01高速铁路绪论.docx

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01高速铁路绪论

1绪论

1.1高速铁路的发展动态

20世纪60年代以来，高速铁路在世界发达国家崛起，百年铁路重振雄风，传统铁路再展新姿，铁路发展进入了一个崭新的阶段。

高速铁路的蓬勃发展，在世界范围内引发了一场深刻的交通革命。

1.1.1列车速度的演变

自有铁路以来，人们就在不断致力于提高列车的运行速度。

1825年出现在英国的第一条铁路，其列车最高运行速度只有24km/h，1829年“火箭号”蒸汽机车牵引的列车最高运行速度就达到了47km/h，几乎提高了1倍。

19世纪40年代，英国试验速度达到120km/h，1890年法国将试验速度提高到144km/h，1903年德国制造的电动车组试验速度达到了209.3km/h。

这时期英国西海岸铁路用蒸汽机车牵引的列车旅行速度达到了101km/h。

1955年法国电力机车牵引的试验车组最高运行速度突破了300km/h，达到了311km/h。

1964年10月日本东海道新干线最高运行速度达到了210km/h，旅行速度也达到了160km/h。

此后列车试验速度不断刷新：

1981年2月法国TGV试验速度达到380km/h，1988年5月德国ICE把这一速度提高到406.9km/h，半年后法国人创造了482.4km/h的新纪录，1990年5月18日法国再次刷新了自己的纪录，法国TGV-A型高速列车把试验速度提高到515.3km/h，图1-1为创造这一世界最高记录的实况图片。

与此同时，德国和日本还在研究试验非轮轨接触式的磁浮列车，2003年12月2日，日本磁浮列车试验速度达到了581km/h。

在列车试验速度扶摇直上的同时，为适应社会发展的需要及提高竞争能力，列车的运行速度和旅行速度也在不断提高。

1963年，世界铁路就有13000km的客运线路，其旅客列车最高运行速度达到了140～160km/h。

至1994年，已有25个国家旅客列车最高运行速度达到或超过140km/h，旅行速度超过100km/h。

日本既有线（1067mm窄轨距）旅客列车速度已普遍达到130km/h，计划达到200km/h。

日本、法国、德国、西班牙和意大利高速列车最高运行速度分别达到了300km/h、320km/h、300km/h、300km/h和250km/h；旅行速度分别达到了242.5km/h、245.6km/h、192.4km/h、217.9km/h和163.7km/h。

高速列车最高运行速度近期可望达到并突破350km/h。

图1-1法国TGV-A型高速列车创造515.3km/h世界最高记录的实况

近年来，由于社会主义市场经济的发展和运输市场竞争的加剧，我国也开始重视提高旅客列车的速度。

最高试验速度达到了321.5km/h，最高运行速度达到200km/h，旅行速度超过了100km/h。

但与发达国家相比，还有很大差距。

铁路列车试验速度和运行速度的演变见图1-2。

图1-2铁路列车试验速度与运行速度的演变图

1.1.2高速铁路的定义及建设管理模式

高速铁路是一个具有国际性和时代性的概念。

1970年5月，日本在第71号法律《全国新干线铁路整备法》中规定：

“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。

”这是世界上第一个以国家法律条文的形式给高速铁路下的定义。

1985年5月，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。

1986年1月，国际铁路联盟秘书长勃莱认为，高速列车最高运行速度至少应达到200km/h。

因此，国际上目前公认列车最高运行速度达到200km/h及其以上的铁路叫高速铁路。

随着科学技术的发展和客观条件的变化，有关高速铁路的定义将不断更新。

高速铁路建设管理模式，各国因国情不同而异，大致有四种类型：

一是新建高速铁路双线，专门用于旅客快速运输，如日本新干线和法国高速铁路，均为客运专线，白天行车，夜间维修；二是新建高速铁路双线，实行客货共线运行，如意大利罗马—佛罗伦萨高速铁路，客运速度250km/h，货运速度120km/h；三是部分新建高速线与部分既有线混合运行，如德国柏林—汉诺威线，承担着客运和货运任务；四是在既有线上使用摆式列车运行，这在欧洲国家多见，在美国“东北走廊”行驶的摆式列车速度为240km/h。

1.1.3世界高速铁路发展概况

自以日本新干线、法国TGV为代表的高速铁路投入运营以来，它以安全可靠、技术创新、优质服务等特色为铁路的发展带来了新的机遇，为国民经济的发展带来了巨大动力。

高速铁路的成功，有力地促进了国家经济的增长和社会进步，促进了沿线经济发展。

高速铁路的发展规划，不仅在欧洲、亚洲得到推广，目前在美洲和澳大利亚也在进行推广。

至2002年底，全世界已经建成高速铁路并投入运营的国家有9个，线路总长5435km；在建高速铁路16条，总长度达到3267km，将于2007年前陆续在世界9个国家及我国台湾省建成并投入运营。

欧洲高速铁路建设有一个比较完整的规划，根据这个规划，2020年将形成一个新建高速铁路10000km、改造既有线15000km、遍及全欧洲并连接主要国家首都的高速铁路网。

在亚洲，1964年10月1日，世界上第一条高速铁路—日本东海道新干线建成通车，当时最高运行速度为210km/h，使东京—大阪的运行时间从6h30min缩短到3h。

日本接着又相继修建了山阳、东北、上越、北陆、山形、秋田等新干线，形成了纵贯日本国土的新干线网（2175km），被誉为“经济起飞的脊梁”，并有新建新干线和改造既有线的计划。

2004年4月1日，韩国汉城—釜山的高速铁路（412km）开通运营，最高行速是300km/h。

中国台湾正在建设台北—高雄的高速铁路（345km），不久将投入运营。

印度也在开展高速铁路建设的前期工作。

欧洲是目前高速铁路投人运营最多的地区。

截止到2002年末，欧洲高速铁路已有3260km投入运营，预计2010年将达到6000km。

欧洲高速铁路始于法国，法国1981年开通了TGV东南线（417km），1989年开通了TGV大西洋线（282km），1993年开通了TGV北方线（333km），1994年开通了TGV东南延伸线（148km），1996年开通了TGV巴黎地区联络线（128km）。

2001年6月10日，TGV地中海线（295km）又开通运营，完成了纵贯法国的高速铁路干线。

自2003年6月起，TGV地中海线的部分区间（约40km）开始了最高速度为320km/h的运行。

现在，计划于2007年开通的巴黎—斯特拉斯堡的TGV东方线（405km）已在建设中，这条线路计划以350km/h的速度运行。

在德国，汉诺威—维尔茨堡铁路（新线长326km）和曼海姆—斯图加特铁路（新线长99km）于1991年投入运营，运行速度为280km/h。

此后，汉诺威—柏林铁路（264km）于1998年投入运营（其中有170km的高速区段）。

2002年8月1日，德国科隆—法兰克福高速线（219km）开通运营，运行速度为300km/h，是德国第一条客运专用线。

在这条线上运行的第三代ICE3型高速列车最高运行速度330km/h，允许列车晚点时列车以此速度赶点运行。

2003年，德国联邦交通网计划确定修建连接南北的柏林—慕尼黑的高速线（高速新线+既有线改造），现在已经开始施工。

意大利在1970年立项建设罗马—佛罗伦萨高速铁路（236km），1987年建成，初期列车速度为180km/h，1992年提高到250km/h。

同时意大利已制定了一项高速铁路网长期发展计划，将用2条高速线构成T字形、全长1300km的高速铁路网骨架。

西班牙在新建马德里—塞维利亚（471km）高速线取得巨大成功后，又开工建设马德里—巴塞罗那高速线（全长651km，设计最高速度350km/h）。

比利时和荷兰等国也正在建设高速铁路，其中比利时的布鲁塞尔—法国边境的高速线（88km）已于1997年12月开通，通向德国科隆到列日的高速线在2002年12月也已开通运营。

英国是铁路发源地，第一条高速新线是CTRL（连接英伦海峡的隧道线路），其第一区间（74km）已于2003年9月16日开通，最高速度为300km/h，在通往因站房漂亮而负盛名的伦敦圣潘库兰斯站的第二区间（39km）目前正在施工，预计在2007年将全线开通运营。

除了西欧各国正在建设高速铁路网外，东欧、南部欧洲各国也在积极进行既有线基础设施提速改造。

如今，一贯比较重视发展航空和公路运输的美国也开始拟订高速铁路的建设计划。

美国加利福利亚州已决定在州内建设1131.3km长的高速铁路；佛罗里达州则通过立法准备在州内建设匹兹堡—坦帕—奥兰多高速铁路。

澳大利亚铁路的重载运输驰名于世，近年也委托TMG国际公司对墨尔本—布里斯班（2000km）东海岸铁路的轮轨高速进行论证。

1.1.4非粘着铁路

传统的粘着铁路因为牵引力受轮轨粘着条件等的限制，很难实现500km/h的最高速度，为此需研制新的运输工具。

1．气垫车

上世纪60～70年代，最早着手研制的是气垫车。

气垫车一般用燃气轮作动力产生高压喷气，在导轨与车辆间形成气垫使车辆浮起，并用喷气机驱动车辆前进，英、法两国研制十年，制成试验车。

法国试验的飞行列车，车长26m，质量20t，可载客80人，用530kW的的燃气轮机产生气垫，用2956kW的动力驱动，在18km的高架轨道试验线上试运转时，最高时速达422km。

1974年能源危机时，为紧缩开支，且因喷气机污染环境、噪声太大，取消了研究计划。

前苏联、美国都曾对气垫车进行过研究，因未取得显著成就而停顿。

20世纪70年代起，技术先进的国家，都先后停止了气垫车的进一步探索，转而研制磁浮车。

2．磁浮车

根据磁浮车上采用的电磁铁种类，磁浮车一般分为两大类，一类为常导吸引型，一类为超导排斥型，两种磁浮车技术都日臻成熟。

关于磁悬浮铁路的内容参见本书第十一章。

3．管道悬浮

地面高速运输要克服巨大的空气阻力，当速度超过500km/h后，空气阻力将非常大，所以产生了管道磁浮线路的设想。

将磁浮车系统置于空气稀薄的管道中，时速就几乎可以无限制地提高，美国兰德公司为此设想了一种管道高速运输系统。

该设想的轮廓是：

由纽约到洛杉矶修建一条长3950km的横贯美国东西的地下隧道，隧道内形成约0.1kPa（相当于1‰个大气压）的真空，将磁浮系统安装在隧道内，悬浮力和驱动力都由超导电磁形成。

速度受3950km的加速与减速距离限制，3950km的一半用于加速，一半用于减速，中间速度最高为22500km/h。

即使采用中速13000km/h，平均速度为6750km/h，由纽约到洛杉矶也只要36min30s的旅行时间。

隧道当然不宜转弯，转弯时曲线半径需达700～800km。

20世纪80年代估算，隧道造价要1850亿元，包括磁浮系统总费用约需2500亿美元。

为叙述方便，在后面的章节中，若无特殊说明，本书中“高速铁路”均指轮轨接触式高速铁路。

1.2高速铁路的主要技术特征

高速铁路在激烈的客运市场竞争中以其突出的优势，不但在其发祥地日、法、德等国家已占据了城际干线地面交通的主导地位，并且在世界诸多经济发达的国家和地区迅速扩展。

高速铁路在不长的时期内之所以能取得如此的发展势头，根本原因是基于轮轨系的高速技术充分发挥了既先进又实用的特点，特别是在中长距离的交通中的独特优势。

实践表明，高速铁路已是当代科学技术进步与经济发展的象征。

高速铁路虽然源于传统铁路，但借助于多项高新技术已全面突破了常速铁路的概念，已形成一种能与既有路网兼容的新型交通系统。

高速铁路在运营过程中更新换代，其技术还在不断发展与完善。

1．高速铁路是当代高新技术的集成

在世界上，高速铁路的诞生是继航天行业之后，最庞大复杂的现代化系统工程。

它所涉及的学科之多、专业之广已充分反映了系统的综合性。

20世纪后期科学技术蓬勃发展，迅速转化为生产力的三大技术有：

计算机及其应用，微电子技术、电力电子器件的实用化与遥控自控技术的成熟，新材料、复合材料的推广。

高速铁路绝非依靠单一先进技术所能成功，它正是建立在这些相关领域高新技术基础之上，综合协调，集成创新的成果。

因此，高速铁路实现了由高质量及高稳定的铁路基础设施、性能优越的高速列车、先进可靠的列车运行控制系统、高效的运输组织与运营管理体系等综合集成，如图1-3所示。

系统协调的科学性，则是根据铁路行业总的要求，各子系统均围绕整体统一的经营管理目标，彼此相容，完整结合，达到整个系统的合理与优化。

图1-3高新技术综合集成的高速铁路总示意图

2．高速度是高速铁路高新技术的核心

铁路没有速度优势就失去了竞争的基础。

高速铁路的速度目标值是由常现铁路发展到高速铁路最主要的区别。

列车运行速度属于第一层次的系统目标，只有将速度目标值确定之后才能选定线路的设计参数、列车总体技术条件、列车运行控制及通信信号系统。

当然，运量规模、行车密度、运输组织、成本效益等也均属第一层次系统目标，但是在各种交通运输方式中，速度始终是技术发展的核心，它是技术进步的具体体现，所以速度目标应是第一位的。

自20世纪后半叶以来，铁路旅客列车速度连续跃上三大台阶：

20世纪60年代第一代高速列车速度为230km/h，20世纪80年代初第二代高速列车速度达到270km/h，20世纪90年代第三代高速列车速度已达到并超过了300km/h。

21世纪初，将要有350km/h的高速列车问世。

列车最高运行速度随着时代的进步不断提高，它体现了铁路的等级及其技术发展水平。

但是对社会而言，旅客出行一般并不十分关注列车的最高速度，而关心旅行时间的长短。

只有提高旅行速度才能给旅客带来实惠。

要提高旅行速度不是轻而易举的，这不仅只是列车的性能，还要看沿线的环境与条件，线路设计优劣，配套设施是否完善，还涉及行车组织及运营管理等，所以从整个系统来分析，列车旅行速度最能反映铁路的水平。

当今，世界高速铁路区段旅行速度与最高行车速度之比最高的可超过0.8，而最低的不及0.6。

重视提高旅行速度与最高速度之比也有利于获得良好的运营效果。

所以说，高速铁路第一层次的技术核心指标是速度，它不仅是最高运行速度，还应包括高速列车的旅行速度。

3．系统间相互作用发生了质变

高速铁路虽然它仍受铁路行业传统影响，但由于行车速度至少提高1倍以上，将引发铁路行业各系统及其相互关系的质变。

过去用于常速铁路行之有效的规范标准不能照搬于高速铁路。

高速铁路从可行性研究、规划、设计、施工、制造到运营管理，都要超前、系统地进行研究才能付诸实施。

随着速度的提高，各子系统原有的规律和相互间关系将转化为强作用而须重新认定。

系统中某项参数或标准选择不慎都将引发连锁反应。

例如，线路参数、路基密实度或桥梁刚度选择不合理，不仅是线路质量问题，还将影响列车运行的平稳性及可靠性，也干扰运输组织、行车指挥。

反之，确定列车主要参数及性能也必须考虑线路参数与控制系统方案，否则最终都要制约整个系统效能的发挥。

系统之间的关系远比常速铁路复杂。

4．系统动力学问题更加突出

高速铁路系统动力学问题包括如下几方面内容。

（1）高速列车的振动与冲击问题

高速列车在线路上行驶，速度越高，发生的振动与冲击越强，致振的敏感因素越宽。

高速铁路的基础设施及运载装备不但应具备优良的固有特性，还必须在界面上彼此都要保有均匀、平顺、光滑的特征。

这是建立高速铁路各子系统都必须遵守的共性准则。

系统振动与冲击力学分析，最主要的目的是协调各子系统组成部分的特性参数，保证系统功能优化。

对于高速铁路来说，最重要的是确保列车持续、安全、平稳运行。

因此，必须预见在各种速度工况下系统的动力响应，突出的问题有：

轮轨间接触力的变化，将影响列车牵引与制动的实现、轮轨的磨损与疲劳、运行的安全指标；车—线—桥系统的动力反应，将影响结构功能与列车平稳运行；弓网系统的振动，将影响受电效能及安全等。

所以动力响应是涉及高速行车技术深层次的基本问题，须认真处理。

（2）高速列车运行中的惯性问题

高速列车运行中的惯性问题直接影响旅客的安全与舒适。

例如，对于舒适度，人体承受振动的能力与振动频率密切相关，根据试验结果，人体对频率在10Hz以下的低频振动更为敏感，此时，振动加速度达到0.1g人就感到不舒服。

列车运行加速或减速时，旅客均要承受纵向惯性力的作用，通常也以加速度衡量。

加速时由于受到牵引功率的限制，一般准静态（平均）加速度值都不超过0.05g，所以加速时在正常操纵下，不会给旅客带来不适感。

但制动时为确保列车安全，整列车制动功率大，减速距离较短，如列车速度为300km/h时，紧急制动距离小于3700m，其准静态（平均）减速度低于0.1g，考虑车辆制动时动作不一致将有冲动现象发生，瞬时减速度将接近0.3g，这时旅客将感到不适，所以紧急制动只能在非常情况下使用。

在一般常用制动情况下有较严格的规定，当制动参数取0.8或0.5并操纵得当，其减速度分别为0.075g及0.05g。

所以，为保证列车行驶时旅客的舒适度必须重视运动中的惯性问题。

这应从线路基本参数、列车性能及操纵技术予以保证。

（3）高速列车空气动力学问题

①列车空气阻力问题

地面交通系统都有一个难以避免的共性问题，这就是空气动力学问题。

在地表大气层中，交通载体所受到的空气阻力、竖向力、横向力和压力波等与速度平方成正比，随着速度的提高急剧增加，从而成为提高地面高速交通速度主要的制约因素。

高速列车时速超过200km就必须认真研究这一问题。

为减缓空气动力的影响，通过大比例风洞模型试验及三维有限元空气动力学理论分析，筛选设计方案，可作出技术经济合理抉择。

在一定速度下，高速列车空气阻力及其他空气动力作用取决于列车的外形、列车的截面及外表面的光滑平顺度。

所以，在列车的总体设计及车体设计中都必须周密处置，使整列车具有良好的气动性能。

②列车内部空气密封问题

高速运行的列车，由于各种气动效应影响使列车内外压差增大。

若列车密封性差，则必将引起车内气压的变化超过一定范围，将引起人体各种不适感。

所以，对车窗、车门、车辆间连结风挡都要求具有良好的密封性。

③线间距问题

两列相对行驶的高速列车在线路上会车时各种空气动力作用比单列车行驶时强烈，并将影响列车运行的平稳性与车内人员的舒适感。

这种影响在其他条件一定的情况下，与高速铁路的线间距成反比。

高速铁路的线间距应根据车速、车宽、列车头形系数、车体密封程度、车窗玻璃承压能力等因素来考虑。

如果在高速线上有各种不同类型列车运行，应顾及性能较差列车的承受能力。

④隧道断面选择问题

对于有限界面的隧道而言，高速铁路的空气动力学作用将比在明线环境条件强烈，在一定速度下，其幅值主要与隧道断面的堵塞比密切相关。

所以，列车速度越高，隧道断面应越大。

对长隧道来说还必须考虑隧道内空气有较通畅的导流途径以缓解其动力效应。

5．对高速铁路主要子系统的基本要求

（1）高速铁路的基础设施

高速铁路的基础设施是确保高速行车的基础。

高速铁路与常速铁路相比最大的区别在于线路高平顺度特性方面。

高平顺性最终体现是在轨道上，无论轨道是在路基上或在桥梁上，也无论是何种类型的轨道，都要求它不仅在空间要具有平缓的线形，而在时间上还必须具有稳固的高保持性。

由此决定了高速铁路基础设施各主要组成部分——路基、桥梁、隧道等的主要技术参数与技术规定，必须互相协调，使之整体上满足高速行车在运动学、动力学、空气动力学及运输质量方面各项技术指标。

所有基础设施在运营管理方面还必须具备高可靠度与可维修、少维修的条件，以利降低成本及提高效能。

（2）高速列车

高速列车是高速铁路的运输载体，是实现高速铁路功能的关键。

为确保高速行车主要功能指标的落实，高速列车在车型、牵引、制动、减振、列控、检测、供电等一系列专业技术上都要取得重大突破。

建立在轮轨系基础上的各型高速列车吸取了当代相关高新技术，已做出为世人瞩目的成就。

为满足更高的目标需求，仍在不断更新换代，其技术发展永无止境。

（3）高速铁路的运行控制、行车指挥及运营管理

高速铁路运行控制、行车指挥及运营管理各系统是确保高速铁路列车运行安全有序、发挥效率与效益的核心体系。

虽然高速铁路与常速铁路相似，其主要软硬技术都由区间轨道电路、自动闭塞、车站计算机联锁等所构成的调度系统支持，但由于运行速度大幅度的提高，列车密度增加，行车组织节奏明显增快，高速铁路的运行控制及调度系统应更加完备，运输组织与经营管理体系应更加严密。

高速铁路调度指挥系统是以行车调度为核心，集动车底调度、电力调度、综合维修调度、客运服务调度、防灾安全监控为一体的综合自动化系统，该系统应能确保高速高密行车的安全与效能。

高速铁路的经营管理从模式、体制到运作方法都要适应新的形势，必须结合国情与路情作出切合实际的选择，以促进高速铁路效能发挥。

1.3高速铁路的主要技术经济优势

高速铁路之所以受到各国政府的普遍重视决非偶然，它克服了普通铁路速度较低的不足，与高速公路的汽车运输和中长途航空运输相比较，在下列各项技术经济指标中具有一定优势。

1．速度快

速度是高速铁路的技术核心，也是其主要的技术经济优势所在。

迄今，高速铁路是陆上运行距离最长、运行速度最高的交通运输方式。

近几年相继建成的高速铁路，其最高运行速度都在300km/h左右，预计几年内将达到或突破350km/h。

旅客出行在途中所花费的时间由三部分组成：

一是由出发地（家）至始发站（港）的走行（或短途运输方式的运行）时间及等待时间；二是所乘坐的交通运输方式由发站（港）至到站（港）的旅行时间；三是由到站（港）至目的地（家）的走行（或短途运输方式运行）时间。

不同的交通运输方式，其第一和第三部分时间（以下简称附加时间）是不同的。

一般坐飞机，附加时间较长，而汽车就比较短，但对一定距离而言飞机的飞行时间要短于汽车的运行时间。

就公路、铁路和航空而言，所谓某种交通运输方式的优势距离，即为旅客出行花费的总时间比其他交通运行方式都少的距离范围。

速度越高，附加时间越少，其优势距离范围就越大。

当代大交通系统中，高速公路、航空运输与铁路并存，且都在迅速发展。

旅客选择运输工具主要出于对速度、安全、经济及舒适度的综合比较。

随着经济的发展，人民生活水平的提高和社会活动节奏的加快，人们将进一步增强旅客的时间价值观念，对交通运输工具速度的要求将更为迫切。

如果旅客出行的附加时间以高速公路为零，高速铁路为1.0h，航空为2.5h（上飞机前1.5h，下飞机后1.0h），汽车平均运行速度取120km/h，飞机巡航速度取700km/h，高速铁路最高运行速度分别取210km/h、250km/h、300km/h和350km/h，从旅客总的旅行时间进行比较，其有利吸引范围为：

小汽车：

优势距离在200km以内。

航空：

优势距离在1000km以上。

高速列车：

速度为210km/h，优势距离仅为300～500km；

速度为250km/h，优势距离为250～600km；

速度为300km/h时，优势距离为200～800km；

速度为350km/h时，优势距离为180～1100km（图1-4）。

旅客出行选择交通运输方式，除考虑时间节省（优势距离）外，还需综合考虑票价、舒适性、安全因素等。

如果加上安全、舒适及票价等因素，高速铁路的有利吸引范围还将有所扩展，即使速度目标定为300km/h，上限也将在1000km以上。

图1-4旅客出行总旅行时间比较图

2．运能大

高速铁路旅客列车最小行车间隔可以达到3min，列车密度可达20列/h，每列车载客人数也比较多，如采用动力分散方式及双层客车，其列车定员可达1200～1500人/列，理论上每小时的输送能力可以达到2×24000～2×30000人。

四车道的高速公路每小时的输送能力约为2×4800人，2条跑道的机场每小时的吞吐能力约为2×6000人。

可见高速铁路的运输能力是高速公路和民