專題

線路平面和縱斷面設計鐵路選線設計

§1概述§2區間線路平面設計§3區間線路縱斷面設計§1概述⒈設計目的：在滿足主要技術標準的前提下，確定線路在空間中的位置。

術語定義：線路中心線：路基橫斷面上O點縱向連線。O點為距外軌半個軌距的鉛垂線AB與路肩水平線CD交點。新線設計標高：均為路肩設計標高鐵路線路平面定義：線路中心線在水平面上的投影組成要素：直線和曲線鐵路線路的平面與縱斷面鐵路線路縱斷面定義：線路中心線（曲線部分展直后）在垂直面上的投影組成要素：平道和坡道區間線路平面設計⒉設計內容區間線路縱斷面設計車站、橋梁、隧道地段的平、縱面設計

線路的平面組成和曲線要素平面設計直線、圓曲線、緩和曲線的設計

最大坡度坡段長度縱斷面設計坡段連接坡度折減

滿足《鐵路線路設計規范》要求⒋設計要求橋、隧、站和建筑物與線路的協調配合工程造價省優化設計有利于運營

線路平面圖⒊主要設計成果線路縱斷面圖

§2區間線路平面設計2.1平面組成和曲線要素直線線路平面圓曲線曲線緩和曲線

公路平面線形要素和幾何要素

1、平面線形幾何要素

1）平面線形⑴定義：路線平面上的形狀及特征。⑵組成：包括直線、圓曲線和緩和曲線。2）汽車行駛軌跡及平面線形要素

汽車行駛軌跡特征⑴軌跡線連續⑵軌跡線曲率連續⑶軌跡線曲率對里程或時間的變化率連續平面線形要素⑴當汽車轉向角為0時，軌跡為直線；⑵當汽車轉向角為常數時，軌跡為圓曲線；⑶當汽車轉向角為變數時，軌跡為緩和曲線。⒈曲線要素

⑴未加設緩和曲線的曲線（概略定線）偏角α—平面圖上量得半徑R—選配切線長曲線長

⑵加設緩和曲線的曲線（詳細定線）曲線要素：偏角α，半徑R，緩和曲線長L。（選配），切線長，曲線長內移距離切垂距緩和曲線角度切線長曲線長

⒉曲線起終點里程的推算

ZH里程：平面圖上量取

HZ里程＝ZH里程＋LHY里程＝ZH里程＋l。

YH里程＝HZ里程－l。具體設計時：

R—根據地形選配α—用量角器量出L。—根據線路等級和地形條件選配

思考題：已知:JDi，(Xi、Yi、Ri、lo)

如何編程計算曲線要素，推算線路中線里程。2.2直線

平面設計時，先用有限條折線表示線路的大致位置，然后再在相鄰折線之間設置曲線。直線位置確定后，曲線位置就大致上定下來了。因此平面設計，主要是直線位置的確定。

設計直線應遵循的原則：⒈直線與曲線相互協調⑴不要因設置直線而使工程量過大⑵不要因節省工程量而使曲線半徑過小，曲線長度過短，從而使運營條件變差⒉力爭設置較長的直線段好處：可縮短線路長度，改善運營條件⒊力求減小交點偏角度數線路轉彎急，總長增加→投資大偏角α大克服的阻力功增加→運營支出加大每噸列車克服的曲線阻力功

⒋夾直線長度不應短于規定長度

夾直線——前一曲線終點與后一曲線起點間所夾直線兩相鄰曲線，轉向相同者為同向曲線，轉向相反者為反向曲線。夾直線最小長度的確定⑴滿足線路養護要求列車通過反向曲線路段時，頻繁轉向，車輪對鋼軌的橫向推力加大。若夾直線太短，則正確位置不易保持，維修工作量加大，危及行車安全，運費增加。要求：不宜短于50~75米，最短不短于25米。

⑵行車平穩要求①夾直線太短—→列車同時在相鄰曲線上運行—→

R不同，超高不同—→車輛左右搖擺

要求：為保證行車平穩舒適，夾直線不短于2~3節客車長，即51~76.5米②通過夾直線前后ZH、HZ點時，輪軌沖擊—→轉向架彈簧產生振動要求：為保證振動不疊加，旅客乘坐舒適，夾直線應足夠長，客車通過夾直線的時間要大于彈簧振動消失的時間。

綜合以上的考慮，《規范》規定最小夾直線長度鐵路等級一般地段困難地段Ⅰ8040Ⅱ6030Ⅲ5025③客車通過夾直線的時間t不小于彈簧振動消失的時間tz。由t≥tz

得來式中：——取1.5s，分別按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，120、100、80Km/h——客車全軸距，取20m

故Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級鐵路分別為70m、62m、54m。具體設計時，若夾直線長度不夠，則要修改線路的平面位置。修改措施：a減小R或l。，使曲線長度變短b改移夾直線位置，延長轉點間的直線長度和減小曲線偏角c用一個曲線代替幾個同向曲線

2.3圓曲線設置目的：改變線路方向機車駕駛室內沒有方向盤，列車靠鋼軌導向。通過曲線時，輪軌間產生很強的作用力。搖擺、振動、撞擊、擠壓主要與半徑R有關，而半徑與工程量有很大關系。2.3.1曲線半徑對工程和運營的影響⒈曲線限制速度⒉曲線半徑對工程的影響小半徑曲線的優點：更好地適應地形變化，減少路基、橋涵、隧道、擋墻的工程數量，降低工程造價。小半徑曲線的缺點：⑴增加線路長度

⑵降低粘著系數機車通過時，車輪在鋼軌上的縱向、橫向滑動加劇，粘著系數降低，機車粘著牽引力下降⑶軌道需要加強R＜600時，橫向沖擊力加大，軌道要加強，要設置軌撐、軌距桿或增加外側道床的寬度⑷增加接觸導線的支柱數量R越小，中心線與接觸導線的矢度越大，支柱間間距應該減小

⒊曲線半徑對運營的影響⑴增加輪軌磨耗輪軌間的縱向橫向滑動、擠壓，使磨耗增加。半徑越小，磨耗越大。⑵維修工作量加大小半徑曲線地段，軌距、方向容易錯位⑶行車費用增加①小半徑曲線限制列車速度列車通過曲線時，需要減速、限速、加速，機車需要額外做功，使得運行時分和行車費用增加。②小半徑曲線使線路加長、總偏角加大，導致曲線阻力功加大，行車費用增加。

2.3.2最小曲線半徑的選定意義：⑴鐵路主要技術標準之一⑵對工程量和運營條件有重大影響⒈最小曲線半徑的計算式客車貨車共線客車：保證舒適條件貨車：不致引起輪軌嚴重磨耗

⑴旅客舒適條件列車以最高速度通過時，欠超高不能大于允許值⑵輪軌磨耗條件確定因素：行車速度，實設超高外軌超高均方根速度客車速度Vmax

欠超高≤允許值貨車速度Vh

過超高≤允許值

①

取進整為50米的整倍數①+②

⒉選定最小曲線半徑的影響因素⑴路段設計速度——最小曲線半徑要滿足各個路段的需要⑵貨車通過速度坡度越陡，列車速度越慢。曲線上，外軌超高受允許過超高的制約⑶地形條件平原微丘——R宜大山岳地區——R宜小用足坡度地段——R越小，線路額外展長，工程費用增加2.3.3曲線半徑的選用⒈曲線半徑系列一般為50或100米的整倍數特殊為10米的整倍數⒉選用原則⑴因地制宜，由大到小合理選用⑵結合縱斷面特點合理選用①坡度平緩地段和凹形縱斷面坡底，列車速度高，半徑宜大②長大坡道、凸形縱斷面的坡頂及雙方向均需停車的大站兩端，半徑可以小一些③足坡長大坡道頂部和進站前用足坡度上坡的地段，半徑不宜過?、苄“霃角€宜集中設置2.3.4緩和曲線——保證行車平順⒈作用⑴緩和曲線地段，半徑由無窮大變到一個定值，離心力逐漸增加⑵緩和曲線地段，外軌超高由零變動到圓曲線上的超高，向心力逐漸增加⑶半徑小于350米時，軌距由標準軌距變動到加寬后的軌距⒉線型直線型超高順坡的三次拋物線⒊長度⑴保證超高順坡不致使車輪脫軌⑵保證超高時變率不致影響旅客舒適⑶保證欠超高時變率不致影響旅客舒適取三個計算值中的較大者⒋選用——結合半徑、設計速度、地形選用，盡量選用較長的。⒌兩緩和曲線間圓曲線的最小長度——與夾直線相同

2.3.5線間距離㈠限界定義：對機車車輛和接近線路的建筑物和設備所規定的不允許超過的輪廓尺寸線。作用：確保機車車輛在鐵路線路上運行的安全，防止機車車輛撞擊臨近線路的建筑物和設備。種類：機車車輛限界——機車車輛不同部位寬度和高度的最大輪廓尺寸線。直線建筑接近限界——鐵路兩側建筑物和設備在任何情況下不得侵入的輪廓尺寸線。隧道建筑限界橋梁建筑限界

㈡區間直線地段的線距⒈第一、二線的線距最小線距：其中1700—機車車輛的限界半寬

100—信號限界寬

400—不限速會車的安全量⒉第二、三線的線距取為5.3m其中2440—直線建筑接近限界半寬

410—信號機最大寬度

㈢區間曲線地段線距加寬⒈加寬原因車體長轉向架中心距曲線半徑為R⑴車輛在曲線上時，車輛中部向內凸W1，兩端向外凸W2⑵曲線上設有外軌超高，使車體向內側傾斜W3

⒉加寬值計算⑴時，⑵時，外側車體的內傾量大于內側

§3區間線路縱斷面設計基本概念及設計過程最大坡度坡段長度坡段連接坡度折減坡段設計對行車費用的影響

重要概念：坡段長度，坡度坡段長度——坡段前后兩個變坡點之間的水平距離坡度——坡段兩端變坡點之間的高程差除以坡段長度坡度值符號規定：上坡取正值，下坡取負值

(‰)設計步驟：⒈在平面設計一欄中，填入平面設計的資料，按縱斷面圖的格式，繪制線路平面圖。⒉根據平面圖的等高線，將千（百）米標及地形變化點點繪在縱斷面圖上，連成地面線。⒊用直尺沿地面線上下移動，使填挖方較小，從而定出坡段長度和坡度值。以上為縱斷面設計的大致步驟，具體設計時，還包括確定最大坡度、坡段長度、坡段連接和坡度折減等一系列具體問題，需要在設計過程中進一步協調配合。3.1線路的最大坡度首先必須明確限制坡度、加力牽引坡度、地面平均自然坡度等幾個概念。最大坡度，在單機牽引的路段稱為限制坡度；在兩臺及以上機車牽引的路段稱為加力牽引坡度。地面平均自然坡度是指兩點之間地面高程與距離的比值。注意：縱斷面的設計坡度不得大于最大坡度值。若超過了最大坡度，牽引質量按限坡計算的貨物列車，在持續上坡道上，會低于計算速度運行，發生運緩或途停事故。3.1.1限制坡度⒈限制坡度對工程和運營的影響⑴輸送能力由輸送能力計算公式可知，輸送能力取決于通過能力和牽引質量。在牽引種類和機車類型一定的情況下，由牽引質量計算公式可知，牽引質量由限制坡度決定。365NH·Gj

C=————(Mt/a)106β

⑵工程數量在平原地區，限坡大小對工程數量影響不大。

在丘陵和越嶺地區，限坡對工程數量影響很大。在丘陵地區采用大的限坡，可使線路標高升降較快，更好地適應地形起伏，從而避免較大的填挖方，減少橋梁高度，縮短隧道長度，使工程數量減少，工程造價降低。不同限坡的起伏縱斷面

在地面自然縱坡較陡的越嶺地段，若采用的限坡小于地面自然縱坡，則線路要迂回展長，才能達到預定標高，使得工程數量和造價大幅增加。寶秦段不同最大坡度的線路方案示意圖⑶運營費用由前面的分析可知，采用大的限坡，則牽引質量相應減少。為了完成既定的運輸任務，滿足輸送能力的需要，必須增加列車對數，使得通過能力加大，機車臺數、車站數目、工作人員增多，從而使運營費用大幅度增加。通常情況下，應采用較小的限制坡度，但在地面自然縱坡陡峻地區，宜采用與地形相適應的較大的限坡，可以縮短展線長度，節省工程投資。⒉影響限坡選擇的因素限制坡度是影響鐵路全局的主要技術標準之一，它對線路的走向、長度、車站分布和工程投資，以及鐵路的輸送能力、運營指標都有很大的影響，并且一經修建就不易改動。因此設計線的限制坡度應根據鐵路等級和遠期輸送能力的要求，結合地形條件、機車類型、鄰接線的牽引定數等情況，擬定不同的限坡方案，經過比選確定。影響限坡選擇的因素如下：⑴鐵路等級鐵路等級高，則線路的意義、作用大，客貨運量大，安全舒適性要求高，運營條件要好，運輸成本要低，因此宜采用較小的限制坡度。⑵牽引種類和機車類型電力牽引比內燃牽引的計算牽引力大，計算速度高，牽引定數大，滿足相同運能要求時的限坡比內燃牽引的大。大功率機車的牽引力大，牽引定數大，滿足相同運能要求時的限坡比小功率機車的為大。⑶地形類別地形條件是限坡選擇的重要因素，限坡選擇要和地形條件相適應。當限坡適應地形時，線路長度短，工程投資省。否則需要額外增加展線，增大工程費和運營費。⑷運輸需求鐵路的輸送能力必須能完成規定的運輸任務，當其他條件相同時，客貨運量大的線路要求較小的限制坡度。⑸鄰線的牽引定數當設計線與鄰接鐵路的直通貨流量大，或者在路網中聯絡分流的作用很顯著，則限坡選擇應考慮使設計線與鄰接線的牽引定數相協調，采用同一牽引定數。統一牽引定數可避免列車換重作業，加速機車車輛的周轉，提高運營指標，并增加運輸的機動性。《線規》的規定

限坡的最大值（‰）限坡的最小值：通常取4‰

3.1.2加力牽引坡度加力坡度：用兩臺或更多機車牽引的較陡坡度優點：縮短線路長度，大量減少工程，有利于降低造價和縮短工期。缺點：①增加了機車臺數，造成機力浪費和運輸管理的困難②延長了到發線有效長度和增加部分整備設備③增加了編組時挑選守車的作業和難度④加力牽引坡度太大時，對下坡行車會產生不利影響⒈采用的注意事項⑴加力牽引坡度應集中使用⑵加力牽引地段宜與區段站或其他有機務設備的車站鄰接⑶要減少與起訖站鄰接的加力牽引區間的往返走行時分⑷根據車鉤強度確定采用重聯牽引還是補機推送⒉加力牽引坡度的最大值⑴制定的依據

①滿足運輸能力的需要

②保證運行安全的需要Ⅰ上坡時車鉤不斷Ⅱ下坡時制動力充分

③經濟上合理⑵綜合運能、安全和經濟各方面要求，各級鐵路電力和內燃加力牽引坡度最大值分別取30‰和25‰2．加力坡度的最大值

加力牽引坡度的最大值受到不同牽引類型，機車種類的限制

①滿足運輸能力的需要制定的依據②保證運行安全的需要Ⅰ上坡時車鉤不斷

Ⅱ下坡時制動力充分

③經濟上合理(1)蒸汽牽引最大加力牽引坡度主要考慮到機車制動時閘瓦之間的摩擦，以及能耗行車安全等因素，定為20‰。(2)內燃牽引的最大加力牽引坡度內燃牽引有電阻制動，較蒸汽機車好，故定為25‰。(3)電力牽引的最大加力牽引坡度電力機車的電阻制動力比內燃牽引的大，僅用電阻制動就可控制下坡的速度，故定為30‰。3.2坡段長度定義：一個坡段兩端變坡點之間的水平距離相鄰兩坡段的坡度變化點稱為變坡點。3.2.1縱斷面坡段設計考慮因素⒈滿足行車安全和平穩的要求⒉考慮工程數量的影響3、坡段長度的限制運營實踐證明，列車不宜同時跨越兩個以上的變坡點，即坡段長度不宜短于半個列車長度，以保證在變坡點處疊加后的附加應力和局部加速度不致過大。故《規范》規定了設計坡段的最小長度。遠期貨物列車長度的一半（遠期到發線有效長減50m）遠期到發線有效長度1050850750650550最小坡段長度5004003503002503.2.2最小坡段長度的確定200米最短坡段長度的確定確定理由：⒈保證了相鄰兩豎曲線不互相重疊⒉可避免同一列車下出現兩個以上變坡點⒊坡段長度在200米以下時，對減少工程量的作用已不顯著200米最短坡段長度的采用情況⒈坡度折減坡段⒉緩和坡段⒊分坡平段⒋長路塹內的人字坡3.3坡段連接3.3.1坡度代數差變坡點對列車運行的影響⒈列車通過變坡點時，由于運動方向的改變而產生附加力，當車鉤內力大于車鉤的允許強度時，就有斷鉤的可能。⒉列車通過變坡點時，產生豎直方向的離心力和離心加速度，當加速度超過一定限度時，將使旅客感覺不舒適或使貨物移位。⒊列車通過凸形變坡點時，當機車前輪懸空高度超過輪緣高度就有脫軌的可能。⒋列車通過變坡點時，引起相鄰車輛的車鉤中心線上下錯動，當錯動量超過限定數值時，有脫鉤的可能。3.3.2豎曲線定義：縱斷面變坡點處設立的豎向圓弧線型：拋物線，圓曲線⒈豎曲線半徑的確定條件⑴行車安全條件——機車不脫軌⑵旅客舒適條件——行車平穩⑶設豎曲線可減少附加縱向力《規范》規定：Ⅰ、Ⅱ級鐵路豎曲線半徑為10000米，Ⅲ級鐵路豎曲線半徑為5000米。⒉豎曲線的幾何線型要素⑴切線長Ⅰ、Ⅱ級鐵路：

Ⅲ級鐵路：⑵豎曲線長⑶豎曲線縱距

⑷外矢距變坡點處的設計標高＝計算標高±外矢距⒊豎曲線的設置條件Ⅰ、Ⅱ級鐵路：‰Ⅲ級鐵路：‰⒋豎曲線設置的限制條件⑴豎曲線不應與緩和曲線重疊⑵豎曲線不應設在明橋面上⑶豎曲線不應與道岔重疊線路縱斷面設計——最大坡度折減最大坡度折減折減目的線路縱斷面設計時,縱斷面上需要用足最大坡度的地段，當平面上出現曲線或遇到長于400m的隧道時，因為曲線附加阻力和隧道附加阻力增加,粘著系數降低,需要將最大坡度值減緩,以保證線路上任何一處的加算坡度均不超過線路允許的最大坡度，以保證列車以不低于該地段的計算速度或規定速度運行;此項工作稱為最大坡度折減.需要考慮最大坡度折減的線路地段曲線地段，長度大于400m的隧道地段

最大坡度折減曲線地段的最大坡度折減設計坡度在曲線地段,貨物列車受到的附加阻力包括坡道阻力和曲線附加阻力;為保證列車以不低于計算速度運行,相應的加算坡度應滿足:

ij=i+iR≤imax(‰)所以線路的設計坡度應為:i=imax-iR(‰)式中imax

最大坡度值（‰）；

iR

曲線阻力的相應坡度減緩值（‰）。最大坡度折減曲線地段的最大坡度折減曲線地段最大坡度減緩的注意事項縱斷面設計坡度值+曲線當量坡度>最大坡度時，才進行曲線坡度減緩；既要保證必要的減緩值，又不要折減過多，以免損失高程，使線路額外展長。折減時涉及的曲線長度是未加設緩和曲線前的圓曲線長度；設計的貨物列車長度應是近期貨物列車長度。減緩坡段長度應不短于、且盡量接近于圓曲線長度，取為50m的整倍數，且不短于200m。所取坡段長度不宜大于貨物列車長度。減緩后的設計坡度值，取小數點后一位。最大坡度折減曲線地段的最大坡度折減曲線地段最大坡度折減方法

兩圓曲線間不小于200m的直線段，可設計為一個坡段，按最大坡度設計，不予折減；例如:將曲線②前后長度不小于200m的兩直線段,分別設計為長度200m和長度350m的坡段,坡度不予減緩,按限制坡度12‰設計。最大坡度折減曲線地段的最大坡度折減曲線地段最大坡度折減方法長度不小于貨物列車長度的圓曲線，可設計為一個坡段，曲線阻力的坡度減緩值為：

600ΔiR=———(‰)R

例如：將例子中長度大于近期貨物列車長度的圓曲線①，設計為一個坡段，坡段長度取500m，設計坡度為：

600600

i=ix-——=12-——=11.25(‰),取為11.2‰R800最大坡度折減曲線地段的最大坡度折減曲線地段最大坡度折減方法長度小于貨物列車長度的圓曲線，設計為一個坡段坡度減緩值為：Li——設計坡段長度，當坡段長大于貨物列車長度時，取貨物列車長。

10.5αΔiR=———(‰)Li在上例中：將長度小于近期貨物列車長度的圓曲線②，設計為一個坡段，坡段長度取300m，設計坡度為：

10.5α10.5×26.4i=ix-———=12-—————=11.08(‰),取11.0‰Li300最大坡度折減曲線地段的最大坡度折減曲線地段最大坡度折減方法若連續有一個以上長度小于貨物列車長度的圓曲線，其間直線長度小于200m，可將小于200m的直線段分開，并入兩端曲線進行減緩；也可將兩個曲線合并進行折減，設計坡段不宜大于貨物列車長度，坡度減緩值為：Li—設計坡段長度,當坡段長大于貨物列車長度時,取貨物列車長。

10.5∑αΔiR=————(‰)Li在上例中：將長度小于近期貨物列車長度的圓曲線③、④，連同中間小于200m的直線段，劃分為長度各為250m的兩個坡段進行折減，設計坡度分別為：

10.5α10.5×13.5i=ix-———=12-—————=11.43(‰),取11.4‰Li250

10.