选线设计教案7铁路运输能力价加强.docx
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选线设计教案7铁路运输能力价加强
选线设计课程教案
单元标题铁路运输能力加强单元学时6
教学目标：
了解铁路客运提速、修建高速铁路和发展重载运输的意义和发展的技术路线；理解铁路客运提速、修建高速铁路的设计方法和原则；掌握既有铁路能力加强的措施和总体设计。
教学重点：
铁路客运提速、修建高速铁路的设计方法和原则；既有铁路能力加强
教学难点：
既有线铁路能力加强总体设计。
教学方式方法：
讲授、案例分析、课程设计。
教学手段：
PPT+传统板书。
课程设计（大作业）。
教学过程：
首先概略介绍会让站、越行站、区段站、编组站的主要任务、基本设备设置。
然后详细介绍中间站设计原理与方法。
同时，指导学生完成“中间站课程设计”，一边讲，以便辅导学生理解理论、原理和实践方法。
讲课内容
备课札记
1）既有铁路能力加强的措施（4）
2）铁路客运提速
（1）
3）修建高速铁路（0.5）
4）发展重载运输（0.5）
以图片辅助理解。
中间站设计与课程设计同步进行，一边讲授车站设计的基本概念、基本原理和基本方法，PPT中注意以应用反映各阶段铁路能力加强的原理与方法。
第七章铁路运输能力加强
第一节既有铁路能力加强的措施
回顾铁路运输能力和通过能力计算方法，导出限制铁路运输能力的主要因素，
（7－1）
（对或列）
需要开行的旅客列车数可以按下式计算
（对或列）（7－2）
既有线能力加强应从提高通过能力N和牵引吨数G两方面着手。
对于既有铁路运输能力的加强措施，可归纳为运输组织措施、改革牵引动力和信联闭的措施和改造工程措施。
而作为铁路现代化的标志技术，客运提速、发展重载运输和兴建高速铁路，却是提高铁路运输能力和服务水平最有效的途径。
一、运输组织措施
（一）缩短控制区间的运行图周期
编制列车运行图时，使进入控制区间为上坡方向的列车不停车，提高其行车速度，缩短走行时分。
当既有线采用电气路签（牌）闭塞时，可把控制区间两端车站上的路签（牌）机移到搬道房内，以节省车站值班员递送路签（牌）的走路时间，缩短会车间隔时分。
或者允许控制区间的路签（牌）可以直接折返使用，以节省取送路签（牌）时间，缩短会车间隔时分。
当技术作业站相邻区间为控制区间时，若因技术作业如给水、摘挂机车等时间较长，增大运行图周期，可视具体情况，采用移动列车运行线的办法，缩短控制区间的运行图周期。
（二）在单线区段采用特殊运行图
1.不成对运行图
图7－1（a）为非自动闭塞区段的不成对运行图，其通过能力为：
重车方向
（列/d）（7－3）
轻车方向
（列/d）（7－4）
（a）非自动闭塞（b）自动闭塞
图7－1不成对运行图
图7－1（b）为自动闭塞区段的不成对运行图，重车方向可追踪运行，其通过能力为：
重车方向
（列/d）（7－5）
轻车方向
（列/d）（7－6）
2.追踪与部分追踪运行图
在单线自动闭塞区段上，当中间车站的到发线数量较多，能够组织双方向追踪列车在车站上交会和越行时，可采用两列（或几列）车连续发车的追踪或部分追踪运行图，如图7－2所示。
追踪运行图虽然可以提高通过能力，但由于列车交会停站时间加长，使区段速度降低，并需增加车站站线数量。
为了缓和上述缺点，实际上多采用部分追踪运行图。
（a）追踪（b）部分追踪
图7－2追踪与部分追踪运行图
图7－2（a）为两列车追踪运行图。
其通过能力为
（对/d）（7－7）
图7－2（b）为部分追踪运行图，其通过能力为
（对/d）（7－8）
3.加强通过能力的临时措施
1）开行续行列车
2）在双线区段组织反方向发车
如图7－3所示。
（a）半自动闭塞（b）自动闭塞
图7－3双线区段组织反方向发车
图7－4钟摆式列车运行图
3）组织钟摆式运行
钟摆式运行就是在一昼夜的一段时间完全开行上行列车，而在另一段时间完全开行下行列车，依次交替，既能追踪运行，又不必在中间站会车，如图7－4所示。
（三）减少旅客列车扣除系数
编制列车运行图时，若能使多数车站都要停车的普通旅客列车按货物列车运行线铺画，则可减小这些旅客列车的扣除系数，使线路通过能力有所提高。
若能使旅客快车集中发车，也可减小这些旅客快车的扣除系数，提高通过能力。
（四）提高列车运行速度
提高列车运行速度可以减少列车占用各项铁路设备的时间，从而可以提高铁路通过能力。
提高列车运行速度涉及众多的技术经济因素，是一个复杂的技术经济问题，相关知识将在本章第二、三节详细介绍。
（五）采用动能闯坡、补机推送或双机牵引
1.利用动能闯坡
当一个区段内有个别陡而短的坡段限制了全区段的牵引吨数时，可采取适当措施，如使列车在陡坡前的车站不停车，借助司机的先进操纵技术，以提高陡坡前的列车速度和爬坡时的机车牵引力，使机车能牵引较重的列车，利用动能闯过陡坡，从而能提高全区段的牵引吨数。
图7－5牵引吨数与坡顶速度关系曲线
采用动能闯坡时，通常应使列车到达坡顶的速度不低于机车计算速度，并据此确定动能闯坡的牵引吨数。
牵引吨数可用图解法确定。
其方法是先假定2～3个牵引吨数，根据线路平纵面，分别绘出速度距离曲线，得到2～3个相应的坡顶速度，据此可绘出牵引吨数与坡顶速度的关系曲线，如图7－5所示。
在曲线上，可找到与机车计算速度对应的牵引吨数，即能以机车计算速度闯过坡顶的牵引吨数。
必要时，允许将坡顶速度适当降低，但一般不宜低于15～20km/h。
2.补机推送
若区段内个别位于车站附近的陡坡，限制牵引吨数且利用动能不能闯上坡顶时，可采用补机推送办法，以提高牵引吨数和行车速度。
补机挂在列车尾部，可推送到下一车站，然后附挂在对向列车上，折回补机站；亦可将列车推送到陡坡坡顶，在区间摘钩折返。
补机推送可在单线区段和非自动闭塞的双线区段采用。
其通过能力应根据行车组织和补机运行方式进行计算。
图7－6为单线区间补机推送运行图。
其中（a）图为补机在全区间推送，（b）图和（c）图为补机在区间摘钩折返。
（b）图中补机推送与折返时分之和
不大于上坡列车区间走行时分tW，（c）图中
。
图7－6（a），（b），（c）的区间通过能力计算式分别为式（7－9）、式（7－10）、式（7－11）。
（a）全区推送（b）tBW＋tBF≤tW（c）tBW＋tBF>tW
图7－6单线补机推送运行图
（对/d）（7－9）
（对/d）（7－10）
（对/d）（7－11）
（六）开行组合列车，发展重载运输
两列货车合并运行，在运行图上仅占用一条列车运行线，而牵引吨数加倍，故可达到提高输送能力的目的。
开行组合列车是一种投资少、见效快、效益好的扩大运输能力的措施，但要根据各区段的不同技术条件和车流条件以及开行组合列车对通过能力影响的大小加以采用。
开行组合列车，应将起讫车站（区段站或编组站）一股到发线的有效长度加长一倍，供组合列车连挂出发和到达分开；一般车站不需延长站线，普通列车在侧线待避，组合列车在正线通过。
区段内少数车站可将一股到发线延长，供旅客快车交会和越行组合列车时，组合列车停站之用；单线区段还可利用延长的站线进行双方向组合列车的交会。
二、改革牵引动力与信联闭的措施
（一）增大牵引功率的措施
增大牵引功率不但可以提高牵引吨数，并且可以提高运行速度，相应增加通过能力。
牵引吨数提高后，车站到发线有效长度也要相应加长。
1.采用多机牵引
2.采用大功率机车
3.采用电力或内燃机车
（二）改换信联闭设备
改善信号、联锁、闭塞设备，是保证行车安全、提高通过能力、改善运输工作指标的重要措施。
采用较完善的信号、联锁、闭塞装置，可使列车在车站上交会、越行的作业时间缩短，从而提高通过能力。
车站间隔时间缩短后，区段速度也相应提高；可加速机车车辆周转，降低运输成本。
三、改建工程设施的措施
（一）增减车站或线路所
1.增设车站或线路所
如图7－7所示。
图7－7站间最短距离
（m）（7－12）
按我国目前的行车速度、列车长度、制动距离、闭塞方式等条件推算，站间最短距离一般不宜短于6km。
在未安装自动闭塞的区段，若控制区间设站困难，可考虑在两车站之间加设线路所，以组织连发列车，提高通过能力。
在采用推送补机的单线区段，为减少或消除补机折返对通过能力的影响，通常也可以修建线路所，作为采用推送补机的辅助措施。
在单线区段设置线路所，不仅会增加相对方向列车交会的时间，从而降低旅行速度，而且在开设线路所后，其通过能力往往受其他区间的限制。
因此，只有在地形条件不便增设会让站，且上下行方向的行车量显著不平衡的单线区段，才采用这种措施。
2.关闭车站
改建既有线或增建第二线时，在通过能力允许的情况下，宜关闭作业量较小的车站。
在提速线路上，由于列车速度的提高，从而减少了两车站之间的列车走行时分。
当两站间列车走行时分不满足式（7－12）的要求时，则需关闭一些只办理列车会让、越行作业的会让站和越行站。
（二）延长到发线有效长度
增大牵引功率和减缓最大坡度，目的都是使牵引吨数增大，列车长度增长。
当既有车站到发线长度不足时，应根据需要予以延长。
需要的到发线有效长度LYX，视守车是否取消，用下列公式计算：
有守车时
（m）（7－13）
无守车时
（m）（7－14）
至于因延长到发线有效长度或其他原因需要改建既有车站时，在特殊困难条件下，如有充分技术经济依据，站坪正线的曲线半径和坡度可比新线标准降低，保留现状。
（三）削减超限坡度和减缓限制坡度的措施
为了提高牵引吨数或统一全线的牵引定数，在改建既有线时，可采用减缓最大坡度的措施。
但落坡就要改线，往往造成大量废弃工程，投资巨大，干扰运营，且占用农田。
因此既有线改造设计的原则应当是力争用牵引动力来提高牵引吨数，尽量避免落坡改线，节约改建投资，加快改造进程，减少运营干扰。
（四）增建第二线及其过渡措施
增建第二线是提高铁路能力最有效的措施，但造价很高。
在运量增长不快的既有线上，应采用分阶段逐期加强的措施，如向控制区间延长站线，或在控制区间修建第二线，提高全区段的通过能力，最后再过渡到全线复线。
这样，既可满足近期运量增长，节省了初期投资，又能在修建第二线时，充分利用初期增建的工程，不会造成废弃。
图7－8向控制区间延长站线
1.向控制区间延长站线
图7－8为把控制区间的运行图周期缩短一个不同时到达时分tB的延长站线示意图。
图中注出（1001）的虚线，系延长站线后1001次车的运行线。
根据移动后的1001次车运行线（虚线）和1002次车运行线，可初步确定延长站线的长度lYC。
2.修建双插段，组织不停车交会
若既有车站两相邻区间都是限制通过能力的控制区间，则可将车站站线向两端区间延长，使列车在此车站有可能组织不停车交会，如图7－9所示。
图7－9双线插入段图
下行
图7－10双插段长度计算示意图
将以上三式联立求解，可得Lx，如（7－15）式。
用上述同样方法，可得上行列车晚点时车站右侧的站线长度Ls（m），如（7－16）式。
双插段的全长L为Lx与Ls之和。
（m）（7－15）
（m）（7－16）
（m）（7－17）
3.在控制区间铺设第二线
控制区间铺设第二线后，可在此复线区间组织不停车交会，以提高通过能力，并可作为全线复线的一个过渡阶段。
这种措施一般适用于下列情况：
①控制区间为持续陡坡地段，增设车站与延长站线都比较困难时；
②当向区间延长站线后，单线区间长度不足3km时；
③控制区间的坡度陡长，既控制通过能力，又限制牵引质量时（可将既有线作为复线的下坡方向运行线，而第二线采用较缓的坡度作为复线的上坡方向运行线，这样，既增加了通过能力，又提高了牵引吨数）。
4.增建第二线
当既有铁路的运量增长迅速，采用其他加强措施，只能将修建第二线的期限稍微推迟，为了减少频繁施工对正常运营的干扰，在全线一次修建第二线，往往是合理的。
复线自动闭塞的通过能力比单线提高3～4倍，区段速度比单线提高30%左右，运营费用比单线降低20%左右。
（五）道口的改善与加强
随着公路运输的发展、农用机械的加多和铁路行车量的增大，既有线的原有道口可能需要改建。
应参照道路交叉的有关规定，结合线路平纵面的改建，改造道口和完善道口设施，如修建立交桥、完善预报装置和自动栏木等，以确保安全。
在速度超过160km/h的线路上，全线应按全封闭、全立交进行改造。
列车速度小于160km/h但大于120km/h区段的平交道口应改造为立交，确实难以改为立交桥的无人看守道口，必须改为有人看守道口。
尚未改立交的有人看守区间道口采用的道口信号、道口自动控制设备，应延长报警距离，并加装遮断信号、无线预警及防闯设备。
平交道口改为立交和增建立交桥涵，宜设在路堤较高或路堑很深的路段。
（六）轨道加强
随着既有线的运量增长，原轨道结构一般偏弱，致使维修工作量加大，大修周期缩短，干扰正常运营。
既有线加强时，应结合线路改建，根据线路年通过总质量、最高行车速度选用相应的轨道类型
四、修建三线、四线、分流线
客货运输并重的双线铁路，绝对行车量可达120对左右。
但是随着客货行车量的增大，单位运营支出亦将大幅增加。
当旅客列车行车量达到30～50对时，双线的最有利行车量超过95～110对时，就应考虑新建分流线或增建第三、四线。
五、既有线加强的总体设计
既有线加强要根据客货运量的增长特点，既有线的工程、设备情况和地形条件，做好总体规划；要因地制宜尽量利用原有设施，采取综合措施，确定逐期加强方案，以达到投资少、能力大、经济效益高的目的。
（一）总体设计的工作内容
总体设计包括两方面的工作，一是协调既有线的综合输送能力，二是拟定逐期加强的
措施。
既有线的综合输送能力体现在点、线协调上。
提高既有线的输送能力，不仅是增加线路的牵引吨数和通过能力，还要使其他能力与线路能力相协调，如中间站的股道数目和有效长度，电力牵引的供电设备，有关机务段的检修能力，有关编组站的解编能力；以及既有线和其他铁路交叉处联络线的修建和枢纽的扩建。
有时，既有线加强后，邻接铁路的能力可能成为限制因素。
逐期加强措施，应当在总体规划的指导下拟定。
一方面使输送能力逐期提高，与运量逐步增长相适应，不宜毕其功于一役，造成能力过大，设施闲置，投资浪费；另一方面要使各期加强措施相互配合，既能充分利用原有的工程设备，又不致引起新的废弃工程。
（二）总体设计的原则
总体设计时，要千方百计利用原有的工程和建筑物，力争用新型的运输方式和先进的技术装备提高能力，尽量避免土建工程的改建，更不应大拆大改、大量废弃原有工程。
以下几点应当注意：
1.加强方式的选择原则
首先，要考虑运输组织上的革新挖潜，如货物组合列车，旅客列车扩大编组，补机牵引、特种运行方式等。
在改建施工的过渡期间，为了完成运输任务，更应不受传统运输方式的约束，在运输组织上挖掘潜力。
其次，应考虑运输设备的加强，如信集闭的更新，牵引动力现代化，加设车站和线路所等。
这种加强方式投资少、见效快，干扰较小，宜优先选用。
土建工程的改建，如落坡改线、增建二线等措施，投资大，干扰严重，必要时才应采用。
2.加强规模的拟定原则
既有线加强应首先加强那些限制能力提高的薄弱环节，不应该一旦项目成立就进行全线普遍改建。
电化改造只应当更新、改建那些与提高能力有关的项目。
修建第二线应逐步过渡，使能力提高与运量增长相适应，对运量增长快的线路，宜一次建成双线铁路。
3.力争减小施工与运营的相互干扰
改建既有线和增建第二线，都是在正常的运营情况下进行施工，不可避免地要造成施工对运营的干扰，如封锁区间中断行车、列车慢行，以及工程运输对线路通过能力的影响等等。
另一方面，当既有线改建时，为了保证正常运输和行车安全，又不可避免影响正常施工，因而运营又干扰施工。
因此，在选择加强方案时，应充分考虑施工和运营的相互干扰，在设计上拟定相应措施，决定合理的施工期限，在施工组织上要根据运输需要安排施工顺序，争取尽早为运营提供有利条件。
在改建既有线、挖切路基（削减坡度或整治路基病害）、改建桥涵和隧道建筑物施工时，为了不中断行车，避免干扰运营，常采取修建便线以及其他一些维持临时通车的施工措施。
这些措施，都或多或少会限制行车速度，影响运输，且造成一定的废弃工程。
（三）适应运量图
图7－11适应运量图
选定的各种加强措施，除必须满足其采用期间的运量要求外，还应具有一定的富余能力。
富余能力不宜过大，以节约国家早期投资；同时，各期加强措施，一般要能够适应5年左右的运量增长，以免铁路经常处于改建之中，影响正常运营。
选择加强措施方案时，可绘出适应运量图，确定各种加强措施的适用年限，并研究各种加强措施逐步过渡的可能性与合理性，分析其技术经济效果，以决定其取舍。
适应运量图（见图7－11）中绘出的两组曲线：
一组（仅一条）表示既有线各设计年度运量增长情况，它是根据运量预测取得的各年度货运量绘出的，由于货运量逐年增长，曲线亦不断升高；另一组（有几条）是各种加强措施可能完成的输送能力曲线，随着既有线的客运、零担、摘挂列车的逐年增加，直通货运通过能力的相应减小，输送能力也将随之减少，故同一加强措施的输送能力曲线呈下降之趋势。
两组曲线的交点，表示该项加强措施能适应运量要求的年度。
阴影部分表示富余的能力，亦称储备能力。
各阶段加强措施的改建时机，应早于铁路输送能力的饱和年度，以缓和施工和运营的相互干扰，降低施工干扰的费用。
改建时机应根据改造工程的难易和运量增长的快慢来确定，以保证改建工程在能力饱和前交付使用。
一般认为：
线路能力利用率达75%～85%，车站到发线能力利用率达80%左右，编组站解编能力利用率达85%～90%时，开始改建为宜。
（四）通过能力图
若各种加强措施的牵引吨数不变，则可绘制区段通过能力图，表示各期加强方案的通过能力和需要的通过能力间的适应情况。
图7－12是修建第二线分期过渡的通过能力图。
过渡措施有增站、控制区间修建双插段与局部区间复线并安装自动闭塞调度集中，最后全线修建第二线。
绘制需要通过能力图。
第二节铁路客运提速
一、旅客列车提速目标值与提速实施方案的选择
（一）旅客列车提速目标值
列车速度是衡量铁路水平的重要指标，通常以最高速度与旅行速度为代表。
铁路最高速度是旅客列车发展的标志，其速度值大小决定于机车功率、机车车辆构造速度、制动性能、线路结构、道岔和信号设备等的水平。
它是既有铁路技术改造和设备更新以及新线建设技术标准的依据，也是各种装备和运输组织相互配合的综合指标。
铁路客货列车旅行速度（包含了列车在沿途各中间站停站及起停车附加的全部时间），是考核铁路各级组织对旅客列车始发、终到站间及货物列车在区段内运行与各种停站作业成绩的指标。
即考核机车保养质量、司机操纵技术、工务线路维修质量、行车调度指挥等各部门，特别是机务部门及运输组织工作方面的综合水平。
铁路旅行速度高低，直接关系到机车车辆周转、旅行时间的长短，从而影响到乘客能否快速旅行及货物能否快速送达。
因此，列车旅行速度是铁路运营的重要指标之一，大幅度提高客货列车旅行速度，具有重要的现实意义。
（二）既有铁路列车提速的分步实施方案
为了实现上述目标，各国大都采取两步走的方案。
在初期，把旅客列车最高速度提高到140～160km/h，然后再把列车最高速度提高到200km/h。
这是因为列车提速到200km/h时其技术要求较高，设备改造的费用较大，提速效益并不占明显优势。
根据各国铁路的经验，在客货列车共线的既有铁路上，行驶快速旅客列车的要求条件如下：
1.既有干线最高速度为140km/h的提速改造
最高速度为140km/h时，一般用既有运用的机车车辆、线路和通信信号设备，改造工程量较小，投资少，见效快。
2.既有线最高速度为160km/h的提速改造
最高速度为160km/h时，可利用现有的技术设备，稍许改善线路平纵横断面，改进机车车辆的走行部分，提高牵引力和制动力，采用自动闭塞等；德国道口采用闪光信号灯加半栏木。
3.既有线最高速度提高到200km/h的提速改造
最高速度提高到200km/h时，需对既有客货共线的线路，改善线路平、纵、横断面，采用多显示（四显示等）机车信号或增加信号显示。
如日本和法国，当速度超过160km/h时，用列车速度控制设备补充地面信号系统；德国铁路则采用连续式列车速度控制装置，它既能减轻司机瞭望信号的负担，又能为程序控制列车运行操作提供条件。
这样，首先能提高各种速度列车混运线路的通过能力；另外，需更好地提高制动力，如采用电空制动和磁轨制动，还要将平交道口改为立交等。
繁忙既有干线旅客列车要求最高速度提高到200km/h，一般是高速列车下高速线或联络线等线路。
4.新建高速客运专线
由于地区自然条件的差异和经济发展不平衡性等因素的影响，铁路客、货运量的增长突出地表现在位于人口稠密、工业集中、交通便利、经济发达的城市化地带，沟通国家重要经济大区的繁忙铁路干线上，即具有运量集中化的趋向。
对于客货运输繁忙干线的技术改造，当其技术负荷达到一定水平之后，应当修建高速客运专线，实现客货运输分流和快速旅客运输，从而大大提高铁路运输能力。
根据国际铁路协会（IRCA）和国际铁路联盟（UIC）研究，就欧洲而言，在既有线客、货能力已经饱和的条件下，双向年客运量达到和超过1000万人时，修建高速客运专线是有利的。
根据德、法、比利时三国研究，在既有线能力饱和的条件下，当双向年客运量大于500万人时，修建客货共线的高速铁路是有利的。
三、提高客运速度的列车体系技术条件
列车体系指机车牵引式的机车车辆组合以及动车组式的动力车与拖车的组合，其相关技术条件包括牵引性能、制动性能（含动力制动等）、动力学性能和热力学性能（含能耗、空调等）等。
列车体系是列车运行的重要组成部分，直接影响列车的安全、快捷、舒适和经济运行。
（一）提速对列车牵引性能的要求
在既有线上开行提速列车，需要机车提供足够的牵引力，以克服列车运行过程中因速度提高而增大的各种阻力。
在其他因素不变的情况下，牵引功率需要量的增长与速度的提高和列车阻力的变化成正比。
列车阻力是一个随速度变化的变量，作为其主要成分的空气阻力也与速度平方成正比。
1.列车最高速度与机车车辆构造速度
2.牵引参数与保有加速度
3.客运机车或动车组牵引性能
4.货运机车牵引性能
5.牵引动力起动性能
（二）提速对列车制动性能的要求
列车制动性能是机车（或动力车）与车辆（或拖车）制动系统的综合表现，是安全与提高制动减速度的保证条件，因而也是提高列车平均速度的基础。
列车在实际运行时，常用制动减速度只有紧急制动时的50%～80%，所以常用制动距离约为紧急制动距离的两倍。
制动方式的多元组合，制动系统的强化，导致紧急制动减速度的提高，也相应提高了常用制动减速度。
国外有些列车紧急制动减速度达到1.4m/s2，常用制动减速度也有1.1m/s2。
这样既有利于安全，有利于提速，也有利于信号机的布置。
提高列车下坡道（有时甚至是平道或小的上坡道）的制动限速，也是对列车制动性能的要求。
一种现实有效的方案是合理提高列车换算制动率100
（即每百kN列车重力的闸瓦力kN数）及延长紧急制动距离。
（三）提速列车的牵引动力选型
1.繁忙干线客运提速机车选型
2.繁忙干线货运提速机车的选型
四、提高客运速度的线路技术条件
（一）线路平、纵断面
1.线路平面
1）曲线限速
普通客车的曲线限制
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