铁路工程_铁路上的各种土木工程设施

铁路工程

铁路上的各种土木工程设施

铁路上的各种土木工程设施，同时也指修建铁路各阶段（勘测设计、施工、养护、改建）所运用的技术。铁路工程最初包括与铁路有关的土木（轨道、路基、桥梁、隧道、站场）、机械（机车、车辆）和信号等工程。随着建设的发展和技术的进一步分工，其中一些工程逐渐形成为独立的学科，如机车工程、车辆工程、信号工程；另外一些工程逐渐归入各自的本门学科，如桥梁工程，隧道工程。铁路工程一词已仅狭义地指：铁路选线、铁路轨道、路基和铁路站场及枢纽，其中站场设计在中国和苏联的有关学院虽已归入“运输”专业，但在欧、美各国仍列入“铁路工程”中。站场设计乃是运输与工程两专业人员均需具备的知识，而站场工程则是铁路工程的重要部分。

铁路种类的划分

按轨距

分标准轨距铁路、宽轨铁路和窄轨铁路。铁路轨道上两条钢轨内边从顶部下14～16毫米处所间隔的距离称为轨距（见铁路轨道几何形位）。轨距是决定铁路格局的基本技术要素之一。1886年国际铁路会议正式通过 1435毫米（4英尺8（1/2）英寸）为国际标准轨距。宽于此数的称宽轨，窄于此数的称窄轨。世界各国多采用1435毫米的标准轨距（约占62%）。有少数国家或地区采用宽轨（约占17%），如1676毫米（阿根廷、印度、西班牙、葡萄牙等），1600毫米（澳大利亚、巴西等），1524毫米（苏联、巴拿马等），1500毫米（法国的一部分）。采用窄轨的国家和地区也不少（约占21%），如1372毫米（日本的一部分），1067毫米（日本的大部分、菲律宾、南非、中国台湾省），1050毫米（非洲一些地区），1000毫米（马来西亚、缅甸、泰国、越南和中国的一小部分），1000毫米以下轨距还有5种，大多数用于山地、岛屿、地方铁路和厂矿专用线上。

按牵引动力

有电力牵引、内燃牵引及蒸汽牵引三种。蒸汽机车虽是铁路发源的最早的动力，但由于污染空气，热效率很低以及噪声过大，已经逐渐被淘汰或仅用于小运量的线路上。电力机车的动力较强，而内燃机车灵活性大，两者之中采取何种牵引动力，需视能源分布、运量大小和自然条件而定。

按任务、运量

各国铁路一般分为若干等级，有些国家的铁路分为干线、支线和山区线。中国国家铁路划分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级及地方铁路。①Ⅰ级铁路。在路网中起骨干作用，远期（指运营后10年以上）年直通货运输送能力大于 800～1000万吨者。②Ⅱ级铁路。在路网中起辅助连络作用，远期年直通货运输送能力等于或大于 500万吨者。③Ⅲ级铁路。地方性质的铁路，远期年直通货运输送能力小于500万吨者。

各国对各等级铁路，在平原地带和山区规定不同的线路标准（坡度、曲线半径等）和建筑标准。例如：中国Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级铁路的最大坡度分别规定为 6‰（困难地段12‰）、12‰、15‰；加力牵引时内燃机车线路的最大坡度可提高为25‰，电力机车为30‰；最小曲线半径也有相应区别。在建筑标准方面，例如：Ⅰ、Ⅱ级线要求能抵御100年一遇的洪水，Ⅲ级要求能抵御50年一遇的洪水。桥梁荷载、轨道构造亦均不同。对以旅客列车为主的和专门行驶旅客列车的铁路，则按该线规定的列车速度决定其技术标准。中国还有地方兴办的铁路，与各国的私营铁路类似，每条铁路的轨距、等级与标准并不划一。

轨距、牵引动力种类和铁路等级不但体现铁路的性能，而且也决定铁路上各种建筑物的标准和总的工程投资和运营支出。实际运用时，还要根据更多的条件决定线路标准和进行具体设计。

世界铁路

起源

16世纪中叶，在欧洲各国的矿区，开始有马牵引的木轮矿车行驶在窄轨的木轨上。18世纪各矿区经过改进，木轨改为铸铁轨。1804～1813年英国工程师制造了3台蒸汽机车，其中最早的是带有齿轮行于齿轨上的机车。这些都给铁路的形成准备了条件。1823年英国人G.斯蒂芬森接受修建并装备自斯托克顿至达灵顿铁路的任务。他制成了蒸汽机车并由其子协助，于1825年9月27日建成这段长20多公里标准轨距的铁路。被公认为世界第一条机械牵引的铁路。但铁路时代的真正开始，应从1830年9月15日建成自利物浦至曼彻斯特的铁路后算起，铁路的高速可靠、低运价、大量运输的功用才引起世界的重视。铁路在工业革命中产生，同时在很大程度上帮助了工业革命的实现与发展。

发展

1830年后，美、法、德、俄、意、加等国相继开始建造铁路，以后逐渐扩展到世界各地。美国铁路建设发展最快。至1916年美国境内铁路总里程已达406802公里。发展最快的是1881～1890年的10年间，平均每年建成11000公里。1916年以后美国不再兴建新路，把力量转移到既有线的改造和调整，并把部分平行而无经济效益的铁路拆除。因此，至1980年，美国铁路营业总里程为318505公里。截至1980年，世界上共有约1300000公里铁路。

中国铁路

1876年，英商在上海开办公司修筑淞沪铁路，是中国修建铁路的开端，但后被清政府拆除。1881年自唐山至胥各庄间修建一条长 9公里的铁路，采用轻便轨道，以骡马拖曳，是年6月改为机车牵引。以后该线继续展筑，到1894年修通282公里，奠定了京山（北京—山海关）铁路的基础。截至1911年，清政府共建成铁路9100公里，主要有京奉（北京—奉天即今沈阳）、京汉（北京—汉口）、津浦（天津—南京浦口）、京张（北京—张家口）等铁路。其中大多数为外国人参与修建管理。仅京张铁路是由中国人主持，利用该国资金和工程技术力量建成（见詹天佑）。

1911～1937年，中国共建成新线9893公里。主要有粤汉（广州—汉口）、同蒲（大同—蒲州，今风陵渡）、浙赣（杭州—萍乡—株洲）、陇海（宝鸡—海州，今连云港）以及日本侵占东北后在东北地区修建的各线。抗日战争期间，在艰难的条件下，又修建了湘桂、黔桂、湘黔的一部分铁路。1945年全国铁路总里程为30186公里，其中东北11335公里，华北和西北8527公里，长江以南6110公里，台湾3925公里，海南岛289公里。1946～1949年期间，基本无铁路建设。中华人民共和国成立时铁路的通车里程为21989公里（不包括台湾省铁路）。

1949年以后，中国铁路交通得到蓬勃发展，其主要特点是：①铁路线向西北、西南延伸，扭转过去重视沿海而忽视内陆铁路建设的不合理布局，对促进内陆资源开发、社会繁荣和加强国防建设起到积极作用；现铁路已遍及各省、市、自治区；②过去为外国势力和地方势力所分割的各铁路系统，经改造连成为一体，在管理上统一起来；至1980年通车总里程为51940公里（不包括台湾省），初步形成路网骨架（图1）；③新线建设大多在地形困难、地质复杂的山区，因而工程艰巨。旧线进行了大量加强与改造，修建了不少复线，大幅度地增加了输送能力。据1980年的统计，中国铁路承担着全国货物周转量的50%左右，旅客周转量的60%左右。

临时施工

铁路工程临时施工管线布置

（1）临时用水规划

水源选择：施工生产用水，应尽量利用自然水头，引用高处的水源，枯水季节，可考虑机具抽水。不同季节分别采用两个水源供水，如洪水季节，采用河水；枯水季节，采用浅井或管井取地下水。

用水规划：当有可利用的自然水源时，可直接修建高位水池，接入溪水、泉水，铺设管线至各工点，供施工用；无自然水源利用时，可利用当地居民的自来水或农田灌溉用水及扬水设备；当无法利用现地表水源时，应在工地中心或附近打井取水，确保工程施工用水。

（2）临时用水设置及管路布置

临时用水构筑物：水池、水箱、水塔

隧道用水布置：隧道集中地段，一般采用管道铺通、逐点供水的布置形式；越岭隧道进出口，一般采用进出口分别供水的形式；

桥涵、路基用水布置：桥涵施工用水一般采用建蓄水池，由水源抽排水至水池，再由水池水泵向作业面供水；路基用水一般采用洒水车从水源运水方法至工地用水；沿河线路及严寒地区，一般采用按工点分别供水的形式。

机车用水布置——采用临时水塔

临时用水管路、排水布置：水源至施工点可铺设固定水管，并设置供水点；供水点至作业面采用临时水管供水。施工工点采用挖沟排水，必要时设暗沟排水或泵站排水，隧道内反坡排水应采取管道排水。

（3）临时用电及线路布置

可采用网电和自发电的方式。施工中应尽量考虑使用网电

①网电使用及线路布置：网电一般采用铁路贯通线和当地高压供电网，经过变电的方式供应施工。

高压电线采用架空线路直线布置，隧道施工洞内输电线路采用高压电缆贴壁布置。

低压电线采用架空线或电缆直线布置，特殊地段电缆采取挖沟暗线布置。

②自发电使用及布置：自发电一般采用移动式的发电设备或修建临时性的发电厂，采用移动式的发电设备供电时，可根据整个工程中各单位工程的分布情况和施工区段划分情况，分散布置发电设备。

著名铁路

瑞士山区铁路

瑞士全国处于阿尔卑斯山脉中。铁路线出色地适应复杂的地形，在关键地段建造了长度超过14公里以上的四座山岭隧道。国有标准轨距铁路营业线4684公里已全部电气化，连接法、德、奥、意诸邻国。国有铁路的哥达（Gotthard）线为北通联邦德国，南接意大利的国际线，于19世纪80年代建成。在瑞士境内最大坡度为26‰。为了登上陡峻的山坡，山脉两侧有5处螺旋形展线，螺旋线路大部分在隧道中。全线最高点为横贯主山脉的圣哥达隧道，全长14.998公里。此线迄20世纪80年代一直是欧洲繁忙铁路之一。一、二号辛普朗隧道是世界最长的两座山岭隧道。隧道附近的线路工程也是瑞士国有铁路中的突出者。

世界上普通轨道铁路的实际最陡坡度为70‰（1:14），用在瑞士的两段 1.0米轨距的线路上。一般达到60‰及以上时，有必要采用齿轮与齿轨相契合的齿轨铁路，以防轮轨之间粘着力不够而发生滑动。齿轨线是在过陡的自然坡度地段代替展线与长隧道的一种方案。齿轨最大坡度，除一处460‰与一处260‰（都在瑞士）外，不超过250‰。瑞士境内齿轨铁路很多，为登山的有力工具。其中最著名的是越过少女峰垭口的少女峰铁路，1.0米轨距，齿轨段落最大坡度250‰。少女峰垭口海拨3453米，为欧洲铁路最高点。

南美高山铁路

在南美安第斯山脉上有14条铁路线海拔在4000米以上，6条为标准轨距，8条为1.0米轨距。工程上除应付复杂的地形外，还有高寒缺氧的问题。其中，秘鲁中央铁路自西海岸卡亚俄经首都利马到安第斯山脊的标准轨距线路，最大坡度为40‰，充分利用展线和隧道技术。其中干线最高点已达海拔4784米，而在到矿区的支线上最高点达到海拔4831米，至70年代末，这是世界最高点的铁路。

南美最著名、规模最大的齿轨铁路在智利海岸的瓦尔帕莱索到阿根廷首都布宜诺斯艾利斯的 1.0米轨距国际线上。其越岭方向直短，在山岭两侧共有13段齿轨线路，最大坡度为83‰。

北美铁路

北美西部有以落基山脉为主的广大山区与高原，自北至南连绵不绝。美国和加拿大通过这些群山修建了9条东西横贯大陆的铁路干线，工程浩大，著称于世。其中7条在美国，2条在加拿大。

在美国建成的第一条大干线，其中困难的工程主要在西自旧金山东至奥马哈的3040公里间。1869年全线通车，有20‰的坡道连续20公里，曲线最小半径175米。在圣菲铁路中，自芝加哥经堪萨斯城至洛杉矶的干线有1600公里蜿蜒于山区之中，东侧采用35‰陡坡，利用展线技术，西侧以约200公里的 14.3‰长大坡道跨过落基山脉。

在加拿大最著名的是加拿大太平洋铁路。该线东起蒙特利尔，西迄太平洋岸的温哥华，贯穿加拿大全境,全长4600多公里。其关键工程集中在西段，越过落基山脉的几个山垭口处。线路最大坡度为26‰，最小曲线半径175米，于1885年修通。

西伯利亚铁路

自车里雅宾斯克至太平洋符拉迪沃斯托克（海参崴）长7416公里，自莫斯科算起全长9313公里的横贯西伯利亚的大铁路，于1891年沙俄时代，自东西两端同时开工。初时，在中间通过贝加尔湖时，还需用船（在冬季用雪橇）运输。于1916年，绕湖线路修成，全线通车。又于1974年开始修建西起贝加尔湖乌斯季库特，东至阿穆尔河（即黑龙江）下游的共青城，全长3200公里的第二条西伯利亚贝阿干线。该线经过 7座山岭，困难地段的双机牵引坡度为18‰，最长越岭隧道长15.3公里。

这两条铁路所经之处属于大陆气候，严寒季节气温最低达-50～-70°C，夏季气温达40°C。全线的60～65%通过永冻地带，还经行几百公里的沼泽地带和地震烈度达7～9级的频发地震区，施工难度大。

日本高速铁路

第二次世界大战前的日本铁路轨距均为 1.067米。战后各国铁路致力于提高旅客列车速度，日本开始修建标准轨距旅客列车的电气化高速线。东海道新干线（东京-大阪）全长515公里，于1959年开工，1964年10月通车，最高速度达到210公里/时，开创了世界高速铁路的纪录。该线最大坡度20‰，最小曲线半径2500米，所经地形山峦起伏，修建了很多高架线路桥；隧道长度占铁路线全长的46%。接着又于1967年3月至1975年3月完成了大阪—博多553公里的山阳新干线，最高速度提高到250公里/时，最大坡度采用15‰，最小曲线半径4000米，隧道和桥梁总长占线路全长的87%。这两条线通车后与旧线相比，行车时间缩短了一半。随后，日本的高速铁路线进一步推向全国，新建的有上越新干线（东京市的大宫—新潟，273公里）；筹建的有东北新干线（东京—盛冈，496公里）等。时速在200公里以上的高速铁路线，在世界上，以日本铁路的规模最大。

法国高速铁路

自巴黎至里昂 425公里的电气化标准轨距双线旅客列车的高速铁路，在1981年9月底大部分在新线上通车（1983年改线部分全部完成），宣告世界铁路的列车速度又创新纪录，试验速度曾达380公里/时，设计速度300公里/时，实际运营速度260公里/时。与日本新干线一样，其所以能行驶如此高速的原因在于：①线路的曲线半径很大，采用4000米；②轨道仍采用传统结构，但对路基建筑、轨道强度、稳定性与几何形位比一般线路有更高的要求；③大功率的牵引设备与轻质车辆（法国高速列车在两端设机车，功率6000千瓦，铝合金车厢）和经济的坡度标准相协调配套；④自动控制的信号与通信装置；⑤与其他交通线全用立体交叉。法国高速线与日本新干线不同之点是：①地形条件相对平坦，不需象日本各线大部分设在桥上与隧道中。在 6次越过山地时，采用35‰的大坡，沿线两侧全部用网篱拦起，以防人畜侵入轨道。②425公里营业线中两端利用旧线，实际建筑里程只有380公里。由于采用这两项措施，在土建工程上节省大量投资，而在线路、机车、车辆、信号上采用先进的设备，从而得到明显的经济效益。

发展方向

综述

从一开始起铁路优于其他交通运输工具的地方是速度较快和每列列车装载较多。现代铁路又在高速及重载方面有新的发展。

提高速度

继日本高速铁路成功之后，法、意、联邦德国、英、苏、美等国铁路都用不同的方法致力于提高旅客列车速度。在技术上，采用传统轨道将旅客列车速度提高到250公里/时左右已成为可能。此外，德、日、法等国正在探索磁浮式铁路，试验时速已突破500公里。

增加载重量

指的是：①增加货运车辆载重，在原有桥梁与轨道荷载潜力范围内提高车辆轴重与增加轴数，货车载重可达100吨。②增加列车中车辆数目，列车编组为100～150辆，最多达200辆，用机车5～8台分挂于列车各部，列车长为1800～4000米，列车货物载重1～2万吨。③发展循环专用列车或单元列车，即为一个特定用户专编车型一体化的直达列车，在两固定站（如矿区、港口等）之间循环运行。重载长大列车的运输成本在美国比普通货运列车约降低1/3～1/4，在货运量大的线路上有明显的经济效益。

新的课题

现代铁路的发展给铁路工程提出了不少新问题，例如：客运和货运线路标准之间的巨大差别；加修第二线的最佳时间；站坪长度、坡度、曲线的优化设计；轨道结构的强度与稳定性等，都有待于深入研讨。