既有线在多年的运营中,线路受到列车反复加载、地质条件变化和大量养护维修作业等干扰因素的影响,线路实际线位已偏离原始设计线位。若采用原始设计线形为基准来整正,无疑会增加大机捣固作业量和难度,并且可能受到接触网、轨旁设备或桥隧限界的影响,导致部分区段不能调整到原始设计线位。因此,本文提出了适用于既有线提速改造的线路平纵断面线形优化设计方法,并分析优化约束条件和目标对拟合结果的影响。以敦煌铁路提速改造项目为例,制定了符合工程实际需求的线路精捣方案,结合动力学理论分析了线形优化效果和大机精捣作业效果。为既有线基础设施整治提供技术、理论和实践支撑。本文主要工作如下:(1)既有线平纵断面线形优化设计理论针对测点位于直线段和圆曲线段,分别推导了基于距离残差平方和最小的正交最小二乘数学拟合模型,该模型能同时考虑测点横、纵坐标存在的误差。提出基于测点坐标斜率变化率进行线形初步分段,并结合正交最小二乘法通过反复迭代拟合实现线形的精确分段,针对测点数据不全的情况提出处理方法。实例验证该分段方法能够实现线形自动识别,并且精度很高。总结既有线平纵断面线形优化中需要考虑的约束条件,提出以调整量整体最小为优化目标的线形优化方法。(2)优化约束条件及目标对拟合效果影响研究基于本文提出的平纵断面线形优化设计理论,研究不同的优化约束条件和优化目标对平纵断面线形拟合效果的影响。研究结果表明:(1)当曲线段存在反弯时,平面线形优化主要改善整体的绝对偏差,而对于反弯处的相对偏差改善效果不明显。当曲线段实际线位分布在原始线位一侧时,曲中附近偏差改善效果非常明显,线元分界点附近偏差改善效果不明显。(2)坡段拟合有利于改善区段的整体绝对偏差,竖曲线半径的调整有利于改善变坡点附近的相对偏差。(3)控制点在线元分界点附近相比于控制点在曲中附近时,优化得到的曲线参数较原始设计参数变化更大,整体平面偏差的优化效果也更差。(4)以偏差平方和最小和偏差绝对值之和最小作为优化目标得到的优化结果基本一致,但前者会略有利于降低偏差的最大值。(3)敦煌铁路提速改造精捣效果分析及动力学评估研究以敦煌铁路K63+300～K69+300区段为例,采用本文提出的线形优化理论制定了符合工程实际需求的线形优化方案,并从数学特征和动力学理论角度分析了实际应用的效果。研究结果表明:(1)线形优化后平面和高程偏差整体更小。平面偏差在20～80mm范围内的测点占比减少了5.6%,高程偏差在80～160mm范围内测点占比减少了31.4%。由于实设超高变大、缓和曲线长度变短导致超高时变率增大,使得缓和曲线段的车辆响应冲击变大、衰减距离变长。(2)大机精捣作业后线路实际中线逐渐向设计线位靠拢,TQI由5.0以上降低到3.4以下。从频域特征来看,波长在500m以下的平纵断面偏差均得到不同程度的改善。(3)当车速为80km/h～160km/h时,轨向和高低不平顺的敏感波长范围为别为15m～40m和20m～60m。(4)基于动力学理论分析可得捣固后车辆各项动力学响应指标均有不同程度的降低。