БЕССТЫКОВОЙ ПУТЬ
Упругие компоненты верхнего строения пути Рациональные решения в области верхнего строения пути, способствующие повышению эффективности железнодорожной сети, являются важным вкладом в реализацию экономических и экологических целей, намеченных в Германии на период до 2020 г. Повышение эффективности же‑ лезнодорожного пути и долговеч‑ ности верхнего строения в системе колесо — рельс все чаще связывают с разными конструкциями безбал‑ ластного пути. Однако путь на бал‑ ласте остается самым распростра‑ ненным и составляет 98 % протя‑ женности всей сети железных до‑ рог Германии (DB). Щебеночное верхнее строение хорошо зареко‑ мендовало себя в эксплуатации в течение многих десятилетий при соответствующем уходе и постоян‑ ном совершенствовании. На желез‑ нодорожных путях, подвергающих‑ ся высоким нагрузкам, в настоящее время укладывают рельсы с профи‑ лем 60Е2 и классом качества R260. В кривых применяют рельсы с за‑ каленной головкой (350 НТ). В 1950‑х годах с внедрением бесстыкового пути стали использо‑ вать бетонные шпалы вместо дере‑ вянных и стальных. Самыми рас‑ пространенными в настоящее вре‑ мя являются бетонные шпалы типа В70, В90 и В07. Большинство стре‑ лочных переводов также укладыва‑ ют на бетонные шпалы.
Постоянно совершенствуются рельсовые скрепления. Подрель‑ совые подкладки играют решаю‑ щую роль при передаче нагрузки от рельса через шпалу на балласт и земляное полотно. Высококачественный щебень из камня твердых пород остается ос‑ новным компонентом, определяю‑ щим длительный срок службы верх‑ него строения пути. Прогнозы развития транспорта базируются на требованиях, предъ‑ являемых к верхнему строению пу‑ ти. При расчетах его параметров ис‑ ходят из данных о воздействии по‑ движного состава на путь, скорости движения, нагрузках и условиях прокладки трассы. Высокое качество изготовления компонентов и текущего содержа‑ ния является важным условием на‑ дежной работы верхнего строения пути и высокой эксплуатационной готовности. Экологичный путь, т. е. не загрязняющий окружающую среду и производящий как можно меньше шума, способствует форми‑ рованию доброжелательного отно‑ шения со стороны населения. Таблица 1
Технические характеристики упругих прокладок
Тип прокладки Zw 687a (жесткая)
Жесткость, кН/мм Статическая
Динамическая
600
—
Толщина, мм 6
Zw 700 (эластичная)
60
90
7
Zw 900 (эластичная)
60
90
9
Zw 1000 (высокоэластичная)
40
60
10
Несмотря на увеличивающие‑ ся поездные нагрузки, необходимо удерживать на низком уровне рас‑ ходы на текущее содержание пути в течение жизненного цикла. С увеличением скорости повыша‑ ются динамические нагрузки, осо‑ бенно на рельсы и щебеночный бал‑ ласт. В результате этого щебень, кото‑ рый вначале был однородным, может под воздействием жесткого контакта с бетонной шпалой и основанием пу‑ ти изнашиваться в течение короткого времени. Изношенный щебень в свою очередь приводит к образованию пу‑ стот под шпалами. Возникающие при этом отклонения в геометрии пути приводят к увеличению расходов на текущее содержание и ремонт. В конструкции балластного пу‑ ти часто применяют упругие эле‑ менты, которые чаще всего уста‑ навливаются между рельсом и шпа‑ лой (прокладки), реже, но в послед‑ нее время все чаще — между шпалой и щебнем (изолированная подошва шпалы), а также в обоснованных случаях — между щебнем и искус‑ ственным основанием пути (подбал‑ ластные маты). Упругие элементы противодействуют динамическим нагрузкам и таким образом способ‑ ствуют улучшению положения пути, повышению плавности хода, сниже‑ нию объемов работ по текущему со‑ держанию, снижению уровней излу‑ чаемых вибраций и шума.
Упругие подрельсовые прокладки Упругие прокладки проще все‑ го монтируются в верхнее строение пути и в настоящее время являют‑ ся стандартным элементом высо‑ коскоростного пути (v ≥ 160 км/ч) в кривых радиусом более 800 м. В 1990‑х годах DB начали уста‑ навливать на своих высокоскорост‑ ных линиях упругие прокладки Zw 900 и Zw 700 (табл. 1), получая сле‑ дующие преимущества: • распределение нагрузки от ко‑ леса на рельс на бо́льшей длине
70 ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2015, № 2
БЕССТЫКОВОЙ ПУТЬ
(более длинная упругая линия при прогибе); • снижение сил в точке опоры и за счет этого уменьшение нагрузки на щебеночный балласт; • снижение контактных сил ме‑ жду колесом и рельсом. Замена в конструкции верхнего строения пути жестких прокладок Zw 687а на упругие производится на высокоскоростных участках с допу‑ стимой скоростью движения более 160 км/ч, например, при замене обо‑ их рельсов на длине более 1000 м. В середине 2000-х годов прово‑ дились поиски новых возможно‑ стей улучшения долгосрочных ха‑ рактеристик щебеночного верхнего строения пути. Сравнительные ис‑ пытания показали, что с помощью высокоэластичных прокладок в со‑ четании с увеличенной площадью подшпального основания упругость пути повышается. В результате ста‑ ли применять рельсовые скрепле‑ ния W 21 с упругой прокладкой Zw 1000 в сочетании со шпалами В07. Уже в течение короткого срока экс‑ плуатационных испытаний была подтверждена более высокая устой‑ чивость в положении пути. Можно ожидать, что это приведет к даль‑ нейшему снижению объемов работ по текущему содержанию. С 2001 г. шпалы В07 с проклад‑ ками Zw 1000 укладывают на путях с разрешенной скоростью движения более 230 км/ч и на стрелочных пе‑ реводах с разрешенной скоростью до 160 км/ч.
Таблица 2 Технические характеристики подбалластных матов
Допустимая скорость, км/ч
Допустимая осевая нагрузка, т
Статический модуль упругости основания Сstat, Н/мм3
Не выше 120
≤ 16 (S-Bahn)
0,02
Не выше 120
≤ 25
0,03
120 < v < 200
≤ 25
0,06
Не ниже 200
≤ 25
0,1 – 0,15
заданные условия по снижению шу‑ ма и вибраций. С 1990‑х годов подбалластные маты стали использовать также на высокоскоростных линиях и при большой толщине балластного слоя для снижения нагрузки на основание пути (рис. 1). Маты обычно уклады‑ вают в рамках нового строительства или в ходе ремонтных работ на ис‑ кусственных сооружениях (напри‑ мер, на мостах, в тоннелях, на лотках и др. при Сstat = 0,12 Н/мм3). В связи с высокими затратами раньше вместо подбалластных матов использовали шпалы с изолированной подошвой. При укладке подбалластных ма‑ тов необходимо: • учитывать тип и модуль балла‑ ста; • соблюдать направление уклад‑ ки; • правильно формировать стыки; • соблюдать требования к выбо‑ ру клеящих материалов и времени их отверждения;
• выполнять требования в отно‑ шении транспортировки, хранения и укладки матов; • обеспечивать правильную под‑ готовку места укладки матов, кото‑ рое должно быть ровным, жестким, чистым и сухим; • соблюдать меры противопожар‑ ной безопасности; • не допускать наезда рабочих ма‑ шин на раскатанные маты, подго‑ товленные к укладке; • учитывать погодные условия при выборе времени укладки под‑ балластных матов. Соблюдение этих правил обес‑ печивает длительный срок их эксплуатации.
Шпалы с изолированной подошвой DB начали применять такие шпалы в 1990‑е годы, а в 2000‑х го‑ дах значительно расширили их при‑ менение. Таким образом, в данной
Подбалластные маты Подбалластные маты применя‑ ются с 1970‑х годов в первую оче‑ редь в качестве защиты от вибрации, а также с целью снижения уровня механического и сопутствующего воздушного шума (табл. 2). Подбалластные маты приме‑ нялись сначала в тоннелях, потом также на мостах и в лотковых кон‑ струкциях. Решающим фактором в пользу их использования являются
Рис. 1. Укладка подбалластных матов (фото: Getzner)
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2015, № 2 71
БЕССТЫКОВОЙ ПУТЬ
Шпалы с изолированной подо‑ швой также могут применяться в зоне земляных сооружений с жест‑ ким нижним строением с целью снижения нагрузки на щебень и противодействия образованию пу‑ стот под шпалами. Компенсация малой толщины щебеночного балластного слоя
Рис. 2. Шпалы с изолированной подошвой компании Getzner (фото: Getzner)
области уже накоплен доволь‑ но большой опыт. За счет упруго‑ го покрытия подошвы устраняется жесткий контакт между бетонной шпалой и щебнем, и шпала относи‑ тельно мягко прижимается к щеб‑ ню. Эффективная площадь контак‑ та между шпалой и щебнем увели‑ чивается. В результате: • нагрузка на щебень уменьшает‑ ся и становится более равномерной; • переходные зоны становятся бо‑ лее однородными; • о беспечивается возможность уменьшения толщины щебеночно‑ го балластного слоя; • снижается волнообразный из‑ нос рельсов, вызываемый про‑ скальзываниями колес; • уменьшаются нагрузки на ниж‑ нее строение пути; • понижается уровень вибрации. Снижение нагрузки на щебень При высокой скорости движе‑ ния поездов неоднородность харак‑ теристик нижнего и верхнего строе‑ ния пути приводит к значительному увеличению затрат на восстанови‑ тельные работы. В зоне строитель‑ ных сооружений и в переходных зонах шпалы с изолированной
подошвой особенно эффективны. Уже в течение многих лет при ско‑ рости движения 160 км/ч в зоне мо‑ стов, тоннелей, лотков и водопро‑ пускных сооружений устанавлива‑ ются шпалы с изолированными по‑ дошвами для компенсации высоких динамических нагрузок (рис. 2). Неоднородность условий в верх‑ нем строении пути отмечается осо‑ бенно на стрелочных переводах и при разгонке стыков рельсов. Так, в зо‑ не остряков и крестовин рельсы и ще‑ бень местами подвергаются воздей‑ ствию высоких динамических нагру‑ зок. В связи с этим можно ожидать, что расширение использования шпал с изолированной подошвой в зоне стрелочных переводов даст дополни‑ тельные положительные результаты: • противодействие образованию «висячих шпал»; • с нижение динамических на‑ грузок на устройства СЦБ (при‑ воды стрелочных переводов, кон‑ трольные приборы, замыкающие устройства); • повышение качества и устойчи‑ вости положения пути; • снижение объема подбивочных и выправочных работ; • повышение плавности хода по‑ ездов.
Реконструкция пути с заменой стальных или деревянных шпал на бетонные приводит к уменьшению толщины щебеночного балластного слоя, которая затем может коррек‑ тироваться путем устранения пере‑ падов. Однако в зоне строительных сооружений, пассажирских плат‑ форм и других препятствий воз‑ можности такого устранения пере‑ падов ограниченны. Если требуемая толщина щебеночного балластного слоя не достигается, она может ком‑ пенсироваться за счет изоляции на подошве шпалы. В любом случае должна соблюдаться минимальная толщина щебеночного балластно‑ го слоя 20 см, необходимая для бес‑ препятственного проведения работ по подбивке шпал и выправке пути. Снижение волнообразного износа рельсов В кривых малого радиуса в ре‑ зультате процессов сцепления и про‑ скальзывания колес на поверхности катания рельса возникают периоди‑ ческие неровности — так называемый волновой износ рельсов, из‑за кото‑ рого компоненты верхнего строения пути подвергаются повышенным ди‑ намическим нагрузкам. За счет ис‑ пользования бетонных шпал с изо‑ лированной подошвой повышается упругость пути, уменьшается волно‑ образный износ рельсов и снижают‑ ся нагрузки на компоненты верхне‑ го строения пути. В кривых радиусом менее 500 м и при нагрузках более 10 тыс. т/сут для снижения волнооб‑ разного износа рельсов применяются шпалы с изолированной подошвой.
72 ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2015, № 2
БЕССТЫКОВОЙ ПУТЬ
Начало внедрению таких шпал было положено в 2004 г. на пилот‑ ном участке в кривых радиусом око‑ ло 300 м и с большими уклонами. Это дало следующие результаты: • снижение волнообразного изно‑ са рельсов примерно в 3 раза; • удлинение интервалов шлифо‑ вания на участке, где уложены шпа‑ лы с изолированной подошвой; • снижение интенсивности обра‑ зования пустот под шпалами; • увеличение срока службы ком‑ понентов. Снижение нагрузок на нижнее строение пути В сложных эксплуатационных ситуациях для нижнего строения пути могут потребоваться связан‑
ная с большими затратами замена грунта, восстановление земляно‑ го полотна или укладка защитного слоя. Расходы можно уменьшить за счет укладки шпал с изолированной подошвой. Так, уже в 2002 г. за счет установки таких шпал удалось из‑ бежать замены песчаного балласта, чувствительного к вибрациям. По‑ ложение пути на этом участке оце‑ нивается как стабильное. Для ис‑ пользования шпал с изолирован‑ ной подошвой необходимо выпол‑ нение следующих условий: • обеспечение соответствующего отвода воды; • нечувствительный к воде и за‑ морозкам материал земляного по‑ лотна; • д остаточно высокая несущая способность земляного полотна.
Снижение уровня шума При новом строительстве или реконструкции пути необходимо предпринимать соответствующие меры по снижению уровня излу‑ чаемого шума. Укладка шпал с изолированной подошвой может быть разрешена только после соответствующего ис‑ следования. В качестве примера эф‑ фективной защиты от шума можно назвать применение шпал с мягкой изоляцией подошвы на стальных мостах для снижения уровня шума вблизи сооружения и под ним.
A. Beck, U. Kleinert. Eisenbahningenieur, 2014, № 7, S. 6 – 10; материалы компании DB Netz (www.deutschebahn.com).
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2015, № 2 73