选线设计教案1铁路能力与建设标准.docx

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选线设计教案1铁路能力与建设标准

选线设计课程教案

单元标题铁路能力与建设标准单元学时8

教学目标：

了解客货运量的意义和运量调查的知识；理解铁路选线设计所需要的运量资料、铁路设计年度、铁路等级划分与主要技术标准的；掌握铁路区间通过能力、铁路输送能力、高速铁路运输能力的计算方法。

教学重点：

铁路分级方法、铁路主要技术标准，通过能力与输送能力计算方法。

教学难点：

铁路分级方法、主要技术标准的原则，通过能力计算参数的确定方法，输送能力的计算原理。

教学方式方法：

教学方式：

讲授，案例分析，实例讲解、习题分析等。

对于铁路等级与主要技术标准选择等比较空泛的叙述性知识，宜结合实例讲解；

教学手段：

讲课使用传统方式和多媒体手段相结合的模式。

教学过程：

通过示意图，讲解铁路主要技术标准和铁路能力的相关概念。

通过工程实例，讲解铁路运量的意义和作用；以旅客乘车和办理货运中的一些常识，引导学生理解铁路运输中的概念；分析通过能力与输送能力计算对铁路选线设计方案的影响。

讲课内容（转讲稿页）

讲课内容

备课札记

第一节铁路运量与设计年度

结合工程实例，分析铁路客货运量在选线设计中的意义和作用。

以示意图简略介绍客货运量的调查与预测的概念，重点讲解铁路吸引范围的概念。

结合铁路设施布置和维修周期计划，讲解铁路选线设计所需要的运量参数的含义。

结合案例，讲解铁路设计年度的意义。

第二节铁路区间通过能力

此部分的新概念包括：

区间通过能力的概念、列车运行图的概念及列车运行速度的概念；在详细分析运行图周期、车站作业时分等概念的基础上，讲解平行运行图区间通过能力计算方法。

第三节铁路输送能力

首先给出铁路输送能力的概念，基于概念导出计算公式：

；重点讲解公式中各参数的意义及其确定原则。

第四节高速铁路运输能力

在学习双线铁路通过能力和输送能力的基础上，通过讲解高速客运专线行车组织的特点，介绍高速铁路运输能力计算原理，

第五节铁路等级与主要技术标准

1）在分析铁路等级影响因素的基础上，讲解铁路等级划分方法和确定原则；

2）在分析铁路系统主要技术构成的基础上，引出铁路主要技术标准各项目的组成，讲解各项目的含义；

3）学生自学铁路主要技术标准的选择原则和方法

2学时

2学时

2学时

1学时

1学时

第一章铁路能力与建设标准

第一节铁路运量与设计年度

一、客货运量的意义

以工程实例，分析客货运量的重要意义：

（1）客货运量是设计铁路能力的依据。

客货运量是选定铁路主要技术标准的依据，而主要技术标准又决定着客货运输装备的能力，它不应小于调查或预测的客货运量，以满足国家要求的运输任务。

——从铁路建设项目评价的基础是完成需要的运输任务进行分析。

（2）客货运量是评价铁路经济效益的基础。

以工程实例，从客货运量决定铁路的运营收入、运输成本、投资偿还期等经济效益指标等方面加以分析。

客货运量大，则收入多、成本低、投资偿还期短。

修建铁路要讲究经济效益，就应当十分重视客货运量的调查和预测。

（3）客货运量是影响线路方案取舍的重要因素。

铁路选线设计中，出现大量的线路方案经济比较。

若运量大，投资大的方案，因运营支出低于投资小的线路方案，故投资大的方案中选的可能性增加；若运量小，则投资大的方案中选的可能性降低。

可见，客货运量大小是影响线路方案取舍的重要因素。

——以成昆铁路、京沪高速铁路工程项目为实例加以分析。

二、客货运量的调查和预测

（一）划定吸引范围（采用实例分析法讲解概念）

设计线的吸引范围是设计线吸引客货运量的区域界限，设计线客货运量的调查和预测都是在吸引范围内进行的。

吸引范围按运量性质划分为直通吸引范围和地方吸引范围两种。

1.直通吸引范围

直通吸引范围是路网中客货运量通过本设计线运送有利的区域范围。

因为铁路运价是按里程计算的，所以直通吸引范围可按等距离的原则划定吸引范围，即在直通吸引范围内的运量，通过设计线要比其他路径运程短。

直通吸引范围需按上、下行分别勾画，如图1－1所示。

2.地方吸引范围

地方吸引范围是在设计线经行地区内，客货运量要由设计线运送有利的区域范围。

运量包括运出、运入和在本线装卸的货物。

地方吸引范围可按运量由设计线运送运价最低（运距最短）的原则来确定。

图1－2中的虚线即为设计线AB的地方吸引范围示意图。

B

图1－1直通吸引范围图图1－2地方吸引范围图

（二）货运量的调查和预测

直通货运量可根据国家计划部门制定的地区间物资交流规划，分析直通吸引范围内的物资供求情况，分上、下行汇总得到。

地方货运量可按产销运平衡法，估算各运品的铁路运量。

设计线远期运量的预测尚缺乏成熟经验，一般多比照条件接近的既有铁路，用曲线拟合办法或多元回归等办法，结合设计线近期的调查运量来预测远期运量。

通过调查和预测，将直通货运量和地方货运量汇总，可绘出货流图，如图1－3所示。

从货流图中可以看出各路段的货运品种、数量和流向，以及各大站的货物装卸量。

（三）客运量的调查和预测

直通客运量占客运总量的比重一般并不很大，可进行客流的典型调查，找出直通客流量和地方客流量的比值，根据地方客运量估算直通客运量。

图1－3货流示意图

地方客运量与吸引范围内的人口总数、工矿企业职工人数比重、人均收入、内迁工厂多少、早期移民数量、旅游地多少等因素有关。

可用乘车率（每人每年的平均乘车次数）或多元回归法预测。

三、铁路选线设计所需要的运量参数

（结合工程设施和设备配置、设施维护修理计划编制、人员定编等，引导学生理解各运量参数的意义）

（一）铁路运量

铁路运量包括货运量和客运量。

货运量C是设计线（或区段）一年内单方向需要运输的货物吨数，应按设计线（或区段）分上、下行，分别由下式计算

（104t/a）（1－1）

式中Ci−−某种货物的年货运量（104t/a）。

客运量（或客流密度）AK是设计线（或区段）一年内单方向需要运输的旅客人数，应按设计线（或区段）分上、下行方向，采用客流量预测方法预测确定。

对于城际客运专线，应分别按高峰季节客流量和平日客流量统计客运量资料。

（二）运输周转量

铁路运输周转量包括货物周转量和客运周转量，是衡量铁路运输生产能力的重要指标。

货物周转量CHZ是设计线（或区段）一年内所完成的货运工作量，可由上、下行方向一年内各种货运量Ci（104t/a）与相应的运输距离Li（km）按下式计算

（104t·km/a）（1－2）

客运周转量AKZ是设计线（或区段）计算时间内（一年或者一天）所完成的客运工作量，按年客运量计算时，可由一年内的客运量AKi（104人/a）与相应的运输距离Li（km）的乘积来计算

（104人·km/a）（1－3）

式中，AKS，AKX分别为上、下行各区段的年客运量（百万人）。

按每天旅客列车对数NK计算，则有

（104人·km/a）（1－4）

式中NK——各类旅客列车每天的对数；

MK——各类旅客列车定员数（人）；

αK——客座利用率，可取0.85～0.90；

Li——各类旅客列车在规划线上的运行距离（km）。

（三）货运密度

货运密度CM是设计线（或区段）每公里的平均货物周转量

[104t·km/（km·a）]（1－5）

式中　CHZ−−设计线或各区段的货物周转量（104t·km/a）；

L−−设计线（或区段）的长度（km）。

（四）货流比

设计线上、下行方向的货运量不均衡时，应区分为轻车方向和重车方向。

货流比λQZ是轻车方向货运量CQ与重车方向货运量CZ的比值，即

（1－6）

（五）货运波动系数

由于生产和消费的季节性等原因，设计线的货运量在一年内各月份并不相等。

一年内最大的月货运量和全年月平均货运量的比值称为货运波动系数，以β表示。

设计线必须完成运量最大月份的运输任务，所以在计算铁路能力时，应考虑货运波动系数的影响

（1－7）

（六）客流波动系数

由于节假日等原因，设计线的客流量在一年内各月份或一月内的各天并不相等，旅游旺季和淡季的客流有时会有较大差别。

通常以月间客流波动系数来衡量设计线客流的波动情况；高峰日最大客流量与平日平均客流量的比值称为月客流波动系数，以βK表示。

对于高速铁路、城际客运专线必须完成高峰日的客运任务，所以在计算铁路客运能力时，应考虑月客运波动系数的影响

（1－8）

若以平日客流为设计依据，则客运波动系数βK为1.0。

（七）零担、摘挂、快运货物和旅客列车

零担列车是运送地方零散货物的列车，在中间站办理零担货物的装卸，一般运行于一个区段内。

摘挂列车是运送地方整车货物的列车，在中间站办理货车甩挂和到货场取送车作业，一般运行于一个区段内。

快运货物列车是运送鲜活或易腐货物的列车，为缩短旅途时间，这种列车很少停站，其他普通货物列车要停站待避，使其不停车通过。

旅客列车是运送旅客的列车。

旅客列车按运行要求、运输组织模式、旅行速度和编组情况的不同，可分为特别旅客快车、直通旅客快车、直达旅客快车、普通旅客列车和市郊列车等。

这些列车的对数，应根据经济调查资料分析确定。

四、设计年度

设计线交付运营后，客货运量是随着国民经济的发展逐年增长的，设计线的能力必须与之适应。

上述运量参数，也需分设计年度提供。

铁路的设计年度一般分为近、远两期，近期、远期分别为铁路交付运营后第十年和第二十年；必要时，也可增加初期，初期为交付运营后第五年。

各期运量均采用预测运量，应通过经济调查确定。

铁路设施的设计标准应使铁路设施的能力与运量增长相适应，既能满足日益增长的运输要求，又可节约铁路建设的初期投资。

铁路线下基础设施和不易改、扩建的建筑物和设备，应按远期运量和运输性质设计，并适应长远发展的要求；对于易改、扩建的建筑物和设备，可按近期运量和运输性质设计，并预留远期发展的条件。

随运输需求变化增减的机车、车辆等运营设备，可按交付运营后第三年或第五年的运量进行设计。

动车组的配置数量及变压器的安装容量等随运输需求变化而增减的运营设备，可按交付运营后第五年运量进行设计。

第二节铁路区间通过能力

铁路通过能力是指该铁路线在一定的机车车辆类型和一定的行车组织方法的条件下，根据其现有固定设备，在单位时间内（通常指一昼夜）最多能够通过的列车对数或列车数。

通过能力也可以用车辆数或货物吨数来表示；而客运专线还可以用旅客人数来表示。

一、列车运行图

行车组织方法具体体现为列车运行图。

图1－4单线非平行运行图图1－5单线平行成对运行图

二、平行运行图区间通过能力计算

图1－6平行成对运行图周期

列车占用区间的总时间，称为该种运行图的周期，以TZ表示，如图1－6所示。

运行图周期值最大的站间，通过能力最小，全线（或区段）的通过能力要受到它的控制，称为控制站间。

全线（或区段）的通过能力，应按控制站间的运行图周期计算。

单线铁路通过能力按平行成对运行图考虑时，用一对普通货物列车占用区间的总时分（称运行图周期TZ）来计算，如图1－6所示。

它包括一对列车在区间的往、返走行时分tW、tF，以及两端车站接发列车的车站作业间隔时分tB、tH。

单线平行成对运行图的通过能力N可用下式计算

（对/d）（1－9）

式中　1440−−每一昼夜的分钟数；

　　　TT−−日均综合维修“天窗”时间（min）：

电力牵引取90min，内燃牵引取60min；

　　tW，tF−−站（区）间往、返走行时分（min），与站间距离、平纵断面情况、牵引质量以及机车类型和制动条件等因素有关，可通过牵引计算获得；

　　　tB−−对向列车不同时到达的间隔时分（min），即一列车到达车站中心起到对向列车到达或通过车站中心的最小间隔时分；

　　　tH−−车站会车间隔时分（min），即一列车到达或通过车站中心起到该车站向原区间发出另一列车时的最小间隔时分。

tB和tH与车站信联闭类型、股道数目和作业性质等因素有关。

（以上图分析车站作业时分的概念）

双线铁路通过能力按平行运行图考虑，因上、下行的列车分线单向运行，所以通过能力应分方向计算，单位：

列/d。

1.半自动闭塞

采用半自动闭塞时，同向列车可连发运行，如图1－7（a）所示，通过能力N为

（列/d）（1－10）

式中TT−−日均综合维修“天窗”时间（min）：

电力牵引取120min，内燃牵引取70min；

t−−普通货物列车站间单方向走行时分（min）；

　　　tL−−同向列车连发间隔时分（min）：

若前后列车都通过前方邻接车站，则tL＝4～6min；若前一列车通过后一列车停站，则tL＝2～3min。

2.自动闭塞

采用自动闭塞时，同向列车可追踪运行，如图1－7（b）所示，通过能力N为

（列/d）（1－11）

式中　I−−同向列车追踪间隔时分，其数值根据运营条件决定，一般采用I＝8～10min。

TT−−意义及取值同公式（1－10）。

（a）连发（b）追踪

图1－7双线平行运行图

第三节铁路输送能力

铁路输送能力是铁路单方向每年能运送的货物吨数。

设计线各设计年度的输送能力不应小于经济调查得到的相应年度的货运量。

（从概念引出计算公式，从生活中同学们在铁路上办理铁路运输）

输送能力C可用下式计算

（Mt/a）（1－12）

式中　NH−−折算的普通货物列车对数（对/d），按公式（1－13）计算；

Gj−−普通货物列车净载；

β−−货运波动系数，由经济调查确定，通常取1.15。

快运货物列车、零担列车、摘挂列车的牵引吨数通常较普通货物列车小，需要将这些列车的对数按装载的货物质量折算为普通货物列车对数。

折算的普通货物列车对数NH为

NH＝NPT＋NKH⨯μKH＋NL⨯μL＋NZ⨯μZ（对/d）（1－13）

式中　NPT，NKH，NL，NZ−−普通货物、快运货物、零担、摘挂列车对数（对/d）；

　　　μKH，μL，μZ−−快运货物、零担、摘挂列车的货物质量与普通货物列车的货物质量的比值，称为满轴系数，其值可根据设计线的具体情况拟定，一般取μKH＝0.75，μL＝0.5，μZ＝0.75。

每天可能通过的普通货物列车对数NPT，应在站间通过能力N的基础上考虑一定的通过能力储备量，再扣除旅客列车、快运货物列车、零担和摘挂列车占用的通过能力。

当设计线或区段内没有直达旅客列车通过时，普通货物列车对数可用下式求得

（对/d）（1－14a）

当设计线或区段内有直达旅客列车通过，且直达旅客列车数为NKZD时，普通货物列车对数可用下式求得

（对/d）（1－14b）

若直达旅客列车的扣除系数εKZD取1，普通货物列车对数可用下式求得

（对/d）（1－14c）

式中　N−−通过能力（对/d）；

α−−通过能力储备系数；其作用为：

保证国民经济各部门及军列的特殊运输需要；保证列车晚点和车站堵塞时及时调整运行图，恢复正常运行秩序；保证线路经常维修与大中修工作不干扰列车正常运行的需要；其数值：

单线α＝0.20，双线α＝0.15；

NK，NKZD，NKH，NL，NZ−−旅客、直达旅客、快货、零担、摘挂列车对数（对/d）；

εK，εKZD，εKH，εL，εZ−−旅客、直达旅客、快货、零担、摘挂列车的扣除系数。

扣除系数是开行1对（或1列）旅客、快货、零担、摘挂列车，在平行运行图上占用的时间与1对（或1列）普通货物列车占用时间的比值。

因旅客列车与快运货物列车速度较快，且停站次数少，普通货物列车要停站待避其越行或交会；而零担和摘挂列车停站次数多、停站时间长，故扣除系数值均大于1。

其值主要取决于正线数目和闭塞方式，也与各种列车的数量、运行图铺画方式、各种列车的速度差及区间不均等程度等因素有关。

一般采用表1－2所列数值。

将式（1－14a）代入式（1－13）得

（对/d）（1－15）

第四节高速铁路运输能力

一、高速铁路通过能力

高速铁路的通过能力主要受运输模式、运行速度、列车种类、停站次数及时间、运行图铺画方式、站间距离、天窗设置等因素的影响。

高速客运专线铁路通过能力可采用扣除系数法计算。

扣除系数法是沿袭传统的非平行运行图通过能力计算法，以一种列车占用能力为标准，确定其他列车与该标准列车在能力占用中的当量关系，即所谓扣除系数，从而将不同列车的能力占用归一化为标准列车的数量，确定出通过能力的理论计算值。

在各客流区段中可能存在两种不同的列车扣除系数：

在高速列车之间，办理停站作业的高速列车由于额外占用列车运行图，从而产生高速列车扣除系数εG；在高速列车与中速列车之间，由于旅行速度不同而产生中速列车扣除系数εZK。

高速铁路的线路通过能力，可按下列方法估算：

第一步，估算平行运行图通过能力；第二步，估算全部为高速旅客列车的非平行运行图通过能力；第三步，估算高、中速旅客列车混合运行的非平行运行图通过能力。

1.高速客运专线铁路平行运行图区间通过能力估算

（1－16）

式中N——平行运行图通过能力（对/d或列/d）；

TT——综合维修天窗时间（min），取240～360min；

I——追踪列车间隔时间（min）；

S——客运区段长度，如天窗开设长度小于客运区段，则为天窗开设长度（km）；

V——客运专线铁路列车运行速度（km/h）；

TW——列车运行图无效时间（min），包括非客运时段、三角区时段等。

客运区段是指有大量始发终到列车或跨线旅客列车产生的两节点间构成的客运区段。

2.全高速旅客列车非平行运行图区间通过能力估算

由于高速旅客列车在区段内有停站与不停站等不同情况，因此，停站（包括不同的停站次数）与不停站高速旅客列车旅行速度之差将产生高速旅客列车本身的扣除系数。

全高速列车的区间通过能力按下式估算

（对/d或列/d）（1－17）

全高速列车的小时区间最大通过能力为

（对/d或列/d）（1－18）

全高速列车的区间使用能力为

（对/d或列/d）（1－19）

式中NG——全高速列车的区间最大通过能力（对或列）；

εG——高速列车扣除系数，一般取1.4～1.6；

ε'G——计算时间内高速列车扣除系数，ε'G=1～εG；

KS——区间通过能力使用系数，一般取0.9。

3.不同速度等级列车混合运行的非平行运行图区间通过能力估算

对于采用“高、中速列车共线运行”运输组织模式的高速铁路，其通过能力可按下式计算

（1－20）

式中Nm——不同速度等级列车混运条件下区间最大通过能力，等于高速列车数和中速列车数之和（对或列）；

NZK——指定铺画的中速列车数（对或列）；

εZK——中速列车扣除系数；

NG1——在铺画指定数量的中速列车的条件下，最多能铺画的高速列车数（对或列）；

εJ——高、中速列车的平均扣除系数，εJ=εZK⨯γZ＋εG⨯（1－γZ），可按表1－3取值；

γZ——列车运行图中的中速列车比重；

其余符号意义同前。

表1－3中速列车不同比例条件下的εZK和εJ

γZ

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

εZK

rZ=0

4.57

3.89

3.28

2.98

2.79

2.47

rZ=0.2

4.90

3.80

3.47

3.18

3.02

2.62

εJ

1.40

1.75

1.88

2.02

2.11

2.21

2.13

注：

表中rZ为高速列车在途中站的停站比。

（1－21）

式中

——不同速度等级列车混运的区间使用能力（对或列）。

二、高速铁路客运能力（线路输送能力）

一列旅客列车的年运量AL（万人/a）为

（1－22）

式中βK——月间客流波动系数；

αL——列车平均定员，人/列；200km/h、300km/h及以上列车定员，长编组可按1200人考虑，短编组可按600人考虑；

ϕZ——列车平均载客率，即客座利用率；300km/h及以上列车客车满员率，一般取0.8～0.85，高峰时段可取0.95；200km/h及以上列车定员，按长编组列车定员计算。

根据不同种类旅客列车的年输送能力，可求得全年客运总能力AN。

（1）全高速列车运行的线路输送能力：

（万人/a）

式中

——高速列车的区间最大通过能力，（对或列）；

——区间通过能力使用系数，一般取0.9；

——一列高速列车的年输送能力。

（2）不同速度等级列车混运的线路输送能力：

（万人/a）（1－23）

式中

，

，

——不同速度等级列车混运条件下高速、中速和普通列车的使用能力（对或列）；

，

——一列中速和普通列车的年输送能力。

第五节铁路等级与主要技术标准

一、铁路等级

铁路等级是根据铁路线在铁路网中的作用、性质和远期客货运量，以及最大轴重和列车速度等条件，对铁路划定的级别。

铁路等级是铁路的基本标准，也是确定铁路技术标准和设备类型的依据。

设计铁路时需先确定铁路等级，然后选定其他主要技术标准和各种运输装备的类型。

铁路等级划分可根据单项指标和多项指标进行。

这些指标包括：

铁路自身的技术特征和参数，设计线在铁路网中的地位和意义，以及设计线担负的客货运量等。

（一）铁路等级划分的意义

划分铁路等级的重要性在于体现国家对各级铁路的运营质量和运行安全等的不同要求，有区别地规划不同铁路的运输能力，经济合理地制定相应的技术标准和设备类型，使国家资金得到合理的利用。

（二）划分铁路等级的依据

划分铁路等级的依据世界各国略有不同，但基本上依据机车车辆的轴重、列车运行最高速度、设计线建成后所要担负的客货运输量、线路意义等来划分铁路等级。

（分析各项参数对铁路等级划分的影响）

（三）铁路等级划分方法

铁路等级划分可根据单项指标和多项指标进行。

这些指标包括铁路自身的技术特征和参数，设计线在铁路网中的地位和意义，以及设计线担负的客货运量等。

按划分铁路等级的依据不同，铁路等级划分方法可分为轴重划分法、速度划分法、运量划分法和多指标划分法。

（分析各国铁路等级的划分方法）。

二、铁路主要技术标准

铁路主要技术标准是指对铁路输送能力、工程造价、运营质量以及选定其他有关技术条件有显著影响的基本标准和设备类型。

目前，我国客货共线铁路的主要技术标准包括：

正线数目、限制坡度、最小曲线半径、到发线有效长度、牵引种类、机车类型、牵引质量、机车交路和闭塞类型。

客运专线铁路的主要技术标准包括：

设计速度、正线线间距、最大坡度、最小平面曲线半径、到发线有效长度、动车组类型、列车运行控制方式、行车指挥方式和追踪列车最小间隔时分。

（布置学生自学）

复习思考题：

1-1．铁路选线设计需要哪些运量参数？

简述各运量参数的含义及计算方法。

1-2．简述铁路设计年度的意义，铁路设施的设计标准如何与设计年度相适应。

1-3．铁路设计涉及的速度概念有哪些，简述其物理意义。

1-4．简述目前我国铁路等级的划分方法。

1-5．分析各项铁路主要技术标准的含义及其对铁路建设及运输的影响。

1-6．某设计线为单线铁路，韶山4型电力机车牵引，ix=12‰，牵引定