第9章-铁路工程概述案例.ppt

9铁路工程,9.1引言,铁路运输的优点：运输能力大、安全可靠、速度快、成本低、污染小，基本不受气象和气候影响，能源消耗远低于航空和公路运输，是现代运输体系中的主干力量。,9.1引言,自1825年英国建成了世界上第一条蒸气机车牵引的铁路斯托克顿至达灵顿铁路起，在其后约100年间，许多国家经历了铁路建设的高潮时期。英、法、德、美等国家相继建成了本国四通八达的铁路网。至20世纪80年代，世界铁路总长约130万公里，达到了顶峰，成为垄断陆上运输的主要手段。,9.1.1铁路建设发展历史,我国的铁路事业，从1876年英国商人在上海修建淞沪铁路开始。在19世纪末，帝国主义列强为了掠夺我国富饶的资源，开始了筑路高潮。现在的几条干线如京汉铁路、津浦铁路、沪宁铁路等都是在18971912年内由帝国主义列强强行修建的。,19051908年，詹天佑领导建设我国第一条自行设计、自行施工的京张铁路，全长201km，长达1091m的“八达岭”隧道是其中一项著名工程。,解放后，我国铁路事业发展迅速，据2002年底统计，我国铁路已覆盖除西藏自治区外的各省、自治区、直辖市，营业里程71898公里，超过19982002年7万公里目标近2000公里，较新中国建国初期增长2.5倍，居亚洲第一位。,至2009年底，我国铁路营业里程已达8.6万km，居世界第2位。高速铁路领先世界，高原铁路世界一流，重载铁路屡创世界奇迹，已成为高速铁路发展最快、系统技术最全、集成能力最强、运营里程最长、运营速度最高、在建规模最大的国家。,1952年7月1日2008年8月1日贺龙为成渝铁路通车剪彩京津城际高速铁路建成通车,9.1引言,蜀道不再难成昆铁路,成昆铁路(成都昆明)工程艰巨浩大，举世罕见。沿线地形峻峭、地质复杂，线路起伏高差1780m。全线共完成正线铺轨1083.3公里，路基土石方9688万立方米；隧道427座，总延长344.7公里，其中长度在3公里以上的共有9座；桥梁991座，总延长106.1公里，其中有中国目前钢桁桥梁中跨度最大的金沙江大桥（主跨达192米），有孔跨54米的一线天石拱桥。全线桥隧总延长占线路长度41.6。有些地段找不到地方设置车站，不得不将站线建在桥梁上或隧道内，在全线122个车站中，这类车站就有41个。这个艰巨宏伟的工程，荣获国家颁发的“科学技术进步特等奖”。,纵贯大陆第三路京九铁路,京九线始于北京枢纽南端的黄村车站，向南经河北省的霸州、衡水，山东省的聊城、菏泽，河南省的商丘、潢川，湖北省的麻城，江西省的九江、南昌、向塘、吉安、赣州，广东省的和平、惠州，与广九铁路布吉站相接，直达九龙，全长约2536公里。1995年11月全线铺通。,世界上海拔最高的铁路青藏铁路,青藏铁路由青海省省会西宁至西藏自治区首府拉萨，全长1956公里，有960km的海拔高程在4000m以上，沿线经过多年连续冻土地段550km，经过九度地震烈度区216km，沿线高寒缺氧、生态环境脆弱、地壳运动活跃，修建铁路具有很强的探索性和科研性。其中西宁至格尔木段（简称西格段）长约815公里，已于1984年投入运营。2001年开工修建的格尔木至拉萨段（简称格拉段），是目前世界上海拔最高、线路最长的高原铁路。自青海省格尔木市起，铁路沿青藏公路南行，经纳赤台、沱沱河，翻越唐古拉山，再经西藏自治区安多、那曲、当雄、羊八井，至拉萨市，全长1142公里。工程静态投资为223.8亿元，动态总投资262.1亿元。于2006年7月开通试运营。,中国高速铁路建设开端秦沈客运专线,秦沈客运专线全长405公里。客运专线是一条以客运为主的双线电气化快速铁路，开通伊始的列车速度即可达到160公里/小时以上，设计速度为200公里/小时，基础设施预留提速至250公里/小时（甚至更高）的条件。从秦皇岛直达沈阳，全程只需4.5小时左右。其中位于沟帮子附近的月牙河特大桥全长10.26公里，长度居国内铁路桥首位。秦沈客运专线总投资约150亿元。设计工作者经过近十年的准备工作，该线于1999年8月16日全面开工，2003年10月12日开通运营。,秦沈客运专线是中国铁路步入高速化的起点，通过秦沈客运专线的设计、施工、运营，为建设京沪高速铁路提供大量的数据及资料。可以说，秦沈客运专线是中国铁路的里程碑式的建筑。它是中国自己研究、设计、施工的时速200公里的第一条快速铁路客运专线。它的建设和投入运营，带动中国铁路综合技术水平的大幅度提高，并加快中国铁路客运高速化的进程。截至2010年底，我国国内运营时速200km以上的高速铁路运营里程已经达到7421km。按照国家中长期铁路网规划，到2020年，中国铁路营业里程达到10万km，建设客运专线达到1.2万km以上。,由京沪、京哈、沿海、京九、京广、大湛、包柳、兰昆“八纵”和京兰（藏）、煤运北、煤运南、陆桥、宁西、沿江、沪昆（成）、西南出海“八横”组成的“八纵八横”铁路运输通道基本形成。承担了全国60的旅客周转量和70的货物周转量，成为我国综合运输体系中的骨干。,八纵八横的宏伟蓝图,京沪、京哈、沿海、京九、京广、大湛、包柳、兰昆“八纵”,京兰（藏）、煤运北、煤运南、陆桥、宁西、沿江、沪昆（成）、西南出海“八横”,铁路主要是依靠牵引动力的发展而发展，牵引机车从最初的蒸汽机车发展成内燃机车、电力机车。运行速度也随着牵引动力的发展而加快。,20世纪60年代开始出现了高速铁路，速度从120km/h提高到450km/h左右，以后又打破了传统的轮轨相互接触的粘着铁路，发展了轮轨相互脱离的磁悬浮铁路。,铁路由线路、路基和线路上部建筑3部分组成。铁路的典型断面见右图：,属于铁路工程设施的还有桥梁、隧道、排水系统、车站设施、机务设备、电力供应等。,铁路工程既指各种土木工程设施，也指修建铁路的各个阶段(勘测、设计、施工、养护、改建等)所运用技术和管理的总称。,9.1引言,9.1.1铁路概述,表：铁路等级和主要技术标准,铁路的设计年度分为：近期交付运营后第10年远期交付运营后第20年,9.2铁路的组成,概念：是铁路横断面中心线在铁路平面中的位置，以及沿铁路横断面中心线所作的纵断面状况。,9.2.1线路,线路组成：铁路线路由直线和曲线组成，曲线采用圆曲线,并在圆曲线和直线间插入缓和曲线，使作用在列车上的离心力平稳过渡。,9.2铁路的组成,直线,缓和曲线,圆曲线,直线行驶路基横断面曲线行驶路基横断面,列车在曲线上行驶会受到离心力作用，离心力的大小同速度的平方成正比，与曲线半径成反比。不同等级的铁路均规定了最小圆曲线半径，列车在曲线上须限速行驶。,列车在弯道上的行驶状态,最小圆曲线半径,9.2铁路的组成,关于限制坡度的概念,线路在纵断面上设置上坡、下坡、平道。坡道阻力列车在坡道上行驶时，其重量平行于坡道方向的分力便成为车辆行驶的阻力。限制坡度铁路线路在某区段上限制货物列车重量的坡度。限制坡度定得越小，则所能牵引的列车重量越大，线路的运输能力越大。但如果地形起伏较大，则相应的工程费用也越高。,9.2铁路的组成,9.2.2路基,概念：是铁路线路承受轨道和列车荷载的地面构筑物。,基本型式：路堤、路堑、半路堤半路堑三种型式。,路基顶面宽度的确定：由铁路等级、轨道类型、道床标准、路肩宽度、线路间距等因素确定。,路堤、路堑、半路堤半路堑的概念与公路相同,路堤,路堑,9.2铁路的组成,表：铁路路基面宽度,9.2.3线路上部建筑包括钢轨、轨枕、道床、道岔。,轨枕是钢轨的支座，并保持钢轨的方向和轨距。轨枕长度为2.5m,道床：作用传力均匀，阻止轨道位移，缓和列车冲击作用，并便于排水,钢轨：承受车重、引导车行方向。标准长度25、12.5m，标准轨距1435mm,9.2铁路的组成,线路上部建筑的强度和稳定性，取决于钢轨类型、轨枕类型和密度、道床类型和厚度等。,钢轨起承受车身重力及引导列车运行方向的作用。我国生产的标准钢轨的标准长度为25m和12.5m两种。两条钢轨间的标准轨距为1435mm，误差不超过6mm或2mm。每根钢轨端部留有3个圆孔，两节钢轨的末端用有6个孔的鱼尾板夹住，并用螺栓拧紧。轨间留有缝隙，以便温度变化时可以自由伸缩。,锁定线路或无缝线路：为减少接头对行车舒适性的不利影响，可采用长钢轨（一般为10002000m；用标准钢轨在焊轨厂焊接成250m,运往铺轨工地后再用铝热焊焊成）铺设。在长钢轨的两端的伸缩区内，用高强度扣件把钢轨强制扣紧在钢筋混凝土轨枕上，使之几乎没有相对位移。我国于2000年在沪宁线上铺设长度达260km的无缝钢轨。作为火车提速关键设备的无缝钢轨，国产化率已接近100%。,轨枕是钢轨的支座，它除承受钢轨传来的力并将其传给道床以外，还起着保持钢轨的方向和轨距的作用。因而，轨枕应具有足够的强度、弹性和耐久性。,轨枕：主要有木枕和预应力混凝土轨枕两种。木枕优点是弹性好、易于加工、便于运输和铺设、更换方便及成本低等，缺点是使用寿命短，并需要消耗大量木材。预应力混凝土轨枕优点是耐久性好、稳定性高、养护工作量小，缺点是质量大（每根220250kg）。我国目前大量采用预应力混凝土轨枕。,道床是铺设在路基顶面上的道碴层。其作用是把由轨枕传下的车辆荷载均匀传布到路基面上，阻止轨道在列车作用下产生位移，并缓和列车的冲击作用。同时，还具有便于排水以保持路基面和轨枕干燥，以及便于调整路线平面和纵断面的作用。路基为非渗水性土时，宜采用双层道床。,道岔,道岔是铁路线路、线路间连接和交叉设备的总称。作用是控制线路转向或越过与其相交的另一条线路。大都设在车站区。最常用、最简单的线路连接设备是普通单式道岔。,道岔透视图,铁道线上的道岔,9.2铁路的组成,普通单式道岔由转辙器、连接部分、辙叉及护轨三个单元组成。转辙器包括基本轨、尖轨和转辙机械。当机车车辆从A股道转入B股道时，进入连接部分沿着导曲线轨过渡到辙叉和护轨单元。这个单元包括固定辙叉心、翼轨及护轨，作用是保护车轮安全通过两股轨线的交叉之处。,A股,B股,正线轨道类型,9.2铁路的组成,9.3铁路工程设计的主要内容,在经济上论证所设计线路在交通运输系统中的地位、作用和经济效益，说明其可行性；,9.3.1设计的主要内容,根据铁路的技术等级、勘测的地形地物在技术上选择线路;,设计路基、线路上部建筑、桥梁、涵洞、隧道等工程；,进行车站、机务、给水、供电、信号等项目的设计。,9.3铁路工程设计的主要内容,基本走向：根据国家政治、经济和国防的需要，结合线路经过地区的自然条件、资源分布、工农业发展等情况，规划线路的基本走向。,9.3铁路工程设计的主要内容,空间位置：根据沿线的地形、地质、水文等自然条件和村镇、交通、农田、水利设施,来设计线路的空间位置。,布置线路上的各种建筑物：如车站、桥梁、隧道、涵洞、路基、挡墙等，总体上互相配合、全局经济合理。,9.3.2铁路选线、定线,青藏铁路平面定线,铁路工程是一项耗费巨大的工程，勘测和设计工作中的任何错误和疏忽都会造成巨大损失。,9.3.3进行全线线路的平面和纵剖面设计,内昆铁路宝兰电气化铁路,秦沈客运专线月牙河特大桥,9.3铁路工程设计的主要内容,一般而言，平均每千米铁路就需要消耗150t钢材、200m3木材（可用预应力混凝土代替）、80t水泥、700m3块石和2000m3碎石，并需要进行大量土石方工程。,不同地形地区新建铁路每千米主要工程数量比较,水柏铁路的北盘江大桥,人们对火车速度的追求，自打有铁路起就一直没有停止。在蒸汽机车的鼎盛时代，1938年蒸汽机车的最高速度创造了每小时202公里的记录，但也达到了极限。1972年，内燃机车的最高速度达到每小时318公里后就此止步。1955年，法国电力机车首创最高速度每小时331公里的世界记录，法、德、日电力机车高速试验的比赛就此展开。1981年，法国将这个记录提高为每小时380公里。1988年，德国创造新的世界记录，最高速度突破每小时400公里大关，达到406.9公里。但法国紧追不舍，第二年就将新记录打破，达到每小时482.4公里。第三年，也就是1990年，法国又不可思议地创造了迄今为止轮轨铁路速度的最高世界记录：每小时515.3公里！日本也不甘落后，接连在1993年、1996年把本国的电力机车最高速度提升到每小时425公里和443公里。虽然，日本在这场比赛中屈居老三，不过他们在另一方面却荣获冠军建成世界上第一条高速铁路，拉开了全球高速铁路的建设序幕。,9.4高速铁路,常速：时速100120km；中速：时速120160km；快速或准高速：时速160200km；高速：时速200400km；特高速：时速400km以上。,铁路速度的分档：,2.3.1高速铁路的概念,高速铁路是指客运列车以超过200km/h的速度高速运行的铁路。,台湾高铁THSR,9.4高速铁路,发展情况：1964年10月建成的日本东海道新干线，是世界第一条高速铁路。,日本东海道新干线,9.4高速铁路,优点：节省能源(平均每位乘客耗能仅为航空乘客的1/3)；保护环境；安全；舒适(宽松的座位和较大的活动空间比汽车或飞机更感舒适)；省时(汽车无法相比，在500800km的中长距离可与飞机竞争)。,与常规铁路的区别：弯道处曲线半径大，在4000m以上。,法国的TGV高速列车,德国的ICE高速列车,日本新干线模式,英国APT模式欧洲之星,高速列车的模式日本、法国、德国和英国是高速铁路技术水平最高的国家。,9.4高速铁路,9.4.2高速铁路的关键技术问题,线路标准提高：铁路曲线是决定列车速度的关键之一。最小曲线半径、缓和曲线、外轨超高等线路平面标准，坡度值和竖曲线等线路纵断面标准，以及线路构造、道岔等标准都要提高。,轨道的平顺性：轨道的不平是导致车辆振动、产生轮轨附加振动的根源，严格控制轨道的几何形状，提高列车行驶的平顺性和舒适性。,牵引动力：这关系到新型动力装置与传动装置、新的牵引方式、受电技术、制动技术等高速牵引动力技术问题。,信号与控制系统：高速铁路的信号与控制系统包括列车自动防护系统、卫星定位系统、车载智能控制系统、列车调度决策支持系统及列车自动监测与诊断系统等。,9.4高速铁路,1994年12月22日，我国第一条准高速铁路广深高速铁路建成通车。时速为160km。,9.4.3我国高速铁路的发展,9.4高速铁路,北京至天津的城际高速铁路08年8月1日正式开通运营。京津城铁长120km，列车最高运营速度达350km/h，北京到天津直达运行时间在30分钟以内。,我国首条城际高铁建设中的京津城际高铁,9.4高速铁路,高速铁路的路基要“零沉降”,我国目前有京津城际、昌九城际、哈大线、武广客运专线、郑西高速铁路、温福线、京石线、汉宜线、港深广线和京沪线等多条高速铁路，时速高达350km。,9.4高速铁路,高速铁路使用的轨道道床,无砟轨道道床安装,双块式轨枕生产线,无砟轨道道床板砼浇筑,无砟轨道道床精调,9.4高速铁路,跨度32m、重900t的预应力砼箱梁制安,吊梁运梁喂梁落梁,箱梁装车箱梁运输,9.4高速铁路,中国高速铁路的新篇章,中国CRH-2高速动车组,上海虹桥站夜景图,武广客运专线的新长沙站,北京南站,9.4高速铁路,京津城际高铁以350km/h的运营速度成为全世界投入实际运营高铁中速度最高的高速铁路。截至2010年底，我国新建高铁营业里程5249km，营业总里程已达7531km，是全世界高铁运营里程最长、在建规模最大的国家，也是技术最全、运行速度最高的国家之一。2011年，有12条高速铁路建成，新增里程4715km。,9.4.4高速列车的运行安全问题,9.5磁悬浮铁路,磁悬浮列车是利用电磁学中磁极间产生吸引力、排斥力的作用原理，以直线电动机为推动力的新型交通工具。磁悬浮列车运行时悬浮于轨道上面，保持一定的间隙，因而没有轮轨摩擦及粘着极限速度等问题。,9.5.1磁悬浮列车简介,磁悬浮列车主要由悬浮系统、推进系统和导向系统三大部分组成。,9.5磁悬浮铁路,北京计划在八达岭修建磁悬浮,磁悬浮列车导轨装置,上海磁悬浮列车,磁悬浮列车技术有两个发展方向：一是以德国为代表的电磁悬浮系统（EMS），又称常导型；二是以日本为代表的电力悬浮系统（EDS），又称超导型。,9.5磁悬浮铁路,9.5.2磁悬浮列车的发展方向,磁悬浮列车悬浮系统的组成示意图,常导型（德国）,超导型（日本）,以德国为代表的磁浮列车，利用磁体吸引力的电磁悬浮，简称相吸式，是把电磁铁安装在车体上，通电后产生电磁力与导轨道相吸引而使列车悬浮，再用直线电动机牵引列车前进。以日本为代表的磁浮列车，利用磁体排斥力的电动悬浮，简称相斥式，则是在列车上安装超导磁体，轨道上安装悬浮线圈，超导磁体与地面线圈之间感应产生强大磁力使列车悬浮，再用直线电动机牵引列车前进。,德国磁浮列车,日本磁浮列车,德国磁浮列车技术,德国是世界上最早研究磁浮列车的国家。1922年，德国人赫尔曼肯佩尔提出了电磁悬浮原理，1934年公布了磁浮列车专利，从20世纪60年代开始，德国进行实际研究工作并确定不采用超导磁体而应用常规电磁技术，也就是电磁悬浮。1979年,在汉堡举行的国际交通展览会上,展出了第一辆磁浮列车并做运行表演。人们第一次领略到磁浮列车快速、低噪、平稳的优点。其后，德国修建了一个既有高架也有地面路轨的长达31.5公里哑铃式的磁浮试验回路，列车空载最高时速达到450公里，载客时速420公里，平均时速度也有300公里。这条试验线已历经大风大雪的考验，安全运行了15年，累计67万公里的里程，也经历过长达1000公里以上连续运行的多次考验。,上海磁悬浮示范运营线,9.5磁悬浮铁路,上海成为第一个品尝磁浮铁路这个“螃蟹”的城市。2001年3月1日，中国第一条磁浮列车示范运营线工程在上海浦东新区动工兴建。总投资为89亿元人民币的上海磁浮快速列车干线，西起上海地铁2号线的龙阳站，东至浦东国际机场，正线长约30公里，上下行折返运行，全线设两个车站。设计最大时速达430公里，单向行驶时间为8分钟。按设计水平，9节车厢可坐乘客959人，每小时发车12列，按每天运行18小时计，年客运量可达1.5亿人次。2002年12月31日上海磁浮列车示范运营线建成通车。,9.5.3磁悬浮列车优点,不接触轨道、无摩擦、运行安全、平稳舒适、无噪声，可以实现全自动化运行。它启动后39秒即可达到最大速度，最高时速已达552km。据德国科学家预测，到2014年，磁悬浮列车采用新技术后，时速将达到1000公里。,此外，由于采用电力驱动，磁悬浮列车的速度最终能与飞机媲美，其单位能耗却仅为飞机的一半；而且，磁悬浮列车的发展不受能源结构限制(特别是燃油供应)，无任何有害气体排放。,德国磁悬浮列车,9.5磁悬浮铁路,9.5.4磁悬浮列车技术不足,日本磁悬浮列车,由于磁悬浮系统是以电磁力完成悬浮、导向和驱动功能的,断电后磁悬浮的安全保障，尤其是列车停电后的制动问题仍然是要解决的问题。其高速稳定性和可靠性还需很长时间的运行考验。,常导磁悬浮技术的悬浮高度较低，因此对线路的平整度、路基下沉量及道岔结构方面的要求较超导技术更高。,超导磁悬浮技术由于涡流效应悬浮能耗较常导技术更大，冷却系统重，强磁场对人体与环境都有影响。,9.5磁悬浮铁路,轻型吊轨磁悬浮技术验证车,“中华06号”轻型吊轨磁悬浮技术验证车2005年5月在大连首次亮相，设计时速可达400km，适用于城际之间的“人流”与“物流”投送市场，是专为大中型城市的区域经济圈设计的城际交通工具。,9.5磁悬浮铁路,9.6城市轨道交通地铁与城市轻轨,9.6.1地铁的概念,上海地铁,城市轨道交通分为地铁和轻轨两种制式，地铁和轻轨都可以建在地下、地面或高架。地铁和轻轨都选用轨距为1435mm的国际标准双轨作为列车轨道，与国铁列车的轨道规格相同，并没有所谓的钢轨重量轻重之分。,地铁，即地下铁路。是以地下运行为主的城市铁路捷运系统,为配合修筑的环境，地铁也会有地面化的路段存在，因此地铁涵盖了都会地区各种地下与地面上的高密度有轨交通运输系统。,9.6地铁与城市轻轨,9.6.2地铁的优缺点,优点：节省土地、减少噪音、减少干扰、节约能源；缺点：前期时间长，建造成本高，建设周期长，对地震、水灾、火灾和恐怖主义的抵御能力弱。,北京地铁,9.6地铁与城市轻轨,9.6.3城市轻轨,是城市客运有轨交通的又一种形式,大多采用浅埋隧道或高架桥的方式，它比公共汽车速度快、效率高、省能源、无空气污染。轻轨比地铁造价更低、见效更快。,武汉轻轨大连轻轨,9.6地铁与城市轻轨,9.6.4地铁和轻轨的区别,国际标准：城市轨道交通列车分为A、B、C三种型号，分别对应3m、2.8m、2.6m的列车宽度。凡是选用A、B型列车的称为地铁，采用58节编组列车；选用C型列车的称为轻轨，采用24节编组列车。B、C型列车的造价和技术含量要小于A型车，列车的车型和编组决定了车轴重量和站台长度。,我国规范：轴重相对较轻，单向输送能力在13万人次的轨道交通系统称为轻轨；每小时客运量38万人次的轨道交通系统称为地铁。,上海轨道交通3号线采用6节A型列车，90%的线路高架，按照车型分类标准属于地铁；上海轨道交通6号线采用4节C型列车，70%的线路都在隧道内，但按照车型分类标准仍属轻轨。,9.6地铁与城市轻轨,9.6.5地铁和城市轻轨特点,线路多经过居民区，对噪声和振动的控制较严，除对车辆结构采取减震措施及修筑隔声屏障外，对轨道结构也要求采取相应