本文来自微信公众号：中国工程院院刊 （ID：CAE-Engineering），作者：何华武，原文标题：《中国的高速铁路技术丨中国工程科学》，题图来自：视觉中国
铁路用科学发展观统领各项工作，挖潜扩能、提速调图提效，并用好建成投产项目能力，合理调整车流径路，强化运输组织，运输生产主要指标进一步提高。2007 年 1 至 7 月货运总发送量 180527 万 t，比上年同期增加 17303 万 t，增长 10.6%；旅客发送量 78310 万 人，比上年同期增加 4628万人，增长6.3%；总换算周转量 17896亿t·km，比上年同期增加 1565.69 亿 t· km，增长 9.6%。在经济和社会发展中发挥了骨干运输作用。
（二）发展滞后与高铁崛起
尽管铁路部门采取强力措施，运输效率为世界之最，建设与科技取得巨大成就，但铁路运输总体上对经济和社会可持续发展的“瓶颈”制约仅仅是有所缓解而已。表1、表2、表3分别为人均乘车数、装车数满足度、与国外铁路主要指标比较。
表 2 装车数满足度
表 3 与国外铁路主要指标比较
解读这些数据，中国人年均乘火车不到 1 次，货主请求车往往失望而归，转移给其他交通运输方式的社会成本太大了。路网密度与人口规模、国土面积的大国地位很不相称。这是一组冰冷的数据，是事实。最根本的问题是路网规模总量不足，主要干线能力处于饱和状态，铁路发展滞后问题十分突出。
党中央、国务院对又好又快发展铁路高度重视。2004 年 1 月，国务院审议通过了枟中长期铁路网规划枠。 2005 年 10 月，中央通过了枟国民经济和社会发展第十一个五年计划纲要枠，明确提出“交通运输要合理布局，做好各种运输方式相互衔接，发挥组合效率和整体优势，形成快捷、通.、高效、安全的综合交通运输体系。加快发展铁路、城市轨道交通，进一步完善公路网络，发展航空、水运和管道运输”。
加快建立便捷、通.、高效、安全的综合运输体系，以最小的资源和环境代价满足经济社会对运输的总要求。铁路网的发展“通”、“畅”结合，服务质量和效率效益均要有较大程度的提高。
铁路“十一五”路网规划中，加快铁路客运专线建设，以及重点线路扩能改造，尽早实现客货分线运行。到 2010 年，将新建铁路 17000 km，其中，客运专线 7000 km，既有线增建二线 8000 km，既有线电气化改造 15000 km；铁路营业里程达到 9 万 km 以上，复线和电气化率分别达到 45 %以上。图 2为我国大陆“十一五”铁路网规划。
铁路网节点的枢纽布局应综合考虑各条线路的顺.连通，遵循客运“零距离换乘”和货运“无缝衔接”的原则，铁路枢纽设施纳入城市发展规划，与城市空间布局相协调，并与城市交通体系有机衔接。
“十一五”期间，建设北京、上海、广州、武汉、成都、西安６个路网性客运中心，配备技术先进、能力强大的机客车运用检修设备，储备一定数量的应急移动设备和救援设备，形成全国性、现代化的机客车检修中心、调剂中心。
建设哈尔滨、沈阳、济南、南昌、郑州、福州、昆明、南宁、兰州、乌鲁木齐等 10 个区域性客运中心，配备适量的机客车检修整备设备，形成区域性的机客车运用检修设备基地。
建设省会级城市客站 25 座，地市级城市客站 95 座。
受人口、资源、环保等问题的困扰，人们把解决交通运输问题的目光转向了公共交通体系的轨道交通，具有国际性和时代性概念的高速铁路是其中的佼佼者。欧经委定义列车最高运行速度客运专线 300 km/h，客货共线 250 km/h为高速铁路；铁盟认为，高速列车运行速度不低于 200 km/h。自 1964 年日本东海道新干线开通以来，目前世界上投入运营的时速不低于 250 km/h 高速铁路总长达8 000余km，拥有高速铁路的国家和地区主要有德国、法国、西班牙、意大利、荷兰、比利时、英国、日本、韩国、中国。
世界高速铁路建设方兴未艾，中国高速铁路奋力崛起。2004 年以来，已批准开工不低于 200 km/h铁路约 4700 km。高速是铁路现代化的重要标志，建设高速铁路是超大、复杂的系统工程。经过 40 多年的发展，高速铁路技术日臻完善、成熟，形成了以日、法、德 3 个技术原创国为代表，适合各自国情、路情和各具特点的技术格局。
图 4 电动车组与各子系统主要技术接口
70 年代中期，情况发生变化，开始研究科隆—法兰克福之间的选线方案，并研究莱茵／美因机场连接线（机场连接线在交通政策方面得到很高评价）。到 80 年代中期，在制定德国交通线路发展规划时，重新确认了这条新线：原则上定为客运专线，线路走向紧靠 A3 号高速公路，设去机场的连接线及连接威斯巴登和法兰克福铁路总站，速度 250 km/h，最大坡度25 ‰，最小曲线半径3 250 m。80 年代末期，为响应欧经委高速铁路定义并适应竞争需要，加大选线灵活性，确定速度300 km/h，最大坡度40 ‰，与 80 年代中期方案相比，约节省工程投资10 %（ 2002 年价）。
采用陡坡线路，要求列车具有较大起动力，当一个动力转向架发生故障时，列车仍必须以最大的功率起动，达到牵引电机冷却装置容许的最大速度；要求精确分析在制动过程中有关设备的发热和冷却情况，把制动力自动分配到各制动系统。通过反复研究，20 世纪 90 年代中期找到了线路—列车匹配的解决方案，即采用动力分散式动车组 ICE3 型列车。这就是研发、设计、制造 ICE3 型速度330 km/h列车的依据。 ICE3 型列车还装备了线性涡流制动机。以上事实说明，应根据运输需求研发制造相适应的电动车组。
在同一轨道区段反复使用涡流制动机时，钢轨会因吸收一部分制动能而变热，焊接长轨会产生与温升成正比的纵向压力。当轨道结构太轻或道床不稳定时，轨排就可能压曲，通常叫胀轨跑道。为此必须根据安全性要求，把钢轨最高容许温升限制在可接受的范围。无砟轨道不会因温升而出现胀轨跑道现象，与处在“蠕动状态”的有砟轨排相比，轨道状态能稳定更长时间，维修工作量较小，维修费用较少。尽管建设成本较高，审慎比选后，高速新线全部采用无砟轨道。
欧盟 2001 年底编制了泛欧高速铁路互连互通技术标准。在坡段方面，10 km范围内25 ‰，6 km范围内35 ‰，40 ‰坡度作为个案处理；在隧道断面方面，根据乘车舒适度要求，列车通过隧道时产生的最大空气压差10 kPa，隧道净断面积92 m2，速度300 km/h通过最大空气压差7 kPa；在列车运行控制系统方面，采用欧洲统一的 ETCS 系统，但开发、试验、鉴定过程太长，为不影响投入运营，采用改进型 LZB 连续式列车自动控制系统，无线列调采用GSM-R 系统。
设计运营条件，按小时节拍开行列车，每方向每小时开行不小于 8 列的能力；安排 ４ 类列车，其中一类采用多电流制式开行国际列车，一类开行 ICE3 重联长列车，其余两类开行8辆编组的短列车。票价设计把 ICE 二等车厢的票价在城间列车 IC 票价基础上提高40 %，旅客上座率按年平均60 %计算。
科隆—法兰克福高速铁路系统设计取得显著成果，大坡度和新线全部采用无砟轨道，采用单电流制和多电流制结构的 ICE3 列车，尽管没有装备 ETCS 系统，但考虑了互联互通技术标准中若干重要因素。系统设计结合了穿越德国中部山脉的地形、地貌、地质条件，妥善处理了需求关系、轮轨关系、车控关系、弓网关系、互通关系，实现了运营目标，总体上展示了高速铁路的当前水平。
（2）秦沈客运专线的启示。2003 年 1 月 1 日，秦沈客运专线开通试运行，8 月正式运营。实践证明，其系统设计取得重大成果，达到了国家要求的建设目标；同时，也给我们高速铁路系统设计若干启示：
a. 客运专线如何满足旅客舒适度要做更多的考虑。最小坡段长400 m，设计时为节省土石方工程，短坡、碎坡取的较多，列车达速运行过程中上下起伏频繁，乘客舒适度不理想；个别缓和曲线长度的取值，竖曲线和圆曲线重叠等问题，影响运行平稳性。
b. 客运专线如何充分考虑旅客乘车的安全、方便，尤其残疾旅客便捷上、下车，节省站停时间。由于列车类型未定，车厢中间开门的双层客车下层车底板高度为347 mm，25 型单层客车车底板高度为1293 mm，国产动车组车底板高度1210~1345 mm，难于做到站台高度与客车底板高度基本一致，不得不设为500 mm。
c. 路基标准、基底填料、沉降、观测、防冻、排水等问题必须得到足够重视，客运专线对路基工后沉降要求高，尤其要改变先修建桥隧后填筑路基的传统习惯，使路基有一个合理的沉降压密时间，即置放期。
d. 桥涵设计应进一步重视改善耐久性，适应现场制梁或桥位制梁，桥梁结构形式应深入进行技术经济比选，并有利于检查与养护维修。
e. 每站设 4 组 38 号大号码道岔，侧向开通机会少，建设投资多，运营养护维修工作量大，成本高。
f. 采用双红灯防护方案，在一定程度上影响了股道有效长度和行车间隔。
g. 多专业、系统化综合工程实施中，常发生桥梁与路基、桥梁与轨道、站场与信号、站场与轨道、路基与排水、通信与运调及旅服、信号与信息化的接口界面不明，甚至设计参数的测定和提出也相互推诿，验收中发现问题各有托词，这是专业接口和系统设计尤其要注意的。
（3）高速铁路系统设计总体原则是：
a. 符合安全适用、技术先进、经济合理的要求。考虑设备的兼容性，具备本线旅客列车和跨线旅客列车共线运行、正线双方向行车的运输组织条件。具体说，应充分发挥新建线路骨干作用和既有线路网络作用，扩大服务范围，使高速、提速的成果惠及广大城镇百姓。法国、德国目前新建投入运营的高速铁路分别为1 859，964 km，高速列车通达里程分别为6 200，6 326 km。中国建设社会主义和谐社会，铁路新线、既有线、枢纽是一张完整的路网，高速、快速客运必须覆盖更大的地区和更多的人口。
b. 线路基础设施和不易改建的建筑物和设备，应适应长远发展要求；对易改建的建筑物和设备，宜按近期运量和运输性质设计，预留发展条件。
c. 最小曲线半径、最大坡度、到发线有效长度、动车组类型、列车运行控制方式、运输调度方式、追踪列车最小间隔时间，须根据行车速度、沿线地形地质条件、输送能力和用户需求等，以及经济技术比选后确定。
d. 车站位置根据沿线城市的经济、客运量、铁路运输组织、通过能力和技术作业需要，结合工程条件等综合研究确定。车站的布局、规模，根据铁路技术政策，结合城市规划等统筹考虑。
e. 选线设计宜避开高填、深挖和长路堑等路基工程，并绕避不良地质条件地段。无法避开时，采用桥涵通过或选用其他适宜的工程措施处置。
f. 路基、桥涵、隧道、轨道等各类结构物的设计要满足强度、刚度、稳定性、耐久性要求，并加强各结构物的协调和统一，使车、线、桥（或路基、隧道）的组合具有良好的动力特性，严格控制结构物的变形及工后沉降。
g. 认真执行国家节约能源、节约用水、节约材料、节约用地等有关方针政策，因地制宜地利用太阳能、风能、地热能等可再生能源，提高能源、资源的利用效率，减少污染。
h. 坚持科学用地、合理用地、统一规划的原则，在满足运输生产和安全防护要求的基础上，节约用地，少占耕地。
i. 重视保护生态环境、自然景观和人文景观；重视水土保持，生态环境敏感区、湿地的保护和防灾减灾及污染防治工作。选线、选址宜绕避自然保护区、风景名胜区、饮用水源保护区、国家重点文物保护单位等环境敏感区；通过城市或居民集中地区时，应采用适宜的速度值或降噪减震措施，满足国家环保标准和要求。路基边坡宜采用绿色植物与工程相结合的防护措施，兼顾美观与环保、水保、节约土地等要求。
j. 加强对桥、隧和路基上电缆槽、接触网、声屏障，综合接地线、通信、信号电缆过轨等设备的系统设计，充分考虑综合利用设施。
k. 按全封闭、全立交设计。设置防灾安全监控系统，根据需要对自然灾害和异物侵限等进行监测。
l. 统筹运作、详细研究、科学论证工务工程、牵引供电、通信信号、信息系统、电动车组、运用维修各子系统的协调配合及系统优化和集成，实现高速度、高密度、高安全性。
3. 系统集成为确保系统的完整性和各子系统之间紧密衔接，必须按系统工程施作，加强系统设计，强化系统集成，实现整体优化。参考国外高速铁路系统集成做法，结合我国国情，中国高速铁路系统集成框架见图5至图8。
中国高速铁路系统集成目标：通过合理利用各种资源，实现优化配置，使建设高速铁路这一超大、复杂的系统工程达到一流的工程质量、一流的装备水平、一流的运营管理。
（二）工务工程
1. 线路、枢纽与站场
（1）线路
线路平、纵断面设计应重视线路的平顺性，提高旅客的乘坐舒适度。车站及两端正线的设计标准，与区间线路相同；均停车的车站、环保等因素要求限速通过的车站、自然特征要求限速通过地段以及利用既有铁路地段，采用与行车速度相适应的技术标准。
图 7 系统工程
a. 线路平面。最小曲线半径取决于实设超高 h、旅客列车最高速度vG 和最低速度vD ，即：
因地制宜，按表 4 合理选用曲线半径。必要时，采用100 m整倍数的曲线半径。
由表４可以看到，相同设计速度条件下，无砟轨道较有砟轨道 R 小。
为保证线路测设和检测精度，使铺设、养护、维修达到要求的标准，Rmax一般控制在12 000 m。
铁路线间距主要受列车交会运行时的气动力作用控制。线间距窄，会车压力波大，对动车组的车体流线、头型、车宽、气密性、门窗设计和制造要求高，但线间距窄，可节省土建工程投资。线间距确定有灵活性，日本线间距最窄，1972 年以后投入运营的线路线间距为4.3 m，设计速度为260 km/h，其他国家有所加宽。我国高速铁路正线按线间距不变的并行双线设计，曲线地段设计为同心圆，列车时速350 km时正线线间距为5.0 m，时速300 km时为4.8 m。
经6种线型的缓和曲线对比分析，缓和曲线采用三次抛物线形。缓和曲线的长度取决于超高顺坡率、未被平衡的横向加速度时变率 、车体倾斜角度 等参数取值，在下式中取最大值，再取为10 m的整数倍。
在舒适度良好条件下，imax=2‰，β=23 mm/s，f=25 mm/s。
无砟轨道与有砟轨道采用相同的设计超高，缓和曲线长度标准相同。
缓和曲线间夹直线和圆曲线的长度主要受列车运行平稳性和旅客乘坐舒适条件控制，一般条件下该值不小于0.8vmax。
缓和曲线与道岔前后接缝间直线段长度，应考虑列车在曲线上产生的振动与道岔上产生的振动不叠加。试验表明，车辆振动的周期约为1.0 s，按 1.5~2.0 个周期内基本衰减完，一般条件下该值不小于0.6vmax。
b. 线路纵断面。客货共线运行的铁路，其坡度由货物列车牵引质量决定，用限制坡度表示，设计坡度还要考虑曲线半径、隧道附加阻力的折减。高速铁路移动设备牵引和制动性能优良，适应大坡度运行，不考虑折减，用最大坡度表示。坡度大小对选线、选址、工程数量、运营费用等影响大，是高速铁路设计的主要技术指标之一。
日本除北陆新干线的坡度为30 ‰以外，其余各线15 ‰延长不足1 km，10 km内均坡不大于12 ‰。法国平均坡度25 ‰时，最大坡长不大于4 km。东南线、地中海线35 ‰，其余各线不超过25 ‰。德国除科隆至法兰克福线40 ‰外，其余各线客货共线不超过12.5 ‰。
我国在京沪高速铁路，京津城际，武广、郑西、沈大、沈哈、京郑客运专线进行了最大坡度8 ‰，10 ‰，12 ‰，15 ‰，20 ‰，25 ‰适应地形能力的研究分析，各线跨越公路、铁路、河流，必要时采用20 ‰坡度，平原地区12 ‰较为合理，低山丘陵区15 ‰适应地形条件较好，低中山区20 ‰适应地形能力强。武广客运专线采用20 ‰坡度，穿越瑶山山区减短了桥隧长度，最长隧道仅为10.081 km。
电动车组爬坡性能，根据目前掌握的数据，350，300，200 km/h列车总重分别是768，536，408.5 t，牵引总功率分别是21120，8800，4800 kW，与坡度适应情况见表 5。
最大坡度与最大坡段长度的关系，进行了不同工况下的运行模拟，结果见表 6。
综上所述，正线最大坡度，一般条件下不大于20 ‰；困难条件，经技术经济比较，不大于30 ‰。当采用15 ‰，20 ‰时，坡段长度不宜大于9 km，5 km。
最小坡段长度既要满足列车运行的平稳性要求，确保列车在前一竖曲线上产生的振动在夹坡段长度范围内完成衰减；又要尽可能地适应地形，减少工程数量，节约工程投资，使两者取得最佳的统一。一般条件下最小坡段长度不小于900m，困难条件Lp＝1/2（Δi1＋Δi2）Rsh ＋0.4vmax，，并取 50 m 整倍数。
Δi ≥1 ‰时，设圆曲线型竖曲线连接，一般条件下 Rsh 取 30 000 m。
考虑行车安全和舒适度的影响，测设、养护、维修、检测工作的难度，竖曲线与竖曲线、缓和曲线、道岔均不得重叠设置。
如果要避免竖曲线与平面圆曲线重叠设置，由于高速铁路曲线半径大，圆曲线长，工程投资将增加较多。因此，对平面、竖曲线最小半径做了限制。
站坪坡度到发线有效长范围内受列车进站安全停车、停车后能启动、不自行溜逸和站内作业安全条件控制，困难条件下不大于1 ‰。
线路全立交、全封闭，按标准进行栅栏防护，按要求设附属设施。
（2）枢纽与站场
a. 枢纽。针对高速铁路、客运专线引入枢纽面临的新情况，应建立适应城市发展、客站保留在城市内便于旅客出行、货站逐步调整到城市外围以减少对城市干扰的“客货分线、客内货外”新格局；大力发展城际、市域及其它短途运输，采用“人便其行，多种流线”，实现铁路与其它交通方式有机衔接，服务城市的现代化客运综合交通枢纽；集中利用通道资源多线跨越大江大河。充分利用既有铁路设施，优化铁路枢纽总图布置，并与城市总体规划相协调、相配合。
枢纽建设根据总布置图分期实施，根据远景发展需要规划预留用地。近期工程做到布局合理，规模适当，运营方便，工程节省和经济效益显著，并减少扩建过程中的废弃工程及施工对运营的干扰。
枢纽内客运站的数目、分工和配置，应从方便旅客运输出发，根据客运量、客流性质、既有设备情况、运营要求、城市规划和当地运输条件等因素比选确定。具体说，应根据引入铁路数量、旅客列车对数，首先采用数模方法，模拟、仿真列车作业过程所需要的到发线数量和相关设施，由于数模参数选取准确度问题，需要采用物模手段验证；第二采用类比手段，由于物模条件的限制，类比手段也是一种论据充分的方法。
当既有客站数量和客站规模能满足运输能力、运输质量要求时，无疑不新建客站；反之，则新建客站。轨道交通的性质决定新建客站选址应首选城市中心区范围；不得已时，另辟它址。
枢纽内设多个客运站时，应最大限度地便捷旅客，合理分工。宜分别办理其中几条衔接线路的始发、终到旅客列车，并相互办理通过本客运站的旅客列车。
设置动车整备所、动车段、客机和客车整备所、检修设施的客运站，尽量缩短相互配置距离。
b. 车站。高速铁路沿线车站宜设在市区范围内，也可设在靠近市区的合适地点，与市区主要干道间应有便利的交通联系，并为发展旅客综合运输创造条件。
系统考虑车场、站房建筑、广场、轨道交通及其他公共交通，构建以人为本，可持续发展的现代、综合交通客运中心。
大型客站分场分线布置，以列车作业过程仿真模拟配置车站设备；充分利用城市地下空间布置铁路设施。
到发线数量应满足高峰时段列车密集到发的需要。有效长不小于650 m。
正线与到发线连接，及两正线间渡线均采用 18 号道岔。
车站咽喉区在保证必需的通过能力、作业安全和提高作业效率的条件下，布置应紧凑，减少正线上的道岔数量。
站台长度不小于450 m，采用1.25 m高站台与无障碍通道，创造便捷、舒适的旅行环境。
旅客流线组织要简洁顺.、短捷合理，站内导向直观明确。
2. 路基工程采用土工结构物的路基设计理念，强化基床结构，严格控制工后沉降，提高路基质量
科学划分填料类别，优化路基填料配制；加强特殊土地区的路基填筑技术。加强边坡防护和防、排水设施；采用新型支挡结构和不良地质条件路基加固新技术；推广土工合成材料；在线路刚度变化处设置过渡段。路基工程应具有足够的强度、稳定性和耐久性。
作用在路基面上动应力设计值为100 kPa时，有砟轨道路基上的轨道及列车荷载换算土柱高度和分布宽度按表 7 规定。
无砟轨道路基上的轨道和列车荷载土柱高度和分布宽度，依据轨道类型和列车类型计算确定。作用在路基面上的动应力值，依据轨道结构类型计算确定。
(1）路基横断面。路基横断面主要考虑路基稳定的需要、线间距、轨道结构形式、曲线超高设置、路肩宽度、通信信号和电力电缆槽布置、接触网立柱基础位置、声屏障基础、养护维修需要等因素，综合考虑路基防排水系统。双线有砟轨道路基标准横断面如图 9 所示，双线无砟轨道路堤标准横断面如图 10 所示。
接触网杆基础、电缆沟槽、声屏障基础与路基同步设计，同步施工。
有砟轨道正线曲线地段路基面在曲线外侧加宽，加宽值在缓和曲线内渐变。曲线半径5 500~11 000 m，加宽值 0.3~0.5 m。
图 10 双线无砟轨道路堤标准横断面示意图
(2）基床及本体。路基基床厚度受控列车动应力与路基自重应力。动应力由轨道、道床传至路基本体，沿深度逐渐衰减，其分布采用布氏（Boussinesg）理论计算。
在路基深度 H 处，列车荷载引起的动应力只占路基自重荷载的一小部分，高速铁路动应力与自重引力之比为 0.2 时，H ≈3 m，基床厚度定位3 m。
基床表层厚度由路基顶面变形量不大于3.5 mm和作用在表层底面动应力不大于基床下部填土允许应力强度控制。当基床表层、底层变形模量 E1=210 MPa，E2=34 MPa，表层厚度 70 cm 时，能够满足路基顶面变形量<3.5 mm的控制条件。
综合变形控制与强度控制，取基床表层厚 70 cm。
秦沈客运专线的试验和冻害问题提醒我们：级配碎石按标准组成材料质量，混合料良好的级配，按要求填筑，能形成较高的力学强度和水稳性。但仍具有一定的渗水性，在长时间雨季或积雪融化的条件下，可能渗入级配碎石以下的基床底层中，从而产生冻害和翻浆冒泥、基床变形等病害，影响轨道的平顺性。因此，有砟轨道在表层总厚度不变的条件下，在表层顶面增设 5~10 cm 沥青混凝土防排水层。级配碎石基床表层的压实标准见表 8，基床底层填料及压实标准见表 9，基床以下路堤填料及压实标准见表 10。
表 8 级配碎石基床表层的压实标准
(3）路基工后沉降量及过程控制。工后沉降是指路堤建成后铺轨工程（包括铺砟）开始时计算至最终的路基剩余沉降。
有砟轨道路基工后沉降量不大于5 cm，沉降速率应<2 cm/a。桥台台尾过渡段工后沉降量不大于3 cm。
无砟轨道铺设完成后的路基工后沉降应满足扣件调整和线路竖曲线圆顺的要求。工后沉降一般不应超过扣件允许的沉降调高量15 mm；沉降比较均匀、长度大于20m的路基，允许的工后沉降量不大于30 mm，并且调整轨面高程后的竖曲线半径须满足要求。路桥或路隧交界处的差异沉降不大于5 mm，过渡段沉降造成的路基与桥梁或隧道的折角不大于1/1000。
表 10 基床以下路堤填料及压实标准
路堤建成后发生的变形、沉降主要有：基床在列车荷载作用下发生变形、本体在自重作用下的压密沉降、支承路基的地基压密沉降。压密沉降主要通过压实密度来控制。根据国外高速铁路经验和我国实践，路堤填土压实沉降量，当路堤以粗粒土、碎石类土填筑时，该沉降量约为路堤高度的 0.1%~0.3%；当以细粒土填筑时，约为路堤高度的 0.3%~0.5%。沉降一般在路堤竣工之后一年左右完成。因此，控制沉降主要是控制支承路基的地基压密沉降。
日本对东海道新干线运营 10 年后，路堤基地下沉量、地基状况、维修量及难易度进行了分类调研，调研结论提出从地表起到约为路基宽度 2 倍的深度范围内支承路堤地基的必要条件，满足条件地段路堤处于良好状态。借鉴其经验，在我国进行了实践，路堤地基应符合表 11 的条件。
不能满足时，应根据地层条件等采取整平碾压、夯实、翻挖回填、换填、控制填土速率、或者采取震动或冲击碾压、强夯、砂桩、碎石桩、灰土挤密桩、CFG 桩等其它有效地基加固处理措施。无论有砟、无砟轨道，都应做工后沉降分析。
满足高速铁路的轨道平顺性除严格控制路基的均匀沉降外，不均匀沉降控制更为关键。路桥、路涵、路隧过渡段，地层变化较大处和不同地基处理措施连接处，应采取逐渐过渡的方法，减少不均匀沉降。路堤填筑后放置不少于 6 个月时间是有效方法。
由于沉降计算的精度不足以控制无砟轨道的工后沉降，因此，工后沉降的预测以施工中的沉降观测为主，分析评估沉降稳定并工后沉降满足要求后，才能进行无砟轨道的铺设。
3. 轨道工程
（1）正线轨道。正线轨道按一次铺设跨区间无缝线路设计。要实现高平顺性和高强度，必须强化轨道基础，尤其是路基的稳定性。正线轨道静态平顺度铺设精度标准见表 12。
正线按照线下工程类型选择轨道结构形式。桥梁及隧道地段和正线地质条件好的路基地段，集中成段铺设无砟轨道。无砟与有砟轨道之间设置过渡段。
焊接用钢轨采用100 m定尺长的60 kg/m新钢轨。
有砟轨道采用2.6 m长Ⅲ型混凝土枕，特级碎石道砟。桥梁、隧道内采用弹性轨枕或铺设砟下弹性垫层。
（2）无砟轨道。无砟轨道结构形式根据线下工程的类型，减振、降噪的环保要求，经技术经济比选后合理选择。我国已形成CRTS有挡肩、无挡肩板式，双块埋入式，压入式系列无砟轨道型式。
（3）高速铁路轨道类型选择。高速铁路轨道结构类型从总体上分有砟轨道和无砟轨道。
有砟轨道是铁路的传统结构。它具有铺设、更换与维修方便，造价较低，吸噪特性较好等优点。但随着行车速度的提高，其自身缺点也随之显现。法国是以有砟轨道为代表的高速铁路国家，一直以有砟轨道能够实现时速270~300 km 的运营而感到骄傲。但随后即发现早期建造的东南线、大西洋线道砟粉化严重，轨道呈“蠕动状态”，几何尺寸难以保持，维修周期缩短，维修费用大增，影响正常的运营，使用不到10年就不得不全面大修，更换道砟。对于这个问题，法铁对有砟的粒径级配、颗粒形状指标、硬度系数标准进行了修订，由东南线洛杉矶磨耗率20%和硬度系数17，到地中海线提高到洛杉矶磨耗率16%和硬度系数21。此外，为减缓道砟粉化，在桥梁上、隧道内还采取了道砟下铺设橡胶垫的方式。同时，也逐渐认识到无砟轨道的优越性，因而开展了无砟轨道结构的研究和试验，在地中海线马赛隧道内铺设了双块式无砟轨道。
无砟轨道的优点是：稳定性高、刚度均匀性好、结构耐久性强、维修工作量显著减少；相同设计速度条件下，曲线半径小，有利于选线；曲线路基不需加宽，基床表层级配碎石减薄20~25 cm；结构高度低、自重相对轻，可减轻桥梁二期恒载，减少隧道开挖断面以及道床整洁美观；减少综合维修工区设置及大型养路机械配置，在高速铁路上得到越来越广泛的应用。
日本 1964 年 10 月建成 515.4 km 的东海道新干线，没有铺设无砟轨道，每日 0:00~5:00 点停止列车运行，维修线路。1972 年 3 月建成山阳新干线东段，试铺８km无砟轨道，占线路全长5 %；1975 年 3 月，西段修建 273 km 无砟轨道，占线路全长69 %；1982 年以后建成的东北、北陆、上越新干线，修建无砟轨道占线路全长分别为82 %，85 %，91 %。到目前为止，日本修建无砟轨道已超过 2700 延长公里，无砟轨道在日本可谓全面采用。
德国在上世纪 70 年代修建高速铁路，无砟轨道占线路全长不到30%；1998 年开通柏林至汉诺威的高速铁路，无砟轨道占线路全长80 %；科隆至法兰克福高速新线155 km，纽伦堡至英戈尔施塔特高速新线全部采用无砟轨道。目前，路网中已有 600 多 km 无砟轨道。
此外，荷兰、韩国近年修建的高速铁路都成段、成线采用无砟轨道。
根据国外高速铁路的建设经验和中国铁路的研究、论证、实践，中国铁路时速 300 km 的客运专线将大范围成段、成线修建无砟轨道，除共识无砟轨道优点外还有中国铁路的特性。一是无砟轨道可将综合维修天窗减到最小，满足大量开行“夕发朝至”和“朝发夕至”旅客列车需求；有砟轨道线路维修工作量 40 % 以上是道床养护和维修，综合维修必须采用 4 h 以上的矩形“天窗”，限制了高速列车在较长线路和较长时间内运行。二是由于我国符合特级道砟标准的岩藏资源相当稀少，无砟轨道可以减少客运专线建设对特级道砟的需求量。三是高速铁路由于全立交、节省用地的需要，桥梁比例高，其下部基础为无砟轨道推广应用创造了条件。正是这些原因，在京沪高速铁路设计咨询报告中，法国、德国和日本咨询专家都强调采用无砟轨道。
无砟轨道也存在地震等不可抗拒的灾害修复不如有砟轨道容易，线路噪声、振动大于有砟轨道，建设投资大于有砟轨道的缺点。日本铁路在总结轨道结构类型时评价：板式轨道的工程造价是有砟轨道的 1.3~1.5 倍，即使达到2倍，若线路的通过总重每年 1200万 t，则增加的工程投资在10年内可以偿还。德国铁路在经济分析中，引入了“生命周期成本分析”概念，考虑无砟、有砟轨道结构不同的使用寿命，把工程费用（含利息）分摊到整个寿命周期，再加上每年的经常维修支出，计算不同结构的生命周期成本，结论是：传统的有砟轨道尽管有着悠久的使用历史，但在高速度、高密度的运输通道上，要求延长其使用寿命，减少维修工作量，提高适应性，采用无砟轨道有着明显的优越性。
高速铁路的噪声源主要包括轮轨噪声、集电系统噪声、空气动力噪声、结构物噪声。当列车速度不小于300 km/h时，集电系统噪声大于轮轨噪声，不受控于无砟或有砟轨道结构。无砟轨道在无道床表面吸声板的情况下，噪声源强比有砟轨道噪声源强一般增加 3~4 dB。
无砟轨道与有砟轨道轨下结构基本相同，差异主要是无砟构筑混凝土道床，有砟铺设35 cm厚的道砟。整体结构而言，不存在两者刚、柔的级差，只存在有砟轨道凹凸不平的道砟吸音效果较好的量差。依据国家有关噪声、振动标准，两者均要采取相应对策措施达标。
日本山阳新干线设计速度 260 km/h，后经改造提速部分路段最高行车速度达 300 km/h；法国地中海、东部线两条线设计速度为 350 km/h，留有约 10% 余度，按 320 km/h 运营；德国科隆至法兰克福线，设计速度 300 km/h，按330 km/h 验交，同样留有 10% 余度。数据说明，无砟、有砟轨道均未按 350 km/h 运营，世界铁路无砟轨道还没有 350 km/h 试验速度，技术上、环保上有哪些问题需要攻克，这正是中国铁路有信心在武汉试验段要解决的重大、关键技术。
4. 桥梁工程
(1）一般要求。桥梁结构必须具有足够的强度和刚度，保证可靠的稳定性和保持桥上轨道的高平顺性，使高速铁路桥梁结构能够承受较大的动力作用，具备良好的动力特性。桥梁主要承重结构应不少 100 年使用寿命的要求。
桥梁结构应构造简洁，规格和外形力求标准化，便于施工，建造质量易控制，达到少维修的目的。
预应力混凝土结构刚度大、噪声低，由温度变化引起的结构位移对线路结构的影响小，运营期间养护工作量少等，桥梁上部结构优先采用预应力混凝土结构。
桥梁的上部结构直接承受列车荷载，保证上部结构的竖向刚度、横向刚度和抗扭刚度，同时加强结构的整体性，提高结构的动力特性。高架线路上采用多孔等跨简支梁桥形式；在适宜条件下，采用多孔等跨布置的连续梁，能提高梁部结构整体性和刚度。
双线整孔箱形截面梁，结构横向刚度大，保证高速运行乘坐舒适度应优先采用。跨度 16 m 及以下桥梁也可根据具体情况选用整体性好、结构刚度大的其它结构形式。
适应高速铁路桥梁动力响应大和满足桥上铺设无缝线路后钢轨强度和稳定性要求，桥梁下部结构一般采用整体性强的混凝土或强度高、延性好、有利于高速行车和满足抗震要求的钢筋混凝土桥墩台。成线、成段采用统一的墩台类型，便于施工组织，同时适应景观协调要求。
涵洞采用整体性好，方便施工、便于检查维修的矩形框架涵。
由于路基与桥、涵结构物刚度的差异，会造成高速行车“跳车”现象，设置过渡段是衰减“跳车”现象影响的有效措施。因此，相邻桥桥、桥涵之间依据施工工艺和工程造价，合理确定距离。
(2）列车竖向静活载。高速铁路桥涵荷载，根据高速行车和采用无缝线路要求，在现行规定上增列了长钢轨伸缩力、挠曲力和断轨力、气动力等几项。高速铁路桥梁长度占全线比例大，活载图式是最重要的参数之一，制定得合理与否直接影响行车安全和工程造价。活载图式定的偏低，会危及高速行车安全；定的过高，则会浪费投资。影响活载图式的因素较多，如列车类型、轴距、轴重、编组以及车辆的发展趋势等，还与运输模式中的单一客运还是客货混运、速度指标、不同结构物的加载方式等密切相关。因此，在考虑了以上各因素后确定的设计活载图式在桥梁上产生的静、动效应，应大于各类实际运行的移动设备所产生的静、动效应，并留有适当的强度储备。
欧洲各国普遍采用 UIC 活载；日本采用高速列车专用荷载 N，P 活载。
我国首先考虑高速铁路单一客运，跨线旅客列车上线，同时考虑基础设施按 350 km/h 设计要求，还考虑应急状态下特殊功能，研究、分析 UIC 活载基础上来制定中国高速铁路活载图式。
如果我国直接把 UIC 活载作为高速铁路设计活载，它与运营活载的强度效应比余量较大，常用跨度的简支梁、中等跨度的连续梁分别约为 50%，40%，说明余量大，经济性差。如果用 0.6UIC，应急状况下特殊功能个别跨度检算不能通过；如果用 0.7UIC，余量过小。因此，采用 0.8UIC 作为我国高速铁路桥梁设计活载，即 ZK 标准活载图式（见图 11）。
经对 24 m 梁、墩、基础同精度比较，ZK 标准活载图式较 UIC 标准活载节省材料约 10%；较 0.7UIC 标准活载多耗材料约1%。
(3）结构变形、位移和自振频率的限值。在列车竖向静荷载作用下，梁体的竖向挠度、梁端竖向转角分别不大于表 13、表 14 限值。
在列车横向摇摆力、离心力、风力和温度力的作用下，梁体的水平挠度应不大于 L/4000。
无砟轨道相邻梁端两侧的钢轨支点竖、横向相对位移不大于 1 mm。ZK 静活载作用下，3 m梁长的扭曲变形两根钢轨间 t 不大于1.5 mm。
表 14 梁端竖向转角
简支梁竖向自振频率不小于下列限值：
车线桥耦合动力响应分析或列车牵引试验安全性和舒适性要满足下列限值：
脱轨系数 Q/P≤0.8
轮重竖向减载率ΔP /P≤ 0
轮对横向水平力 Q≤80 kN
车体竖向振动加速度az≤ 0.13g （半峰值）（g 为重力加速度）
车体横向振动加速度ay≤ 0.10g（半峰值）
墩台纵向及横向水平线刚度应满足高速行车时列车安全性要求和旅客乘车舒适度要求。由墩台横向水平位移差引起的相邻结构物间的水平折角不大于1 ‰。
墩台基础的沉降量按恒载计算，工后沉降量不大于表 15限值。
(4）结构构造。有砟、无砟桥面布置见图 12、图 13。预应力混凝土梁的徐变上拱值，轨道铺设后，有砟桥面不大于 20 mm，无砟桥面不大于 10 mm。
道岔全长范围的梁部采用连续结构，特别困难时，梁缝的设置应避开尖轨和心轨范围。
5. 隧道工程
（1）耐久性及内轮廓。隧道结构应具有足够的耐久性，主体结构按不小于 100 年正常使用的要求设计。隧道轨顶面以上净空横断面面积限值见表 16。隧道建筑限界及内轮廓见图 14。
图 13 无砟桥面布置
图 14 隧道建筑限界及内轮廓（单位：cm）
注：救援通道距线路中心2.3m，救援通道已含安全空间
洞门尽量减少边仰坡开挖，实用美观。采用斜切式，需要时设置洞口缓冲结构。
（2）衬砌。暗挖隧道采用复合式衬砌，明挖隧道采用整体式衬砌，掘进机施工圆形隧道采用管片单层衬砌。
时速 350 km 双线铁路隧道代表性衬砌结构见图 15。
湿陷性黄土隧道底部应进行加固处理。
隧道衬砌结构防水标准采用一级。初期支护与二次衬砌间铺设防水板厚度不小于1.5 mm。
6. 建筑工程
客站是铁路与城市的结合点，既要突出铁路功能，满足旅客日益提高的方便、快捷、舒适的乘车要求；又要满足城市发展要求和综合交通协调发展的要求，成为城市和区域的综合交通枢纽和现代化客运中心。
铁路客站设计要坚持以人为本，综合体现“功能性、系统性、先进性、文化性、经济性”原则，做到交通功能与地域文化相结合，时代要求与国情条件相结合。
较大客运站采用站台无柱雨棚，增加站台有效面积，加强通过性，改善候车环境。
7. 环境保护工程
包括污水和废气治理、噪声和振动污染治理、电磁干扰防护、固体废物处置、生态环境保护和水土保持等。
高速铁路与常速铁路相比较，环境保护的重点在噪声和振动污染治理方面，根据国家主管部门批复的环境影响评价报告开展工作。
环境噪声因铁路声源影响超过国家标准《铁路边界噪声限值及其测量方法》（GB12525）时，设声屏障或采取综合处理措施。
（1）声屏障。声屏障高度不大于轨面以上 2.05 m，必须超时，应在高出部分采用透明材料；长度为敏感点长度加两端附加长度。
声屏障结构强度按最不利荷载组合检算；材料的平均吸声系数不小于 0.6，隔声材料隔声量不小于 25 dB 。
（2）综合处理措施。高速铁路降噪的主要治理措施及效果见表 17 。
表17 高速铁路降噪的主要治理措施及效果
图16 高速有砟线路上道砟垫的应用
（3）减振措施。采用车辆轻量化、弹簧系统的合理化等手段减小车对轨道的动力作用，减小激振能级；选用重型钢轨、刚度大的箱梁或增大参振体质量等措施减小因激振力引起的振动；采取轨道各种部件之间设置弹性支承材料、地基上设置“减震沟”等，减小振动的传递。
（三）牵引供电
高速铁路牵引供电的特点：满足高速运行的弓网关系；满足可靠稳定的供电要求；满足免维护、少检修、抵御自然环境侵害的要求；动车组自动过分相；供电能力适应高速度、高密度；具有综合一体化远程监控能力。
牵引供电、电力、SCADA 系统结构见图 18 。
图18 牵引供电、电力、SCADA 系统结构示意
1. 供电
牵引变电所优先采用两回独立可靠的 220 kV 电源，并互为热备用。
按照国外相关标准，平均有效电压应采用 22.5 kV 。我国接触网的标称电压 25 kV，短时（5 min）最高电压 29 kV，设计最低电压 20 kV 。
高速正线采用 2 × 25 kV（AT）供电方式。
牵引变电所分布要满足列车追踪运行间隔时间要求。牵引变压器采用固定备用方式，一台运行，另一台备用。为减少运营成本，变压器安装容量可按交付第五年运量确定，按远期运量预留条件，其过负荷能力应满足高峰小时牵引负荷的需要。
2. 变电
牵引变压器优先采用单相接线形式。
高压侧开关采用 SF6 断路器或 GIS 。
2 × 25 kV 侧采用户内 GIS 、AIS 或户外分散布置断路器。
变电所实行无人值班。
3. 接触网
接触网采用全补偿简单链型悬挂或全补偿弹性链型悬挂， H 形钢柱，绝缘爬距 1400 mm 。
接触导线：150 mm2 铜合金材质，张力不小于 25 kN 。
承力索：120 mm2 铜合金，张力不小于 20 kN 。
最高运行速度：低于 70 % 的接触线波动传播速度。
接触线最低悬挂高度不小于 5300 mm，困难条件不小于 5150 mm 。
简链、弹链悬挂时，正线区间标准跨距分别取 50 ~ 55 m，55 ~ 60 m 。
4. 弓网受流性能要求
参照《弓网受流动态测量准则及要求》（EN50317 : 2002）、《弓网受流技术标准》（EN50367 : 2006）、《欧洲高速铁路弓网受流性能指标》（UIC794 : 96）标准，弓网间平均接触力 Fm 不大于 0.000 97v2 + 70（N）（见图 19），标准偏差 0.3 Fm（Ｎ）；最大值 Fmax＝ Fm+ 3（N）。
仿真计算离线率应小于 0.1 %，多个受电弓升弓运行时，须对每弓的受流情况进行评价。
5. 自动过分相
电分相采用带中性区的双断口锚段关节方式，中性区长度大于取流受电弓的间距，借鉴国际经验和我国实践，中性区长度一般不小于最大取流受电弓间距加 120 m 。
6. SCADA 系统
SCADA 系统功能以满足牵引供电、电力等机电子系统需要为原则，包括：调度管辖范围动态配置，对牵引供电、电力等机电子系统运行及设备状态的实时监视，事故报警、事故追忆、自动控制、调度事务自动化管理。
SCADA 系统由调度端、各被控站、复示终端系统以及联系被控站的传输通道组成。
SCADA 系统作为运营调度系统的一个子系统。
（四）通信信号
1. 通信系统
高速铁路通信系统以传输及接入、电话交换、数据网、GSM - R 移动通信等设备为基础，建立调度、会议电视、救援指挥、动力环境监控和同步时钟分配等通信系统，将有线和无线通信有机结合，实现话音、数据、图像、列控等功能，见图 20 。
（1）传输和接入设备。传输层在正线车站设置 SDH2.5 Gb/s 设备，MSP1 + 1 保护方式；接入层在车站、动车段（所）、维修段等设置 622 Mb/s MSTP 设备，通过车站迂回，组成多个保护环，为各类业务提供传输通道，见图 21 。
（2）自动电话设备。利用铁通专网本地交换机，通过 OLT + ONU，向各车站分布自动电话，见图 22 。
（3）数据网
采用 TCP/IP 协议，承载运营调度系统、旅客服务系统、电视会议系统、视频监控、信息系统等非安全数据传送业务，是各专业共用的数据通信和计算机通信平台，见图 23 。数据网本地连接采用光纤，远程连接采用 MSTP 通道。
（4） GSM - R 移动通信设备
单层交织覆盖，核心节点按全路网络规划配置，时速 300 ~ 350 km 线路无线网支持 CTCS - 3 列控信息传送，某个基站故障时，相邻两个基站场强覆盖可以满足通信需要。提供调度通信、区间移动电话、通用数据传输、列控信息传输等功能，见图 24 。
同址双基站冗余覆盖，核心节点按全路网络规划配置，某个基站故障时，由备用层基站进行覆盖并提供服务。提供调度通信、区间移动电话、通用数据传输、列控信息传输等功能，见图 25 。
（5）其他
设通信网管系统，全面管理高速铁路通信网络，在调度中心（所）设通信网管复示终端。
干线通信线路采用光缆，光缆纤芯数量除满足相关业务需求外预留远期发展需要。干线光缆敷设在线路两侧的槽内。
设置综合视频监控系统，对车站重点部位及沿线重点设施实时监控。
2. 信号系统
高速铁路信号系统是保障列车运行安全，提高运输正点、效率的关键技术设备。主要由调度集中、列车运行控制、车站联锁、集中检测等子系统组成。
（1）调度集中（CTC）。调度集中是一种列车运行方式。列车在规定的区段进入车站股道和通过闭塞分区按信号显示运行。 CTC 系统由调度中心（所）设备、车站设备和相关网络设备组成。 CTC 系统采用双硬件、双网络的冗余结构。级间网络采用不同物理路径的单独光纤，困难地段采用不同物理路径专用链路的数据网，构成两个独立的环状自愈专用通道。
CTC 系统主要功能包括列车进路及调车进路的控制、列车运行情况集中监控、车次号追踪、列车运行计划调整、临时限速设置等。
调度所之间、调度所与部调度中心之间实现信息交换。
（2）列车运行控制。高速铁路行车以速度信号代替传统的色灯信号，以车载信号作为行车凭证，为防止司机失误影响行车安全，地面传送到车载设备的信号直接转变为对列车制动系统的控制，称为列车运行控制系统。主要有地面设备和车载设备组成。主要功能有超速防护、临时限速，防止列车冒进、错误出发、错误退行。
a. 国外典型的高速铁路列控系统。德国 LZB 系统：采用轨道环线电缆传送列控信息，其中地面对列车的呼叫码为 83.5 bit 编码序列，传输速率为 1 200 bit/s；列车对地面的呼应答码为 41 bit 编码序列，传输速率为 600 bit/s 。
日本 DS - ATC 系统：采用有绝缘的数字轨道电路传送列控信息，使用 500 ~ 3 000 Hz 的频率，以 60 ~ 300 bit/s 的速度，反复传输 40 ~ 60 bit 的数据。
法国 UM2000 + TVM430 系统：采用无绝缘数字轨道电路传送列控信息（分级控制），传输数据量 27 bit/帧，有效信息 21 bit/帧，校验位 6 bit/帧，帧周期大于 1.5 s 。
德国 LZB 、日本 DS-ATC 和法国 UM2000 + TVM430 三种高速列控系统均采用大量专有技术，相互间不兼容，技术平台不开放。
欧洲 ETCS 系统：为实现欧洲铁路互联互通，欧盟组织确定了适用于高速铁路列控的标准体系，技术平台开放，欧洲正在建设和规划的高速铁路均采用 ETCS 列控系统；基于 GSM - R 无线传输方式的 ETCS2 系统，技术先进，罗马至那不勒斯、马德里至莱里达等线已投入商业运营，是未来高速铁路列车运行控制系统的发展方向。
b. 我国高速铁路列控系统。列控系统技术平台的确立必须做到有利于路网的统一性，有利于调度集中统一管理。
我国 300 ~ 350 km/h 铁路确定 CTCS - 3 列控系统作为全路统一技术平台，并兼容 CTCS - 2 列控系统实现动车组上下线运行。
CTCS - 3 系统采用 GSM - R 无线通信传输列控信息，主要由车载 ATP 、无线闭塞中心 RBC 、微机联锁、调度集中 CTC 、应答器、ZPW - 2000 轨道电路构成，通过系统集成创新，我们将建立符合中国国情路情的、世界一流水平的高速铁路 CTCS - 3 列控技术体系。
CTCS - 2 列控系统主要用于 200 ~ 250 km/h 客货共线铁路（含既有线提速 200 km/h 线路），主要设备包括：车载 ATP 、列控中心、微机联锁、调度集中 CTC 、应答器、ZPW - 2000 轨道电路，在第六次大提速 200 ~ 250 km/h 线路上成功应用。 CTCS - 2 列控系统采用轨道电路加点式应答器作为信息传输手段，实现列车运行的安全控制，GSM - R 用于无线通信。
通过在时速 300 km 和 200 km 跨线列车上装备 CTCS - 2 和 CTCS - 3 车载系统，实现高速列车的跨线运行。
c. CTCS - 2 。 CTCS - 2 列控系统通过 ZPW - 2000 轨道电路发送行车许可，列控车载设备根据轨道电路信息码，并结合应答器信息控制列车安全行车。 CTCS - 2 系统原理见图 26，其系统设备结构见图 27 。
图27 CTCS - 2 系统设备结构
d. CTCS - 3 。 CTCS - 3 在 CTCS - 2 基础上，地面增加了无线闭塞中心 RBC，车载 ATP 集成了 CTCS - 2 模块，增加了无线接收模块。 CTCS 3 系统原理见图 28，其系统设备结构见图 29 。
CTCS - 3 列控系统基于 GSM - R 无线通信传输列控信息，其中的 CTCS - 2 功能是通过轨道电路信息码传输列控信息实现，点式应答器信息共用。
CTCS - 3 列控系统中的 RBC 通过联锁和轨道电路获得前方列车位置信息，并通过无线方式传送给后续列车，后续列车的车载设备控制列车安全运行。
e. 高速动车组下到 200 ~ 250 km/h 铁路的列控方式。装备 CTCS - 3 车载 ATP 设备的高速动车组在 300 ~ 350 km/h 铁路上按照 CTCS - 3 方式运行，当进入 200 ~ 250 km/h 铁路，通过执行点应答器时列控车载设备自动切换到 CTCS - 2 控制方式，按照ＣTCS - 2 方式运行，见图 30 。
装备 CTCS - 2 车载的动车组上到 300 ~ 350 km/h 铁路时，300 ~ 350 km/h 铁路列控系统地面设备兼容 CTCS - 2，列控车载设备仍控制动车组按照 CTCS - 2 方式运行，见图 31 。
f. 列车控制系统关键技术。
① 车载设备，见图 32 。
② 地面设备。
a. 无线闭塞中心，见图 33 。
b. 列控中心：实现对 ZPW-2000 轨道电路的编码，控制应答器编码，通过轨旁电子单元向有源应答器发送临时限速信息，见图 34 。
c. 无源应答器：
功能。无源应答器提供的信息主要包括线路的坡度、闭塞分区或轨道电路长度、载频、线路固定限速等信息。
设置位置。区间根据需要在闭塞分区的分界处设置，其应用原则是：一处失效，不影响正常运用。
d. 有源应答器，电子单元 LEU：
功能。接收车站列控中心的信息，并向列车传送。 LEU 的作用相当于功率放大器。有源应答器提供的信息主要包括进路信息和临时限速信息。 1 个 LEU 控制 4 台应答器。
设置位置。车站的 4 架进站信号机处各设 1 个有源应答器。
③ 联锁设备，见图 35 。
（3）综合接地系统。综合接地是为了保证电气化铁路沿线设施和人身安全，更好地防止电磁干扰、雷电侵害而采取的措施。主要内容是路基、桥梁、房屋建筑等接地极的处理，沿线敷设综合贯通底线，沿线各种电气设施和金属构筑物接入；处理措施均要保证综合接地效果。
（五）信息系统
信息系统主要由运输组织、客运营销、经营管理三大部分组成。分别包括运营调度，旅客运输管理；旅客服务，票务，市场营销策划；企业资源管理，办公自动化，财务、审计管理，统计分析，决策支持等子系统。
信息系统按部、局（公司）、站段分级结构架构，实行网络的逻辑分离，划分为安全生产网、内部服务网、外部服务网。信息系统构建坚持统筹规划，统一规范，统一标准，统一编码，信息互通，资源共享，可扩展的原则。
1. 运营调度
高速铁路运营调度系统与既有铁路调度系统比较，具有以下特点：
调度区段长，范围大，时空概念发生变化；
以高速铁路点到点调度为主，同时兼顾网络；
运营调度的核心地位更显突出，综合性强，计划严格，效率高。
中国高速铁路运营调度系统，由于路网规模范围大、行车密度高、运量大、兼容性要求高、控制因素多，因此，必须基于全国路网进行优化，确保时速 300 ~ 350 km 铁路与时速 200 ~ 250 km 客货共线铁路运输兼容；确保各线间运营调度的有机协调；满足高速列车按 3 min 追踪间隔运行时调度指挥的需要。
（1）运营调度系统集成的主要内容。包括计划编制、运行管理、车辆运用管理、供电调度管理、旅客服务、综合维修等功能。
运输计划是运营调度各项工作的基础和主线。计划编制主要是依据编制规则要求，调度集中提供计算机编制列车运行图及相关计划的信息，具备牵引计算、合理性检查和模拟仿真等功能。基本计划以线路、动车组、信号、车站等数据为依据，结合客流分析与列车开行方案进行编制。基本计划包括列车运行计划、动车组交路计划、车辆分配计划、乘务计划等。
运行管理功能（CTC 系统），是运营调度系统的核心，也是确保实现客运专线安全、高效的关键功能。主要是接收实施计划（包括列车运行、动车组运用、乘务安排、施工维修等实施计划），实现人工或自动生成列车运行调整计划、人工或自动进行列车进路控制、实施列车运行监视、绘制实绩列车运行图、实现列车跟踪及车次号校核等。系统能随时按业务需求的调整进行权限控制和功能切换。需要时，铁道部调度指挥中心可接管高速铁路调度所指挥权。
车辆管理、供电管理、旅客服务、综合维修等功能主要是通过与车辆维修管理系统、供电系统、客运服务系统、票务系统、综合维修作业系统、防灾安全监控系统、通信系统、信号系统、视频监控系统、乘务管理系统、综合检测系统等实现信息共享，为编制基本计划及实施计划，合理掌握列车运行速度，安排和传递与旅客服务有关的事项，安排设备维修，处置突发事件，进行查询、统计、分析等提供依据和数据。
运营调度机构设置见图 36，其系统框架见图 37，业务流程见图 38 。
图38 业务流程概要
（2）高速铁路运营调度系统特别强调综合性。各调度工种，并不是各自拥有和使用自己的管理系统进行调度工作，而是共同使用综合运营调度系统进行工作。
各工种所有的调度员都集中在一个大厅内工作，以便于快速的工作联系和讨论。
调度所调度大厅内各调度台的布置有三种方案：
岛式布置方案。该方案调度员按工种围坐在一起，在大厅呈数个岛、每岛数人的岛式分布。
矩阵式布置方案。该方案调度员呈矩阵布置，分为数排，呈阶梯形面向显示大屏。
半圆形布置方案。该方案调度员呈扇形布置，面向显示大屏。
（3）经过多年的研究和建设，我国铁路已建成 TMIS 系统，TDCS 系统正在广泛应用，集成国内外成熟技术的 CTC 系统也已在秦沈客运专线、青藏线、胶济线建成使用，计算机编制列车运行图已在全路推广运用。一批企业和科研单位在运营调度系统的建设和运营方面取得了大量成果，积累了丰富经验，储备了技术和人才。
我国高速铁路运营调度系统以国内企业为主体，借鉴国外高速铁路运营调度系统建设、运营的先进理念和成熟经验，依靠国内企业应用开发和系统集成力量，自主创新，创建拥有自主知识产权的运营调度技术体系，实现客运专线运营调度现代化。
2. 客运服务
高速铁路客运服务系统的特点：
客流大，旅客上下车频繁，服务档次要求高；
系统交易量大，控制信息复杂，业务数据处理难度高。
客运服务包括票务系统、旅客服务系统、市场营销策划系统、客运组织管理等。
以席位管理和交易处理为核心，建立能够适应多种销售渠道和售票方式、多种支付形式、灵活的营销策略和定价政策，以自助式和自动化为主要售检票方式的全路客运专线统一的票务系统。
以信息的自动采集为基础，以为旅客提供全方位信息服务为目标，实现客运车站信息自动广播、导向、揭示、监控等功能，提供互联网、呼叫中心、移动通信等多种途径的信息服务，运用多样化的服务手段为旅客提供优质服务，实现旅客服务和运营管理的信息化。
以现代营销理念为指导，以科学的数据分析方法为支撑，以先进的信息技术为手段，构建反应敏捷、实时决策、优化方案、综合评价、适应竞争要求的高效系统，为各类管理人员提供信息服务和决策支持。
（1）票务、市场营销策划系统。票务、市场营销策划系统功能见图 39 。
（2）旅客服务系统。旅客服务系统功能见图 40 。
客运服务系统由局（公司）、车站两级构成，在行业主管部门设置旅客服务信息平台；建设的原则是统一技术标准、基础平台、应用软件、规范管理。
3. 防灾安全监控
防灾安全监控系统对自然灾害及异物侵限等突发危害进行监测，提供灾害预警信息。系统应与气象、地震检测等部门信息接口，充分利用专业台站预报信息。系统由调度所、车站设备和相关网络设备组成。
（六）高速动车组
1. 高速动车组发展趋势
国外先进的高速动车组已普遍采用了轻量化铝合金车体、高可靠性无摇枕转向架、大功率交直交牵引传动、微机控制电空联合制动、基于计算机和网络技术的列车控制和旅客信息系统等。
由于动力分散动车组与动力集中动车组比较在高速运用条件下有明显的优点，因此动力分散是高速动车组的发展趋势。
动力分散动车组优点：牵引功率大，载客人数多；轴重小，黏着力利用合理；启动快，加速性能好；运用可靠，不需换向；利用率高，适合公交化客运；编组灵活，经济效益高。
2. 动车组关键技术（见图 41）
3. 中国铁路高速 2 型动车组 CRH2（见图 42）
CRH2 动车组主要参数：
总长 201.4 m
头车长度 25.7 m
中间车长度 25 m
车体宽度 3.38 m
车体高度 3.7 m
适应站台高度 1.25 m
4. 中国铁路高速 3 型动车组 CRH3（见图 43）
CRH3 动车组主要参数：
总长约 200 m
头车长度 25.70 m
中间车长度 25 m
车体宽度 3.3 m
车体高度 3.89 m
适应站台高度 1.25 m
5. CRH 动车组特性曲线（见图 44）
时速 200 km 及以上动车组技术引进、吸收、消化和再创新工作，正在按计划顺利推进。第六次大面积提速调图时速 200 ~ 250 km 动车组已上线运行，具有中国自主品牌的 300 km/h 的 CRH - 300 动车组开发进展顺利，2008 年将投入运用。为适应大运量、长运距的高速客运需要，铁道部正在积极组织 16 辆长编组座车和世界首创的长编组高速卧铺车的开发，也将在 2008 年完成；还将根据运输需要继续开发双层客车等形式的高速动车组。届时，国内企业将掌握包括关键技术在内的动车组技术，在技术上处于主导地位，国产化率将达到 70 % 以上，并形成开发和制造高速动车组系列产品，生产一流水平的中国品牌动车组的能力。到“十一五”末期，我国机车车辆装备制造业必将跨入国际先进水平的行列。
（七）运用维修
1. 综合维修
高速铁路的综合维修采用综合检测列车、钢轨探伤车和轨道状态确认车等，实现对轨道几何状态、接触网及受流状态、通信信号设备工况、钢轨表面及内部伤损、轨道部件状态、线路限界侵入等的定期检测和临时检测，向调度指挥中心（综合维修系统）、地面维修部门发送信息，并作为制定维修计划和安排综合维修天窗的主要依据。
中国高速铁路综合维修：借鉴国外经验，结合中国高速铁路的具体情况，建立包括各专业的综合维修体系。
利用现代化的维修、检测手段进行“天窗”修：合理安排维修“天窗”，采用先进的综合维修、检测手段，确保高速铁路安全、高效地运营。
高速铁路对轨道平顺度有严格的精度要求，见表 18 。
2. 高速综合检测列车
综合检测列车是实施定期检测、综合检测和高速检测的重要手段。实现对轨道、接触网、通信信号等基础设施的综合检测。
充分利用我国已开发出的高速动车组，结合先进的综合检测技术和设备，通过系统集成，开发我国 300 km/h 高速综合检测列车。
综合检测列车主要装备：录象装置、架线间隔测定装置、ATC 测定装置、列车无线设备测定装置及测定台；轴重横压测定轴、轴箱测定加速度计；轨道高低变位和车辆摇动测定装置、线路状态监视装置、轮重横压数据处理装置和录象装置；架线磨耗偏位高低测定装置、集电状态监视装置、受电弓观测装置；电力测定台、数据处理装置、供电回路测定装置、车次号地面设备测定装置。
3. 大型养路机械设备
采用大型养路机械维修线路。主要配置三枕捣固综合作业车、正线和道岔综合作业捣固车、高精度连续式捣固车、高效清筛机、路基处理车、线路大修列车、96 头钢轨打磨车、道岔清筛机、移动式焊轨车和大容量物料运输车等大型养路机械设备。
4. 动车组运用检修设备
动车段（所、厂）按路网规划，枢纽总图布局，近远期结合，统筹设置，分期实施。运用检修设备按“集中检修，分散存放”的原则、“快速检修，安全可靠，高效运营”的运营要求设计。
三、中国高速铁路工程实践
世界高速铁路列车运行速度，从 20 世纪 60 年代的 210 km/h 开始，至 90 年代已提高到 300 km/h 。目前，在建高速铁路的设计速度多为 350 km/h 。世界高速铁路的发展表明，300 km/h 等级高速铁路技术已经成熟。我国高速铁路发展，一直遵循着科技攻关、试验验证、工程实践和推广应用的科学规律。工程实践和运营业绩表明，基础设施、移动装备、行车环境、运输组织、人员培训均进入高速铁路领域。
（一）秦沈客运专线高速试验段
秦沈客运专线在山海关—绥中北间修建了 66.8 km 的综合试验段。试验段的线路平面最小曲线半径为 5 500 m；铺设 60 kg/ｍ 高速钢轨；有 24 km 的接触网采用镁铜导线，按 300 km/h 速度要求进行设计，下行线为全补偿简单链形悬挂，上行线为全补偿弹性链形悬挂。试验段内设计了不同类型的桥梁、桥上无砟轨道、接触网支柱，不同填土厚度的涵洞，不同基床表层结构的路基和不同处理措施的路桥过渡段，以便进行路基、桥梁、线路、弓网、通信信号和动车组的高速试验，验证高速铁路科研成果的科学性、合理性。
铁道部于 2001 年至 2002 年在秦沈线组织进行了综合试验，全面检验了安全平稳性。山绥综合试验段的路基、桥梁、无砟轨道和接触网等完全可以满足 250 km/h 速度运行的安全性、平稳性要求，最高试验速度 321.5 km/h 。
秦沈线建设中取得许多技术突破。采用先进的单枕连续铺设法，运用成套铺轨机械和钢轨接触焊作业车成功地完成了无缝线路的一次铺设，使我国跨区间无缝线路的综合技术大大提高；在沙河、狗河和双何特大桥上分别铺设了长枕埋入式和板式无砟轨道，发展了轨道结构的新形式，研究开发了无砟轨道的施工工艺和机具；研制出 38 号大号码道岔，提高了我国道岔的设计、制造和安装水平；研制成功箱梁架桥机、拼装式架桥机、双导梁轮轨式架桥机等重型架桥机和运梁车，重型移动模架式造桥机和移动支架式造桥机，使造桥技术多样化。将路基作为重要结构物来设计施工，提高了对填筑材料、压实标准、变形控制、检测的要求，路基基床结构大大强化；在路堤与桥（涵）间设置了一定长度的过渡段，从结构、填料、压实标准等多方面对过渡段提出新标准，以控制轨道刚度的逐渐变化，并最大限度地减少由于路基与桥涵沉降不均匀而引起的轨道不平顺；对于 200 km/h 行车的轨道不平顺进行了详细研究，初步提出了轨道不平顺管理标准。
通过秦沈线的建设，我国铁路加强了对时速 200 km 及以上铁路的关键技术的认识和实践，积累了设计、施工、制造和调试的经验，提高了线桥工程建造技术水平，初步具备建设高速铁路的能力。
（二）遂渝线无砟轨道试验段
2004 年 9 月，铁道部决定在遂渝线铺设无砟轨道试验段，系统地研究解决不同类型无砟轨道结构、岔区无砟轨道、路基及过渡段的结构形式、桥梁及路基变形对无砟轨道的影响、减振降噪措施和无砟轨道对信号系统的适应性等关键技术。
遂渝线无砟轨道试验段设于北碚北站—井口站间 DK125 + 676 至 DK138 + 893，线路平面 200 km/h 条件，全长 13.157 双线 km，见图 45 。铺设双块式无砟轨道、轨枕埋入式无砟轨道、板式轨道（含普通板型、框架型和减振型）和纵连式板式轨道等不同结构类型，其基础有路基、过渡段、桥涵、隧道和道岔等不同类型。试验段工程 2006 年 12 月全线竣工。
2007 年 1 月 5 日~ 10日，铁道部进行了“遂渝线无砟轨道试验段综合试验”。通过对 CRH2 型动车组和 2 台 SS7E 电力机车牵引轴重分别为 23t，25t 的货物列车的作用下，自主研发的不同类型无砟轨道结构、客混 18 号无砟道岔、客专 18 号无砟道岔、路基及过渡段、无砟轨道桥涵的动力性能，动车组气动力，无砟轨道隧道气动性能，无砟轨道噪声振动，车载信号电气特性和综合接地系统等 9 项内容进行了系统测试。
同时，还对动车组和货物列车的动力学性能、弓网受流性能进行了安全监测。 CRH2 动车组的最高试验速度达到 232.2 km/h，货物列车的最高试验速度达到了 141 km/h 。图 46 为遂渝线试验段铺设的无砟轨道。
综合试验结果表明，遂渝线无砟轨道试验段状态良好，满足 200 km/h 的动车组和 120 km/h 、25 t 轴重的货物列车的运行安全性和平稳性等项设计要求。取得了多项创新成果：在不同结构物上无砟轨道的计算原理和设计方法、无砟轨道绝缘处理措施及 ZPW - 2000 轨道电路传输性能、路基沉降控制、线下工程变形控制、测量控制、扣件、道岔、施工工艺、施工装备等方面取得了比较系统的研究成果，基本掌握了具有自主知识产权的无砟轨道成套技术，对进一步发展我国无砟轨道技术和高速铁路建设具有重要意义。
（三）既有线大面积提速 250 km/h 路段
国际上目前公认，客货共线运行 250 km/h 铁路，属高速铁路。铁道部为开展高速铁路建设提供了强有力的技术支撑，积累了建设和运营管理经验，将线路平面条件较好的京广、京沪线中两路段适当进行技术改造，速度提高到 250 km/h，见图 47 。
按照客货共线运行 250 km/h 铁路特点，完成技术改造后，分别进行了 CTCS - 2 级列控系统试验、 CRH2 型动车组牵引制动性能试验、弓网受流性能试验、牵引变电所谐波测试、列车交会综合试验、调度集中系统（CTC）功能验证、GSM - R 数据通信及传输特性试验、高速列车追踪运行对轨道电路的干扰试验、18 号道岔过岔速度试验、既有线非改建地段提速 250 km/h 路基动力性能、路桥过渡段和预应力混凝土 T 梁的动力性能等试验。试验结果表明，我国铁路取得了八个方面创新成果，技术指标满足开行 250 km/h 电动车组要求。
2007 年 4 月 18 日至今，京广线苏桥至大刘庄段、京沪线昆山至上海西段，电动车组 250 km/h 客货共线运行，创下了日行车量分别达 260 列以上运营业绩，证明了技术的可行性，安全的可靠性，也对中国建设高速铁路技术储备，尤其是系统集成技术进行了实战演练，表明我国已具备建设高速铁路的条件和实力。
（四）几个工程试验段
通过第六次大面积提速改造，我国铁路目前已有 846 km 延展线路列车运行时速 250 km/h，具备 300 km/h 等级高速铁路的技术储备。日本专家对此曾表示：回想日本刚建新干线时，当时日本的技术水平应该比现在中国的铁路技术水平低很多。尽管如此，考虑已经展开的客运专线建设规模大、标准高，是铁路建设史上前所未有的。
我国幅员辽阔、自然特征多样，软土、松软土、湿陷性黄土、大面积沉降区域地基处置，大江大河跨越，长大隧道通过，其难度世界上也是少有的；我国没有时速 300 km/h 等级的高速铁路建设和运营经验。中国铁路在高速铁路技术上始终持谨慎态度，结合京津、武广、郑西、合宁等建设项目，选择代表性软土和松软土地基、大面积沉降区、深厚软土地基、湿陷性黄土地基、膨胀土地基路段进行工程试验，先行实施，取得数模、物模参数和经验，指导高速铁路建设。
四、结语
经过多年的科技攻关、试验验证、工程实践，我国自主创新的高速铁路技术体系已经初步建立，已具备高速铁路固定设施和移动设备自主设计、制造、生产能力；中国经济的持续快速发展和国力的极大增强，为我国建设高速铁路提供了巨大的市场需求和资金保障。只要我们充分发挥我国集中力量办大事的优势，吸收世界高速铁路先进、成熟的技术成果，创新完善提高，精心组织、精心设计、精心施工，就一定能建设出具有中国特色的世界一流高速铁路，一定能形成具有自主知识产权的高速铁路技术体系。
作者介绍：何华武，铁道工程专家，中国工程院院士。
本文来自微信公众号：中国工程院院刊 （ID：CAE-Engineering），作者：何华武