铁路既有线改造平纵断面设计二线设计论文.docx
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铁路既有线改造平纵断面设计二线设计论文
1．绪论
1.1兰新线概况
兰新铁路是新疆通往中国内地的唯一铁路运输干线，是构成中国西北地区铁路网络的重要组成部分。
在兰新铁路建成后的30多年里，乌鲁木齐铁路局对线路进行了大规模的更新改造，逐步实现了电力贯通，采用了电气集中。
半自动闭塞、无线列车调度等先进技术设备，从根本上改变了技术和设备的落后状况，使线路通过能力提高到200万吨，达到中国国内先进水平，并于1986年在中国第一个实现了牵引动力内燃化。
兰新铁路，建于1952—1962年。
线路从兰州市西行跨越黄河后，翻越海拔三千米的乌鞘岭，进入祁连山北麓的河西走廊，经武威、张掖、酒泉出长城西端的嘉峪关，过马鬃山南麓的玉门、疏勒河，西跨红柳河进入新疆境内。
经尾亚后，沿天山南麓过哈密、鄯善、吐鲁番，在达坂城穿过天山到乌鲁木齐市向西经过军垦之城石河子、奎屯、博乐最终到达边境口岸城市阿拉山口市。
铁路沿线既有水草丰美的河西走廊，又有寸草不生的戈壁沙滩；既有新兴的工业城市，又有璀璨文化的古邑；既有瓜果飘香的原野，又有海市蜃楼的幻景。
是集中国自然地理和人文地理之大成的一条钢铁运输线。
兰新铁路所经过“百里风区”、“三十里风口”，施工和运输极为困难。
全线共计完成路基土石方11083万立方米；隧道33座，总延长11.8公里；桥梁1117座，总延长30余公里；正线铺轨2423公里。
距兰州西站35公里的河口黄河大桥，是中国自己设计和施工的第一座黄河大桥；乌鞘岭地区桥梁隧道比较集中，后沟至达坂城间有天山隧道群，还有通过大风区的路基工程等，都是修建兰新线的关键工程。
图1-1兰新线示意图
1.2兰新线改建的意义
随着国民经济的迅速发展，对外贸易的不断扩大，人民物质文化生活水平的日益提高，客货运量也逐年大幅度增长。
因此，既有铁路的技术装备和运输能力，往往不能适应铁路现代化和增长的要求，需要进行技术改造和能力加强。
同时，因时间价值和时间观念的增强，加之铁路面对其他运输方式的激烈竞争，为谋求铁路自身的发展，客观上也需要提高行车速度。
另外，由于兰武线修建时所采用的标准太低，线路已经不再适应现代行车的要求。
因此，我们必须对既有线路进行修建、改建，以满足现代输送能力的要求。
兰武线的改建将使其发挥更重要的作用，创造更多的经济效益，为兰武线周边地区乃至西北地区的发展起到推动作用。
兰武线由于建成时间较长，个别地段由于年久失修，路基因沉陷、冻害而产生变形；长期的运营使得轨面标高发生改变；既有曲线经过运营和维修，产生错动；轨道的轨距、水平、轨向、前后高低、轨底坡等几何形位都发生了变化；钢轨损耗较大，兰武铁路已不能满足运营的实际需要，不适应西北地区客货运输的需要。
因此对兰武线应进行合理的改建。
其总体目标是，以较低的投资实现所要求的运输能力，同时创造良好的运营条件，降低运营费用。
此外，还应注意减少污染和美化环境，方便客货运输的需要，创造良好的社会效益。
线路改建是在其旧线的基础上修复破损部分，改良不利因素，根据实际情况寻求更多改建方案，并从中进行分析、对比，筛选出最佳的方案。
1.3兰新线改建总体设计
既有线改建一般包括线路平面、纵断面和横断面的改建。
既有线的平面改建，主要是既有曲线及其毗邻地段的改建。
线路经过长期运营，既有曲线产生变动，因此需对其进行整正。
另外，为了适应提速，有时须将半径较小的既有曲线更换成半径较大的曲线。
既有线纵断面改建主要是对既有线路的坡段进行重新设计，在满足抬降量较小的前提下，使线路尽最大可能地达到缓、顺自然过渡。
为了使线路纵断面设计达到最优，可对纵断面坡度设计进行优化。
既有线的纵断面与平面的改建，往往需要变动线路轨面标高和使中心线侧移，因而需要改建既有线的横断面。
1.4线路资料
1.4.1本线既有线的铁路主要技术标准
铁路等级：
Ⅰ级单线；
限制坡度：
12.5‰；
最小曲线半径：
300米；
机车类型：
DF4；
到发线有效长度：
750米；
闭塞方式：
半自动闭塞；
近期货物列车长度：
600米；
设计行车速度：
80km/h；
轨道标准：
钢轨（50kg/m）、轨枕（J2型）、有缝线路、道床（厚度30cm、肩宽30cm、边坡坡度1:
1.75）、路肩宽度（路堤80cm、路堑60cm）、路拱横坡（4%）。
1.4.2本线设计线的铁路主要技术标准
铁路等级：
国铁Ⅰ级双线；
限制坡度：
13‰；
最小曲线半径：
一般1600米、困难1200米；
机车类型：
SS7；
到发线有效长度：
850米（双机880米）；
闭塞方式：
自动闭塞；
近期货物列车长度：
750米；
设计行车速度：
140km/h；
设计线间距：
4.0m；
轨道标准：
钢轨（60kg/m）、轨枕（Ⅲ型）、无缝线路、道床（厚度50cm、肩宽45cm、边坡坡度1:
1.75）、路肩宽度（路堤80cm、路堑60cm）、路拱横坡（4%）
2.平面设计
2.1概述
线路的空间是由它的平面和纵断面决定的。
线路平面是线路中心线在水平面上的投影，表示线路平面位置。
各设计阶段编制的线路平面图是线路设计的基本文件。
各设计阶段的定线要求不一样，平面图的详细程度也各有区别，绘制时应遵循铁路行业制定的线路标准图示。
简明平面图中，等高线表示地形和地貌特征，村镇、道路等表示地物特征。
图中粗线表示线路平面、标出里程、曲线要素（转角α、曲线半径R等）、车站和桥隧特征等资料。
线路平面设计必须满足以下三方面的基本要求：
第一，必须保证行车安全和平顺。
主要指：
不脱钩、不断钩、不脱轨、不途停、不运缓、旅客乘车舒适等，这些要求反映在《铁路线路设计规范》（简称《线规》）规定的技术标准中，设计要遵守《线规》规定。
第二，应力争节约资金。
即既要力争减少工程量、降低工程造价；又要考虑为施工运营、维修提供有利条件，节约运行支出。
从降低工程造价考虑，线路最好顺地面爬行，但因起伏弯曲太大，给运营造成困难，导致运营支出增加；从节约运营支出考虑，线路最好又平又直，但势必增加工程数量，提高工程造价。
因此，设计时必须根据设计线的特点，分析设计路段的具体情况，综合考虑工程和运营的要求，通过方案比选，正确处理两者之间的矛盾。
第三，既要满足各类建筑物的技术要求，还要保证它们协调配合、总体布局合理。
铁路上要修建车站、桥涵、隧道、路基、道口和支挡、防护等大量建筑物，线路平面和纵断面设计不但关系到这些建筑物的类型选择和工程数量，并且影响其安全稳定和运营条件。
因此，设计时不仅要考虑各类建筑物对线路的技术要求，还要从总体上保证这些建筑物相互协调、布置合理。
从运营的观点出发要求线路有平又直任何坡度与弯曲都对行车不利。
但线路建筑在地面，地形起伏多变，山川纵横，还有地质不良现象，线路必须绕避个总平面障碍及地质不良地段，必须穿过山脉，跨过河流。
线路上分布着大量的建筑物，如车站、桥梁、隧道、路基等，因此，线路平面有曲线，纵断面上有坡度，线路平面及纵断面的设计，在保证行车安全、平顺、迅速、不间断的前提下，还应保证各项建筑物的坚固稳定，而使工程数量最小，工程费用最省，运营条件最好，运营费用最低。
既有线在运营过程中，个别路段的路基会因沉陷、冻害而变形，在经常维修过程中，由于更换道砟，起道，落道，也要引起轨面标高的改变。
所以既有线轨面的纵断面多
偏低，不符合现行《线规》标准；延长站线而需加长站坪长度时，引起站坪两端纵断面的改建；削减超限坡度时，需要抬高或降低路基标高；线路受洪水威胁地段，则须加高路基。
这一切都要引起线路纵断面的改建。
设计既有线纵断面时，应根据既有线轨面标高抬高或降低的大小，对施工中干扰正常运营的程度以及工程费用的多少等，进行技术经济比较，分别采用道砟起道、渗水土壤起道和抬降路基的方法来完成。
2.2区间线路平面设计
2.2.1列车运行轨迹具有的特点
列车运行轨迹应当是连续且圆顺的，既在任何一点上不出现错头和破折;
其曲率是连续的；
其曲率的变化率是连续的。
2.2.2纸上定线
纸上定线时，在相邻两直线之间需用一定半径的圆曲线连接，并使圆弧与两侧直线相切。
曲线半径的选配，可使用与地形图比例尺相同的曲线板，根据地形，地质，与地物条件，由大到小选用合适的曲线板，决定合理的半径。
若地势开阔，可先绘出两相邻的直线段，然后选配中间的曲线半径。
2.3平面设计注意事项
2.3.1平面线形应与地形、地物相适应、与周围环境相协调
线路要与地形相适应，这既是美学问题，也是经济问题和保护生态环境的问题。
在地势平坦开阔的平原微丘区，线路以方向为主导，线形应直捷舒顺，平面线形三要素中以直线为主；在地势起伏很大的山岭重丘区，线路以高程为主导，为了适应地形，路线多弯曲，则曲线所占的比例较大。
如果在没有任何障碍的开阔地区（如戈壁、草原）故意设置一些不必要的曲线，或者高低起伏的山地硬拉长直线，都将给人以不协调的感觉。
直线、圆曲线、缓和曲线的选用与合理组合取决于地形地物等条件，片面强调线路要以直线为主或以曲线为主，或人为的规定三者的比例都是错误的。
2.3.2保持平面线形的均衡与连贯
为使一条道路上的车辆尽量以匀速行驶，应注意线形要素保持连续性而不出现技术指标的突变。
以下几点在设计时应充分注意：
1）长直线尽头不能接一小半径曲线。
长直线和大半径曲线会导致较高的车速，若突然出现小半径曲线，会因减速不及而造成事故。
特别是在下坡方向的尽头更要注意。
若由于地形所限小半径曲线在所难免时，中间应插入中等曲率的过渡性曲线，并使纵坡不要过大。
2）高、低标准之间要有过渡。
同一等级的道路由于地形的变化在指标的采用上会有变化，同一条道路按不同设计速度的各设计路段之间也会形成技术标准的变化。
遇有这种高、低标准变化的路段，除满足有关设计路段在长度上的要求外，还应结合地形的变化，使路段的平面线形指标逐渐过渡，避免出现突变。
2.3.3设计主要考虑的因素
影响线路走向选定的因素甚多，主要应考虑：
1）设计线的意义与行经地区其他建设的配合
走向的选择应与行经地区其他建设项目协调配合；要考虑与地区其他交通体系的合理衔接；并应满足国防要求。
2）设计线的经济效益和运量要求
选择线路走向应尽可能为更多的工矿基地和经济中心服务，既加速地区国民经济的发展，又使铁路扩大运量，增加运输收人，争取较高的经济效益。
3）自然条件
地形、地质、水文、气象等自然条件决设计路的工程难易和运营质量，对选择线路走向有直接的影响。
4）设计线主要技术标准和施工条件
设计线的主要技术标准在一定程度上影响线路走向的选择。
施工期限、施工技术水平等，对困难山区的线路方向选择，具有重大影响，有时甚至成为决定性的因素。
上述各项因素互为影响，应整体考虑才能得到较理想的线路走向。
本设计在兼顾上述各个原则和因素的前提下，根据既有线路的条件，尽可能去满足上述条件。
2.3.4线路平面图介绍
线路平面图，是在绘有初测导线和经纬距的大比例带状地形图上，设计出线路平面和标出有关资料的平面图。
线路平面由直线和曲线组成，线路曲线由圆曲线和缓和曲线构成。
概略设计时，平面图和纵断面图中仅绘出未加设缓和曲线的圆曲线，圆曲线要素为：
偏角α，半径R、切线长Ty、曲线长Ly和外矢距Ey。
偏角α在平面图上量得，曲线半径R系选配得出，切线长Ty和外矢距由Ey下列公式计算：
（m）；
（m）；
（m）
图2-1曲线要素计算示意图
详细设计时，平面图中要绘出加设缓和曲线的曲线；其曲线要素为：
偏角α、半径R、缓和曲线长l0、切线长T和曲线长L。
偏角是在平面图上量得的，圆曲线半径R和缓和曲线长l0由选配得出，切线长和曲线长可计算得出。
纸上设计时，在相邻两直线之间需用一定半径的圆曲线连接，并使圆弧与两侧直线相切。
曲线半径的选配，可使用与地形图比例尺相同的曲线板，根据地形、地质与地物条件，由大到小的选用合适的曲线板，确定合理的半径。
2.3.5直线地段设计原则
1）设计线路平面时，相邻两直线的位置不同，其间曲线位置也相应改变。
因此，在选定直线位置时，要根据地形、地物条件使直线与曲线相互协调，线路所处位置最为合理。
2）设计线路平面，应力争设置较长的直线段，减少交点个数，以缩短线路长度、改善运营条件。
只有遇到地形、地质或地物等局部障碍而引起较大工程时，才设置交点绕避障碍。
3）选定直线位置时，应力求减小交点转角的度数。
转角大，则线路转弯急，总长增大，同时列车行经曲线要克服的阻力功增大，运营支出相应加大。
转角α与每吨列车克服的曲线阻力功Ar的关系式为：
式中wr:
单位曲线附加阻力；
；
Ly:
圆曲线长度；
；
作为平面线型要素之一的直线，在铁路、城市交通中使用最为广泛。
但是，从道路交通特点来看，过长的直线并不一定就好。
一方面，直线线型大多难于与地形相协调，若长度运用不当，不仅破坏了线型的连续性，也不便达到线型设计自身的协调。
另一方面，过长的直线易使驾驶员感到疲劳、单调，以致很容易导致交通事故的发生。
所以在道路平面设计中运用直线线型并决定其长度时，必须持谨慎态度，不宜采用过长的直线。
2.3.6夹直线长度的确定原则
在地形困难、曲线毗连地段，两相邻曲线间的直线段，即前一曲线终点（HZ1）与后一曲线起点（ZH2）间的直线，称为夹直线。
两相邻曲线，转向相同者称为同向曲线，转向相反者称为反向曲线。
夹直线长度应力争长一些，为行车和维护创造有利条件。
但为适应地形节省工程，需要设置较短的夹直线时，其最小长度受下列条件控制：
1）线路养护要求。
维修实践证明：
夹直线长度不宜短于2至3节钢轨；钢轨标准长度为25m，即50至75m；地形困难时，至少应不小于一节钢轨长度，即25m。
2）行车平稳要求。
为了保证行车平稳，旅客舒适，夹直线长度不宜短于2~3节客车长度。
我国25型客车全长为25.5m，故夹直线长度不宜短于51.0~76.5m。
夹直线长度的保证纸上设计时，通常绘出圆曲线而不绘出缓和曲线。
因此，为了保证有足够长度的夹直线，相邻两圆曲线端点（YZ1与ZY2）间夹直线长度LJ应满足下列条件：
（m）
LJ:
夹直线最小长度按下表取值；
L01，l02：
相邻两圆曲线所选配的缓和曲线长度；
表2.1夹直线及圆曲线最小长度（m）
路段旅客列车设计行车速度（km/h）
160
140
120
100
80
圆曲线或夹直线最小长度（m）
130
（80）
110
（70）
80
（50）
60
（40）
50
（30）
夹直线长度不够时，应修改线路平面。
如减小曲线半径或选用较短的缓和曲线长度，或改移夹直线的位置，以延长两端点间的直线长度和减小曲线偏角；当同向曲线间夹直线长度不够时，可采用一个较长的单曲线代替两个同向曲线。
本设计最小夹直线长度为L=110m，相邻两圆曲线所选配的缓和曲线长度为L01=80m,l02=80m,根据上表夹直线最小长度为LJmin=70m,因此设计的曲线位置符合夹直线最小长度的要求。
2.3.7圆曲线最小曲线半径的选定
行驶在曲线上的列车由于受离心力的作用，其稳定性受到影响，而离心力的大小由于曲线半径密切相关半径越小越不利，所以在选择平曲线半径时，应尽可能采用较大的值，只有在地形或其他体熬煎受到限制时才可使用较小的半径。
为了行车的安全与舒适，《标准》和《线规》规定了圆曲线半径在不同情况下的最小值。
最小曲线半径是一条干线或某一路段允许采用的曲线半径的最小值。
它是铁路主要技术标准之一。
1）选定最小曲线半径的影响因素
a.路段设计速度。
路段设计速度是设计线某一路段旅客列车远期可能实现的最高速度。
b.货物列车通过的速度。
设计线各路段的坡度不同，货物列车通过的速度不同。
c.地形条件。
平原浅丘地区，曲线半径的大小通常对工程量影响不大，为创造良好的运营条件和节省费用，应选定较大的曲线半径；山岳地区地形复杂，曲线半径的大小对工程量影响很大，为适应地形减少工程，需要选定较小的最小曲线半径。
足坡地段，选定R<600m或500m最小曲线半径，则因粘着系数降低，粘降坡度减缓而引起线路额外展长，从而增大工程费用。
综上所述，设计线的最小曲线半径可根据具体情况分路段拟定。
2）线规》拟定的最小曲线半径
编制《线规》时，对采用的参数进行了细致研究，按公式得到初步计算结果，并结合我国铁路的工程和运营实践及科研成果，确定了各级铁路不同路段设计速度的最小曲线半径值，如表3.2所列。
本设计采用的最小曲线半径为1600m,符合上述《线规》规定的最小曲线半径要求。
设计线路平面时，各个曲线选用多大的曲线半径，要考虑下列设计要求：
a.曲线半径系列。
为了测设、施工和养护的方便，曲线半径一般应取50、100m的整倍数。
即10000、8000、6000、5000、4000、3000、2500、2000、1800、1600、1400、1200、1000、800、700、600、550、500、450、400、350；特殊困难条件下，可采用上列半径间10m整倍数的曲线半径。
b.因地制宜由大到小合理选用。
各个曲线选用的曲线半径不得小于设计线选定的最小半径。
故选配曲线半径时，应遵循由大到小，宁大勿小的原则进行。
c.结合线路纵断面特点合理选用。
表2.2铁路最小曲线半径
路段旅客列车设计行车速度（km/h）
160
140
120
100
80
最小曲线半径（m）
工程条件
一般
2000
1600
1200
800
600
困难
1600
1200
800
600
500
2.3.8缓和曲线的选定原则
缓和曲线是道路平面线形要素之一，它是设置在直线与圆曲线之间或半径相差较大的两个转向相同的圆曲线之间的一种曲率连续变化的曲线。
《标准》规定，除四级路可不设缓和曲线外，其余各级公路都应设置缓和曲线。
在现代高速公路上，有时缓和曲线所占的比例超过了直线和圆曲线，成为平面图线形的主要组成部分。
在城市道路上，缓和曲线图也被广泛地使用。
为使列车安全、平顺、舒适地由直线过渡到圆曲线，一般情况下铁路线路平面在直线与圆曲线之间要设置缓和和曲线。
缓和曲线是设置在直线与圆曲线或不同半径的圆曲线之间的曲率连续变化处的曲线。
为使列车安全、平顺、舒适地由直线过渡到圆曲线，在直线和圆曲线之间要设置缓和曲线。
线路平面设计时，缓和曲线应根据曲线半径，路段旅客列车设计行车速度和工程条件按下表2.3所列的数值选用，即应根据地形、纵断面及相邻曲线、客货列车比例、货车速度、运输要求以及将来发展的可能等条件选用。
有条件适宜采用较长的缓和曲线。
具体选用原则是：
路段旅客列车设计行车速度（km/h）
160
140
120
曲
线
半
径
（m）
6000
70
50
40
5000
70
60
40
4500
70
60
40
4000
80
60
50
3500
90
70
50
3000
100
80
50
2800
110
90
60
2500
120
90
60
2000
150
100
70
1800
170
120
80
1600
190
130
90
1）各级铁路种地形简易地段、自由坡地段、旅客列车比例较大路段中将来有较大
表2.3缓和曲线长度的选择
幅度提高客货列车速度要求的路段应优先选用“一般”栏数值。
2）各级铁路中，地形困难、紧坡地段或停车站两端、凸形纵断面坡顶等行车速度不高的地段以及Ⅱ、Ⅲ级铁路中客车对数较少，且货车速度较低的路段和对行车速度要求不高的路段，可选用“困难”栏数值，或“困难”栏与“一般”栏间的10m整倍数的缓和曲线长度。
3）条件许可时，宜采用表中规定数值长的缓和曲线，如采用表中较高速度档次下相同半径的缓和曲线长度，以创造更好的运营条件，并为今后列车的提速创造有利条件。
表2.4最小缓和曲线长度（m）
路段旅客列车设计行车速度（km/h）
160
140
120
工程条件
一般
困难
一般
困难
一般
困难
曲
线
半
径
（m）
5000
70
60
60
40
40
30
4500
70
60
60
40
40
30
4000
80
70
60
40
50
30
3500
90
70
70
50
50
40
3000
90
80
70
50
50
40
2800
100
90
80
60
50
40
2500
110
100
80
70
60
40
2000
140
120
90
80
60
50
1800
160
140
100
80
70
60
1600
170
160
110
100
70
60
在本设计中缓和曲线的选定如下：
列车的设计速度为140Km/h，所选定的缓和曲线半径为1600m、1800m、2000m、,则对应的缓和曲线长分别为130m、120、100m。
2.3.9缓和曲线间圆曲线的最小长度
两缓和曲线间圆曲线的最小长度，应保证行车平稳，并考虑维修方便。
在线路平面设计时，为保证圆曲线有足够的长度，曲线偏角
、曲线半径R和缓和曲线长度l0三者间应满足下式关系：
0≧Lymin（m）
式中Lymin:
圆曲线最小长度（m）,采用表2.4数值
2.4既有线的平面改建
2.4.1既有线改建方式
既有线的平面改建，主要是曲线及其毗邻地段的改建。
改建方式如下：
1）在运营过程中，列车车轮冲撞钢轨以及维修拨道，使曲线偏离设计位置。
改建时，需将既有曲线拨正到设计位置。
2）随运量增长，车速提高，设计标准提高，需加大既有曲线半径，加长缓和曲线和夹直线长度。
同向曲线间夹直线长度不够可改为一个曲线；反向曲线间夹直线长度不够，可改为移动中间切线的办法加长夹直线。
3）某段线路标准过低或绕弯过多，改建时往往裁弯取直另修新线。
线路上个别桥隧建筑物位置的改移，也将引起附近线路的改建。
2.4.2既有线曲线改建方式
既有线的平面改建，主要是曲线及其毗邻地段的改建。
应根据不同的改建原因采用相应的改建方式。
1）线路整正：
在运营过程中，一方面由于机车车辆的车轮冲撞钢轨，使曲线产生错动；一方面由于维修时对线路拨动，使曲线偏离设计位置。
改建时，需要将既有曲线拨正到设计位置，如图3-2所示。
图2-2曲线改建示意图
2）提高线路标准：
因铁路运量日增，行车速度日高，改建线路的设计标准也要相应提高。
如既有曲线半径需要加大，缓和曲线需要加长，夹直线长度需要加长，都会引起线路的改建。
图3-2（b）、图3-1（c）、图3-1（d）分别为加大曲线半径、加长缓和曲线和加长夹直线的三种方式；图3-1（e）为同向曲线间夹直线长度不够而改建为一个曲线的图式，图3-2（f）为反向曲线间夹直线长度不够，而用移动中间切线的办法以加长夹直线的图式。
3）线路裁弯取直改建：
某段线路标准过低或绕弯过多，改建时往往裁弯取直，另修一段新线，如图3-2（g）所示。
线路上个别桥隧建筑物位置的改移，将引起附近线路的改建，如图3-2（h）所示。
在本设计中，主要考虑两种曲线改建方式，即取直线路的平面改建和加大曲线半径。
2.5既有线曲线改建的具体方法
2.5.1概略定线
1）准备工作：
根据要求制作铁路曲线板一套（比例尺1:
25000，R=1600、1800、2000、2500、3000m），三角板、分规或圆规、量角器，35cm×50cm坐标纸若干。
2）认识地形：
根据任务书要求，在平面图上找出线路起终点的位置：
线路起点在屯沟湾西南，高程为2542.4m
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