【铁道工程-课件】第3章 线路平面和纵断面设计

1、第三章 线路平面和纵断面设计,1 概述 2 区间线路平面设计 3 区间线路纵断面设计,1 概述 设计目的：在满足主要技术标准的前提下，确定线路在空间中的位置 。,术语定义： 线路中心线：路基横断面上O点纵向连线。O点为距外 轨半个轨距的铅垂线AB与路肩水平线CD交点。 新线设计标高：均为路肩设计标高,铁路线路平面 定义：线路中心线在水平面上的投影 组成要素：直线和曲线,铁路线路的平面与纵断面,铁路线路纵断面 定义：线路中心线（曲线部分展直后）在垂直 面上的投影 组成要素：平道和坡道,平面图 纵断面图,区间线路平面设计 设计内容 区间线路纵断面设计 车站、桥梁、隧道地段的平、纵面设计 线路的平面

2、组成和曲线要素 平面设计 直线、圆曲线、缓和曲线的设计 最大坡度 坡段长度 纵断面设计 坡段连接 坡度折减,满足铁路线路设计规范要求 设计要求 桥、隧、站和建筑物与线路的协调配合 工程造价省 优化设计 有利于运营,线路平面图 主要设计成果 线路纵断面图,2 区间线路平面设计 2.1平面组成和曲线要素 直线 线路平面 圆曲线 曲线 缓和曲线,曲线要素 未加设缓和曲线的曲线 （概略定线） 偏角平面图上量得 半径 R选配 切线长 曲线长,加设缓和曲线的曲线 （详细定线） 曲线要素：偏角 ， 半径 R，缓和曲线长L。（选配）， 切线长，曲线长 内移距离 切垂距 缓和曲线角 度 切线长 曲线长,曲线起终

3、点里程的推算 ZH里程：平面图上量取 HZ里程ZH里程L HY里程ZH里程l。 YH里程HZ里程l。 具体设计时： R根据地形选配 用量角器量出 L。根据线路等级和地形条件选配,思考题： 已知: JDi，( Xi 、Yi 、Ri、lo ) 如何编程计算曲线要素，推算线路中线里程。,2.2直线 平面设计时，先用有限条折线表示线路的大致位置，然后再在相邻折线之间设置曲线。直线位置确定后，曲线位置就大致上定下来了。因此平面设计，主要是直线位置的确定。,设计直线应遵循的原则： 直线与曲线相互协调 不要因设置直线而使工程量过大 不要因节省工程量而使曲线半径过小， 曲线长度过短，从而使运营条件变差 力争设

4、置较长的直线段 好处：可缩短线路长度，改善运营条件 力求减小交点偏角度数 线路转弯急，总长增加投资大 偏角大 克服的阻力功增加运营支出加大 每吨列车克服的曲线阻力功,夹直线长度不应短于规定长度 夹直线前一曲线终点与后一曲线起点间所夹直线 两相邻曲线，转向相同者为同向曲线，转向相反者为反向曲线。 夹直线最小长度的确定 满足线路养护要求 列车通过反向曲线路段时，频繁转向，车轮对钢轨的横向推力加大。若夹直线太短，则正确位置不易保持，维修工作量加大，危及行车安全，运费增加。 要求：不宜短于5075米，最短不短于25米。,行车平稳要求 夹直线太短列车同时在相邻曲线上运行 R不同，超高不同车辆左右摇摆 要

5、求：为保证行车平稳舒适，夹直线不短于23节客车长， 即5176.5米 通过夹直线前后ZH、HZ点时，轮轨冲击转向架 弹簧产生振动 要求：为保证振动不叠加，旅客乘坐舒适，夹直线应足够 长，客车通过夹直线的时间要大于弹簧振动消失的 时间。,综合以上的考虑，规范规定最小夹直线长度 铁路等级 一般地段 困难地段 80 40 60 30 50 25, 客车通过夹直线的时间t不小于弹簧振动消失的时间tz。 由ttz 得来 式中： 取1.5s，分别按、，120、100、80Km/h 客车全轴距，取20m 故、级铁路分别为70m、62m、54m。,具体设计时，若夹直线长度不够，则要修改线路的平面位置。 修改措

6、施： a 减小R或l。，使曲线长度变短 b 改移夹直线位置，延长转点间的直线长度和减小曲线偏角 c 用一个曲线代替几个同向曲线,2.3圆曲线 设置目的：改变线路方向 机车驾驶室内没有方向盘，列车靠钢轨导向。通过曲线时，轮轨间产生很强的作用力。摇摆、振动、撞击、挤压主要与半径R有关，而半径与工程量有很大关系。,2.3.1曲线半径对工程和运营的影响 曲线限制速度 曲线半径对工程的影响 小半径曲线的优点： 更好地适应地形变化，减少路基、桥涵、隧道、挡墙的工程数量，降低工程造价。 小半径曲线的缺点： 增加线路长度,降低粘着系数 机车通过时，车轮在钢轨上的纵 向、横向滑动加剧，粘着系数降 低，机车粘着牵

7、引力下降 轨道需要加强 R600时，横向冲击力加大， 轨道要加强，要设置轨撑、轨 距杆或增加外侧道床的宽度 增加接触导线的支柱数量 R越小，中心线与接触导线的矢度越大，支柱间间距应该减小, 曲线半径对运营的影响 增加轮轨磨耗 轮轨间的纵向横向滑动 、挤压，使磨耗增加。 半径越小，磨耗越大。 维修工作量加大 小半径曲线地段， 轨距、方向容易错位,行车费用增加 小半径曲线限制列车速度 列车通过曲线时，需要减速、限速、加速，机车需要 额外做功，使得运行时分和行车费用增加。 小半径曲线使线路加长、总偏角加大，导致曲线阻力 功加大，行车费用增加。,2.3.2最小曲线半径的选定 意义： 铁路主要技术标准之

8、一 对工程量和运营条件有重大影响 最小曲线半径的计算式 客车货车共线 客车：保证舒适条件 货车：不致引起轮轨严重磨耗 旅客舒适条件 列车以最高速度通过时，欠超高不能大于允许值,轮轨磨耗条件 确定因素：行车速度，实设超高 外轨超高 均方根速度 客车速度Vmax 欠超高允许值 货车速度Vh 过超高允许值 取 进整为50米的整倍数 +,选定最小曲线半径的影响因素 路段设计速度最小曲线半径要满足各个路段的需要 货车通过速度 坡度越陡，列车速度越慢。曲线上，外轨超高受允许过超高的制约 地形条件 平原微丘R宜大 山岳地区R宜小 用足坡度地段R越小，线路额外展长，工程费用增加,2.3.3曲线半径的选用 曲线

9、半径系列 一般为50或100米的整倍数 特殊为10米的整倍数 选用原则 因地制宜，由小到大合理选用 结合纵断面特点合理选用 坡度平缓地段和凹形纵断面坡底，列车速度高， 半径宜大 长大坡道、凸形纵断面的坡顶及双方向均需停车的 大站两端，半径可以小一些 足坡长大坡道顶部和进站前用足坡度上坡的地段， 半径不宜过小 小半径曲线宜集中设置,2.3.4缓和曲线保证行车平顺 作用 缓和曲线地段，半径由无穷大变到一个定值，离心力逐渐 增加 缓和曲线地段，外轨超高由零变动到园曲线上的超高，向 心力逐渐增加 半径小于350米时，轨距由标准轨距变动到加宽后的轨距,线型 直线型超高顺坡 的三次抛物线,长度 保证超高顺

10、坡不致使车轮脱轨 保证超高时变率不致影响旅客舒适 保证欠超高时变率不致影响旅客舒适 取三个计算值中的较大者 选用结合半径、设计速度、地形选用，尽量选 用较长的。 两缓和曲线间圆曲线的最小长度与夹直线相同,2.3.5线间距离 限界 定义：对机车车辆和接近线路的建筑物和设备所规定的不 允许超过的轮廓尺寸线。 作用：确保机车车辆在铁路线路上运行的安全，防止机车 车辆撞击临近线路的建筑物和设备。,种类： 机车车辆限界机车车辆不同部位宽度和高度的 最大轮廓尺寸线。 直线建筑接近限界铁路两侧建筑物和设备在 任何情况下不得侵入的轮 廓尺寸线。 隧道建筑限界 桥梁建筑限界,区间直线地段的线距 第一、二线的线距

11、 最小线距： 其中 1700机车车辆的限界半宽 100信号限界宽 400不限速会车的安全量 第二、三线的线距 取为5.3m 其中 2440直线建筑接近限界半宽 410信号机最大宽度,区间曲线地段线距加宽 加宽原因 车体长 转向架中心距 曲线半径为R 车辆在曲线上时，车辆中部向内凸W1，两端向外凸W2,曲线上设有外轨超高，使车体向内侧倾斜W3 加宽值计算 时， 时，外侧车体的内倾量大于内侧,加宽方法 对于新建双线并行地段的曲线，加长内侧曲线的缓和曲线长度，外侧缓和曲线长度lw取规定值。 内移距 线距加宽 所以内侧缓和曲线长度 取为10米的整倍数,曲线毗连地段，夹直线较短，偏角过大，不能过多 加长

12、内侧线的缓和曲线长。 内外线采用相同的缓和曲线长度，加宽曲线两端夹 直线段的线间距。,3 区间线路纵断面设计 基本概念及设计过程 最大坡度 坡段长度 坡段连接 坡度折减 坡段设计对行车费用的影响,重要概念：坡段长度，坡度 坡段长度坡段前后两个变坡点之间的水平距离 坡度坡段两端变坡点之间的高程差除以坡段长度 坡度值符号规定：上坡取正值，下坡取负值 (),设计步骤： 在平面设计一栏中，填入平面设计的资料，按纵断面图的格式，绘制线路平面图。 根据平面图的等高线，将千（百）米标及地形变化点点绘在纵断面图上，连成地面线。 用直尺沿地面线上下移动，使填挖方较小，从而定出坡段长度和坡度值。 以上为纵断面设计

13、的大致步骤，具体设计时，还包括确定最大坡度、坡段长度、坡段连接和坡度折减等一系列具体问题，需要在设计过程中进一步协调配合。,3.1线路的最大坡度 首先必须明确限制坡度、加力牵引坡度、地面平均自然坡度等几个概念。 最大坡度，在单机牵引的路段称为限制坡度； 在两台及以上机车牵引的路段称为加力牵引坡度。 地面平均自然坡度是指两点之间地面高程与距离的比值。 注意： 纵断面的设计坡度不得大于最大坡度值。若超过了最大坡度，牵引质量按限坡计算的货物列车，在持续上坡道上，会低于计算速度运行，发生运缓或途停事故。,3.1.1限制坡度 限制坡度对工程和运营的影响 输送能力 由输送能力计算公式可知， 输送能力取决于

14、通过能力 和牵引质量。在牵引种类 和机车类型一定的情况下， 由牵引质量计算公式可知， 牵引质量由限制坡度决定。,365NHGj C= (Mt/a) 106,工程数量 在平原地区，限坡大小对工程数量影响不大。 在丘陵和越岭地区，限坡对工程数量影响很大。在丘陵地区采用大的限坡，可使线路标高升降较快，更好地适应地形起伏，从而避免较大的填挖方，减少桥梁高度，缩短隧道长度，使工程数量减少，工程造价降低。,不同限坡的起伏纵断面,平 原 地 区,青 藏 铁 路,青 藏 铁 路,山 区 铁 路,成 昆 铁 路,京九铁路桥隧相连,在地面自然纵坡较陡的越岭地段，若采用的 限坡小于地面自然纵坡，则线路要迂回展长，

15、才能达到预定标高，使得工程数量和造价大幅增加。,宝秦段不同最大坡度的线路方案示意图,成昆线双福峨边间不同限坡方案,线路翻越高大的分水岭 时，采用不同的限坡， 可能改变越岭垭口，影 响线路局部走向。,运营费用 由前面的分析可知，采用大的限坡，则牵引质量相应减少。为了完成既定的运输任务，满足输送能力的需要，必须增加列车对数，使得通过能力加大，机车台数、车站数目、工作人员增多，从而使运营费用大幅度增加。 通常情况下，应采用较小的限制坡度，但在地面自然纵坡陡峻地区，宜采用与地形相适应的较大的限坡，可以缩短展线长度，节省工程投资。,影响限坡选择的因素 限制坡度是影响铁路全局的主要技术标准之一，它对线路的

16、走向、长度、车站分布和工程投资，以及铁路的输送能力、运营指标都有很大的影响，并且一经修建就不易改动。因此设计线的限制坡度应根据铁路等级和远期输送能力的要求，结合地形条件、机车类型、邻接线的牵引定数等情况，拟定不同的限坡方案，经过比选确定。,影响限坡选择的因素如下： 铁路等级 铁路等级高，则线路的意义、作用大，客货运量大，安全舒适性要求高，运营条件要好，运输成本要低，因此宜采用较小的限制坡度。 牵引种类和机车类型 电力牵引比内燃牵引的计算牵引力大，计算速度高，牵引定数大，满足相同运能要求时的限坡比内燃牵引的大。大功率机车的牵引力大，牵引定数大，满足相同运能要求时的限坡比小功率机车的为大。,地形类

17、别 地形条件是限坡选择的重要因素，限坡选择要和地形条件相适应。当限坡适应地形时，线路长度短，工程投资省。否则需要额外增加展线，增大工程费和运营费。 运输需求 铁路的输送能力必须能完成规定的运输任务，当其他条件相同时，客货运量大的线路要求较小的限制坡度。 邻线的牵引定数 当设计线与邻接铁路的直通货流量大，或者在路网中联络分流的作用很显著，则限坡选择应考虑使设计线与邻接线的牵引定数相协调，采用同一牵引定数。 统一牵引定数可避免列车换重作业，加速机车车辆的周转，提高运营指标，并增加运输的机动性。,线规的规定 限坡的最大值（）,限坡的最小值：通常取4,分方向选择限坡 重车方向（上坡）设置较缓的限坡 基

18、本概念 轻车方向（上坡）设置较陡的限坡 分方向选择限坡的条件 轻重车方向货流显著不平衡，预计将来也不致发生 巨大变化。 轻车方向上升的平均自然纵坡较陡，重车方向的平 均自然纵坡较缓。 经过技术经济比较，分方向选择限坡具有合理性。,工程实例： 1998年6月开工的内昆线是继成昆线、南昆线之后的又一条 山区铁路。北起四川内江，接轨于贵昆线的梅花山车站，再 进入云南昆明。该线路分方向采用了不同的限制坡度。,上行：昆明内江 下行：内江昆明,问题： 假设你是设计 人员，将如何 分方向选择限坡？,提示：“云贵高原”、“四川盆地”，线路行经地形呈 南高北低之势。六盘水市有“西南煤海”之称， 四川为耗煤大省。

19、,说明：经过初步分析可知，内昆线地形南高北低，运量 上行大于下行。上行牵引定数为4000吨，下行牵 引定数为2200吨。故在上行方向选择限坡6，下 行方向限坡为12 ,优势：技术经济比较显示，分方向选择限坡比上下行统一 限坡的6方案缩短了线路里程51公里，桥梁减少了 18公里，节省工程投资12.2亿元。,作用：内昆线缓解了西南地区南北方向客货运输的紧张状况， 促进了贵州煤炭资源的开发，将资源优势化作了经济 效益。同时缓解了四川能源紧张的状况，将煤炭运输 的距离缩短了2/3(以前四川的煤炭来自山西)。,轻车方向限制坡度的限制 不应大于重车方向的三机牵引坡度值。（考虑将来轻车方向货运量增大时，可采

20、用双机牵引，达到重车方向牵引吨数） 不应大于重车方向货流比，按双方向列车对数相同、每列车车辆数相同的条件、算出轻车方向限制坡度值ixq。（均衡坡）因为若iqixq, ，则Qxq Qq，则轻车方向的列车数反而多于重车方向，从而重车方向就会产生单机回空。,3.1.2加力牵引坡度 加力坡度：用两台或更多机车牵引的较陡坡度 优点：缩短线路长度，大量减少工程，有利于降低 造价和缩短工期。 缺点： 增加了机车台数，造成机力浪费和运输管理的困难 延长了到发线有效长度和增加部分整备设备 增加了编组时挑选守车的作业和难度 加力牵引坡度太大时，对下坡行车会产生不利影响,采用的注意事项 加力牵引坡度应集中使用 加力

21、牵引地段宜与区段站或其他有机务设备的 车站邻接 要减少与起讫站邻接的加力牵引区间的往返走 行时分 根据车钩强度确定采用重联牵引还是补机推送,加力牵引坡度的最大值 制定的依据 满足运输能力的需要 保证运行安全的需要 上坡时车钩不断 下坡时制动力充分 经济上合理 综合运能、安全和经济各方面要求，各级铁路电力 和内 燃加力牵引坡度最大值分别取30和25,2加力坡度的最大值 加力牵引坡度的最大值受到不同牵引类型 ，机车种类的限制 满足运输能力的需要 制定的依据 保证运行安全的需要 上坡时车钩不断 下坡时制动力充分 经济上合理 (1)蒸汽牵引最大加力牵引坡度 主要考虑到机车制动时闸瓦之间的摩擦，以及能耗

22、行车安全等因素，定为20。 (2)内燃牵引的最大加力牵引坡度 内燃牵引有电阻制动，较蒸汽机车好，故定为25。 (3)电力牵引的最大加力牵引坡度 电力机车的电阻制动力比内燃牵引的大，仅用电阻制动就可 控制下坡的速度，故定为30。,3.2坡段长度 定义：一个坡段两端变坡点之间的水平距离 相邻两坡段的坡度变化点称为变坡点。 3.2.1纵断面坡段设计考虑因素 满足行车安全和平稳的要求 考虑工程数量的影响,3、坡段长度的限制 运营实践证明，列车不宜同时跨越两个以上的变坡点，即坡段长度不宜短于半个列车长度，以保证在变坡点处叠加后的附加应力和局部加速度不致过大。故规范规定了设计坡段的最小长度。 远期货物列车

23、长度的一半（远期到发线有效长减50m）,3.2.2最小坡段长度的确定 200米最短坡段长度的确定 确定理由： 保证了相邻两竖曲线不互相重叠 可避免同一列车下出现两个以上变坡点 坡段长度在200米以下时，对减少工程量的作用已不显著 200米最短坡段长度的采用情况 坡度折减坡段 缓和坡段,分坡平段 长路堑内的人字坡,3.3坡段连接 3.3.1坡度代数差 变坡点对列车运行的影响 列车通过变坡点时，由于运动方向的改变而产生附加力，当车钩内力大于车钩的允许强度时，就有断钩的可能。 列车通过变坡点时，产生竖直方向的离心力和离心加速度，当加速度超过一定限度时，将使旅客感觉不舒适或使货物移位。,列车通过凸形变

24、坡点时，当机车前轮悬空高度超过轮缘高度就有脱轨的可能。 列车通过变坡点时，引起相邻车辆的车钩中心线上下错动，当错动量超过限定数值时，有脱钩的可能。,3.3.2竖曲线 定义：纵断面变坡点处设立的竖向圆弧 线型：抛物线，圆曲线 竖曲线半径的确定条件 行车安全条件机车不脱轨 旅客舒适条件行车平稳 设竖曲线可减少附加纵向力 规范规定：、级铁路竖曲线半径为10000米，级铁路竖曲线半径为5000米。,竖曲线的几何线型要素 切线长 、级铁路： 级铁路： 竖曲线长 竖曲线纵距 外矢距 变坡点处的设计标高计算标高外矢距,竖曲线的设置条件 、级铁路： 级铁路： 竖曲线设置的限制条件 竖曲线不应与缓和曲线重叠 竖

25、曲线不应设在明桥面上 竖曲线不应与道岔重叠,3.4最大坡度的折减 折减原因：在用足最大坡度的路段上，曲线和隧道的存在使机车牵引力下降，为保证满轴货物列车不低于计算速度运行，故需将最大坡度折减，使加算坡度不大于最大坡度。 设计坡度 （） 坡度折减值,3.4.1曲线地段的最大坡度折减 注意事项 在用足了最大坡度处折减 保证必要的折减，又不能折减太多 折减时的曲线长指未加设缓和曲线前的圆曲线长， 列车长取近期货物列车长 折减的坡段长度不短于且尽量接近圆曲线长，通 常不宜大于货物列车长 折减后的设计坡度值取小数点后一位，第二位舍弃,折减方法 两圆曲线间夹直线长度大于200米，可单独设计 为一个坡段，不

26、用折减。 长度不小于货物列车长的圆曲线，可设计为一个 坡段。 即 列车 （）,曲线长度小于列车长 即 列车 Li 坡段长，当 列车时， 列车。 坡段（或货车长）内平面曲线偏角总和,一个曲线位于两个坡段上时，应按两个坡段所占曲线 长度比例分配偏角，再按第计算。 L1坡段分配的偏角,例题： 设计线为电力牵引，限坡为12，近期货车长为400米。 该地段需用足限坡上坡，试设计其纵断面。,3.4.2小半径曲线路段的最大坡度折减 折减原因： 机车驶入圆曲线后，动轮踏面发生的横向滑动和纵向滑动引起机车粘着系数降低。当机车牵引以接近或等于计算速度通过最大坡度上的小半径曲线时，粘着系数降低使得计算粘着牵引力低于计算牵引力，动轮产生空转，行车速度降低。为此，需进行坡度折减来弥补牵引力的降低。 设计坡度 粘降后的粘着牵引力,3.4.3隧道内的最大坡度折减 长度大于400米的隧道位于或接近最大坡度的坡道上，应将最大坡度折减。 影响折减的因素 隧道空气附加阻力 内燃牵引时，列车通 过隧道的速度 隧道内粘着系数的降低 内燃机车功率的降低,2、最大坡度折减系数 考虑以上诸因素，位于长大上坡道且隧道长度大于400m的路段， 需进行最大坡度折减。为简化计算，隧道内最大坡度折减值,换算为最大坡度系数,和设计坡度