专题 线路平面和纵断面设计

专题

线路平面和纵断面设计铁路选线设计

§1概述§2区间线路平面设计§3区间线路纵断面设计§1概述⒈设计目的：在满足主要技术标准的前提下，确定线路在空间中的位置。

术语定义：线路中心线：路基横断面上O点纵向连线。O点为距外轨半个轨距的铅垂线AB与路肩水平线CD交点。新线设计标高：均为路肩设计标高铁路线路平面定义：线路中心线在水平面上的投影组成要素：直线和曲线铁路线路的平面与纵断面铁路线路纵断面定义：线路中心线（曲线部分展直后）在垂直面上的投影组成要素：平道和坡道区间线路平面设计⒉设计内容区间线路纵断面设计车站、桥梁、隧道地段的平、纵面设计

线路的平面组成和曲线要素平面设计直线、圆曲线、缓和曲线的设计

最大坡度坡段长度纵断面设计坡段连接坡度折减

满足《铁路线路设计规范》要求⒋设计要求桥、隧、站和建筑物与线路的协调配合工程造价省优化设计有利于运营

线路平面图⒊主要设计成果线路纵断面图

§2区间线路平面设计2.1平面组成和曲线要素直线线路平面圆曲线曲线缓和曲线

公路平面线形要素和几何要素

1、平面线形几何要素

1）平面线形⑴定义：路线平面上的形状及特征。⑵组成：包括直线、圆曲线和缓和曲线。2）汽车行驶轨迹及平面线形要素

汽车行驶轨迹特征⑴轨迹线连续⑵轨迹线曲率连续⑶轨迹线曲率对里程或时间的变化率连续平面线形要素⑴当汽车转向角为0时，轨迹为直线；⑵当汽车转向角为常数时，轨迹为圆曲线；⑶当汽车转向角为变数时，轨迹为缓和曲线。⒈曲线要素

⑴未加设缓和曲线的曲线（概略定线）偏角α—平面图上量得半径R—选配切线长曲线长

⑵加设缓和曲线的曲线（详细定线）曲线要素：偏角α，半径R，缓和曲线长L。（选配），切线长，曲线长内移距离切垂距缓和曲线角度切线长曲线长

⒉曲线起终点里程的推算

ZH里程：平面图上量取

HZ里程＝ZH里程＋LHY里程＝ZH里程＋l。

YH里程＝HZ里程－l。具体设计时：

R—根据地形选配α—用量角器量出L。—根据线路等级和地形条件选配

思考题：已知:JDi，(Xi、Yi、Ri、lo)

如何编程计算曲线要素，推算线路中线里程。2.2直线

平面设计时，先用有限条折线表示线路的大致位置，然后再在相邻折线之间设置曲线。直线位置确定后，曲线位置就大致上定下来了。因此平面设计，主要是直线位置的确定。

设计直线应遵循的原则：⒈直线与曲线相互协调⑴不要因设置直线而使工程量过大⑵不要因节省工程量而使曲线半径过小，曲线长度过短，从而使运营条件变差⒉力争设置较长的直线段好处：可缩短线路长度，改善运营条件⒊力求减小交点偏角度数线路转弯急，总长增加→投资大偏角α大克服的阻力功增加→运营支出加大每吨列车克服的曲线阻力功

⒋夹直线长度不应短于规定长度

夹直线——前一曲线终点与后一曲线起点间所夹直线两相邻曲线，转向相同者为同向曲线，转向相反者为反向曲线。夹直线最小长度的确定⑴满足线路养护要求列车通过反向曲线路段时，频繁转向，车轮对钢轨的横向推力加大。若夹直线太短，则正确位置不易保持，维修工作量加大，危及行车安全，运费增加。要求：不宜短于50~75米，最短不短于25米。

⑵行车平稳要求①夹直线太短—→列车同时在相邻曲线上运行—→

R不同，超高不同—→车辆左右摇摆

要求：为保证行车平稳舒适，夹直线不短于2~3节客车长，即51~76.5米②通过夹直线前后ZH、HZ点时，轮轨冲击—→转向架弹簧产生振动要求：为保证振动不叠加，旅客乘坐舒适，夹直线应足够长，客车通过夹直线的时间要大于弹簧振动消失的时间。

综合以上的考虑，《规范》规定最小夹直线长度铁路等级一般地段困难地段Ⅰ8040Ⅱ6030Ⅲ5025③客车通过夹直线的时间t不小于弹簧振动消失的时间tz。由t≥tz

得来式中：——取1.5s，分别按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，120、100、80Km/h——客车全轴距，取20m

故Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级铁路分别为70m、62m、54m。具体设计时，若夹直线长度不够，则要修改线路的平面位置。修改措施：a减小R或l。，使曲线长度变短b改移夹直线位置，延长转点间的直线长度和减小曲线偏角c用一个曲线代替几个同向曲线

2.3圆曲线设置目的：改变线路方向机车驾驶室内没有方向盘，列车靠钢轨导向。通过曲线时，轮轨间产生很强的作用力。摇摆、振动、撞击、挤压主要与半径R有关，而半径与工程量有很大关系。2.3.1曲线半径对工程和运营的影响⒈曲线限制速度⒉曲线半径对工程的影响小半径曲线的优点：更好地适应地形变化，减少路基、桥涵、隧道、挡墙的工程数量，降低工程造价。小半径曲线的缺点：⑴增加线路长度

⑵降低粘着系数机车通过时，车轮在钢轨上的纵向、横向滑动加剧，粘着系数降低，机车粘着牵引力下降⑶轨道需要加强R＜600时，横向冲击力加大，轨道要加强，要设置轨撑、轨距杆或增加外侧道床的宽度⑷增加接触导线的支柱数量R越小，中心线与接触导线的矢度越大，支柱间间距应该减小

⒊曲线半径对运营的影响⑴增加轮轨磨耗轮轨间的纵向横向滑动、挤压，使磨耗增加。半径越小，磨耗越大。⑵维修工作量加大小半径曲线地段，轨距、方向容易错位⑶行车费用增加①小半径曲线限制列车速度列车通过曲线时，需要减速、限速、加速，机车需要额外做功，使得运行时分和行车费用增加。②小半径曲线使线路加长、总偏角加大，导致曲线阻力功加大，行车费用增加。

2.3.2最小曲线半径的选定意义：⑴铁路主要技术标准之一⑵对工程量和运营条件有重大影响⒈最小曲线半径的计算式客车货车共线客车：保证舒适条件货车：不致引起轮轨严重磨耗

⑴旅客舒适条件列车以最高速度通过时，欠超高不能大于允许值⑵轮轨磨耗条件确定因素：行车速度，实设超高外轨超高均方根速度客车速度Vmax

欠超高≤允许值货车速度Vh

过超高≤允许值

①

取进整为50米的整倍数①+②

⒉选定最小曲线半径的影响因素⑴路段设计速度——最小曲线半径要满足各个路段的需要⑵货车通过速度坡度越陡，列车速度越慢。曲线上，外轨超高受允许过超高的制约⑶地形条件平原微丘——R宜大山岳地区——R宜小用足坡度地段——R越小，线路额外展长，工程费用增加2.3.3曲线半径的选用⒈曲线半径系列一般为50或100米的整倍数特殊为10米的整倍数⒉选用原则⑴因地制宜，由大到小合理选用⑵结合纵断面特点合理选用①坡度平缓地段和凹形纵断面坡底，列车速度高，半径宜大②长大坡道、凸形纵断面的坡顶及双方向均需停车的大站两端，半径可以小一些③足坡长大坡道顶部和进站前用足坡度上坡的地段，半径不宜过小④小半径曲线宜集中设置2.3.4缓和曲线——保证行车平顺⒈作用⑴缓和曲线地段，半径由无穷大变到一个定值，离心力逐渐增加⑵缓和曲线地段，外轨超高由零变动到圆曲线上的超高，向心力逐渐增加⑶半径小于350米时，轨距由标准轨距变动到加宽后的轨距⒉线型直线型超高顺坡的三次抛物线⒊长度⑴保证超高顺坡不致使车轮脱轨⑵保证超高时变率不致影响旅客舒适⑶保证欠超高时变率不致影响旅客舒适取三个计算值中的较大者⒋选用——结合半径、设计速度、地形选用，尽量选用较长的。⒌两缓和曲线间圆曲线的最小长度——与夹直线相同

2.3.5线间距离㈠限界定义：对机车车辆和接近线路的建筑物和设备所规定的不允许超过的轮廓尺寸线。作用：确保机车车辆在铁路线路上运行的安全，防止机车车辆撞击临近线路的建筑物和设备。种类：机车车辆限界——机车车辆不同部位宽度和高度的最大轮廓尺寸线。直线建筑接近限界——铁路两侧建筑物和设备在任何情况下不得侵入的轮廓尺寸线。隧道建筑限界桥梁建筑限界

㈡区间直线地段的线距⒈第一、二线的线距最小线距：其中1700—机车车辆的限界半宽

100—信号限界宽

400—不限速会车的安全量⒉第二、三线的线距取为5.3m其中2440—直线建筑接近限界半宽

410—信号机最大宽度

㈢区间曲线地段线距加宽⒈加宽原因车体长转向架中心距曲线半径为R⑴车辆在曲线上时，车辆中部向内凸W1，两端向外凸W2⑵曲线上设有外轨超高，使车体向内侧倾斜W3

⒉加宽值计算⑴时，⑵时，外侧车体的内倾量大于内侧

§3区间线路纵断面设计基本概念及设计过程最大坡度坡段长度坡段连接坡度折减坡段设计对行车费用的影响

重要概念：坡段长度，坡度坡段长度——坡段前后两个变坡点之间的水平距离坡度——坡段两端变坡点之间的高程差除以坡段长度坡度值符号规定：上坡取正值，下坡取负值

(‰)设计步骤：⒈在平面设计一栏中，填入平面设计的资料，按纵断面图的格式，绘制线路平面图。⒉根据平面图的等高线，将千（百）米标及地形变化点点绘在纵断面图上，连成地面线。⒊用直尺沿地面线上下移动，使填挖方较小，从而定出坡段长度和坡度值。以上为纵断面设计的大致步骤，具体设计时，还包括确定最大坡度、坡段长度、坡段连接和坡度折减等一系列具体问题，需要在设计过程中进一步协调配合。3.1线路的最大坡度首先必须明确限制坡度、加力牵引坡度、地面平均自然坡度等几个概念。最大坡度，在单机牵引的路段称为限制坡度；在两台及以上机车牵引的路段称为加力牵引坡度。地面平均自然坡度是指两点之间地面高程与距离的比值。注意：纵断面的设计坡度不得大于最大坡度值。若超过了最大坡度，牵引质量按限坡计算的货物列车，在持续上坡道上，会低于计算速度运行，发生运缓或途停事故。3.1.1限制坡度⒈限制坡度对工程和运营的影响⑴输送能力由输送能力计算公式可知，输送能力取决于通过能力和牵引质量。在牵引种类和机车类型一定的情况下，由牵引质量计算公式可知，牵引质量由限制坡度决定。365NH·Gj

C=————(Mt/a)106β

⑵工程数量在平原地区，限坡大小对工程数量影响不大。

在丘陵和越岭地区，限坡对工程数量影响很大。在丘陵地区采用大的限坡，可使线路标高升降较快，更好地适应地形起伏，从而避免较大的填挖方，减少桥梁高度，缩短隧道长度，使工程数量减少，工程造价降低。不同限坡的起伏纵断面

在地面自然纵坡较陡的越岭地段，若采用的限坡小于地面自然纵坡，则线路要迂回展长，才能达到预定标高，使得工程数量和造价大幅增加。宝秦段不同最大坡度的线路方案示意图⑶运营费用由前面的分析可知，采用大的限坡，则牵引质量相应减少。为了完成既定的运输任务，满足输送能力的需要，必须增加列车对数，使得通过能力加大，机车台数、车站数目、工作人员增多，从而使运营费用大幅度增加。通常情况下，应采用较小的限制坡度，但在地面自然纵坡陡峻地区，宜采用与地形相适应的较大的限坡，可以缩短展线长度，节省工程投资。⒉影响限坡选择的因素限制坡度是影响铁路全局的主要技术标准之一，它对线路的走向、长度、车站分布和工程投资，以及铁路的输送能力、运营指标都有很大的影响，并且一经修建就不易改动。因此设计线的限制坡度应根据铁路等级和远期输送能力的要求，结合地形条件、机车类型、邻接线的牵引定数等情况，拟定不同的限坡方案，经过比选确定。影响限坡选择的因素如下：⑴铁路等级铁路等级高，则线路的意义、作用大，客货运量大，安全舒适性要求高，运营条件要好，运输成本要低，因此宜采用较小的限制坡度。⑵牵引种类和机车类型电力牵引比内燃牵引的计算牵引力大，计算速度高，牵引定数大，满足相同运能要求时的限坡比内燃牵引的大。大功率机车的牵引力大，牵引定数大，满足相同运能要求时的限坡比小功率机车的为大。⑶地形类别地形条件是限坡选择的重要因素，限坡选择要和地形条件相适应。当限坡适应地形时，线路长度短，工程投资省。否则需要额外增加展线，增大工程费和运营费。⑷运输需求铁路的输送能力必须能完成规定的运输任务，当其他条件相同时，客货运量大的线路要求较小的限制坡度。⑸邻线的牵引定数当设计线与邻接铁路的直通货流量大，或者在路网中联络分流的作用很显著，则限坡选择应考虑使设计线与邻接线的牵引定数相协调，采用同一牵引定数。统一牵引定数可避免列车换重作业，加速机车车辆的周转，提高运营指标，并增加运输的机动性。《线规》的规定

限坡的最大值（‰）限坡的最小值：通常取4‰

3.1.2加力牵引坡度加力坡度：用两台或更多机车牵引的较陡坡度优点：缩短线路长度，大量减少工程，有利于降低造价和缩短工期。缺点：①增加了机车台数，造成机力浪费和运输管理的困难②延长了到发线有效长度和增加部分整备设备③增加了编组时挑选守车的作业和难度④加力牵引坡度太大时，对下坡行车会产生不利影响⒈采用的注意事项⑴加力牵引坡度应集中使用⑵加力牵引地段宜与区段站或其他有机务设备的车站邻接⑶要减少与起讫站邻接的加力牵引区间的往返走行时分⑷根据车钩强度确定采用重联牵引还是补机推送⒉加力牵引坡度的最大值⑴制定的依据

①满足运输能力的需要

②保证运行安全的需要Ⅰ上坡时车钩不断Ⅱ下坡时制动力充分

③经济上合理⑵综合运能、安全和经济各方面要求，各级铁路电力和内燃加力牵引坡度最大值分别取30‰和25‰2．加力坡度的最大值

加力牵引坡度的最大值受到不同牵引类型，机车种类的限制

①满足运输能力的需要制定的依据②保证运行安全的需要Ⅰ上坡时车钩不断

Ⅱ下坡时制动力充分

③经济上合理(1)蒸汽牵引最大加力牵引坡度主要考虑到机车制动时闸瓦之间的摩擦，以及能耗行车安全等因素，定为20‰。(2)内燃牵引的最大加力牵引坡度内燃牵引有电阻制动，较蒸汽机车好，故定为25‰。(3)电力牵引的最大加力牵引坡度电力机车的电阻制动力比内燃牵引的大，仅用电阻制动就可控制下坡的速度，故定为30‰。3.2坡段长度定义：一个坡段两端变坡点之间的水平距离相邻两坡段的坡度变化点称为变坡点。3.2.1纵断面坡段设计考虑因素⒈满足行车安全和平稳的要求⒉考虑工程数量的影响3、坡段长度的限制运营实践证明，列车不宜同时跨越两个以上的变坡点，即坡段长度不宜短于半个列车长度，以保证在变坡点处叠加后的附加应力和局部加速度不致过大。故《规范》规定了设计坡段的最小长度。远期货物列车长度的一半（远期到发线有效长减50m）远期到发线有效长度1050850750650550最小坡段长度5004003503002503.2.2最小坡段长度的确定200米最短坡段长度的确定确定理由：⒈保证了相邻两竖曲线不互相重叠⒉可避免同一列车下出现两个以上变坡点⒊坡段长度在200米以下时，对减少工程量的作用已不显著200米最短坡段长度的采用情况⒈坡度折减坡段⒉缓和坡段⒊分坡平段⒋长路堑内的人字坡3.3坡段连接3.3.1坡度代数差变坡点对列车运行的影响⒈列车通过变坡点时，由于运动方向的改变而产生附加力，当车钩内力大于车钩的允许强度时，就有断钩的可能。⒉列车通过变坡点时，产生竖直方向的离心力和离心加速度，当加速度超过一定限度时，将使旅客感觉不舒适或使货物移位。⒊列车通过凸形变坡点时，当机车前轮悬空高度超过轮缘高度就有脱轨的可能。⒋列车通过变坡点时，引起相邻车辆的车钩中心线上下错动，当错动量超过限定数值时，有脱钩的可能。3.3.2竖曲线定义：纵断面变坡点处设立的竖向圆弧线型：抛物线，圆曲线⒈竖曲线半径的确定条件⑴行车安全条件——机车不脱轨⑵旅客舒适条件——行车平稳⑶设竖曲线可减少附加纵向力《规范》规定：Ⅰ、Ⅱ级铁路竖曲线半径为10000米，Ⅲ级铁路竖曲线半径为5000米。⒉竖曲线的几何线型要素⑴切线长Ⅰ、Ⅱ级铁路：

Ⅲ级铁路：⑵竖曲线长⑶竖曲线纵距

⑷外矢距变坡点处的设计标高＝计算标高±外矢距⒊竖曲线的设置条件Ⅰ、Ⅱ级铁路：‰Ⅲ级铁路：‰⒋竖曲线设置的限制条件⑴竖曲线不应与缓和曲线重叠⑵竖曲线不应设在明桥面上⑶竖曲线不应与道岔重叠线路纵断面设计——最大坡度折减最大坡度折减折减目的线路纵断面设计时,纵断面上需要用足最大坡度的地段，当平面上出现曲线或遇到长于400m的隧道时，因为曲线附加阻力和隧道附加阻力增加,粘着系数降低,需要将最大坡度值减缓,以保证线路上任何一处的加算坡度均不超过线路允许的最大坡度，以保证列车以不低于该地段的计算速度或规定速度运行;此项工作称为最大坡度折减.需要考虑最大坡度折减的线路地段曲线地段，长度大于400m的隧道地段

最大坡度折减曲线地段的最大坡度折减设计坡度在曲线地段,货物列车受到的附加阻力包括坡道阻力和曲线附加阻力;为保证列车以不低于计算速度运行,相应的加算坡度应满足:

ij=i+iR≤imax(‰)所以线路的设计坡度应为:i=imax-iR(‰)式中imax

最大坡度值（‰）；

iR

曲线阻力的相应坡度减缓值（‰）。最大坡度折减曲线地段的最大坡度折减曲线地段最大坡度减缓的注意事项纵断面设计坡度值+曲线当量坡度>最大坡度时，才进行曲线坡度减缓；既要保证必要的减缓值，又不要折减过多，以免损失高程，使线路额外展长。折减时涉及的曲线长度是未加设缓和曲线前的圆曲线长度；设计的货物列车长度应是近期货物列车长度。减缓坡段长度应不短于、且尽量接近于圆曲线长度，取为50m的整倍数，且不短于200m。所取坡段长度不宜大于货物列车长度。减缓后的设计坡度值，取小数点后一位。最大坡度折减曲线地段的最大坡度折减曲线地段最大坡度折减方法

两圆曲线间不小于200m的直线段，可设计为一个坡段，按最大坡度设计，不予折减；例如:将曲线②前后长度不小于200m的两直线段,分别设计为长度200m和长度350m的坡段,坡度不予减缓,按限制坡度12‰设计。最大坡度折减曲线地段的最大坡度折减曲线地段最大坡度折减方法长度不小于货物列车长度的圆曲线，可设计为一个坡段，曲线阻力的坡度减缓值为：

600ΔiR=———(‰)R

例如：将例子中长度大于近期货物列车长度的圆曲线①，设计为一个坡段，坡段长度取500m，设计坡度为：

600600

i=ix-——=12-——=11.25(‰),取为11.2‰R800最大坡度折减曲线地段的最大坡度折减曲线地段最大坡度折减方法长度小于货物列车长度的圆曲线，设计为一个坡段坡度减缓值为：Li——设计坡段长度，当坡段长大于货物列车长度时，取货物列车长。

10.5αΔiR=———(‰)Li在上例中：将长度小于近期货物列车长度的圆曲线②，设计为一个坡段，坡段长度取300m，设计坡度为：

10.5α10.5×26.4i=ix-———=12-—————=11.08(‰),取11.0‰Li300最大坡度折减曲线地段的最大坡度折减曲线地段最大坡度折减方法若连续有一个以上长度小于货物列车长度的圆曲线，其间直线长度小于200m，可将小于200m的直线段分开，并入两端曲线进行减缓；也可将两个曲线合并进行折减，设计坡段不宜大于货物列车长度，坡度减缓值为：Li—设计坡段长度,当坡段长大于货物列车长度时,取货物列车长。

10.5∑αΔiR=————(‰)Li在上例中：将长度小于近期货物列车长度的圆曲线③、④，连同中间小于200m的直线段，划分为长度各为250m的两个坡段进行折减，设计坡度分别为：

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

10.