铁路线路及站场第四章线路平面与纵断面

第四章线路平面与纵断面第一节线路平面第二节线路纵断面第三节线路平面图和纵断面图第四节线路标志复习思考题第四章线路平面与纵断面铁路线路在空间的位置是用它的中心线表示的。线路中心线是指距外轨半个轨距的铅垂线AB与两路肩边缘水平连线CD交点0的纵向连线，如图4－1所示。线路中心线在水平面上的投影，叫线路平面。它表明线路的直、曲变化状态。线路中心线纵向展直后在铅垂面上的投影，叫线路纵断面。它表明线路的坡度变化。图4－1线路横断面线路的平面和纵断面不但确定了线路在空间的位置，同时也为路基、桥涵、隧道及站场等其他设备的设置提供依据，对铁路通过能力及输送能力的大小都有直接影响。从铁路运营角度考虑，铁路线路最好是既平又直，这样可提高列车运行速度，增大牵引重量，节省运营费用。但由于地形、地物和地质条件等的限制，如将线路设计成既平又直，势必会增大土石方工程量和造价。所以，铁路线路平面与纵断面必须按线路等级和《铁路线路设计规范》规定的技术标准进行设计，并需结合线路的具体情况来设置。第一节线路平面线路平面由直线、圆曲线以及连接直线与圆曲线的缓和曲线组成。在线路平面设计时，为缩短线路长度和改善运营条件，应尽可能设计较长的直线段，但当线路遇到地形、地物等障碍时，为减少工程造价和运营支出，应设置曲线。一、曲线铁路线路在转向处所设的曲线为圆曲线，其基本要素有：曲线半径R、曲线转角a、曲线长度L、切线长度T，如图4－2所示。图4－2圆曲线要素在线路设计时，一般是先设计出a和R，再按下式计算出T及L：)(180/)(2tanmaRLmaRT曲线转角的大小由线路走向、绕过障碍物的需要等因素确定。圆曲线半径的大小，反映了曲线弯曲度的大小。圆曲线半径愈小，弯曲度愈大。一般情况下，曲线半径愈大，行车速度可以愈高，但工程量愈大，工程费用愈高。因此，正确地选用曲线半径就显得十分必要。我国《铁路线路设计规范》提出曲线半径宜采用下列数值：10000、8000、6000、5000、4000、3000、2500、2000、l800、1600、1400、1200、1000、800、700、600、550、500、450、400m。特殊困难条件下，可采用上列半径间10m整倍数的曲线半径。设计线路时，可根据具体条件，因地制宜由大到小合理选用。客运专线铁路区间线路最小曲线半径为2800m，困难情况下，最小曲线半径为2200m。为保证列车安全，使线路平顺地由直线过渡到圆曲线或由圆曲线过渡到直线，以避免向心力的突然产生和消除，需要在直线与圆曲线之间设置一个曲率半径变化的曲线，这个曲线称为缓和曲线。图4－3为设有缓和曲线的铁路曲线。图4－3铁路曲线缓和曲线的特征为：从缓和曲线所衔接的直线一端起，它的曲率半径p由无穷大逐渐减小到它所衔接的圆曲线半径R。它可以使离心力逐渐增加或减小，不至于造成列车强烈的横向摇摆，如图4－4所示。图4－4离心力变化示意图缓和曲线长度应根据曲线半径，结合该地段的行车速度和地形条件选用。有条件时，应尽量采用较长的缓和曲线，以便创造更有利的运营条件。二、夹直线两相邻曲线，转向相同，称为同向曲线；转向相反称为反向曲线。两条相邻曲线间应设置一定长度的直线，以保证列车运行的平稳，如图4－5所示。图4－5相邻曲线间的夹直线车辆运行在同向曲线上，因相邻曲线半径不同，超高高度不同，车体内倾斜度不同；车辆运行在反向曲线上，因相邻曲线超高方向不同，车体时而向左倾斜，时而向右倾斜。这两种情况都会造成车体摇晃震动，夹直线愈短，摇晃振动愈大。根据运营实验，为保证旅客舒适，夹直线长度应保证2～3辆客车长度，困难条件下，也不应短于1辆客车长度。因此《铁路线路设计规范》规定的各级铁路线路两相邻曲线间夹直线最小长度，如表4－1所示。铁路等级一般地段(m)困难地段(m)I8040Ⅱ6030Ⅲ5025表4－1各级铁路线路两相邻曲线间夹直线最小长度在行车速度较高的线路上，为保证列车运行平稳，夹直线相应要求较长，如我国目前规定在最高行车速度140km／h的区段，两相邻曲线间的夹直线最小长度：一般地段为90m，困难地段为60m。三、曲线附加阻力当列车通过曲线时，由于惯性力的作用，外侧车轮轮缘紧压外轨，使其磨耗增大。又由于曲线外轨长于内轨，外轮在外轨上的滑行等原因，运行中的列车所受阻力比在直线上所受阻力大，两者之差称为曲线附加阻力。图4－6列车运行在曲线上曲线附加阻力与列车重量之比，叫单位曲线附加阻力，用，来表示，它的大小通常用试验公式求得：当曲线长度大于或等于列车长度，列车整列运行在曲线上[如图4－6(a)所示]时(N/kN)或(N／kN)当曲线长度小于列车长度，列车只有一部分运行在曲线上[如图4－6(b)所示]时(N／kN)或(N／kN)式中600——试验常数，R——曲线半径，m；Lr——曲线长度，m；——列车长度，m。)/(kNNwrRwr/600rrLaw/5.10lLRwrr600lawr5.10l同理，列车同时运行在几个曲线上时：(N／kN)根据可知曲线半径愈小，曲线附加阻力愈大，这会给运营工作带来以下不利影响：(1)限制行车速度。从列车通过曲线的最大允许速度列车通过曲线的最大允许速度与曲线半径的平方根成正比。曲线半径愈小，列车通过曲线的速度受到的限制也愈大。(2)增加轮轨磨耗。列车运行在曲线上时，由于内侧与外侧钢轨长度不等，使车辆的内轮与外轮在钢轨上产生相对纵向滑动。钢轨与轮箍磨耗增加。曲线半径愈小，这种磨耗愈严重。lRlRLwrrr2211600600Rwr/600可知8.11)(maxqHHR(3)增加轨道设备。列车运行在曲线上时，为防止外轮对外轨挤压而引起的轨距扩大，以及钢轨带动轨枕在道床上的横向移动，对小半径曲线地段的轨道应增加轨枕根数，加设轨距杆、轨撑。(4)增加轨道养护维修费用。小半径曲线地段的轨距、水平、方向都极易发生变化，因此养护维修工作量较大，增加了养护维修费用。根据上述的小半径曲线对运营工作带来的不利影响，《技规》规定，不同等级铁路区间线路最小曲线半径不宜小于表4－2。铁路等级路段设计行车速度(km／h)最小曲线半径(m)一般困难16020001600I120l200800805004501201000800Ⅱ80450400100600550Ⅲ80400表4－2各级铁路一般情况最小曲线半径第二节线路纵断面线路纵断面由平道、坡道及设于变坡点处的竖曲线组成。一、坡道的坡度及竖曲线坡度是一段坡道两端点的高差H与水平距离L之比，用i‰表示，如图4－7所示。图4－7坡道坡度及坡道附加阻力示意图aLHiaLHitan10001000tan000铁路线路根据地形的变化，可分为上坡、下坡和平道。上、下坡是按列车运行方向来区分的，通常用“+”号表示上坡，用“－”号表示下坡，平道用“O”表示。例如，+6‰是表示线路每1000m的水平距离升高6m；－6‰则表示线路每1000m的水平距离降低6m。线路纵断面上坡度的变化点，叫变坡点。相邻变坡点间的距离，叫坡段长度。从运营角度来看，纵断面坡段应尽量长些，以利行车平顺和减少变坡点。但也应考虑地形条件及工程量的大小。一般情况下，纵断面坡段长度不短于远期列车长度的一半，使一个列车长度范围内不超过两个变坡点，以减少变坡点附加力的叠加而引起列车运行的不平稳。由于车站远期到发线有效长是按列车全长加30m安全距离，并取50m整数倍确定的，所以《铁路线路设计规范》规定，纵断面坡段长度不宜短于表4－3的规定。表4－3坡段长度远期到发线有效长度(m)l050850750650550坡段长度(m)500400350300250车辆经过变坡点时，将产生振动和竖向加速度，引起旅客不舒适；同时由于坡度变化，车钩会产生一种附加应力，车辆经过凸凹地点时，相邻车辆处在不同坡道上，易产生车钩上下错移。当相邻坡段坡度代数差过大、附加应力过大、两车钩上下错移量过大时，可能发生断钩、脱钩等事故，如图4－8所示。图4－8车辆经过变坡点的状态因此当相邻坡段的坡度代数差超过一定数值，为保证列车运行平稳，防止脱钩、断钩，应在相邻坡段间用一圆顺曲线连接，使列车顺利地由一个坡段过渡到另一个坡段，这个纵断面上变坡点处所设的曲线叫做竖曲线。《铁路线路设计规范》规定，线路相邻坡段坡度代数差的绝对值Ⅰ、Ⅱ级铁路大于3‰，Ⅲ级铁路大于4‰时，应以竖曲线连接。其竖曲线半径Ⅰ、Ⅱ级铁路R竖=10000m，Ⅲ级铁路R竖=5000m。设置竖曲线其变坡点位置应满足以下要求：1．竖曲线不应与缓和曲线重叠如果在线路平面上缓和曲线范围内外轨超高以一定的递增(或递减)坡度升高(或降低)，同时在线路纵断面上竖曲线范围内的轨顶也以一定的曲率圆顺地变化，这两种变化重叠在一起，不但轨道铺设和养护时外轨超高不易控制，而且影响行车的平顺。为了不使竖曲线与缓和曲线重叠，竖曲线的变坡点应距缓和曲线起点或终点不少于一个竖曲线的切线长度，如图4－9所示。图4－9变坡点距缓和曲线的距离2．竖曲线不应设在无砟桥面上无砟桥面上如设有竖曲线时，则需要用轨枕厚度来调整以满足竖曲线的形状，这就给施工和养护维修带来很大困难。所以，应使竖曲线的变坡点离开无砟桥两端各不少于一个竖曲线的切线长度。如图4－10所示．图4－10变坡点距无砟桥面的距离3．竖曲线不宜与道岔重叠道岔的辙叉与尖轨是轨道的薄弱环节，应尽量避免将道岔设于竖曲线上，以免影响道岔的正常使用和增加养护维修的困难。一般情况下，竖曲线的变坡点至道岔始端基本轨接缝和道岔末根岔枕中心的距离不应小于竖曲线的切线长，如图4－ll所示。困难条件下，竖曲线与道岔必须重叠时，竖曲线半径不应小于10000m，且尖轨与辙叉必须布置在竖曲线范围外。图4－11道岔对变坡点的要求二、坡遭附加阻力从图4－7可以看出，列车在坡道上行驶时其重量Q可以分解为F1和F2两个分力，F2平行于坡面即为坡道的坡度引起的坡道附加阻力，用Wi来表示。根据三角函数关系得：)(1000sin)(sinNaQkNaQWi因铁路线路坡度的夹角很小，(30‰的坡度，α仅为1°44″)而α很小时sinα≈tanα，则有：)(tan1000NQaWi则有因,tan/000ai)(NQiWi坡道附加阻力与列车重量之比，叫做单位坡道附加阻力，用来表示。当列车整列位于坡道上时：iw)/(kNNiQiQwi当列车一部分位于坡道上，而另一部分位于平道上时：)/(kNNlLiwii当列车同时位于几个不同坡道上时：)/(211kNNlLiiLiwninii列车在线路上运行，有时上坡，有时下坡，所以坡道附加阻力也有正、负。上坡时，坡道附加阻力与列车运行方向相反，坡道附加阻力为正；下坡时，坡道附加阻力与列车运行方向相同,坡道附加阻力为负，负阻力也就是加速力。三、换算坡度如果在坡道上有曲线，列车在坡道上运行时所遇到的单位附加阻力应为单位曲线附加阻力与单位坡道附加阻力之和。由于曲线附加阻力无正负值，而坡道附加阻力有正、负之分，所以总的单位附加阻力：)/(kNN总根据前述的的对应关系，将总的单位附加阻力换算为坡度，则有iwi000000000/()/()/iiriwwii换如此求得的坡度，称为换算坡度，又称加算坡度。由此可知，当坡道上有曲线时，列车上坡运行时坡道就显得更陡；而下坡运行时，坡道则显得缓了。【例4－l】试按图4－12所示资料(列车长800m)，求列车运行在BC段的换算坡度。【解】列车上坡运行时：图4－12某区段纵断面示意图000000000000600400/()/(6)/6.3/1000800BCriiww换列车下坡运行时：00000000000600400/()/(6)/5.7/1000800OBCriiww换答：BC段的换算坡度上坡时为6.3‰，下坡时为－5.7‰。【例4-2】《技规》规定：进站信号机外、制动距离内，进站方向为超过6‰的下坡道，而接车线末端无隔开设备时,禁止办理相对方向同时接车和同方向同时发接列车