须提供平顺的运行表面 3 良好的轨道弹性 高速铁路轨道结构能否具有良好的弹性十分重要 轨道具有良好的弹性 不仅可以使轨道具有较强的抗振动与抗冲击能力 而且有利于减少噪声干扰 因此 轨道结构具有良好的弹性是各国高速铁路追求的目标 4 可靠的轨道部件 5 便利的养护维修 二 高速铁路轨道结构 高速铁路轨道结构的主要类型有有砟轨道和无砟轨道 有砟轨道具有弹性良好 价格低廉 更换与维修方便 吸噪特性好等优点 无砟轨道具有维修费用少 使用寿命长 线路状况良好 不易胀轨跑到 高速行车时不会有石砟飞溅等优点 无砟轨道由钢轨 道岔 扣件和轨下基础组成 1 钢轨 钢轨支承并引导机车车辆的车轮 直接承受来自车轮和其他方面的力传递给轨枕 同时为车轮的滚动提供阻力最小的表面 高速铁路钢轨在技术上要能保证足够的强度 韧性 耐磨性 稳定性和平顺性 在经济上要能保证合理的大修周期 减少养护维修工作量 对高速铁路钢轨的质量要求主要体现在外形尺寸的精确度和内部质量的纯净度 高速铁路钢轨折损的主要形式是由于钢轨的内部夹杂 缺陷所引起的疲劳折损 钢轨的化学成分是影响其力学性能 焊接性能及其他使用性能的基本因素 也是钢轨材质纯净度的重要指标 2 扣件 是连接钢轨和轨枕使之形成轨排的部件 在保证轨道稳定性 可靠性方面起着重要作用 3 道岔 道岔是轮轨相互作用中一切最不利因素的集中载体 因此 高速道岔的使用环境 要比高速铁路区间轨道困难得多 高速道岔应满足的基本要求 1 强度和稳定性 高速铁路道岔必须具备保障列车按额定的速度平稳又安全地行走所必要的强度和稳定性 2 可操作性 经济性 坚固耐用性 高速铁路道岔必须满足制造和运营中的可操作性 经济性以及坚固耐用性 4 轨下基础 是轨道结构的重要组成部分 它承受来自钢轨的各种作用力 并弹性地将作用力传布于道床 同时有效的保持轨道的轨距 方向和位置 无砟轨道的优点和缺点 优点 1 消除了由于散粒体道砟的破碎 粉化 道床的形变而导致轨道几何形态恶化和日益增加的轨道维修工作量 2 整体化轨下基础给轨道提供了更为强大的纵 横向阻力 提高了轨道的稳定性 3 在刚性整体混凝土底座上 安装橡胶垫板 橡胶靴套或现场浇注的CA砂浆垫层等弹性元件提供的轨道弹性 比在土路基上的碎石道床提供的轨道弹性更具均匀性 缺点 1 散粒体碎石道床可通过起 拨 捣作业 方便地对轨道几何形态的变化进行整治和修理 2 无砟轨道为刚性基础 其轨道整体弹性差 3 无砟轨道的基础一旦出现变形或破坏 其整治和修复相对困难 4 无砟轨道的工程费用比有砟轨道高 无砟轨道的类型 1 板式无砟轨道 由钢轨 扣件 预制混凝土轨道板 乳化沥青水泥砂浆调整层 简称CA砂浆调整层 混凝土凸形挡台及混凝土底座等部分组成 2 双块式无砟轨道 由钢轨 扣件 双块式轨枕 道床板 底座等部分组成 3 长枕埋入式无砟轨道 由整体式混凝土枕和现场浇注的混凝土道床组成 他包括钢轨 扣件 穿孔混凝土枕 混凝土道床和混凝土底座 三 高速铁路轨道检测与维护高速铁路轨道不平顺的维修管理工作 仍应坚持预防为主 管小防大的原则 1 高速铁路轨道不平顺的安全管理 紧急补修和限速管理 1 紧急补修和限速管理标准 2 紧急补修和限速管理的实施 2 轨道不平顺的预防性计划维修管理3 轨道不平顺的日常养护管理4 高速轨道几何状态检测车及辅助检测设备 1 高速轨道检查车 2 轻型轨道不平顺检测小车 3 车体振动加速度检测 4 轨面短波不平顺检测 5 长波不平顺的检测四 高速铁路道岔的养护维修与管理1 初期养护2 经常养护 第四节高速铁路路基 一 高速铁路路基的结构和特点 一 高速铁路路基的结构路基是轨道的基础 也叫线路下部结构 承受轨道和机车车辆荷载 主要由以下三部分组成 1 路基本体 在各种路基形式中 为了能按线路设计要求铺设轨道而构筑的部分 称为路基本体 路基本体由路基顶面 路肩 基床 边坡 基底几部分构成 路基本体是直接铺设轨道结构并承受列车荷载的部分 如路堤 路堑等 2 路基防护和加固建筑物 它属于路基的附属建筑物 是为确保路集体的稳固性而采用的必要的经济合理的附属工程措施 路基防护设备用于防止或削弱风霜雨雪 气温变化及流水冲刷等各种自然因素对路基体所造成的直接或间接的有害影响 常用的防护设备是坡面防护和冲刷防护 路基加固设备是用于加固路集体或地基的工程设施 3 路基排水设备 它属于路基的附属建筑物 路基的排水设备分地面排水设备 和地下排水设备两种 地面排水设备用以拦截地面径流 汇集路基范围内的雨水并使其畅通的流向天然排水沟谷 以防止地面水对路基的浸湿 冲刷而影响其良好状态 地下排水设备用以拦截 疏导地下水和降低地下水位 以改善地基土和路基边坡的工作条件 防止或避免地下水对地基和路集体的有害影响 如排水沟 侧沟 天沟等 二 高速铁路路基的特点 1 高速铁路路基的多层结构系统 2 控制变形是轨下系统 路基 设计的关键 二 高速铁路对路基的要求及处理措施 一 对路基的要求1 路基要达到高速铁路轨道高平顺的要求 2 路基必须满足高速铁路对工后沉降的要求 3 必须严格控制路基的不均匀沉降 4 必须控制路基的初始不平顺 二 处理措施1 提高路基填筑标准且强化基床结构 将路基作为土工机构物来进行设计与施工 对填筑材料 压实标准 变形控制 检测要求等较现行铁路标准有很大提高 同时强化基床结构 特别是基床表层 2 严格控制路基沉降变形高速行车需要高度平顺和稳定的轨下基础 控制变形是高速铁路路基设计的关键 路基沉降变形主要包括三个方面 列车行驶中路基面产生的弹性变形 长期行车引起的机床累积下沉 塑性变形 路基本体填土及地基的压缩下沉 客运专线路基设计暂行规定 中规定 路基工后沉降量一般地段不应大于5cm 沉降速率应小于2cm 年 桥台台尾过渡段路基工后沉降量不应大于3cm 无砟轨道路基工后沉降量一般地段不应大于2cm 三 高速铁路软土地基的处理 我国软土绝大部分分布于东部沿海地区 主要集中在滨海平原 河口三角洲 湖盆地周围 多为河相 海相或泄湖相沉积层 多处于饱和的正常压密固结状态 土的类别多为淤泥 淤泥质黏土 淤泥质亚黏土 在南方少数地区也有淤泥质混砂层存在 软土的主要特点 含水量高 孔隙比大 低干密度 高压缩性 低透水性 中等灵敏度 软土地基在工程上主要表现为压缩量大 排水固结缓慢 地基稳定性差等特性 一 换填法当软土地基的承载力和变形满足不了设计要求 而软土层的厚度又不是很大时 将路基地面下处理范围内的软弱土层部分或全部挖去 然后分层换填强度较大的砂 碎石 素土 灰土 二灰土等 或其他强度较高 性能稳定 无侵蚀性的材料 并用人工或机械方法压实至要求的密实度为止 这种地基处理的方法称为换填法 换填土法适用于淤泥 淤泥质土 素填土 杂填土地基及暗沟 暗塘等浅层和低洼区域处理 还适用于处理湿陷性黄土 膨胀土和季节性冻土等一些区域性特殊土 换填土法的处理深度通常宜控制在3m以内 但也不宜小于0 5m 因为垫层太薄 换土垫层的作用不显著 对软土地基有以下处理方法 二 排水固结法 排水固结法处理软基是在路基施工前 对天然路基或已设置竖向排水体的路基上加载预压 使土体固结沉降基本完成或大部分完成 从而提高地基土强度 减少地基工后沉降的一种地基加固方法 排水固结法由排水系统和加压系统两部分共同组成 换填土法的垫层常用材料为砂 砂石 素土 灰土 二灰土等无黏性土 因为这类土的强度大 压缩性小 透水性好 比较容易使之密实 且在不少地区料源丰富 因而广泛使用 排水固结系统由竖向排水体和水平排水体构成 主要作用是改变地基的排水边界条件 缩短排水距离和增加孔隙水排出的途径 当软土层靠近地表且较薄或土的渗透性好且施工周期较长时 可在地面铺设一定厚度的砂垫层 不设竖向排水通道 土中的孔隙水在外荷载作用下排至砂垫层 从而产生固结 若软土层较厚时 为加快排水固结 应在地基中设置砂井等竖向排水体 与水平砂垫层一起构成排水系统 加压系统是指对地基施加的荷载布置 排水系统与加压系统总是联合使用 如果只设置排水系统 不施加固结压力 土中的孔隙水没有压差 不会发生渗透固结 强度不会提高 如果只施加固结压力 不设置排水体 孔隙水就很难排出来 地基土的固结沉降就需要较长的时间 实际工程中应用较多的排水固结法有砂井 塑料排水板 加载预压和砂井 塑料排水板 真空预压