北交道铁高速铁路的线路英语词汇

2高速铁路的线路

2高速铁路的线路

2.1概述

高速列车首先要满足安全与舒适的要求。影响列车安全和舒适的因素很多，虽然机车车辆性能及运营方式起着很大的作用，但高速铁路的线路参数也是重要的影响因素，在设计高速铁路时必须予以重视。

在高速条件下，列车的横向加速度增大，列车各种振动的衰减距离延长，从而各种振动叠加的可能性提高，相应旅客乘坐舒适度在高速条件下更为敏感，所以，要求线路的技术标准也相应提高，包括最小曲线半径、缓和曲线、外轨超高等线路平面标准，坡度值和竖曲线等线路纵断面标准，以及列车风对线路的特定要求等。在高速铁路的线路平、纵断面设计中应重视线路的平顺性，采用较大的线路平面曲线半径、较长的纵断面坡段长度和较大的竖曲线半径，以提高旅客乘坐舒适度。

表2-1列出了世界上一些高速铁路线路的平纵断面标准。

2.2高速铁路的线路平面设计

2.2.1最小曲线半径

最小曲线半径是限制列车最高速度的主要因素之一，且对工程费和运营费都有很大影响，因此合理地选择最小曲线半径是线路设计的重要任务之一。

最小曲线半径是高速铁路线路主要的设计标准之一。它与铁路运输模式、速度目标值、旅客乘坐舒适度和列车运行平稳有关。我国京沪高速铁路在运输组织模式上为本线与跨线旅客列车共线运行的客运专线模式，最小曲线半径应考虑两个方面的因素：一方面是高速列车设计最高速度v max 、实设超高与欠超高之和的允许值[h +h q ]等因素；另一方面为高速列车最高运行速度v G ﹑跨线旅客列车正常运行速度v K ﹑欠超高与过超高之和的允许值[h q +h g ]等因素。

1．速度目标值

京沪高速铁路设计速度350km/h，初期运营速度300km/h，跨线旅客列车运营速度200km/h及以上。

最小曲线半径的确定首先要满足设计速度350km/h的要求，其次还要满足不同速

表2-1世界上一些高速铁路线路平、纵断面设计标准2高速铁路的线路

度匹配条件下的要求。

初期本线与跨线旅客列车共线运营，按300km/h与200km/h匹配；远期运行高速列车，其速度目标值范围为350～250km/h，同时考虑到远期可能存在少量运行速度为200km/h的列车。因此，最小曲线半径的取值也要兼顾350km/h与200km/h列车共线运行的有关要求。

2．实设超高、欠超高、过超高的允许值

（1）实设超高允许值[h ]

实设超高允许值[h ]主要取决于列车在曲线上停车时的安全、稳定和旅客乘坐舒适度要求。根据我国铁道科学研究院1980年的试验研究，当列车停在超高为200mm 的曲线上时，部分旅客感到站立不稳，行走困难且有头晕不适之感。日本新干线中最大超高除东海道新干线为200mm 外其余各线为180mm ；德国ICE 线和法国TGV 线最大超高均为180mm 。根据铁道科学研究院和国外高速铁路的研究资料，京沪高速铁路最大实设超高定为180mm 。

（2）欠超高允许值[h q ]

高速铁路的欠超高允许值[h q ]主要取决于旅客乘坐舒适度要求，同时考虑到过大的欠超高可能带来较大的线路养护维修工作量，所以在选择欠超高允许值时，应考虑留有一定的余地。1993年铁道科学研究院在环行铁道上的试验表明，当h q =30mm 时，乘客感觉良好；当h q =55mm 时，感觉较好；当h q =80mm 时，感觉略有不舒适；当h q =108mm 时，感觉不舒适。据此，高速铁路的允许欠超高[h q ]的取值可为：

舒适度良好：[h q ]=40mm ；

舒适度一般：[h q ]=80mm ；

舒适度较差：[h q ]=110mm 。

（3）过超高允许值[h g ]

对跨线旅客列车的过超高允许值[h g ]，目前国内没有试验资料，只能采用类比方法确定。根据英、日等国20世纪60年代的试验结果，认为过超高与欠超高对旅客乘坐舒适度的影响是同等的。在我国既有客货共线运行干线过超高允许值远小于欠超高允许值，主要是考虑货物列车的轴重及通过总重大于客运列车，其对曲线内轨磨耗及线路的破坏作用较大，故需较严格地限制对货物列车的超高允许值。在本线与跨线旅客列车共线的客运专线上，考虑到跨线旅客列车的车辆走行性能比货物列车要好得多，因而过超高引起的对内轨磨耗和对线路破坏作用要小一些，故其过超高允许值可以适度放宽。同时考虑到京沪高速铁路的本线与跨线旅客列车共线运营模式是以高速为主，重点应保证高速列车的旅客乘坐舒适度，因此取过超高允许值与欠超高允许值

一致。

（4）本线、跨线旅客列车共线运行时欠超高和过超高之和的允许值[h q +h g ]

本线、跨线旅客列车运行在半径为R 、实设超高为h 的圆曲线上，对选定的欠超高允许值[h q ]和过超高允许值[h g ]存在下列关系：

2211. 8⋅v G 11. 8⋅v G h =−h q ≥−h q （2-1）R R

2211. 8⋅v K 11. 8⋅v K h =+h g ≤+h g （2-2）R R

h 和R 存在如图2-1的关系。从图中可见，同时满足上列两式的点A 对应的曲线半R jk 、实设超高h jx 是唯一的。而现场的实设超高是由通过曲线的各次列车速度及[][]其质量决定的，与h jx 往往大相径庭，存在下列差值：

∆h =h jx −h jh =

式中2v 2jx −v jh v −v 2G 2K ⋅(h q +h g [][])（2-3）；h jx —理论计算的曲线超高（mm ）

h jh —现场实际设置的曲线超高（mm ）；

v jx —理论计算的曲线均衡速度（km/h）；

。v jh —曲线上实际运行列车的均方根速度（km/h）

h 211. 8⋅v G g ]]h jx O （=∞）1/min jx R

l

图2-1h 和1/R 关系图

由此造成实际列车运行中，欠超高或过超高可能超出允许值，故在确定R min 标准

时，对于欠、过超高之和的允许值应留有△h 的余量，即：

[h q +h g ]=[h q ]+[h g ]-△h

的客运量、列车对数等资料计算，△h 值一般为30～50mm 。

在国外高速铁路线上，德国的客货混运高速铁路，v max 为250km/h，v 货为120km/h，

半径7000m 曲线的欠、过超高之和为89mm ，半径5100m 曲线的欠、过超高之和为（2-4）△h 随本线和跨线旅客列车对数、质量、速度有关，结合京沪高速铁路不同区段

121mm 。日本新干线部分中间站附近曲线的欠、过超高之和实际值约达110～130mm 。考虑到京沪高速铁路距离长，本线旅客列车与跨线旅客列车共线运营时期也可能较长，而本线旅客列车与跨线旅客列车共线又以高速列车为主等特点，采用的欠、过超高之和允许值为：

一般条件下，可取[h q +h g ]=110mm；

困难情况下，可取[h q +h g ]=140mm。

（5）单一高速列车运行时实设超高与欠超高之和的允许值[h +h q ]

实设超高与欠超高之和的允许值与最大超高允许值、最大欠超高允许值也存在下列关系：

[h +h q ]=[h ]+[h q ]-△h （2-5）

其理由同[h q +h g ]的分析。因为即使是单一高速列车运行的线路，也会有一定的列车速差，同样也会产生∆h 的效应。因此[h +h q ]应小于[h ]+[h q ]。

国外高速客运铁路上[h +h q ]的取值情况：日本东海道新干线一般条件下为210mm ，个别条件下为240mm ；山阳及其后的新干线一般为180mm ，个别为210mm 。法国TGV-SE 线一般为215mm ，个别为269mm ；TGV-A 线一般为177mm ，个别为266mm ；TGV-N 线为214mm 。

参考国外高速铁路的取值标准，我国京沪高速铁路实设超高与欠超高之和的允许值为：

一般情况下，可取[h +h q ]=220mm ；

个别情况下，可取[h +h q ]=260mm。

3．最小曲线半径的确定

（1）京沪高速铁路设计速度要求的最小曲线半径R min

为了满足京沪高速铁路的设计速度要求，采用上述的实设超高与欠超高之和允许值[h +h q ]时，其最小曲线半径应按下式计算确定：

2v max R min =11. 8[h +h q ]

式中（2-6）v max —京沪高速铁路设计速度目标值，按350km/h考虑。

按上式计算得出，其最小曲线半径一般值、困难值分别为6570m 及5560m 。（2）初期本线与跨线旅客列车共线运行条件下最小曲线半径R min

初期本线与跨线旅客列车共线运行在半径为R 的圆曲线上，其实设超高h 与其相应的欠、过超高h q 、h g 及其允许值[h q ]、[h g ]之间满足式（2-1）、（2-2），考虑前述在本线与跨线旅客列车共线运行条件下存在△h 关系，最小曲线半径R min 应按下式计算确定：

22v G −v K =11. 8[h q +h g ]R min （2-7）

京沪高速铁路初期本线与跨线旅客共线运营，考虑按300km/h与200km/h匹配，按上式计算得最小曲线半径R min ，其一般值、困难值分别为5370m 及4220m 。

（3）远期高速列车运行不同速度匹配条件下最小曲线半径R min

考虑远期京沪高速铁路上的高速列车运行速度以350～250km/h为主，同时可能存在少量运行速度为200km/h的列车。根据高速列车运行不同速度匹配条件，计算最小曲线半径如下：

按式（2-7）计算，式中v G 、v K 设计速度如果按350km/h与250km/h匹配，则计算得出最小曲线半径R min 的一般值、困难值分别为6440m 及5060m 。式中v G 、v K 设计速度如果按350km/h与200km/h匹配，则计算得出最小曲线半径R min 的一般值、困难值分别为8850m 及6960m 。

考虑到远期高速列车最高运行速度提高到350km/h时，届时跨线旅客列车预计能够达到250km/h及以上，运行速度为200km/h的列车为数不多。因此，《京沪高速铁路设计暂规》中选择最小曲线半径7000m ，主要是考虑满足远期350km/h列车运行、350km/h列车与250km/h列车共线运行，近期300km/h与200km/h两种速度列车共线运行，同时兼顾350km/h与200km/h列车共线运行等情况下的旅客舒适性。另外，考虑满足各种不同速度列车组合运行条件下的舒适性，京沪高速铁路最小曲线半径一般采用9000～11000m 较好。

综观世界一些国家和地区高速铁路，目前比较一致的意见是新建高速铁路的最大超高应不超过180mm ，欠超高允许值不超过60mm ，既确保旅客舒适度又留有一定发展余地。图2-2为一些国家和地区高速铁路的最高设计速度和最小曲线半径的比较。

2.2.2最大曲线半径及曲线半径的选用

1．最大曲线半径

最大曲线半径标准关系到线路的铺设、养护、维修能否达到要求的精度。由于曲线的线形或轨道的平顺主要是依据基桩控制曲线的正矢值或偏矢（不等弦测量）来保持。基桩决定于测设精度；正矢值则与曲线半径成反比，与弦长的平方成正比。当曲线半径大到一定程度后，正矢值将很小，测设和检测精度均难于保证极小的正矢值的

准确性，可能反而成为轨道不平顺的因素。因此，对圆曲线的最大半径加以限制。

韩国

图2-2各国速铁路的最高设计速度和最小曲线半径

根据国外高速铁路的测设经验，如日本、法国，在曲线地段沿线每隔10m 设置一基桩作为线路的基准。法国高速线路基桩的点位误差控制在1mm 。

综合考虑线路测设精度和轨道检测精度，并参考国外实验线上最大曲线半径情况，对于我国京沪高速铁路最大曲线半径一般不宜大于12000m ，个别不大于14000m 。

2．曲线半径的选用

曲线半径是确定线路容许速度、曲线超高、缓和曲线长度、曲线正矢和曲线地段建筑限界加宽等诸多要素的重要参数，应根据标准化原理进行统一、简化、协调，形成系列。京沪高速铁路曲线半径宜采用以下数列：14000、12000、11000、10000、9000、8000、7000m 。为增加曲线半径选择的灵活性，以适应特殊地形条件下节省工程投资的需要，必要时可采用以上数列间500m 整倍数的曲线半径。

高速铁路由于曲线半径直接决定行车速度，应根据线路不同地段的行车速度适当选定相应的曲线半径；对于大型车站两端减、加速地段或必须限速的站外引线上，由于行车速度较低，为减少工程，可选用与实际行车速度相适应的较小曲线半径；对于地形、地质条件困难，工程艰巨地段，也可适当选用较小曲线半径并宜集中设置，以免列车频繁限速，恶化运营条件。

2.2.3缓和曲线

为使列车安全、平稳、舒适地由直线过渡到圆曲线或由圆曲线过渡到直线，在直线与圆曲线间必须设置一定长度的缓和曲线。缓和曲线是在直线与圆曲线的一段变曲

率、变超高线段，其作用是在缓和曲线范围内完成曲率半径由直线上的无限大逐渐变化到圆曲线的曲率半径，曲线外股钢轨高度从直线上左右股钢轨水平一致逐渐变化到圆曲线时达到外轨超高值。在高速行车条件下，旅客对乘坐舒适度比较敏感，因而对缓和曲线的设置要求也更为严格。对于高速铁路的缓和曲线研究的重点是缓和曲线线型和缓和曲线的长度。

1．缓和曲线线型的选定

目前世界上常速铁路和高速铁路常用的缓和曲线线形有：

（1）三次抛物线型平面：

y =x 3

6Rl 0

立面：

h =h 0x

l 0

（2）三次抛物线余弦改善型平面：

=x 3

y 6Rl 0

立面：

⎧⎪(x +l 1

⎪π

⎪h 0[1−cos l ] -l 1≤x ≤l 10+l

h =⎪⎨h 0x 122

l 1≤x ≤l l 1

⎪l 0−

022

⎪⎪(l l 1

0+−x ) π

⎪l 1l

⎩h 0cos l l 0-≤x ≤l 1

0+

0+l 122

（3）三次抛物线圆改善型平面：

x 3

y =6Rl 0

立面：

（2-8）（2-9）2-10）（2-11）2-12）（ （

⎧l 12(x +⎪l l ⎪h 0 -1≤x ≤12l 0l 122⎪⎪h x l l h =⎨0 1≤x ≤l 0−1 22⎪l 0l 1⎪2(l +−x ) 0⎪l 1l 1h [1− l -≤x ≤l + ⎪0002l 0l 122⎩

（4）七次四项式型平面：（2-13）

l 02x x x x y =[35(4−42() 5+28() 6−8() 7]84R l 0l 0l 0l 0

立面：（2-14）x x x x h =h 0[5(2−10() 3+10(4−4(5]l 0l 0l 0l 0

（5）半波正弦型平面：（2-15）

l 02x 2x y =−2(1−cos ) 4R 2πR l 0

立面：（2-16）h =

（6）一波正弦型平面：h 0x (1−cos π) 2l 0（2-17）

l 0l 02x 32πy =−x +sin x 236Rl 04πR 8πR l 0

立面：（2-18）h =

式中，R —曲线半径(m)；h 0h 2πx −0sin x l 02πl 0（2-19）

l 0—缓和曲线长度(m)；

h 0—实设超高(mm)；

l 1—三次抛物线改善型立面头尾插入的曲线长度(m)。

从理论上讲，曲线型超高顺坡的缓和曲线，最能全面满足高速列车的运行要求（例如，日本新干线采用半波正弦型），但是缓和曲线的长度势必增长，且缓和曲线的支

距和超高的递升很慢，有时甚至在l 0/4范围内，缓和曲线尚未偏离切线，给缓和曲

线的铺设和养护带来了很大的困难，使得缓和曲线的有效长度实际上变得很短，所以有些国家的高速铁路不去追求所谓的理想缓和曲线。从研究和实测结果表明，只要缓和曲线长度达到一定要求各种线型均能保证高速行车安全和旅客舒适度要求。国外高速铁路的运营实践也证明了这一点。考虑到三次抛物线线形简单,设计方便,养护经验丰富等特点，我国高速铁路采用三次抛物线形，当曲线半径采用困难条件标准或缓和曲线不能保证足够长度时，可采用三次抛物线圆改善型缓和曲线。

2．缓和曲线长度的选定

缓和曲线长度是高速铁路线路平面设计重要参数之一，随着列车运行速度的提高，要求缓和曲线应有足够的长度，使缓和曲线上的曲率和超高的变化不致太快，满足旅客乘车舒适的要求和确保行车的安全，但过长的缓和曲线长度会影响平面选线和纵断面设计的灵活性，会引起工程投资的增大。

缓和曲线线型选定以后，就可考虑以下一些因素来确定缓和曲线长度：①车辆脱轨；②未被平衡横向离心加速度时变率(欠过超高时变率) ；③车体倾斜角速度(超高时变率) 。

（1）按车辆脱轨条件确定缓和曲线长度

由于在缓和曲线上一个车辆转向架的四个车轮处于三点支承状态，因此脱轨条件的分析应给予充分重视。为防止车辆脱轨，假设车体和转向架刚性接触，并且车体对扭转有无限抵抗，缓和曲线长度由转向架中心间距决定；在完全心盘支承，且不考虑其摩擦力的情况下，缓和曲线长度由转向架轮对间距和轮缘高度决定。

我国现行《铁路线路设计规范》中规定，为防止车辆脱轨的最大超高顺坡率不大于2‰，即1/500。所以对于超高线性变化的三次抛物线及其改善型缓和曲线上，由车辆脱轨条件确定的缓和曲线长度为：

l 0≥h 0/i max =0. 5h 0

式中（2-20）h 0—实设超高(mm)；

l 0—缓和曲线长度(m)；

i max —缓和曲线最大超高顺坡率(‰)。

由上式不难看出，对于缓和曲线普遍较长的高速铁路，由脱轨安全要求计算的缓和曲线长度显然不起控制作用。

（2）按未被平衡横向加速度时变率(欠超高时变率) 确定缓和曲线长度

列车通过曲线时，超高、曲率与列车速度不适应，就会产生未被平衡的横向加

速度。在缓和曲线上，未被平衡加速度是不断变化的，过大的未被平衡横向离心加速度变化率会引起旅客乘坐条件的恶化。因此，对最大未被平衡横向离心加速度时变率应有所限制，以保证旅客必要的舒适度。即：

g dh gv dh qx β未max =(qx max =(max ≤[β未]s 1dt s 1dl

式中[β未]—允许的未被平衡横向加速度时变率(m/s3) ；（2-21）

g —重力加速度(9.81m/s2) ；

v —设计最高速度(m/s)；

s 1—轮对两轮接触点间距(m)。对于直线型超高顺坡的三次抛物线及其改善型缓和曲线，(

被平衡横向加速度时变率限制下的缓和曲线长度为：

gv max h q gv h q l 0≥=s 1[β未]3. 6s 1[β未]

式中（km/h）。v max —设计最高速度（或该曲线限制速度）

对未被平衡横向离心加速度时变率的限制，实际上就是对欠超高时变率的限制。国内外的研究表明，未被平衡横向离心加速度值为：

β未≤0. 015g/s，欠超高时变率dh q /dt ≤23mm/s，95%旅客在“轻微感觉”内；dh qx dl ) max =h q l 0，则未（2-22）

；β未≤0. 025g/s，欠超高时变率dh q /dt ≤38mm/s，20%旅客有“明显感觉”

β未≤0. 034g/s，欠超高时变率dh q /dt ≤51mm/s，50%旅客有“明显感觉”。

对于客运专线高速铁路，要考虑更高的旅客舒适条件要求，建议允许未被平衡

[dh /dt ]横向离心加速度时变率[β未]及对应的超高时变率限制值q 为：

[dh /dt ]=23mm/s一般条件下：[β未]=0. 015g/s，q ；

困难条件下：[β未]=0. 025g/s，[dh q /dt ]=38mm/s。

据此，可得出缓和曲线长度：

一般条件下：

l 0≥12. 4×10−3v max h q

困难条件下：（2-23）

l 0≥7. 4×10−3v max h q

（3）根据车体倾斜角速度(超高时变率) 要求确定缓和曲线长度（2-24）

车辆通过缓和曲线，由于外轨超高的变化，车体产生倾斜角速度，过大的车体

倾斜角速度也会引起旅客乘坐舒适条件的恶化。因此，对最大车体倾斜角速度亦应有所限制，以保证必要的旅客乘坐舒适度。故要求：

v dh ω=≤[ω]s 1dl

式中[ω]—允许的车体倾斜角速度(rad/s)。

列车运行在超高线性变化的三次抛物线及其改善型缓和曲线上时，dh /dl =h 0/l 0。则车体倾斜角速度ω与超高时变率f (dh /dt ) 、超高顺坡i 的关系如下：

dh dh dh dl 1i =f ===iv =dl ，dt dl dt 3. 6k ，ω=v i =1=f =f

s 13. 6ks 1s 11. 5

式中（2-25）（2-26）k —超高时变率倒数(s/m)。

显然，确定了允许的车体倾斜角速度[ω]、允许超高时变率[f ]和允许k 值中的任何一个，就可得出缓和曲线长度为：

v h 1v h 11l 0≥max 0=max 0=v max h 0k ，k =3. 6s [ω]3. 6[f ]3. 6f （2-27）

根据对国内外高速铁路的研究，为使客运专线的高速列车具有较高的舒适度，建议：

一般缓和曲线长度时：k =11，[ω]=0. 0168rad/s；[f ]=25mm/s；

最小缓和曲线长度时：k =9，[ω]=0. 0206rad/s；[f ]=31mm/s；

个别缓和曲线长度时：k =8，[ω]=0. 0233rad/s；[f ]=35mm/s。

于是，可得出由车体倾斜角速度要求控制的缓和曲线长度：

一般缓和曲线长度：

l 0≥11×10−3v max h 0

最小缓和曲线长度：（2-28）

l 0≥9×10−3v max h 0

个别缓和曲线长度：（2-29）

l 0≥8×10−3v max h 0（2-30）

经计算分析，对高速铁路而言，多以根据车体倾斜角速度(超高时变率) 要求确定缓和曲线长度为控制条件。从式（2-28）、式（2-29）和式（2-30）可看出，对某一曲线而言，v max 为定值，故影响缓和曲线长度的要素只是设计超高h 0的取值问题，h 0值越大，缓和曲线越长，反之则短。

在《京沪高速铁路设计暂行规定》中规定：缓和曲线长度应根据曲线半径和地形

条件按表2-2合理选用，一般宜选用一般长度，困难条件下不宜小于最小长度，特殊困难条件下亦不应小于个别最小长度。缓和曲线长度在三档之间插值选用时，应以10m 为单位。表2-2

曲线半径

14000

12000

11000

10000

9000

8000

7000缓和曲线长度（m）缓和曲线长度一般长度[***********]670最小长度[***********]540个别最小长度[***********]460

3．限速曲线的缓和曲线长度标准的确定

在铁路选线定线设计时，在受地形、地物等各种条件控制的困难地段及位于大型车站两端减、加速地段，往往只能采用较小半径的曲线，曲线地段的行车速度也受到限制。同时在限速地段内，往往有小偏角的曲线需要采用较大曲线半径和较小的缓和曲线的情况，因此缓和曲线长度应与限速曲线的行车速度相适应。

2.2.4夹直线及圆曲线最小长度

在地形困难曲线毗连地段，两相邻曲线间的直线段，即前一曲线终点（HZ 1）与后一曲线起点（ZH 2）间的直线段，称为夹直线。高速铁路中缓和曲线和圆曲线的最小长度主要受到列车运行平稳性和旅客乘坐舒适条件控制。

理论上列车运行平稳、旅客乘坐舒适所要求的夹直线和圆曲线的最小长度，通常按列车在缓和曲线出入口（即夹直线或圆曲线的起终点）产生的振动不致叠加考虑，与列车振动、衰减特性和列车运行速度有关。根据实验结果，车辆振动的周期约为1.0s ，列车在缓和曲线出入口产生的振动在一个半至两个周期内基本衰减完毕，按两个周期计算则夹直线或圆曲线的最小长度为

式中v mav ≈0. 6v max 3. 6；L min ——夹直线或圆曲线的最小长度（m）L min ≥2⋅

（2-31）

2

高速铁路的线路

。v max ——设计最高速度（km/h）

我国既有干线一般地段夹直线长度标准约为（0.6～0.67）v max 。国外高速铁路相应最高运营速度200～350km/h的夹直线和圆曲线的最小长度大约为（0.4～1.0）v max 。

计算机模拟计算结果表明，夹直线长度为0.8v max 时，在夹直线起终点对高速车辆产生的激扰振动不会叠加，对行车平稳和旅客乘坐舒适性没有明显的影响，所以，京沪高速铁路夹直线及圆曲线最小长度一般按0.8v max 计算确定；困难条件下按0.6v max 计算确定，按远期速度目标值350km/h计。

2.2.5建筑限界

建筑限界分为铁路建筑限界、隧道建筑限界和桥梁建筑限界。世界各国的高速铁路建筑限界，由于所采用的机车车辆性能、结构尺寸、最高速度以及运输模式各不相同，加之国情也不一样，所采用的研究方法和基本尺寸亦有所不同。建筑限界是高速铁路的基本技术标准之一，与设备设施的设计密切相关。通过分析，电气化铁路建筑限界的高度主要与接触网悬挂方式、结构高度、导线高度、带电体对地绝缘以及隧道、桥梁的断面尺寸和施工误差等因素有关；建筑限界的宽度主要、机车车辆限界的宽度、机车车辆运行中横向振动偏移量、轨道状态及一定的安全裕量等因素有关。

结合我国高速铁路的特点，根据各种条件的计算结果，并考虑留有一定的安全裕量，我国高速铁路建筑限界的基本尺寸取最大高度7.25m ，最大宽度4.6m ，即可满足高速行车安全要求。但限界宽度增大并不会增加工程量，考虑到与既有铁路建筑限界最大宽度4.88m 的一致性，我国京沪高速铁路建筑接近限界基本尺寸及轮廓如图2-3所示。

我国现行的普速电气化铁路建筑限界、电气化隧道建筑限界和桥梁建筑限界三者是略有不同的，主要差别在隧道下部轮廓线根据隧道边墙形状而定，桥梁下部轮廓线根据下承式板梁角撑尺寸确定，且两者的限界上部均有用于安装照明、通信、信号等设备的空间，因此比铁路建筑限界宽。由于我国京沪高速铁路的隧道净空面积为100m 2，在建筑限界之外，有足够的空间布置照明、信号等设备，各种跨度桥梁均不采用下承式板梁，因此，建筑限界轮廓不再受桥梁结构形状的限制。所以，我国高速铁路的建筑接近限界同样适合用于隧道和桥梁，即三种限界合一。

图2-3京沪高速铁路建筑接近限界基本尺寸及轮廓图

曲线地段的建筑限界，应考虑因超高产生车体倾斜对曲线内侧的限界加宽。其加定量为

W =H ⋅h /1500（2-32）

式中W —曲线内侧加宽值（mm ）；

H —轨顶面至计算点的高度（mm ）；

h —外轨超高值（mm ）。

曲线上建筑限界的加宽范围，包括全部圆曲线、缓和曲线和部分直线，按图2-4所示阶梯加宽方法。

图2-4高速铁路建筑接近限界的曲线加宽方法

2.2.6

线间距

线间距是指相邻两股道（区间正线地段实际为上、下行线）线路中心线之间的最短距离。由于高速列车运行时会产生列车风，相邻线路高速列车相向运行所产生的空气压力冲击波易振碎车窗玻璃，使旅客感到不适，甚至影响列车运行的稳定性，故高速线路的线间距较普通铁路有所增大。其大小取决于机车车辆幅宽、轨距、高速列车相遇产生的风压以及考虑将来铺设渡线道岔等条件。

高速铁路线间距标准主要受到列车交会运行时的气动力作用控制。一方面，要满足列车承受交会压力波的允许值[∆P max ]；另一方面，要分析研究各种客运列车交会运

行时，作用在列车上的会车压力波最大值∆P max 及其时变率∆P max /∆t ，以及与交会列

车相邻侧壁净间壁Y （或线间距D ）的规律。

现场试验研究和数值模拟计算研究表明，列车交会时产生的会车压力波有以下几项主要特征：

（1）交会列车上的会车压力波值基本上与邻线迎面驶来的列车的运行速度平方成正比。

（2）外形相似的列车交会时，速度较低列车上受到的会车压力波比速度较高列车受到的会车压力波大，而速度相当的列车彼此交会时其会车压力波大致相当。

（3）会车压力波值与交会列车相邻侧壁间的净距Y 成反比。Y =D −(B 1+B 2)2，式中D 为线间距，B 1为被交会列车宽度，B 2为通过列车车头宽度。

（4）会车压力波值与列车外形（列车头部的流线程度、列车的宽度、列车长度和车体流线形程度）密切相关，其中列车头部流线程度影响最为显著。

（5）会车压力波与测点高度有关，高度越低压力波越大。

（6）一节车厢同一高度处会车压力波平均值与最大值之间存在一定的差别，表明会车压力波具有非定常性。

国外高速铁路的线间距D 、交会列车相邻侧壁净间距Y 和运行速度v max 之间的关系见表2-3。表2-3

国别

列车别100系

210

3.38

4.3

0.92

4.02200系2553.384.30.924.02国外高速铁路D、Y与v max 的关系日本300系2703.384.20.823.92WIN3503503.384.30.924.02STAR213503.104.31.204.3法国TGV 3003.024.51.484.582702.8054.21.3954.5德国ICE 3002.9054.51.5954.73502.9054.81.9105.0v max （km/h）B （m）D （m）Y （m）D （B =3.1）（m）

注：B 为车体宽度（m）。

从表2-3可知，确定线间距标准是一个灵活性相当大的问题。日本高速铁路的线

间距最窄，它的会车压力波最大，对机车车辆的设计和制造提出了很高的要求，但可以节省土建工程投资，这对国土窄小的日本是十分重要的。而德、法两国的线间距比较宽，虽然对机车车辆的气密性、门窗等设计要求相对降低，但土建投资较高。因此，应结合国情、路情提出一个比较合理的数值。

京沪高速铁路上不仅运行有时速350km/h的高速列车，而且还有相当数量的跨线中速列车。这些中速列车的门窗性能较差，短期内改造难度较大。因此，根据国内的研究成果，结合国外高速铁路D 、Y 与v max 的关系，京沪高速铁路线间距定为5.0m ，相应车辆宽度为3.1m 。

2.2.7安全退避距离

列车是在地面上高速运行的长大物体，不同于汽车，更不同于航空、航天飞行器，有其独特的空气动力问题需要研究解决。由于空气的粘性作用，列车在地面高速运行时将带动列车周围空气随之运动，形成一种特殊的非定常流动，通常称为列车风。列车风以空气流动和压力变化的形式表现出列车对周围环境及道旁人员安全的影响。列车风的作用随着离开列车侧面距离的增加而减少，为保障站台上旅客和轨侧作业人员安全，必须保证人体与列车侧壁之间有一定距离，这一距离即为人体安全退避距离。

虽然高速铁路线路是全封闭的，运行期间人员不能进入线路范围，但世界各国依然考虑了行人安全问题，并做过不少试验。列车安全退避距离主要有两方面研究内容，一是列车风作用下人体受力情况及列车风速度及压力分布；二是制定判别人体安全性的标准。对列车风的研究各国采用的研究方法、研究手段不尽相同，大致可分为三种：①采用实车试验研究方法，测量全尺寸人体模型受到的气动力，同时测量轨侧列车风风速和风压的分布规律；②采用水洞等模拟试验方法，测量列车通过时轨侧圆柱体（模拟人体）的压力分布：③用势流理论计算方法，求解列车周围速度场和压力场以及轨侧圆柱体在列车通过时的压力系数变化规律。日本在高速铁路研究初期对列车风进行过一些理论计算和风洞试验，但主要是依赖于实车试验的测量结果。他们采用人体模型和二维超声风速仪测试列车以一定速度通过时，人体模型的受力情况以及站台上不同距离的列车风风速。同样法国和前苏联也采用全尺寸人体模型，测量处于列车风中的人体的受力情况。英国通过实车试验方法测量了高速列车通过时，线路侧向不同距离列车风风速及风向，还将残疾人轮椅置于距站台边缘不同距离位置，观测轮椅的受力及运动情况。德国除进行实车试验外，还通过水槽模拟试验，当拖动列车模型运动时，测量列车侧向圆柱体（模拟人体）的受力情况，同时采用基于势流理论的数位模拟计算方法，计算了列车侧向圆柱体的气动力。

列车安全退避距离研究另一项内容是制定判别人体安全性的标准，根据所采用的物理量不同，有风速标准和气动力标准两种。在制定人体安全退避距离时，各国采用的标准不尽相同。日本以平均风速9m/s作为确定站台安全距离的危险标准。法国和德国采用气动力判据，规定人体允许承受的气动力为100N 。

日本的试验结果认为，列车长度为350m ，列车运行速度为250km/h时，作业人员能够接受安全待避的列车风速为17m/s，以此要求风压限界定为车辆边侧以外0.8m （车辆幅宽为3.4m ），即距车体0.8m 是安全的。法国测得速度为350km/h时，离线路中心2.4m 是安全的。如果车体宽是2.8m ，则距车体1.0m 是安全的。德国在线路设计规范中把距离线路中心3.5m 以外作为安全区。如车体宽3.0m ，则需离车体2.0m 。德国把这一距离作为路肩的起点，在这以外0.8m 为路肩部分。前苏联对站台上旅客安全距离和相向运行高速列车安全范围的实测试验资料表明，当列车速度达200km/h及以上时，人站在距站台边缘1.2m 处，气浪的侵袭会危及人身安全。在用3P200型电动车组进行的200km/h的试验中，测量了站台上的风压随离站台边缘距离的变化关系，规定气流对人体的最大压力不得大于250kPa ，据此得出列车以200km/h通过时，人离站台边缘的安全距离约为2.0m 。

我国在“八五”期间就开展了列车安全退避距离的研究，同时参考国外标准采取类比法提出了我国人体允许承受的气动力值和风速值：站台上旅客允许承受的气动力为100N ；轨侧线路作业人员允许承受的气动力为130N ；站台上旅客和轨侧线路作业人员列车风允许风速为14m/s。根据上述研究成果，我国高速铁路的站台安全距离标准建议取2.0m ，轨侧铁路员工安全退避距离取3.0m 。轨侧安全退避距离较站台上的安全退避距离标准增大了1.0m ，其原因是，轨侧人员受到列车裸露的走行部分所引起的列车风的影响明显大于站台上人员受到列车侧壁所以起的列车风的影响。但高速铁路为全封闭运行，线路维修时间按维修天窗执行。因此，这项建议只是针对特例作出的。

2.3高速铁路的纵断面设计

2.3.1最大坡度

在一定自然条件下，线路的最大坡度与设计线的输送能力、牵引质量、工程数量和运营质量有着密切的关系，有时甚至影响线路走向。客货共线的铁路，线路最大坡度是由货物列车运行要求所决定。高速列车采用大功率、轻型动车组，牵引和制动性能优良，能适应大坡度运行。但各国高速铁路由于采用的运输组织模式和线路条件各

不相同，采用的线路最大坡度也不大一样。

法国高速铁路采用全高速模式，通常采用的最大坡度为35‰。例如，法国TGV 东南线的纵断面的最大坡度为35‰，不仅减少了展线，缩短了线路长度，而且全线无一座隧道，节省了大量工程数量。

德国高速铁路采用客货共线运行模式，在已投入运营的客货共线的高速铁路上，最大坡度采用12.5‰，但在高速客运专线上，最大坡度可达40‰。

日本高速铁路采用全高速模式，日本新干线最大坡度多为15‰。但也有以外，例如北陆新干线在高崎—轻井泽（34km ）区段中约有20km 采用了连续30‰的长大坡。受列车制动性能的限制，在长大区段列车的限制速度定为160km/h，并且专用E2系高速列车（8辆编组，交直交牵引传动，再生制动与电气指令式空气制动共同作用）。显然，由于地形条件所限，灵活处理并应用较大的坡度，适当降低列车运行速度，是实事求是的选择。

我国京沪高速铁路位于华北、黄淮和长江三角洲三大平原，除局部经由低山丘陵区外，全线地形平坦，高程控制问题不太突出，无需采用大坡度。但因所经地区经济发达，城市居民点密布，铁路、公路、河流纵横交错，高架线路、立交工程、跨越河流等对高程都有一定的要求，通航河流尚需满足航运净空标准，纵断面设计需频繁采用起伏，采用坡度的大小也随条件的不同而异。经对采用8‰、10‰、12‰、15‰等不同坡度进行纵断面设计，从高程的控制性条件和工程投资差别分析，采用最大坡度12‰较为合理。根据高速客运专线特点，结合具体条件并经牵引计算检算，对于一定的纵断面和初速条件，个别困难情况下尚可采用大于12‰，但不宜大于20‰的坡度。

2.3.2坡段长度

两个坡段的连接点，即坡度变化点，称为变坡点。一个坡段两端变坡点间的水平距离称为坡段长度。

1．最小坡段长度

从列车运行的平稳性要求出发，纵断面坡段长度宜设计为较长的坡段；但从节省工程投资的角度分析，较短的坡段能够较好地适应地形，减少工程数量，降低工程投资。因此，最小坡段长度的确定，既要满足列车运行的平稳性要求，又要尽可能地节约工程投资，使两者取得最佳的统一。

为保证高速运行的高舒适性，高速铁路最小坡段长度除应满足两竖曲线不重叠外，同时还应考虑两竖曲线间有一定的夹坡段长度，以保证列车在前一个竖曲线终点产生的振动在夹坡段长度范围内完成衰减，不至于与下一个竖曲线起点产生的振动叠

加。对于两竖曲线间夹坡段长度的要求，德国、日本两国高速铁路的规范无具体规定，但法国高速铁路要求两竖曲线间夹坡段长度不得小于0.4v max 。参考法国标准，我国京沪高速铁路的最小夹坡段长度也取0.4v max 。

根据上述要求，对京沪高速铁路的最小坡段长度按最不利情况考虑，即按“N”形断面，两相邻变坡点的坡度差均为△i （取24‰）考虑，则最小坡段长度应为

∆i l p =2××R sh +0. 4v max （2-33）2

式中△i —两相邻变坡点的坡度差；

R sh —竖曲线半径（m ）；

v max —高速铁路设计速度（km/h）。

v max 取350km/h、竖曲线半径采用30000m 时，京沪高速铁路的最小坡段长度理论计算值如表2-4所示。表2-4相邻坡段变坡点代数差之和对应最小坡段

相邻变坡点的坡度代数差之和(‰)最小坡段长度(m)

24500

36680

40740

48860

从上表可以看出，当相邻两变坡点的坡度代数差之和为48‰时，需要最小坡段长度为900m 。在特别困难情况下，竖曲线半径采用25000m ，并且不考虑夹坡长度要求，则最小坡度长度为600m 。为了保证旅客良好的乘坐舒适性，特别是司机的视觉良好，纵断面不宜连续采用起伏的最小坡段长度。

2．最长坡段长度

法国高速铁路的最大坡段长度与坡度有关，坡度正常值应随坡段长度而变化。对于从最小值～3km 的长度，其坡度坡度不应超过18‰；对于3～15km 的长度范围,其坡度逐步从18‰降至15‰；对于大于15km 的长度，最大坡度不超过15‰，并建议在实际应用中，上述坡度再降2‰；对于坡度大于25‰的线路，建议在项目中考虑平均坡度25‰，最大坡长4km 。

德国科隆—莱茵/美因线对最大坡度规定在坡段长度10km 范围内不应大于25‰，在坡段长度6km 范围内不应大于35‰。

日本新干线困难条件下18‰的坡段最大长度为2.5km ，20‰的坡段最大长度为1km 。

借鉴国外高速铁路最大坡段长度的采用情况，建议采用最大坡度12‰时，对最大坡段长度暂不限制；当采用大于12‰的坡度时，例如坡度为18‰时最大坡段长度为2.5km ，坡度20‰的最大坡段长度为1km 。

2.3.3坡段间的连接

1．相邻坡段的坡度差

相邻坡段的坡度差允许的最大值，主要由保证运行列车不断钩这一安全条件确定，常规铁路相邻坡段的坡度差主要受货物列车制约。由于旅客列车质量远低于货物列车，国外高速铁路对相邻坡段的的坡度差均未做规定。

2．竖曲线半径

为保证列车在变坡点的运行安全和乘客的舒适性要求，参照国外有关规范，相邻坡段的坡度差大于1‰时，应采用圆曲线形竖曲线连接（当160km/h时，按现行铁路设计规范，相邻段的坡度差大于3‰时设竖曲线）。

竖曲线半径的大小可从竖向离心力和竖向离心加速度两个因素来考虑。当列车在凸形竖曲线上运行时，就会产生向上的离心力，使轮载减轻；当列车在凹形竖曲线上运行时，就会产生向下的离心力，使轮载增大。所以竖向离心力对列车运行的安全性产生影响；竖向离心力对旅客的乘坐舒适性产生影响。竖向离心加速度和离心力的计算式如下：竖向加速度：

2v max αsh =3. 62R sh （2-34）竖向离心力：

2mv max F sh =3. 62R sh （2-35）

式中v max —最高速度(km/h)；

R sh —竖曲线半径(m)；

m —车辆质量(kg)。

(1)竖向离心力。当列车在竖曲线上制动时，制动力就会产生竖向分力，此竖向分力与竖向离心力一起形成竖向合力，计算式如下：

21mv max ∆W =F sh +S sh =+lS ]2R sh 3. 6

式中（2-36）S sh —制动力的竖向分力(kN)；

S —车辆制动力(kN)；

l ——车辆钩舌距(m)。

由此可得轮重减载率为∆W /W (W —车辆重力(kN))。为了保证车辆运行的安全，一般认为轮重减载率不大于10%。根据国内外的研究，认为保证列车运行安全的最小竖曲线半径为：设计目标速度250km/h时为5200m ；设计目标速度300km/h时为7400m ；设计目标速度350km/h时为9900m 。

(2)竖向离心加速度。通过国外高速铁路线路竖向离心加速度允许值的分析，认为高速铁路线路的竖向离心加速度允许值取0.4m/s2较为合适（困难为0.5m/s2）。据此可导出根据舒适度要求的高速铁路线路最小竖曲线半径：设计目标速度250km/h时为12060m ；设计目标速度300km/h时为17370m ；设计目标速度350km/h时为23640m 。

从以上讨论可知，竖曲线半径显然应按照旅客舒适性的要求选择。表2-5为我国《京沪高速铁路设计暂行规定》中关于最小竖曲线半径采用标准的规定，是根据按上述理论计算后取整所得，设计时应根据所处区段远期设计最高速度选用相应的竖曲线半径值。同时，由于当竖曲线半径增大到一定程度，养护维修很难达到其设置要求，因此，根据国外内养护维修经验，最大竖曲线半径一般不大于40000m。表2-5

设计速度(km/h)300及以上

25000最小竖曲线半径采用标准300以下250以下250及以上160及以上[1**********]60以下10000R sh (m)

2.3.4竖曲线与竖曲线、缓和曲线、圆曲线和道岔重叠设置问题

相邻的两个竖曲线重叠设置时，保证各自的竖曲线形状是很难达到的，测设工作也将更加困难。目前国外各国的标准也不允许竖曲线重叠。

铁路线路平面曲线(圆曲线及缓和曲线) 与纵断面竖曲线重叠设置一直是铁路工作者感到头痛的问题。两种曲线的重叠不但给线路测设工作带来一定的难度，对行车的安全性、平稳性和舒适度也会有一定的影响，更主要的是给线路的养护维修工作增加了难度。

竖曲线与缓和曲线重叠有如下不利影响：

（1）增加线路测设工作量：竖曲线与缓和曲线重叠设置的情况下，平面曲线的

内轨在立面上要维持竖曲线的几何状态，而外轨又要叠加进缓和曲线超高的变化量，这时线路的测设工作要求更加严格。特别是对于高速铁路，由于竖曲线半径大、换算曲线超高顺坡率小，每10m 的轨道高程变化量很微小，以致测设仪器的分辨率难于保证精度的要求。

（2）对行车安全和乘坐舒适度的影响：竖曲线与缓和曲线重叠设置，将造成缓和曲线平、立面形不相适应。因为外轨叠加了超高顺坡量，其结果既不是标准的缓和曲线线形，又不是标准的竖曲线线形，因而对轮轨相互作用将会有一定的影响。此外，当列车运行在凸型竖曲线与圆曲线重叠的地段时，列车产生竖向离心加速度，减少重力加速度对未被平衡离心加速度的抵消作用，相对加大横向未被平衡离心加速度，也就是加大了列车运行时产生的欠超高，降低了旅客舒适度。附加欠超高连同平面曲线上产生的欠超高之和大于一定值时，还将带来不安全因素。

（3）增加了养护维修工作的难度：由于缓和曲线很长，其曲率及其变化率均甚微，轨道检测精度已难于保证其检测结果的真实性，若加上竖曲线的重叠设置，检测仪器更难分别提取竖曲线和缓和曲线的不平顺值了。

同时考虑到缓和曲线长度相对圆曲线较短，避免重叠设置容易处理，我国京沪高速铁路规定竖曲线与缓和曲线不得重叠。

竖曲线与圆曲线重叠设置，同样增加线路测设工作量，对行车安全和乘坐舒适度产生不利的影响，增加养护维修工作的难度，但由于高速铁路平面圆曲线半径较大，圆曲线长度较长，一般可达1～2km 以上，为避免竖曲线与圆曲线重叠设置而增加的工程投资巨大，同时此项重叠可通过采取适当措施减轻其不利影响。因此，我国京沪高速铁路规定困难条件下竖曲线与圆曲线可重叠设置，但竖曲线半径不应小于25000m ，圆曲线半径不应小于7000m 。

在法国高速铁路线上(包括v max =350km/h的地中海线)以及既有线上，都允许竖曲

线与圆曲线和竖曲线与缓和曲线重叠。例如，在地中海的瓦朗斯—阿维尼翁段的施工设计图中，见到如图2-5的情况。

竖曲线与道岔重叠设置时，由于高速道岔总长度较长，一方面道岔全长不在一个坡度上，列车通过道岔过程中，车轮对尖轨及导曲线将产生较大的冲击力，导曲线未被平衡的加速度对车体产生横向作用，同时叠加竖向作用力后，降低了乘客的舒适度和安全度；另一方面，为保证竖曲线形状，道岔铺设时的测设工作及养护维修时的检测工作都更加困难，增加了测设和检测工作量和更多的维修工作量。根据对京沪高速铁路上三个竖曲线及道岔重叠与否工程分析，由于京沪高速铁路全线地形比较平坦，不重叠时平均每个站仅增加约70万元投资。因此，我国京沪高速铁路规定竖曲线与道岔不得重叠设置。

R SH =21000m

R SH =23000m

图2-5法国高速铁路竖圆、竖缓重叠设置示意图

复习思考题

1．试推导单一高速列车运行条件下最小曲线半径R min 的计算公式。

2．试推导本线与跨线旅客列车共线运行条件下最小曲线半径R min 的计算公式。

3．为什么京沪高速铁路规定了最大曲线半径的标准？

4．如何确定高速铁路缓和曲线的长度？请简要说明。

5．高速铁路对夹直线及圆曲线最小长度有何要求？请简要说明。

6. 高速铁路对最小坡段长度和最大坡段长度有何要求？请简要说明。

7.什么情况下高速铁路需设置竖曲线？竖曲线半径如何确定？

8.请简要分析高速铁路竖曲线与竖曲线、缓和曲线、圆曲线和道岔重叠设置问题。