Лекция на тему «Основы реконструкции железных дорог» План лекции:

Лекция на тему «Основы реконструкции железных дорог»
План лекции:
1. Общие положения. Нормы и требования проектирования
дополнительных главных путей и реконструкции трассы существующих.
2. Проектирование реконструкции продольного профиля
3. Проектирование реконструкции плана существующей железной дороги и
дополнительных путей.
1. Общие положения
Целями
являются
реконструкции
эксплуатируемых
железных
улучшение их эксплуатационных показателей
мощности линий при растущих размерах
дорог
и увеличение
перевозок. К эксплуатационным
показателям относятся повышение скоростей движения поездов, сокращение
оборота локомотивов и вагонов, сокращение времени доставки грузов и
пассажиров, снижение себестоимости перевозок.
Задачами реконструкции железных дорог являются доведение параметров
линии до проектных, проектирование дополнительных главных путей,
удлинение приёмо-отправочных путей.
Элементы плана и продольного профиля, их сочетание, в увязке с
инженерно-геологическими условиями являются важным аспектом надежности
пути и уровня возможной провозной способности существующей железной
дороги.
1
При проектировании реконструкции применяют те же нормы, что и для
новой линии.
Однако СТН Ц-01-95 [1] допускает применять при реконструкции более
льготные нормы проектирования. И только в обоснованных случаях в целях
сохранения постоянных устройств допускается применение предусмотренных
строительными нормами льготных норм, при условии существенной экономии
строительных
затрат
и
соблюдения
требований
безопасности
и
бесперебойности движения поездов.
Как правило, такие льготные нормы позволяют допускать совпадения
сопрягающих в вертикальной плоскости кривых с переходными, уменьшать
величину радиуса вертикальной кривой и т.д. Подобные льготы не
распространяются на величину алгебраической разности уклонов профиля, так
как от нее во многом зависит безопасность движения поездов.
2. Проектирование реконструкции продольного профиля
Продольный профиль существующей железнодорожной линии в процессе
реконструкции должен быть приведен в соответствие с требованиями СТН Ц01-95 «Железные дороги колеи 1520 мм» [1] в части разности сопрягаемых
уклонов (  i ) и длин элементов продольного профиля.
Проектирование реконструкции продольного профиля представляет
сложную комплексную задачу, при решении которой необходимо:
А) находить такие решения, которые бы обеспечили производство работ
без перерыва в движении поездов или с минимальными помехами движению;
- увязывать реконструкцию
продольного профиля с поперечными
профилями земляного полотна;
2
- учитывать проектные решения по реконструкции искусственных
сооружений;
- не допускать изменения отметок на существующих мостах с
безбалластной проезжей частью.
Проектирование
реконструкции
продольного
профиля
имеет
ряд
особенностей:
А) проектирование ведется по головке рельса, а не по бровке земляного
полотна, которая в процессе эксплуатации может быть нарушена или
засыпана балластом;
Б) проектирование ведется по утрированному продольному профилю,
вертикальный масштаб которого увеличен до 1:100, а горизонтальный 1:10000
соответствует масштабу нормального профиля. Такой крупный вертикальный
масштаб позволяет точнее контролировать положение проектной линии.
В) проектирование ведется по уровню расчетной головки рельса (РГР)
для обеспечения минимального объема выправочных работ.
Кроме того, реконструкция железнодорожной линии может совмещаться
с переустройством ее на более мощное верхнее строение пути, что приводит в
ряде случаев к значительным изменениям отметок существующей головки
рельса (СГР).
При этом, подъемка СГР может быть осуществлена за счет увеличения
толщины балласта под шпалой, за счет изменения высоты рельсошпальной
решетки, а также, за счет подъемки земляного полотна.
Опускание СГР может осуществляться за счет срезки балласта (при
избыточной толщине) и за счет подрезки основной площадки земляного
полотна.
Следует помнить, что исправление продольного профиля за счет
подъемки или подрезки земляного полотна приводит к потере существующего
балласта.
3
Исходными данными для проектирования реконструкции продольного
профиля
существующих
железнодорожных
линий
являются
полевые
измерения, в результате которых определяются:
- отметки существующей головки рельса (СГР) на каждом пикете и
характерных точках – по данным продольного нивелирования;
- толщина балласта под шпалой – измеряется посредством отрывки
шурфов, которые роют по оси пути до контакта с основной площадкой
земляного полотна;
- отметки низа балластного слоя (НБС) – определяется расчетом;
- отметки земли, (ОЗ) которые фиксируются по оси пути в результате
съемки поперечных профилей земляного полотна.
Все выше перечисленные отметки отражены на рис.1.
Рис. 1. Поперечный профиль земляного полотна
Определению расчетной головки рельса должны предшествовать
расчеты по определению категории железной дороги, на которую переводится
существующий путь по размерам перевозок десятого года эксплуатации. По
категории железной дороги может быть принято решение о перспективном
типе верхнего строения пути.
Полная характеристика верхнего строения пути приведена в СТН Ц-01-95
«Железные дороги колеи 1520 мм» [1].
Для того чтобы привести существующий продольный профиль в
необходимое
проектное
положение,
4
отметки существующей
головки
рельса (СГР) должны быть в соответствующих точках подняты или опущены.
Это достигается изменением толщины балласта или в редких случаях отметки
основной площадки земляного полотна. Каждое изменение отметки СГР
должно сопровождаться реконструкцией поперечного профиля.
Существует вторая причина, по которой отметка СГР должна быть
изменена. Как правило, при реконструкции вводится новое, более мощное
верхнее строение пути, отличающееся от существующего большей высотой:
hпр= hщ+hпод+hшп+hp ,
где hщ- толщина слоя щебня под шпалой;
hпод – толщина песчаной подушки;
hшп- высота шпалы;
hp- высота рельса с подкладкой.
Таким образом, даже если где-то не требуется исправление продольного
профиля, после перехода на новое верхнее строение пути отметки проектной
головки рельса (ПГР) располагаются выше СГР на величину разности высоты
проектного и существующего верхнего строения пути.
Для удобства выбора проектного положения головки рельса (ПГР)
используют условную, так называемую расчётную головку рельса (РГР).
Отметка РГР в разных ситуациях может устанавливаться либо относительно
СГР, либо относительно низа балластного слоя (НБС).
Отметка
НБС
определяется
как НБС=СГР-hс ,
где hс-
высота
существующего верхнего строения пути.
При определении отметок РГР возможны следующие расчётные случаи:
1. Линия переводится с песчано-гравийного балласта на щебеночный

Если толщина существующего песчаного балласта недостаточна
для использования его в качестве песчаной подушки под щебень
5
или его состояние (загрязнённость) не годится для использования
в этих целях. В таких условиях РГР=НБС+hпр .

Если
существующий
использоваться
в
песчано-гравийный
качестве
м), РГР=НБС+hщ+hшп+hр ,
песчаной
балласт
(hсб0,20
подушки
где hшп-
разница
может
в
высоте
проектной и существующей шпалы, hр- то же для проектного и
существующего
рельса
с
подкладкой.
Если
толщина
существующего балласта велика, отсыпка поверх него щебня
делает толщину балластной призмы избыточной, не позволяет
разместить балластную призму в пределах основной площадки с
сохранением установленной минимальной ширины обочин. В
такой ситуации следует срезать верхний, наиболее загрязнённый
слой балласта на величину hсб, обеспечивающую остающийся
песка hсб0.20
слой
,
тогда
РГР=СГР+hщ-hсб+hшп+hр .
2. В случае, когда реконструируемая линия имеет щебеночный балласт,
отметка РГР отсчитывается относительно отметки СГР.

При
недостаточной
толщине
щебеночного
балласта
и
удовлетворительном его состоянии РГР=СГР+-hщ+hшп+hр ,
где hщ – добавляемый слой щебня.

Если
толщина
щебня
достаточна
и
балласт
чистый,
то РГР=СГР+hшп+hр .

Если существующий щебеночный балласт сильно загрязнён и не
может использоваться, то РГР=НБС+hпр .
3. В тех случаях, когда тип верхнего строения при реконструкции не будет
меняться, РГР=СГР.
Вычисленные отметки РГР являются нижней границей диапазона
подбора положения проектной линии при проектировании реконструкции
продольного профиля. Это ограничение ПГРРГР позволяет избежать срезок
6
земляного полотна при реконструкции дороги. Срезки нежелательны из-за
высокой стоимости этих работ и технологической сложности их на
действующей железной дороге.
Существует другое ограничение, накладываемое на величину ПГР сверху.
Изменение отметок головки рельса при реконструкции профиля не должно
приводить к избыточной толщине балласта, поскольку увеличение толщины
балластного слоя сопровождается увеличением ширины балластной призмы.
Ширина балластной призмы может увеличиваться только до определённого
предела, пока обеспечивается минимальная допускаемая ширина обочин
земляного полотна, составляющая по современным нормам 0.5 м с каждой
стороны. Поэтому при проектировании профиля отметки ПГР не должны
превышать отметок верхней границы РГРmax , чтобы не нарушить требований
норм, предъявляемых к ширине обочин. В случае, если ПГР окажется выше
РГРmax ,
возникает
необходимость
в
уширении
основной
площадки
существующего земляного полотна за счёт боковых присыпок грунта на
откосах, трудоёмко и технологически сложно. Отметки РГРmax определяются
так:
Рис. 2. Схема определения отметки РГРmax
7
Для того, чтобы избежать нежелательных работ - срезок или уширения
основной площадки, необходимо проектную линию располагать так, чтобы
выдерживалось условие РГР<ПГР<РГРmax . Иначе при реконструкции профиля
потребуются подрезки или подъёмки.
Подъёмкой называется изменение положения СГР за счёт увеличения
толщины балласта или повышения отметки основной площадки. Величина
подъёмки определяется h=ПГР-СГР.
Подрезкой называется изменение положения СГР за счёт уменьшения
толщины существующего балластного слоя или срезки основной площадки.
Величина срезки находится hср=РГР-ПГР.
При проектировании продольного профиля необходимо стремиться к
тому, чтобы подъёмки на соседних пикетах не отличались резко между собой,
чтобы не затруднять механизированное выполнение этих работ.
Следует избегать подрезок, особенно срезку основной площадки
земляного полотна. Она допускается только в исключительных случаях - на
подходах к средним и большим мостам, путепроводам и тоннелям, при
проектировании мероприятий по оздоровлению земляного полотна. На
неэлектрифицированных дорогах следует отдавать предпочтение подъёмкам за
счёт увеличения толщины балласта.
В местах сопряжения смежных элементов профиля устраиваются
вертикальные кривые. От величины радиуса вертикальной кривой Rв зависят
вертикальные
ускорения,
которые
оказывают
неблагоприятное
физиологическое воздействие на пассажиров.
В трудных условиях на реконструируемых дорогах и при строительстве
вторых главных путей нормы допускают некоторое уменьшение Rв.
Для уменьшения объёма работ по исправлению продольного профиля, его
следовало бы проектировать короткими элементами различной крутизны
соответственно очертаниям линий РГР и РГРmax . Однако при этом нарушается
плавность
движения
-
возникают
8
продольные
ускорения. Поэтому
строительные нормы ограничивают минимальную длину элементов профиля
значением 200-250-300 м в зависимости от категории дороги и полезной длины
приёмо-отправочных путей.
Раздел 3. Проектирование реконструкции плана существующей железной
дороги и дополнительных путей
Одним из наиболее важных и сложных вопросов при реконструкции
железных дорог является проектирование плана линии.
Причины возникновения необходимости реконструкции плана:
1.
Потеря железнодорожным путём первоначального правильного
геометрического очертания в плане под воздействием ряда факторов
(проходящих поездов, выпадения атмосферных осадков, изменений
температуры и др.), что требует выправки сбитого пути путём рихтовок.
2.
План давно построенной дороги может не соответствовать
требованиям современных норм, поэтому возникает задача увеличения радиуса
круговых кривых, удлинения переходных кривых и прямых вставок между
смежными кривыми.
3.
Реконструкция продольного и поперечных профилей может вызвать
необходимость смещения существующего пути в плане, что потребует его
реконструкцию.
4.
При строительстве второго главного пути возможны случаи
переключения сторонности второго пути относительно существующего, что
связано с решением соответствующей задачи по проектирования плана.
Работы по проектированию реконструкции плана железных дорог
выполняются в определённой последовательности, включающей несколько
этапов:
9
1.Выполняется
полевая
съёмка
плана,
полученные
данные
обрабатываются, на их основе вычисляются величины сдвигов в поперечном
направлении, которые необходимы для приведения плана существующего
сбитого пути в правильное геометрическое очертание, при этом расчёт сдвигов
ведётся совместно с подбором параметров выправленного плана, которые
должны обеспечивать наименьшие величины рихтовок существующего пути.
2.Относительно выправленного плана существующего пути решаются
задачи реконструкции плана существующего пути (увеличение радиусов
кривых, длин переходных кривых и т.п.), в результате вычисляются величины
сдвигов, обеспечивающих соответствие параметров проектного плана
требованиям современных норм.
3.Определяются параметры плана второго пути и величины
междупутий.
3.1 Расчёт схода на прямом участке пути
Смещение оси пути на прямом участке (сход) достигается устройством
двух обратных кривых радиусами R1 и R2 с прямой вставкой между ними.
Основные причины, по которым необходимо устраивать сход − смещение
оси одного из путей с изменением величины междупутья следующие:
увеличение междупутья на станциях, необходимость обхода «островной»
посадочной
платформы,
проектировании
второго
либо
других
капитальных
пути,
выход
на
сооружений
искусственное
при
сооружение,
устраиваемое на раздельном междупутье (мост, виадук, тоннель),
Следует отметить, что задача расчета схода может возникнуть и при
проектировании реконструкции плана однопутной линии, например для обхода
участка, неблагоприятного в инженерно-геологическом отношении (обход
бугра пучения, обход наледи и т.п.), а также как временная сдвижка пути с
10
проектной оси на период строительства или реконструкции искусственных
сооружений (защитной галереи, подпорной стенки, моста, трубы и т.п.).
Возможны следующие случаи:
Рис. 3. Схемы к расчёту схода на прямом участке пути
Исходными данными для решения задачи схода являются (приведены в
задании на проектирование):
- пикетажная привязка начала смещения (ПК начала круговой кривой);
- междупутье меняется от nнач до nкон.
- второй путь проектируется слева (справа) от существующего.
Решение задачи осуществляется в следующей последовательности:
1)
Определение параметров проектируемых кривых с проверками
возможности устройства переходных кривых и достаточности длины прямой
вставки;
2)
Определение неправильного пикета и пикетажа характерных точек;
3)
Определение междупутных расстояний M i .
Определение параметров проектируемых кривых
Принимаем R1 = R2 = 4000м и длину переходной кривой l = от 20 до 40м.
Минимальная длина прямой вставки определяется по формуле
bmin =
l1  l2
 bнорм ,
2
(3.1)
11
где bнорм - прямая вставка по СНиП, bнорм =150м.
Для определения угла поворота кривой рассмотрим треугольник АВС
(рис….):
катет ВС – заданное смещение у = /nнач - nкон/, гипотенуза АС = 2Т + bнорм ,
Т = Rtg

- тангенс проектной кривой,
2
 b  b2 min  (4 R  y) y

= min
,
(3.2)
2
4R  y

и тогда   arctg , с точностью до минут и округляем в меньшую сторону.
2
tg
Далее определяем длину кривой
L1=L2 =R*  рад.
Проверка возможности устройства переходных кривых:
l
2
L1=L2 ≥ 1  20 
(3.3)
l2
, где 20м – минимальная длина круговой кривой. Если
2
условие не выполняется, то нужно увеличить радиус или уменьшить длину
переходной кривой, если это возможно, и повторить расчёт.

2
Тангенс кривой Т1 =Т2 = Rtg .
(3.4)
Фактическая прямая вставка
b=
у
 2T .
sin 
(3.5)
Проверка достаточности длины прямой вставки: b ≥ bmin .
Действительная длина схода
L=2L1 +b.
(3.6)
Определение проекций L1,2 , L и b на ось существующего пути
Проекция длины кривой:
L'1＝ L '2 ＝T(1+Cos)  .
Проекция длины всего схода:
(3.7)
y
Cos  2T
Sin 
(3.8)
'
L =
Проекция прямой вставки:
b ' =bCos 
(3.9)
Определение неправильного пикета и пикетажа характерных точек
12
Для сохранения существующего пикетажа по проектируемому пути
необходимо ввести неправильный пикет 100 ± ∆L.
∆L = L – L '
(3.10)
Определение пикетажа характерных точек
НПК11 (начало первой переходной кривой круговой кривой первого пути)
- по заданию.
НКК 1' ПК….+….
+
L 1'
…..
---------------------------'
ККК 1 ПК….+….
+
b'
…..
-------------------------'
НКК 2 ПК….+….
+
L '2
…..
-------------------ККК
'
2
ПК….+….
По вычисленным привязкам нанести обратные кривые на план второго
пути.
Определение междупутных расстояний M i
Междупутные расстояния можно определить с использованием метода
угловых диаграмм. Угловая диаграмма - эта зависимость угла поворота от
длины кривой (см. рис…). По этому методу сдвиг ni в некоторой точке
определяется как разность площадей углограмм от начала кривой до этой
точки:
ni =  сущ   пр ,
(3.11)
13
где  сущ
- площадь углограммы существующего пути (т.к. сход
устраивается на прямом участке и потому  сущ =0);
 пр - площадь углограммы проектного пути.
M i = n н + ni = n н
+ ( сущ   пр ) =
n н   пр ,
(3.12)
где n н - начальное междупутье, значение его принимается по заданию.
Эта формула справедлива для случая б) и г), приведённого на рис.4.; а для
случая а) и в):
(3.13)
M i = n н - ni = n н - (  сущ   пр ) = n н   пр .
На рис.5 приведен пример построения углограммы.
Рис. 4. Расчёт схода на прямой
В зависимости от того, где находится рассматриваемая точка, смещения ni
определяются по формулам:
а) в пределах первой круговой кривой (от НКК 1' до ККК 1' ) – сечение I-I:
M i = nн
-
xi2 * qпр ,
(2.14)
б) в пределах прямой вставки (от ККК до НКК ) – сечение II-II:
M i = n н - L12 * qпр - ( xi  L1' )*  ф ,
(3.15)
'
1
14
'
2
в) в пределах второй круговой кривой (от НКК '2 до ККК '2 ) – сечение IIIIII:
M i = nн
- 2 L12 * qпр - b*  ф + ( L'  xi )2* q пр ,
(3.16)
г) проверочное сечение IV-IV:
(3.17)
M i = n н - 2 L12 * qпр - b*  ф = nкон.
Междупутные расстояния нужно определять на всех «двадцатках» после
начала круговой кривой. Расчёт сдвигов ведётся в табличной форме.
Таблица 9
Расчёт междупутных расстояний
То
чки
Н
'
КК 1
ПК…+
…
234+23
234+40
234+60
234+80
КК
234+93
''
.5
К1
235+00
235+20
xi
Формула определения
ni
0
ni
Mi
0
4.1
2
i
M i = n н - x * qпр
17
37
57
70.5
77
97
M i = n н - L12 * qпр -
- ( xi  L1' )*  ф
Н
КК
'
2
M i = n н - 2 L12 * qпр -
-b*  ф + ( L'  xi )2* q пр
КК
К
nкон
'
2
15
3.2 Проектирование плана вторых путей. Влияние междупутного расстояния
на элементы плана пристраиваемого второго пути
Обычно второй путь располагается на общем с существующим путём
земляном полотне. На прямых участках ось второго пути располагается
параллельно существующему на расстоянии нормального междупутья М=4,10
м; на кривых участках оси существующего и проектируемого второго пути
располагаются концентрично, т.е. имеют общий центр. Таким образом, радиусы
первого и второго путей различаются на величину междупутья: R п=Rc-M.
Поскольку величины радиусов кривых на существующем и втором пути
различны, длины кривых также будут отличаться. Для того, чтобы начало и
конец кривой на первом и втором пути имели одинаковые пикетные значения,
необходимо ввести неправильный пикет в кривой второго пути. Неправильный
пикет будет отличаться от нормального на величину L=M рад . Поправка
отрицательна, когда второй путь в кривой располагается внутри, и
положительна, когда он располагается снаружи существующего пути.
В кривых участках пути радиусом менее 4000 м расстояния между осями
первого и вновь устраиваемого второго пути следует увеличивать в
соответствии с Инструкцией по применению габаритов приближения строений
и подвижного состава. Увеличение междупутного расстояния в кривых
необходимо потому, что концы вагонов и локомотивов выступают наружу
кривой значительно больше, чем в прямом участке, а середина вагона,
наоборот, смещается внутрь кривой. Кроме того, благодаря возвышению
16
наружного рельса подвижной состав наклоняется к центру кривой, что также
должно учитываться при назначении величин междупутий.
Как известно, при устройстве переходной кривой круговая кривая
смещается к центру на величину р= l2/(24R). Применив разные длины
переходных кривых на первом и втором путях, можно получить нужное
междупутное расстояние.
Переходы от нормальных расстояний между осями путей на прямых
участках путей к увеличенным на кривых при концентрическом расположении
путей следует проектировать в пределах переходных кривых, как правило, за
счёт применения на внутреннем пути переходных кривых увеличенной длины
по сравнению с их длиной, принятого для наружного пути. При этом длина
переходных кривых на каждом из путей должна быть не менее нормативной.
Длина переходных кривых на внутреннем пути подбирается так, чтобы
смещение от переходной соответствовало условию: рв= рн+ .
В трудных условиях, при коротких прямых вставках между кривыми,
уширенное междупутье допускается предусматривать общим для всего участка
по нормам для кривой с наибольшим уширением.
При проектировании плана второго пути используют такую
классификацию междупутий:
1. Нормальное междупутье- расстояние между осями первого и второго
пути на прямом участке, равное 4.1 м;
2. Контрольное междупутье (Мк)- наименьшее междупутное расстояние,
при котором обеспечивается безопасность движения по первому пути в ходе
строительства второго пути;
3. Конструктивное междупутье (Мкон)- наименьшее междупутное
расстояние, позволяющее строить искусственное сооружение на раздельном
втором пути, не создавая помех движению поездов по первому пути.
17
3.3 Комплексное проектирование реконструкции железнодорожной
линии
Проектирование продольного профиля и плана пути реконструируемой
железной дороги согласуется друг с другом и корректируется в ходе
проектирования поперечных профилей земляного полотна.

Проектируемые поперечные профили должны обеспечивать:

непрерывность и безопасность движения поездов по линии во время
выполнения строительных работ;

наиболее полное использование существующего земляного полотна
и существующих сооружений;

прочность, долговечность и нормальные условия эксплуатации
земляного полотна после реконструкции;

выполнение всех работ механизированным способом.
Проектные решения, принимаемые при проектировании второго пути, и
реконструкции однопутной железной дороги, принципиально не отличаются,
хотя случаи сохранения дороги после реконструкции однопутной сравнительно
редки.
Строительные нормы (СТН Ц 01-95) рекомендуют сооружать второй
путь по возможности на одном земляном полотне с существующим путём и
размещением основных площадок обоих путей на одних отметках, что
сокращает объёмы земляных работ, уменьшает площадь отводимых земель и
улучшает условия эксплуатации.
При реконструкции железных дорог и строительстве вторых путей
необходимо принимать комплексные решения, охватывающие одновременно
реконструкцию продольного профиля, поперечных профилей и плана линии,
реконструкцию искусственных сооружений и верхнего строения пути. Все эти
решения должны приниматься во взаимной увязке. Например, изменение
проектной отметки в какой-либо точке может повлечь за собой применение
18
такого поперечника, реализация которого может быть осуществлена только при
смещении оси пути. В свою очередь, смещение оси пути потребует
реконструкцию плана существующего пути и переустройство искусственных
сооружений.
Таким образом, поскольку продольный профиль, поперечные профили и
план линии являются взаимоувязанными элементами проектирования, их
разработка должна вестись методом последовательных приближений, путём
циклических повторов. Сначала выбирается некоторый ведущий элемент
проектирования, например продольный профиль, и для него задаётся
наилучшее проектное решение. Далее на основе найденного решения
составляется проект для других элементов проектирования- поперечных
профилей, плана линии, искусственных сооружений. Приняв наиболее
подходящее
решение
для каждого
из
перечисленных
элементов
проектирования, оценивают общий результат. Если принятое проектное
решение приводит к тому, что один из элементов проекта находится в
невыгодных условиях, например, значительно ухудшается план линии, то
целесообразно
вернуться
к
исходному
элементу
проектирования
и
пересмотреть принятое решение таким образом, чтобы оно не сказывалось
негативно на проектировании других устройств. В этом заключается
последовательное приближение к наилучшему решению.
19