铁路及其构成要素简介

铁路是供火车等交通工具行驶的轨道线路，由线路、路基、线路上部建筑三部分构成。此外，属于铁路工程的还有桥梁、涵洞、隧道、车站设施、机务设备、电力供应等。铁路横断剖面如图1-8所示。

图1-8　铁路横断剖面示意图

（一）铁路线路

铁路线路是为了进行铁路运输所修建的固定线路，是铁路固定基础设施的主体。根据使用需求的不同，可对铁路线路进行不同分类。

1.按照线形类型分

按照线形的不同，铁路线路一般分为平面线形线路和纵断面线形线路。平面线形线路包括直线线路、圆曲线线路、缓和曲线线路。纵断面线形线路包括上坡、下坡、平道。

2.按照在车站中发挥作用的不同分

按照线路在车站中发挥的作用，铁路线路又分为正线、站线、段管线、岔线及特别用途线。

正线是指连接车站并贯穿或直股伸入车站的线路。正线在通过型车站比较好辨认，其一，由于它贯穿车站，通过列车多，所以通常很光亮，磨损也很大。其二，它直接与站外区间线路连接，一般不用道岔。

站线是指站内除正线以外的到发线、调车线、牵出线、货物线及站内指定用途的其他线路。到发线用于接发客车和货车。调车线用于车列解体和编组并存放车辆。牵出线用于调车作业时将车辆牵引出去。货物线用于货物装卸作业的货车停留。站内指定用途的其他线路包括机车走行线、车辆站修线、驼峰迂回线及驼峰禁溜线等。

段管线是指机务、车辆、工务、电务等段专用并由其管理的线路。

岔线是指在区间或站内接轨，通向路内外单位的专用线路。

特别用途线是指安全线和避难线。为防止列车或机车、车辆进入另一列车运行线，防止进站停车的列车驶过警冲标进入区间，在支线与正线或到发线衔接处铺设的有效长度不小于50 m的尽头线叫作安全线。为防止在陡长的坡道上失去控制的列车发生冲突或颠覆，根据线路情况，计算确定在区间或站内设置避难线，避难线一般设计为有较大的上升坡度（见图1-9），以减缓失控列车的速度。

图1-9　铁路线路示意图

Ⅱ—正线；1、3—到发线；2—安全线；4—站房；i—进站方向的线路坡度。

3.按照线路意义及其在整个铁路网中所起作用的不同分

根据线路意义及其在整个铁路网中的作用，划分为以下3个等级：

Ⅰ级铁路：保证全国运输联系，具有重要政治、经济、国防意义和在铁路网中起骨干作用的铁路，远期国家要求的年输送能力＞800万吨。

Ⅱ级铁路：具有一定的政治、经济、国防意义，在铁路网中起联络、辅助作用的铁路，远期国家要求的年输送能力≥500万吨。

Ⅲ级铁路：为某一地区服务，具有地方意义的铁路，远期国家要求的年输送能力＜500 万吨。

（二）铁路路基

铁路路基，顾名思义就是铁路线路的基础，是为了满足轨道铺设和运营条件而修建的土工构筑物。它承受并传递来自轨道、机车车辆及其荷载的压力，所以必须填筑坚实，经常保持干燥、稳固和完好状态，并尽可能保证路基面的平顺，使列车能在允许的弹性变形范围内，平稳安全运行。所谓“坚实”，是指路基土石方要有足够的密实度；而“稳固”则指路基边坡、基床和基底要长期保持固定。

路基的状态直接影响线路的质量。我国铁路正在实施客运提速、货运重载的战略，影响这个战略实施的首要因素就是线路路基的状态。

根据地形的不同，其横断面形式有路堤、半路堤、路堑、半路堑、不填不挖等，如图1-10所示，其中以路堤和路堑式居多。

图1-10　铁路路基横断面形式示意图

当铺设轨道的路基面高于天然地面时，路基以填筑的方式构成，这种路基称为路堤。路堤通常由路基面、边坡、护道、排水沟等几部分组成。当铺设轨道的路基面低于天然地面时，路基以开挖的方式构成，这种路基称为路堑。路堑通常由路基面、侧沟、边坡、截水沟等几部分组成。

在可能的情况下，路基应避免高堤深堑，以减少施工难度和施工量，也便于提高路基质量。最好的路基应该是不挖不填的路基。

路基大多数为土质，水的侵害是路基难以保持坚固、稳定的主要原因。所以在修筑路基时，必须考虑排水问题。除了修挖纵向排水沟、侧沟、截水沟外，还可以利用取土坑排泄地面水。为了拦截地下水和降低地下水位，可修建渗沟、渗管等地下排水设备。

路基边坡可采用种草、铺草皮、植树、抹面、灌浆、砌石护坡以及设置挡土墙等方法来保持路基稳定。

（三）铁路线路上部建筑

铁路线路上部建筑，即铁路轨道，是位于铁路路基上，承受车轮传来的荷载，传递给路基，并引导机车车辆按一定方向运转的线路上部建筑，包括与列车直接接触的钢轨、轨枕、道床、道岔和防爬设备、附件等部件，如图1-11所示。

图1-11　铁路线路上部建筑示意图

1.钢 轨

钢轨是铁路轨道的主要组成部件。它的功用在于引导机车车辆的车轮前进，承受车轮的巨大压力，并传递到轨枕上。钢轨必须为车轮提供连续、平顺和阻力最小的滚动表面。在电气化铁道或自动闭塞区段，钢轨还可兼作轨道电路。

（1）钢轨的类型

钢轨的类型（或强度）是以每米长的钢轨质量千克数（kg/m）来表示的。我国现行的标准钢轨类型有：75 kg/m、60 kg/m、50 kg/m，43 kg/m和38 kg/m等几种。以上各种类型钢轨中，38 kg/m钢轨现已停止生产，60 kg/m、50 kg/m钢轨在主要干线上铺设，站线及专用线一般铺设43 kg/m钢轨。对于重载铁路和特别繁忙区段铁路，则铺设75 kg/m钢轨。

钢轨的断面形状采用具有最佳抗弯性能的“工”字形断面，由轨头、轨腰以及轨底三部分组成，如图1-12所示。为使钢轨更好地承受来自各方面的力，保证必要的强度条件，钢轨应有足够的高度，其头部和底部应有足够的面积和高度，腰部和底部不宜太薄。

此外，为了适应道岔、特大桥和无缝线路等结构的需要，我国铁路还采用了特种断面（与中轴线不对称“工”字形）钢轨。现采用较多的为矮特种断面钢轨，简称AT轨。

我国钢轨的标准长度为12.5 m和25.0 m两种。特重型、重型轨采用25.0 m的标准长度钢轨，其他类型轨道可采用12.5 m、25.0 m标准长度钢轨。曲线缩短轨长度有比12.5 m标准轨短40 mm、80 mm、120 mm的三种，以及比25.0 m标准轨短40 mm、80 mm、160 mm的三种。

《250 km/h客运专线60 kg/m钢轨暂行技术条件》规定，250 km/h客运专线（兼顾货运）钢轨标准轨定尺长度为100 m。

图1-12　钢轨横断面示意图

（2）轨 距

轨距是铁路轨道两条铁轨（钢轨）头部顶面下16 mm范围内两股钢轨作用边之间的最小距离。全世界铁路上有30多种轨距，主要的有600 mm、750 mm、762 mm、900 mm、1 000 mm、1 067 mm、1 435 mm、1 524 mm、1 600 mm和1 676 mm等。其中，1 435 mm的轨距被公认为国际标准轨距，全世界有60%～70%国家的铁路都采用1 435 mm标准轨距。轨距大于1 435 mm者称为宽轨，如苏联、巴拿马、芬兰等国家采用这种轨距。而印度、阿根廷、西班牙、葡萄牙、智利、斯里兰卡等则采用1 676 mm轨距。小于1 435 mm者称为窄轨，如日本、菲律宾、印度尼西亚、南非、坦桑尼亚、赞比亚等国家采用这种轨距。我国铁路轨距以1 435 mm为主。

2.轨 枕

轨枕是钢轨的支座，作用是承受钢轨传来的荷载并传给道床，保持钢轨的方向和轨距，具备一定的柔韧性和弹性，如图1-13所示。列车经过时，轨枕可以适当变形以缓冲压力，但列车过后又尽可能恢复原状。轨枕按照制造材料，可以分为木枕、钢枕、钢筋混凝土枕和特种混凝土枕等类型。

轨枕起先采用木材制造，故轨枕俗称枕木。木材的弹性和绝缘性较好，受周围介质温度变化影响小，质量轻，加工和在线路上更换简便，并且有足够的位移阻力。经过防腐处理的木枕，使用寿命也大大延长，可达15年左右。所以，世界上90%的铁路都使用木枕。据统计，在木枕使用高峰期，全世界大约铺设了30多亿根，而且大多数是松木。

图1-13　轨枕

随着森林资源的减少、人们环保意识的增强，以及科学技术的发展，20世纪初，有些国家开始生产钢枕和钢筋混凝土轨枕以代替枕木。然而，因为钢枕容易锈蚀，用钢量大，维修费用高，体形也笨重，使用量逐渐减少，没有推广开来，只有德国等少数国家还在使用。而许多国家从20世纪50年代起，开始普遍生产钢筋混凝土轨枕。钢筋混凝土轨枕使用寿命长，稳定性高，养护工作量小，损伤率和报废率比木枕要低得多。在无缝线路上，钢筋混凝土轨枕比木枕的稳定性平均提高15%～20%，因此，特别适用于高速客运线。后改进为预应轨枕力混凝土轨枕，预应轨枕力混凝土轨枕除了能大量节约优质钢材外，还有使用寿命长、轨道稳定性好，能满足高速、大运量要求等优点，对推广无缝线路起了很大的作用。钢筋混凝土轨枕的缺点是刚度大、弹性差，致使道床承受的压力和振动加速度增大，从而加剧道碴的粉化，造成轨道的下沉增大，对机车车辆走行部分产生不利影响。为此，要求使用质地坚韧的道碴和在轨枕上设置弹性垫层。

特种混凝土轨枕包括混凝土宽枕和钢纤维混凝土枕。混凝土宽枕用钢筋混凝土制成，外形类似混凝土枕，但比混凝土枕宽，薄一些，也称轨枕板。混凝土宽枕外观整齐美观，一般长2.5 m，宽55～60 cm，密排铺设在压实的清洁的碎石道床上。

混凝土宽枕每千米铺设1 760块，每块宽枕上装一对扣件，由钢轨传来的荷载对宽枕的偏心小、稳定性好。由于支承面积大，与混凝土枕比较，轨道下沉量明显减小，能减缓道床永久变形的积累，线路平顺，减少了维修工作量。

混凝土宽枕轨道在弹性、断面尺寸、排水方式等方面与其他结构形式的轨道不同，因此，与其他轨道连接时必须设置过渡段，使其均匀变化。(www.xing528.com)

钢纤维混凝土轨枕是指在混凝土中掺入一定量的钢纤维制成的混凝土枕。钢纤维混凝土是一种增加强度和韧性的新型复合材料。钢纤维混凝土轨枕可以提高轨枕的抗冲击韧性和抗裂、抗拉、抗剪、抗弯、抗疲劳强度，以延长轨枕的使用寿命，适用于小半径曲线和接头部位，可较好解决钉孔纵裂、挡肩损坏等问题。

轨枕因应用范围不同，长度也不同。在我国，普通轨枕长度为2.5 m，道岔用的岔枕和钢桥上用的桥枕，长度有2.6～4.85 m多种尺寸。

每千米线路上铺设轨枕的数量是根据铁路运量和行车速度等运营条件来确定的，一般而言，在1 520～1 840根。不言而喻，轨枕数量越多，轨道强度越大。

3.道 床

道床是轨道的重要组成部分，通常指铺设于路基、桥梁或隧道等下部结构之上，钢轨、轨枕或支承块之下的碎石、卵石层或混凝土层，作为钢轨或轨道框架的基础。其发挥的功用如下：

（1）承受来自轨枕的压力并均匀地传递到路基面上。

（2）提供轨道的给横向阻力，保持轨道的稳定。

（3）提供轨道弹性，减缓和吸收轮轨的冲击和振动。

（4）提供良好的排水性能，以提高路基的承载能力及减少基床病害。

（5）便于轨道养护维修作业，校正线路的平纵断面。

道床分为普通有砟道床、沥青道床和整体道床，如图1-14所示。

图1-14　道床

有砟道床通常由具有一定粒径、级配和强度的硬质碎石堆集而成，在次要线路上，也可以使用级配卵石或粗砂。道砟是直径为20～70 mm的小块状花岗岩，块与块之间存在着空隙和摩擦力，使得轨道具有一定的弹性，这种弹性不仅能吸收机车车辆的冲击和振动，使列车运行比较平稳，而且大大改善了机车车辆和钢轨、轨枕等部件的工作条件，延长了使用寿命。道砟的弹性一旦丧失，则钢筋混凝土轨枕上所受的荷载比正常状态时要增加50%～80%。

沥青道床是为了改善普通石砟道床的散体特性，而用沥青砂浆或乳化沥青灌注在普通道床里，把道砟固结起来；或用沥青混凝土压实层作道床底部，再用沥青砂浆作为调整层。由于这种道床有利于提高道床的承载能力和线路稳定性，并有利于道床防水和防脏，减少线路维修工作量，而受到各国铁路的关注，在运输繁忙的线路上使用。

整体道床由混凝土整体灌筑而成的道床，道床内可预埋木枕、混凝土枕或混凝土短枕，也可在混凝土整体道床上直接安装扣件、弹性垫层和钢轨，又称为整体轨道。整体道床具有维护工作量少、结构简单、整体性强及表面整洁等诸多优点，在国内外铁路上均已大量使用。由于整体道床是连续现浇的混凝土，一旦基底发生沉陷，修补极为困难。因此要求设计和施工的质量较高，同时也应将整体道床尽可能铺设于隧道内或石质路基等坚硬的基础之上，故常用于不易变形的隧道内或桥梁上。

4.道 岔

道岔是把由一条线路分支进入或超越另一条线路的连接及交叉设备分支，其作用是使机车车辆由一条线路转向另一条线路。铁路道岔设备包括道岔、交叉、道岔与交叉的组合以及其他轨道设备等。道岔是实现股道转换的重要的设备，广泛存在于铁路线路上。

现在，电液控制自动道岔已经取代落后的人工道岔，由于道岔区的接头数量多、曲线复杂，往往是行车安全事故的高发地带。常用的道岔种类有单开道岔、三开道岔、交叉道岔、交分道岔和渡线道岔等。

（1）单开道岔

单开道岔有主线和侧线，通过尖轨的动作实现道岔的开通，侧线开通和正线开通由转输机控制。单开道岔是现场使用最多、最典型的道岔类型。它由转辙器、连接部分、辙叉及护轨三个单元组成。转辙器包括基本轨、尖轨和转辙机械。如图1-15所示，当机车车辆要从A股道转入B股道时，操纵转辙机械使尖轨移动位置，尖轨1密贴基本轨1，尖轨2脱离基本轨2，这样就开通了B股道，关闭了A股道，机车车辆进入连接部分沿着导曲线轨过渡到辙叉和护轨单元。这个单元包括固定辙叉心、翼轨及护轨，作用是保护车轮安全通过两股轨线的交叉之处。

图1-15　单开道岔示意图

（2）对称道岔

对称道岔又称为双开道岔，是单开道岔的一种特殊形式，整个道岔对称于主线的中线或彻叉角的中分线，列车通过时无直向及侧向之分，呈Y形[见图1-16（a）]。在道岔长度固定的条件下，使用对称道岔可获得较大的导曲线半径，能提高过岔速度；在保持相同过岔速度的条件下，对称道岔能缩短道岔长度，从而能缩短站场长度，增加股道的有效长度。对称道岔的这些特点使得它在驻峰下、三角线上获得应用，并被使用于工业铁路线和城市轻轨线上。

（3）三开道岔

三开道岔又称复式异侧对称道岔，是复式道岔中较常用的一种形式，如同Ψ形[见图1-16（b）]，同时衔接三股道，由两组转辙机械操纵两套尖轨。它相当于两组异侧顺接的单开道岔，但其长度却远比两组单开道岔的长度之和为短。因此，常用于铁路轮渡桥头引线、驼峰编组场以及地形狭窄又有特殊需要的地段。三开道岔有一组转辙器，运行条件较差，非十分困难时，不轻易采用。

（4）复式交分道岔

复式交分道岔呈X形[见图1-16（c）]，实际上相当于四组单开道岔和一副菱形交叉的组合，实现不平行股道的交叉，但具有道岔长度短，开通进路多及两个主要行车方向均为直线等优点，因而能节约用地，提高调车能力并改善列车运行条件。交分道岔由菱形交叉、转辙器和连接曲线等部分组成。

除此而外，还有一种常用的交叉设备──菱形交叉。它由两组锐角辙叉和两组钝角辙叉组成，但没有转辙器，所以股道之间不能转线。如果将复式交分道岔X形的上面两点和下面两点分别连接起来，就是交叉渡线。它不仅能开通较多的方向，而且占地不多，所以经常在车站采用。

图1-16　其他类型道岔示意图

在铁路道岔上，存在着一些普通轨道上没有的复杂条件。例如固定辙叉存在轨线中断，尖轨、护轨和翼轨的冲击角远远大于曲线轨道，道岔区的轨道的竖向和横向刚度变化远远高于普通轨道等。机车车辆在通过道岔时，轮轨间的作用力也就比普通线路高很多。所以道岔部分的养护工作量要比同等长度的一般轨道多，而道岔主要部件的使用寿命也要比普通轨道短。道岔一直被认为是轨道的一个薄弱环节，也是影响行车安全和限制行车速度的一个主要因素，也是把道岔养护作为养护工作重点的原因。

5.防爬设备

因列车运行时纵向的作用，使钢轨甚至带动轨枕产生纵向移动，这种现象叫线路爬行。爬行一般发生在复线铁路的区间正线、单线铁路的重车方向、长大下坡道上和进站时的制动范围内。线路爬行往往引起轨缝不匀，轨枕歪斜等现象，对线路的破坏性很大，甚至造成小涨轨跑道，危及行车安全。因此，必须采取有效措施来防止爬行，通常采用防爬器和防爬撑来防止线路爬行。

如图1-17所示，防爬设备包括防爬器和防爬撑。穿销式防爬器是由带挡板的轨卡通过穿销组成。安装时，轨卡的一边卡紧轨底，另一边楔进穿销，使整个防爬器牢固地卡住轨底。这样，钢轨在受到纵向阻力时，由于轨卡的挡板紧贴着轨枕，于是轨枕和道钉就阻止钢轨爬行。为了充分发挥防爬器的作用，通常在轨枕之间还安装防爬撑，把3～5根轨枕联系起来，共同抵抗钢轨爬行。

我国铁路普遍使用的防爬器是穿销式防爬器，自1953年从苏联引进后一直沿用至今。几十年的实践证明，穿销式防爬器的穿销容易松动，销轨套容易折断而使防爬器失效，使用期间内失效率高达50%。穿销式防爬器性能不良经常会造成线路爬行，不仅影响线路质量、降低轨道各组成部件的使用寿命，引起线路诸多病害，而且严重危及行车安全。据统计分析，线路病害中近30%是由于轨道爬行造成的，而用于整治轨道爬行和由此带来其他线路病害的费用，占全部线路维修费用的30%～40%。

图1-17　防爬设备

随着铁路的高速发展，在实行重载、提速的新条件下，更明显地反映出穿销式防爬器已不能适应今天铁路高速发展的新要求。为了有效地防止轨道爬行，消除由于轨道爬行给行车安全带来的隐患，诞生了新式防爬器── 卡式防爬器。卡式防爬器不但能有效地防止轨道爬行，有利于提高线路质量和保证行车安全，而且将会大大降低轨道防爬和养护费用，降低铁路运输成本。

6.连接零件

用来把每节钢轨及钢轨与轨枕互相连接起来使成为连续的轨道的部件，称之钢轨连接零件。前者称接头连接零件；后者称中间连接零件。其作用是长期有效地保证钢轨与钢轨以及钢轨与轨枕间的可靠连接，尽可能地保持钢轨的连续性与整体性，阻止钢轨相对于轨枕的纵向移动，确保轨距正常，并在机车车辆的动力作用下充分发挥缓冲减振性能，减缓线路残余变形的积累。

接头连接零件包括夹板、螺栓及弹簧垫圈等。中间连接零件也称扣件，根据配合使用的不同轨枕类型而有各种不同的组合：①木枕扣件，包括普通道钉和铁垫板；②混凝土轨枕扣件，包括锚固螺栓、铁垫板、扣压件及弹性垫层等。我国铁路上普遍使用的是扣板式混凝土轨枕扣件和以弹条代替扣板的弹条式混凝土轨枕扣件。

（四）其他部分

1.铁路桥梁

铁路桥梁是铁路跨越河流、湖泊、海峡、山谷或其他障碍物，以及为实现铁路线路与铁路线路或道路的立体交叉而修建的构筑物。由以下部分构成：

（1）上部桥跨结构：是跨越障碍的主要承重结构。

（2）下部结构：桥墩、桥台和基础。

（3）支座系统：设在墩（台）顶。

（4）附属设施：桥面系、伸缩缝、桥头搭板、锥坡、驳岸、挡墙、导流结构等。

铁路桥梁采用最多的是梁式桥。梁式桥可细分为简支梁桥、连续梁桥和悬臂梁桥。所谓简支梁是指梁的两端分别为铰支（固定）端与活动端的单跨梁式桥。连续梁桥是指桥跨结构连续跨越两个以上桥孔的梁式桥。在桥墩上连续，在桥孔内中断，线路在桥孔内过渡到另一根梁上的称为悬臂梁，采用这种梁的桥称为悬臂梁桥。梁式桥的梁身可以做成实腹的，也可作为空腹的，空腹的称为桁梁。桁梁也叫桁架，类型有三角形、双斜杆形、菱格形、米字形、多腹杆密格形、K形、W形、空腹形等。

2.铁路隧道

铁路隧道是指修建在地下或水下并铺设铁路供机车车辆通行的建筑物。铁路穿越山岭地区时，由于牵引能力有限和最大限坡要求（小于24‰），需要克服高程障碍。开挖隧道穿越山岭是一种合理的选择，其作用是缩短线路减小坡度改善运营条件、提高牵引能力。铁路隧道根据其所在位置可分为三大类：

（1）山岭隧道：为缩短距离和避免大坡道而从山岭或丘陵下穿越的隧道。

（2）水下隧道：为穿越河流或海峡而从河下或海底通过的隧道。

（3）城市隧道：为适应铁路通过大城市的需要而在城市地下穿越隧道。