《鐵路選線設(shè)計(jì)》本科課件

《鐵路選線設(shè)計(jì)》本科課件,鐵路選線設(shè)計(jì),鐵路,設(shè)計(jì),本科,課件 世界高速鐵路的發(fā)展動態(tài)世界高速鐵路的發(fā)展動態(tài) 速度是具有時(shí)間性的相對概念，不同歷史時(shí)期由于具有不同的科技水平和技術(shù)裝備，形成不同的速度標(biāo)準(zhǔn)。速度是現(xiàn)代交通運(yùn)輸?shù)拿}，鐵路發(fā)展不斷探索提速的可能性。時(shí)間國家機(jī)車類型速度(km/h)時(shí)間國家機(jī)車類型速度(km/h)19世紀(jì)末英、法蒸汽1451893美國內(nèi)燃1811903德國電力2101930德國內(nèi)燃2301955法國電力3311988德國ICE406.91990法國TGV-A515.31993日本STAR21425一、發(fā)展概況分類：世界高速鐵路：Vmax200km/h 旅行速度150km/h快速鐵路：Vmax=140160km/h 長速鐵路：Vmax=120km/h 我國準(zhǔn)高速鐵路：Vmax=160km/h 快速鐵路：Vmax=140km/h 1、第一次世界大戰(zhàn)前2、兩次大戰(zhàn)中間3、二次大戰(zhàn)后二、發(fā)展前景（一）經(jīng)濟(jì)速度（二）粘著鐵路的極限速度（三）氣墊車（四）磁浮車常導(dǎo)體吸引式磁浮車超導(dǎo)體相斥式磁浮車（五）管道磁浮三、高速鐵路的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特征（一）優(yōu)越性速度快、旅行時(shí)間短行車密度高、運(yùn)能大舒適性好占地少能耗低環(huán)境污染小社會效益高效率和效益好列車運(yùn)行準(zhǔn)點(diǎn)安全可靠（二）高速鐵路的技術(shù)條件最大坡度最小曲線半徑線間距離各類工程的長度比重（三）超高速鐵路技術(shù)空氣阻力值的計(jì)算公式空氣阻力值的計(jì)算公式線路線路車輛車輛行車行車配套設(shè)施及維護(hù)配套設(shè)施及維護(hù)工程造價(jià)分析工程造價(jià)分析1.空氣阻力值的計(jì)算公式D0.5pcdv2A(cdp+l/d)p空氣密度(公斤立方米)cd空氣阻力系數(shù)V列車速度(米秒)A列車斷面(平方米)cdp列車壓力阻力系數(shù)列車側(cè)面氣動摩擦指數(shù)l列車長度(米)d列車氣動直徑(米)2.線上建筑物超高速鐵路的線路，在平原和丘陵地區(qū)，主要由高架超高速鐵路的線路，在平原和丘陵地區(qū)，主要由高架橋組成。橋組成。高架橋一般為箱形斷面，跨度為高架橋一般為箱形斷面，跨度為3050米簡支鋼筋混米簡支鋼筋混凝土梁，列車行駛在凝土梁，列車行駛在“箱內(nèi)箱內(nèi)”箱內(nèi)的隔版有洞口，箱內(nèi)的隔版有洞口，互相連通。梁與梁之間采用可伸縮的專用連接件使其互相連通。梁與梁之間采用可伸縮的專用連接件使其密封。為使梁體有足夠的氣密性，箱型梁內(nèi)部貼一層密封。為使梁體有足夠的氣密性，箱型梁內(nèi)部貼一層薄鋼版。薄鋼版。箱形梁宜采用城市地鐵限界，如有可能，也可采用東箱形梁宜采用城市地鐵限界，如有可能，也可采用東京地鐵京地鐵12號線上的小斷面結(jié)構(gòu)，以節(jié)省投資。號線上的小斷面結(jié)構(gòu)，以節(jié)省投資。當(dāng)線路需要跨越大江大河時(shí)，可采用鋼桁梁，在桁架當(dāng)線路需要跨越大江大河時(shí)，可采用鋼桁梁，在桁架內(nèi)拼裝箱型管道。內(nèi)拼裝箱型管道。在一些地方，可采用明挖法修建淺埋隧道；在山區(qū)，在一些地方，可采用明挖法修建淺埋隧道；在山區(qū)，也可修建山嶺隧道也可修建山嶺隧道。3.車輛由于超高速鐵路的列車是在低真空管道內(nèi)行駛，其氣密性要求很高。但是，由于列車無轉(zhuǎn)向架，車體輕；更由于列車運(yùn)行阻力極小，車體的重量已不是設(shè)計(jì)中主要考慮的問題。可用輕鋼結(jié)構(gòu)而不是鋁合金結(jié)構(gòu)制造車體。實(shí)現(xiàn)車體本身的氣密性。車箱無窗戶；兩車箱之間連接處的氣密性也不難達(dá)到。保證氣密性唯一困難的地方是車門。根據(jù)車體內(nèi)外壓力差(車內(nèi)為常壓)，車門應(yīng)設(shè)計(jì)成向內(nèi)開啟然占用了一定空間，由于內(nèi)外壓差的作用，車門周邊可以相互貼緊，形成基本不漏氣。車箱內(nèi)設(shè)置能循環(huán)的空氣調(diào)節(jié)裝置。新鮮空氣和廢氣都經(jīng)過壓縮貯存鋼瓶內(nèi)。就是說，最好不讓廢氣排入隧道內(nèi)。4.行車超高速鐵路以行駛客車為主，也可行駛專為這種超高速鐵路設(shè)計(jì)的、牽引重量與客車相同的快運(yùn)貨物列車。旅客列車可分為由起點(diǎn)站直達(dá)終點(diǎn)站的直達(dá)快車及普通列車。由于列車的制動與現(xiàn)行高速鐵路不同，其制動距離和所需時(shí)間，是由旅客的舒適度控制。一般來說，列車以3.5米秒2做勻加(減)速運(yùn)行，都能習(xí)慣。超高速列車可以利用其控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)啟動和停車的精確控制。5.配套設(shè)施及維護(hù)超高速鐵路是一個自成體系的客貨運(yùn)輸綜合體系。除線路、車輛(動車組)、牽引供電、通信信號等設(shè)施外，還必須設(shè)置一定數(shù)量的無人值守中間泵站、全線可視監(jiān)控系統(tǒng)、全線結(jié)構(gòu)物狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)等，以確保超高速列車安全可靠地運(yùn)行。超高速鐵路的日常維護(hù)是在低真空狀態(tài)下進(jìn)行，當(dāng)某一地段的線路，甚至構(gòu)筑物可能出現(xiàn)大的問題需要“大修”或更換時(shí)，可把兩節(jié)專用車駛?cè)牍艿纼?nèi)，從內(nèi)部把某一段隔開，放入空氣，在正常狀態(tài)下進(jìn)行作業(yè)。6.工程造價(jià)分折高速鐵路造價(jià)高主要不在土建方面，而在各種引進(jìn)設(shè)備和車輛購置。超高速鐵路的造價(jià)又要比現(xiàn)代高速鐵路高一些，主要由于線路全部高架或部分高架、部分在地下，如果說，日本的新干線70%高架和位于隧道內(nèi)，那么，超高速鐵路權(quán)增加30%高架橋或隧道。而且，由于列車荷載輕，并且適當(dāng)?shù)販p少限界(日本東京地鐵12號線采用小斷面隧道內(nèi)徑43米)，橋梁單位長度的圬工量與現(xiàn)行高速鐵路的橋梁單位長度圬工量增加不會很大。總結(jié)從以上六個方面可知，超高速鐵路并不涉及現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)(工程技術(shù))不能解決的難題，通過廣泛的研究試驗(yàn)、精心設(shè)計(jì)、精心施工，是可以實(shí)現(xiàn)的。就是說，超高速鐵路無論在理論上還是在實(shí)踐上都是可行的。超高速鐵路磁懸浮鐵路 列車最高運(yùn)行速度超過350km/h的鐵路稱為超高速鐵路。目前一般認(rèn)為輪軌接觸型鐵路的實(shí)用最高速度為350km/h左右，故欲使列車達(dá)到更高的運(yùn)行速度，不能依靠傳統(tǒng)的輪軌接觸方式，而要依靠其他的牽引方式來降低列車運(yùn)行阻力。為此國際上曾研制過氣墊列車等新型的鐵路運(yùn)輸工具，但目前比較成熟的超高速鐵路技術(shù)仍然為磁懸浮鐵路技術(shù)。磁懸浮鐵路目前分為中低速磁懸浮和高速磁懸浮兩種類型，列車最高運(yùn)行速度超過350km/h的磁懸浮鐵路應(yīng)該成為超高速磁懸浮。目前中美兩國正在研制磁懸浮飛機(jī)，其最高運(yùn)行速度為500km/h。這種磁懸浮飛機(jī)也應(yīng)該稱作超高速磁懸浮鐵路。超高速鐵路磁懸浮鐵路各種鐵路的優(yōu)勢范圍旅客總出行時(shí)間優(yōu)勢距離優(yōu)勢運(yùn)行速度在中國全國范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)一日往返（一）旅客總出行時(shí)間旅客出行的總出行時(shí)間等于旅行時(shí)間與附加時(shí)間之和。旅客的旅行時(shí)間是指旅客在所討論的主要運(yùn)輸工具上的純旅行時(shí)間。旅客出行的附加時(shí)間為旅客總出行時(shí)間與旅行時(shí)間的差值，主要包括在一次出行中花費(fèi)在其它運(yùn)輸工具上的時(shí)間。粗略計(jì)算，旅客出行的附加時(shí)間高速公路為零，高速鐵路為1.0h，航空為2.5小時(shí)（上飛機(jī)前1.5h，下飛機(jī)后1.0h）。（二）優(yōu)勢距離 優(yōu)勢距離小汽車的優(yōu)勢距離 飛機(jī)的優(yōu)勢距離 磁懸浮鐵路的優(yōu)勢距離 高速鐵路的優(yōu)勢距離 快速鐵路的優(yōu)勢距離 （二）優(yōu)勢距離定義：優(yōu)勢距離是指某種交通運(yùn)輸方式在某一種運(yùn)行速度條件下，與其他交通運(yùn)輸方式或其他運(yùn)行速度相比，使乘客的總旅行時(shí)間最短的運(yùn)送距離。一般情況下是指一定的距離范圍。當(dāng)小汽車、飛機(jī)的運(yùn)行速度固定而列車的運(yùn)行速度變化時(shí)，根據(jù)旅客總的旅行時(shí)間，可得出3種交通運(yùn)輸工具優(yōu)勢距離范圍。優(yōu)勢距離圖 優(yōu)勢距離表(km)列車速度(km/h)小汽車(V=200km/h)鐵路飛機(jī)(V=700km/h)179.536236220030042025023058330020078835018310504001711400450164189050015826255501543850說明1.上述的優(yōu)勢距離只是根據(jù)旅客出行時(shí)間最短確定的，沒有考慮工程造價(jià)、票價(jià)等經(jīng)濟(jì)因素，也沒有考慮旅客舒適程度、服務(wù)質(zhì)量等方面的因素。2.乘客在選擇交通工具時(shí)還要考慮其他因素：配有臥鋪車廂的夕發(fā)朝至列車很受歡迎，即使列車運(yùn)行時(shí)間比飛機(jī)多幾個小時(shí)，由于避免了乘飛機(jī)需要提前一天到達(dá)、另外花錢租住旅館等弊端，乘客一般會選擇火車而不選擇飛機(jī)。3.考慮這些因素之后，鐵路的優(yōu)勢距離還會提高。（三）優(yōu)勢運(yùn)行速度 優(yōu)勢運(yùn)行速度鐵路優(yōu)勢運(yùn)行速度的下限值 磁懸浮鐵路最高運(yùn)行速度的下限值 磁懸浮鐵路填補(bǔ)了高速鐵路與航空之間的速度斷檔 1.優(yōu)勢運(yùn)行速度 優(yōu)勢運(yùn)行速度是指某一種交通運(yùn)輸工具在一定的運(yùn)輸距離內(nèi)使得總出行時(shí)間最小的運(yùn)行速度。例如，乘坐磁懸浮鐵路旅行1400km所對應(yīng)的優(yōu)勢運(yùn)行速度為400550km/h，旅行420km時(shí)為200550km/h。2.鐵路優(yōu)勢運(yùn)行速度的下限值 在快速鐵路（120km/h至200km/h）的速度范圍內(nèi)，小汽車與飛機(jī)的速度線有一個交點(diǎn)，所對應(yīng)的旅行距離為362km、旅行時(shí)間為3.02h，此時(shí)所對應(yīng)的列車的運(yùn)行速度約為180km/h。該點(diǎn)是一個臨界點(diǎn)，在所討論的情況下，當(dāng)列車的運(yùn)行速度小于180km/h時(shí)，乘坐火車的旅客總出行時(shí)間都比小汽車長，鐵路不具有優(yōu)勢；只有列車的運(yùn)行速度高于180km/h并且旅行距離大于362km時(shí)鐵路才具有優(yōu)勢。因此，在所討論的條件下，鐵路優(yōu)勢運(yùn)營速度的下限值應(yīng)該是180km/h。3.磁懸浮鐵路最高運(yùn)行速度的下限值 磁懸浮鐵路的優(yōu)勢速度范圍，在所討論的條件下可以擴(kuò)展為180550km/h。由于目前時(shí)速300km的高速鐵路技術(shù)已經(jīng)成熟，并且磁懸浮鐵路在工程經(jīng)濟(jì)、乘客換乘方便等方面不如高速鐵路，故對于長距離的旅客運(yùn)輸而言，磁懸浮鐵路的最高運(yùn)行速度的下限值定為350km/h比較合適。4.磁懸浮鐵路填補(bǔ)了高速鐵路與航空之間的速度斷檔 在350km/h的運(yùn)行速度之下，公路和鐵路的運(yùn)行速度是連貫的，從公路、高速公路、常速鐵路、快速鐵路到高速鐵路，之間沒有速度斷檔。飛機(jī)的地面速度取700km/h，這在國內(nèi)航空運(yùn)輸中是比較合適的。這樣在高速鐵路與航空運(yùn)輸之間目前就明顯地存在一個速度斷檔，這從綜合交通運(yùn)輸體系的角度來看是有缺陷的。目前磁懸浮鐵路的最高試驗(yàn)速度為552km/h，設(shè)計(jì)的最高運(yùn)行速度為500km/h。因此目前的磁懸浮鐵路起碼可以補(bǔ)充350500km/h范圍之內(nèi)的速度空檔。將來運(yùn)行速度可以填補(bǔ)余下的500700km/h的速度斷檔，而且有可能超過飛機(jī)的飛行速度。（四）在中國全國范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)一日往返 目前中國鐵路一日到達(dá)的距離范圍為2000km左右。若磁懸浮列車運(yùn)行速度的按500km/h考慮，磁懸浮直達(dá)列車半日到達(dá)的距離為5750km，將覆蓋中國全國的范圍。按現(xiàn)有鐵路線里程計(jì)算，中國省會城市之間的最大距離為5062km（哈爾濱至烏魯木齊）。時(shí)速500km的磁懸浮鐵路，直達(dá)列車在這兩個城市間運(yùn)行只需要11小時(shí)。而目前兩個城市之間特快列車的運(yùn)行時(shí)間為37個小時(shí)。（四）在中國全國范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)一日往返 考慮將來在一些中途大站停車等因素，磁懸浮列車的運(yùn)行時(shí)間會增加一些，但同時(shí)由于磁懸浮鐵路的實(shí)際運(yùn)行線要比既有鐵路線會縮短，故實(shí)際運(yùn)行時(shí)間會在12小時(shí)以內(nèi)。因此將來依靠磁懸浮鐵路，可以在中國全國的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)當(dāng)天往返的目標(biāo)。這將使鐵路的競爭力大幅度提高。將來在磁懸浮鐵路成網(wǎng)以后，人們的長距離出行有可能將主要依靠磁懸浮鐵路。三 高速鐵路的發(fā)展傳統(tǒng)鐵路面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)高速鐵路發(fā)展階段高速鐵路發(fā)展過程各國高速鐵路里程高速鐵路模式（一）傳統(tǒng)鐵路面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)1825年之前為水運(yùn)時(shí)期1825年至上世紀(jì)三十年代為鐵路時(shí)期列車的速度提高緩慢，V旅60-70km/h鐵路N少,I長,T站長,T旅長,失去競爭力不同方式旅客周轉(zhuǎn)量在市場中的份額（二）高速鐵路發(fā)展階段第一代:V=200-250km/h,輪軌粘著制日本東海道新干線,1964年,V=210km/h第二代:V=250-400(350)km/h,輪軌粘著制上越新干線(260),北陸新干線(270),京滬第三代:V=400(350)-550km/h,磁懸浮試驗(yàn)速度:德國440km/h,日本550km/hMLX-01磁懸浮高速列車第四代:V=2000-3000km/h,磁懸浮 高架低真空管道,空氣10-20%,未來10年 第五代:V=22,500km/h,真空磁懸浮紐約至洛杉磯只需半小時(shí),為設(shè)想對“未來地鐵”的原理進(jìn)行的簡化-第四代管道內(nèi)真空度由完全真空變?yōu)榈投日婵?，保?020%的空氣，即將常溫時(shí)的空氣密度1.2kg/m3降為0.12-0.24kg/m3。列車時(shí)速由22500公里降低為2000-3000公里；把“地下鐵道”改成主要以高架橋?yàn)橹饕问?，以降低工程造價(jià)。經(jīng)過了這些簡化之后，在充分利用當(dāng)代科技成果的基礎(chǔ)上大力開展試驗(yàn)研究，未來10年以后，這種超高速鐵路很可能成為現(xiàn)實(shí)。低真空管道式超高速鐵路-第五代 70年代末，美國一家咨詢公司設(shè)計(jì)了一種稱為“行星號”的未來地下鐵道，理論時(shí)速可達(dá)22500公里，這種超高速列車不但可以獲得極高的速度，而且其運(yùn)營費(fèi)比普通鐵路便宜90%，比飛機(jī)便宜95%。這是一種理想型的超高速鐵路，限于現(xiàn)代科技水平，“未來地鐵”還難以實(shí)現(xiàn)。而且在當(dāng)今世界上，把列車提高到那樣高的速度也沒有這種必要性（三）高速鐵路發(fā)展過程1903年10月德國電動車試驗(yàn)速度210km/h1955年3月法國試驗(yàn)速度331km/h1964年10日本東海道新干線,V=210km/h1981年法國建成TGV東南線,V=270km/h1990年5月法國創(chuàng)造了513.5km/h的最高時(shí)速1991年德國高速鐵路,V=280km/h意大利(1988),英國(1989),西班牙(1988年,擺式列車)等國家先后建成高速鐵路（四）各國高速鐵路里程（五）高速鐵路模式日本新干線:全部修新線,旅客列車專用,動力分散型,獨(dú)立轉(zhuǎn)向架日本400系列高速列車法國TGV:部分新線,部分舊線,客車專用,動力集中型,鉸接式轉(zhuǎn)向架德國ICE:新線,旅客列車與貨物列車混用,動力集中型,獨(dú)立轉(zhuǎn)向架英國APT:既有線,擺式動車組,客貨混用同時(shí)也采用動車組四、高速鐵路規(guī)劃日本新干線法國TGV網(wǎng)德國ICE網(wǎng)歐洲高速鐵路網(wǎng)各國在建及規(guī)劃的高速鐵路里程（一）日本新干線 總規(guī)模7000km,一日到達(dá) 目前5條1952km,計(jì)劃5條1440km,規(guī)劃12條3500km目前1282km規(guī)劃新建2300km既有線改建為高速鐵路4700km（二）法國TGV網(wǎng)目前427kmV=200的既有線1230kmV250的新線270km路網(wǎng)總計(jì)1900km（三）德國ICE網(wǎng)（四）歐洲高速鐵路網(wǎng)歐共體2010年規(guī)劃,本世紀(jì)初,路網(wǎng)達(dá)到3萬km,V=250km/h新建0.9萬km新線改建1.0萬km既有線1.1萬km聯(lián)絡(luò)線和支線由15條干線連接歐洲16個國家的主要城市五、高速鐵路線路高標(biāo)準(zhǔn)的平縱斷面條件合理的軌道結(jié)構(gòu)高質(zhì)量的鐵路路基京滬高速鐵路京滬高速鐵路一、京滬高速鐵路的技術(shù)決策（一）運(yùn)輸模式一）運(yùn)輸模式1、與既有線的分工 提高客運(yùn)速度，縮短京滬大通道的時(shí)間 增大客貨運(yùn)能力，適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要2、運(yùn)輸組織方式 中速車上線 跨線換乘 高速車下線（二）速度目標(biāo)值二）速度目標(biāo)值運(yùn)營速度：初期：高速列車 250300km/h 中速列車 140km/h 爭取 160km/h 遠(yuǎn)期：高速列車 350km/h土建設(shè)計(jì)速度：350km/h機(jī)車構(gòu)造速度：稍大于運(yùn)營速度（三）機(jī)車車輛與牽引模式三）機(jī)車車輛與牽引模式牽引模式：動力集中機(jī)車車輛：國產(chǎn)與國外購入二、京滬高速鐵路的線路標(biāo)準(zhǔn)（一）線路縱斷面標(biāo)準(zhǔn)一）線路縱斷面標(biāo)準(zhǔn)（二）線路平面標(biāo)準(zhǔn)二）線路平面標(biāo)準(zhǔn)（三）軌道結(jié)構(gòu)與路基寬度三）軌道結(jié)構(gòu)與路基寬度三、工程情況重載運(yùn)輸重載運(yùn)輸 采用單機(jī)、雙機(jī)或多機(jī)牽引的大功率內(nèi)燃或電力機(jī)車，增加貨物列車編組輛數(shù)，大幅度提高牽引噸數(shù)。牽引噸數(shù)大，行車密度小牽引噸數(shù)大，行車密度小以美國為代表。多機(jī)牽引超重列車單元列車牽引噸數(shù)小，行車密度大牽引噸數(shù)小，行車密度大以西歐各國、日本為代表牽引噸數(shù)大，行車密度大牽引噸數(shù)大，行車密度大前蘇聯(lián)為代表組合列車、超長列車我國鐵路的重載列車我國鐵路的重載列車發(fā)展原因：發(fā)展原因：可以有效的增加運(yùn)輸能力，又能降低運(yùn)輸可以有效的增加運(yùn)輸能力，又能降低運(yùn)輸成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。發(fā)展背景：發(fā)展背景：大宗貨運(yùn)提供了可靠的貨源基礎(chǔ)大宗貨運(yùn)提供了可靠的貨源基礎(chǔ) 電力、內(nèi)燃機(jī)車有了長足的發(fā)展電力、內(nèi)燃機(jī)車有了長足的發(fā)展 在工務(wù)工程方面為發(fā)展重載運(yùn)輸積極創(chuàng)造在工務(wù)工程方面為發(fā)展重載運(yùn)輸積極創(chuàng)造條件條件發(fā)展模式：發(fā)展模式：1、組合式重載列車、組合式重載列車2、單元重載列車、單元重載列車3、整列式重載列車、整列式重載列車