第五章轨道工程

第五章轨道工程路基、涵洞或桥梁、隧道•轨道工程包括城市间的铁路工程和城市内的各种轨道交通工程。•站场：既是货物和旅客出入轨道运输系统的交接点或界面，又是列车进行整备、检查、解体、编组等作业的场所。•附属工程：包括信号、电力供应和给水排水等交通控制、运营管理和供应的设施。•线路：列车所行驶的轨道式通道轨道结构一、系统类型•轨道交通系统按服务范围、行车速度可划分为高速轨道交通、普通铁路和城市轨道交通三类。第一节系统类型及设计准则1.高速轨道交通高速客运专线铁路：设计行车速度为200～350km/h•满足长距离、高速度的轨道交通干线。高速磁浮交通：设计行车速度可达400km/h以上快速客货共线铁路：客车200km/h，货车120km/h高速铁路3.城市轨道交通•利用车辆在固定导轨上运行、主要为城市区域客运服务的交通系统•站距短、设计行车速度较低、通行能力较大。2.普通铁路•慢足长距离、中速度运输的铁路•包括铁路干线、地方铁路及专用铁路。•普通铁路的设计行车速度一般在160km/h以下，客货混合运行。二、设计准则•主要技术标准——为适应不同的功能要求，各种轨道交通的设计规定的一些基本设计准则。包括:①设计行车速度②线路等级③设计运量④正线数目⑤牵引种类⑥机车类型⑦控制方式（闭塞方式）⑧到发线有效长1.设计行车速度影响各类轨道交通系统的设计行车速度（km/h）表5-1线路几何特征的设计和车站的分布系统类型、线路等级、设计运量设计行车速度决定系统类型和等级高速轨道交通普通铁路专用线城市轨道交通磁浮客运专线客货共线ⅠⅡⅢ地铁轻轨设计行车速度450~500300~350200（120）140（80）120(80)100（80）100（80）80~12060~80•是列车在某种设计特征（主要是轨道线路几何特征）的路段上行驶所能保持的最大安全行车速度。注：括号内为货车的最高运行速度2.线路等级•普通铁路分为四个技术等级等级路网中作用设计运量(Mt)最高行车速度(km/h)限制坡度（‰）最小曲线半径（m）客车货车平原丘陵山区一般地段困难地段Ⅰ骨干非骨干≥20120~16012069~1212～151200~2000800~1600Ⅱ联络、辅助地区性＜20≥1080~12080~12069~1515～20600~1200500~800Ⅲ地区性或企业性5~1010080612~1818～25400~600350~550Ⅳ地区性或企业性58080612~1818～25400350普通铁路线路等级和相关主要技术标准表5-23.设计运量•是指线路设计年度的预测客货运量•轨道交通设计年度分为初期（运营后第三年）、近期（第十年）、远期（二十至二十五年）。•普通铁路及高速轨道交通的设计运量采用近期年客货运量表示。•城市轨道交通线路具有明显的早晚高峰特征，因而采用远期的高峰小时单向最大断面流量作为设计运量。线路运能分类Ⅰ（高运量）Ⅱ（大运量）Ⅲ（中运量）线路类型地铁轻轨单向高峰小时最大断面流量（万人/h）5~73~51~3适用车型AB（或A）C（或B）列车最大长度（m）185140100线路型式全封闭全封闭半封闭/全封闭最高速度（km/h）≧808060~80适用城市（万人）300200100城市轨道交通线路运能及相关技术特表5-34.正线数目•为了实现高密度发车，一般一次建成双线，即线路的正线数目为2条，列车分上下行单向行驶。•对于客货运量小的线路只考虑修建单线，对客货运量增长快的线路需建设双线或预留双线。•双线铁路的建设投资要比两条单线的投资小，但其通过能力要比两条单线的能力之和大得多。一、线路平面圆曲线第二节线路平纵断面设计•铁路线路在空间的位置用路线中心线（路基顶面中点连成的线）表示。线路平面：路线中心线在水平面上的投影直线缓和曲线曲线图5-1影响到列车行驶的平稳性考虑缓和曲线的线型及长度对缓和曲线考虑夹直线的长度对直线段考虑最小曲线半径及半径的合理选取对圆曲线段•平面设计时，对直线、圆曲线、缓和曲线有一定的要求。使外侧车轮轮缘紧压外轨内侧面而加剧其磨损•车辆受到的离心力大小同速度的平方成正比，同曲线半径成反比。有如下作用：•列车在小半径曲线上须限速行驶。曲线半径越小，限速值越低。•曲线半径也不宜过大。太大的半径对节省工程量作用不大，但增加了路线测设、施工和养护的困难，普通铁路的最大曲线半径不宜超过12000m。•地形较为平坦或地物限制（控制点）较少，应尽可能采用大的曲线半径；地形困难地段，可选用较小的曲线半径。普通铁路正线夹直线或圆曲线最小长度（m）表5-6列车最高行车速度(km/h)16014012010080夹直线最小长度（m）一般130110806050困难8070504030缓和曲线的作用：•使作用在直线和圆曲线上的离心力平稳过渡；•实现外轨超高的逐渐过渡。缓和曲线线型有螺旋线、三次抛物线、五次抛物线、一波正弦曲线等，常用的线型是三次抛物线。二、线路纵断面•纵断面设计包括：坡度的最大值、坡段的最小长度、相邻坡度的代数差、竖曲线线型及半径等因素竖（向）圆曲线线路纵断面：路线中心线在铅垂面上的投影组成竖（向）缓和曲线竖曲线：一般为圆曲线坡段图5-2•地形起伏较大，按规定限制坡度设置路线会引起很大的工程量时，可考虑采用两台或多台机车牵引方案。选用大功率机车就可能采用较大的限制坡度例选用大功率的机车和较小的限制坡度要求的运输能力较大运输能力一定•设置纵向坡度的作用：适应地形起伏而减少工程量，有时在路堑地段可以改善排水功能。•限制坡度：铁路线路在某区段上限制货物列车质量的坡度。•在选择时应将机车类型和限制坡度结合在一起考虑：圆曲线范围内的曲线阻力引起的坡度折减值△i可按下式确定：△i=600/R(‰)当曲线长度小于货物列车长度时：(‰)式中：R——曲线半径（m）；Σα——坡度折减的坡段长度内圆曲线的偏角总和（°）；L——坡度折减的坡段长度（m）。•车辆在曲线上行驶时，因受各种阻力，其牵引力要比在直线坡道上行驶时小，因此要对限制坡度值进行坡度折减。10.5/Li电力牵引铁路小半径曲线的粘降坡度折减值（‰）表5-8曲线半径（m）最大坡度（‰）46912152025304500.200.250.350.450.550.700901.054000.350.500.650.851.051.351.651.953500.500.701.001.251.502.002.452.90•坡段的长度宜不短于远期列车长度的一半，并取50m的整倍数；两相邻坡段的最大坡度代数差，应考虑不使车辆间车钩断裂、行车平稳、机车不脱轨和不脱钩等因素，尽量采用低值。•当曲线地段的计算粘着牵引力小于计算牵引力时，需要进行粘降引起的坡度折减。•列车驶经变坡点时，会产生竖向附加力和加速度，影响行车的平稳性。为此在纵断面设计时要考虑最小坡段长度、相邻坡段的坡度代数差以及竖曲线设置。竖曲线的设置规定如下：•设计速度越高，线路的竖曲线半径越大。•城市轨道交通中，把线路允许设计的最大坡度值称之为最大坡度，而不称为限制坡度，也不存在加力坡度。（1）设计速度为160km/h的地段，当相邻坡段的坡度代数差大于1‰时，需设置圆形竖曲线，其半径为15000m；（2）设计速度小于160km/h的地段，当相邻坡段的坡度代数差大于3‰（Ⅰ、Ⅱ级铁路）或4‰（Ⅲ、Ⅵ级铁路）时，应设置圆形竖曲线，其半径分别为10000m、5000m。•在设计纵断面时，线路坡度在满足排水及标高控制要求的前提下应尽可能平缓，一般在20‰以下•位于地下的坡段还有最小坡度的要求。•城市轨道交通路线的坡度代数差等于或大于2‰时，也要在变坡点处设置圆形竖曲线，只是半径比铁路小得多。•为了避免或减轻列车同时位于两条竖曲线而产生的振动叠加，地铁规范规定，两条竖曲线之间的夹直线不宜小于50m。一、路基第三节路基和轨道其主要组成元素，如图5-3。横断面分类路堑路堤半路堤半路堑路基：轨道线路承受轨道和列车荷载的地面基础结构物。图5-3决定铁路等级轨道类型道床标准路肩宽度线路间距路基顶面宽度对于Ⅲ、Ⅵ级铁路：两者均≥0.4m路堑的路肩宽度≥0.4m对于Ⅰ、Ⅱ级铁路路堤的路肩宽度≥0.6m•用非渗水性土修筑路基时，路基顶面须设置路拱。•用渗水性土和岩石修筑的路基，其顶面可以不设路拱，做成水平面。铁路路堤边坡坡度表表5-12填料名称边坡高度（m）边坡高度全部高度上部高度下部高度全部高度上部高度下部高度一般细粒土20812—1：1.51：1.75漂石土、卵石土、碎石土及粗粒土（细砂、粉砂、粘土质砂除外）20128—1：1.51：1.75硬块石820————1：1.31：1.5————•采用地面和地下排水措施，将降落在或渗入路基范围内的地面或地下水，拦截、汇集、引导和排离出路基范围外。•为保证路基的整体稳定性，路堤的基底应稳固，堤身边坡的坡度应不陡于表5-12中的规定值。图5-4•作用：引导车辆行驶方向，承受由车轮传下的压力，并将其扩散至路基或桥隧结构物。•轨道主要由钢轨和联结零件、轨枕和扣件、道床以及道岔等部分组成。二、轨道根据主要运营条件（运量和最高行车速度）将轨道分为特重、重型、次重型、中型和轻型5个等级钢轨类型轨枕类型和密度道床类型和厚度决定轨道的强度和稳定性项目运营条件轨道结构年通过总重路段设计速度钢轨轨枕碎石道床厚度混凝土枕防腐木枕非渗水土路基岩石、渗水土路基型号铺轨根数型号铺轨根数双层道碴双层底碴单层道碴单位Mtkm/hkg/m－根/km－根/kmcmcmcm特重型＞50160~12075或60Ⅲ1667－－302035重型25~50160~12060Ⅲ1667－－302035≤12060Ⅲ或Ⅱ1667或1760Ⅰ1840302035次重型15~25≤12050Ⅱ1667或1760Ⅰ1760～1840252030中型8~15≤10050Ⅱ1600或1680Ⅰ1680～1760202030轻型＜8≤8050或43Ⅱ1520或1640Ⅱ16802015251.钢轨接头形式•对接式可使机车车辆避免通过错接接头时产生的左右摇晃。目前广泛采用的是悬接而又对接的形式。按其相对于轨枕的位置承垫式：接头位于轨枕1上悬空式：接头处在两根轨枕间，具有较好的弹性错接式对接式•钢轨要有足够的刚度、韧度和硬度。•在两钢轨连接处应预留适当的缝隙，以便温度变化时可以自由伸缩。两条钢轨间的标准轨距为1435mm。•直线地段，轨道上两股钢轨的顶面应保持同一水平，500m以上的直线段内，偏差不能超过4mm。•曲线路段，为平衡离心力，轨道应设置超高。新建铁路的外轨超高值h(mm)可按下式确定：式中：v——最高行车速度（km/h）；R——曲线半径（m）。曲线外轨最大超高不得超过150mm；2max7.6/hvRmax2.轨枕和扣件分类作用：①承受由钢轨传来的竖向力、横向力和纵向力②将力扩散传给道床③固定轨距，保持钢轨的方向和位置钢枕木枕钢筋混凝土枕缺点质量大，弹性差损坏了难于修补优点耐久性好，使用寿命长缺点使用寿命短需消耗大量木材优点弹性好、易于加工、便于运输和铺设、更换方便及成本低引起接缝不匀和轨枕歪斜防止爬行：•加强中间扣件的扣压力和接头夹板的夹紧力；•在易发生爬行地段增设防爬设备。•轨枕的长度一般为2.5m。•钢轨同木枕的联结零件为垫板和道钉。•轨道爬行：列车作用于钢轨上的纵向水平力，使钢轨沿着轨枕甚至带动轨枕作纵向移动。3.道床•主要线路应采用碎石道碴道床。•路基为黑渗水性土时，宜采用双层道床，其它情况采用单层道床•厚度依据传到路基面的荷载应力不会使之产生永久变形并保持轨道稳定的要求来确定。作用：①把由轨枕传的车辆荷载均匀传布到路基面上②阻止轨道在列车作用下产生位移，缓和列车的冲击作用③便于排水以保持路基面和轨枕干燥④便于调整线路平面和纵断面4.道岔图5-5•道岔是铁路线路和线路间连接和交叉设备的总称。•作用：使机车车辆从一条线路转向另一条线路，或越过与其相交的另一条线路。•普通单式道岔（单开道岔）：由转辙器、转辙机械、辙叉、连接部分和岔枕所组成第四节站场•