ВЕРХНЕЕ СТРОЕНИЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ В ТОННЕЛЕ
RAILWAY TRACK SUPERSTRUCTURE IN TUNNEL

Изобретение относится к верхнему строению железнодорожного пути и предназначено для применения в тоннелях кругового очертания с железобетонной обделкой, в том числе, при возведении тоннелей метрополитенов и железнодорожных тоннелей.
Из уровня техники известно множество решений виброизоляции железнодорожного пути по методу «виброизоляции в источнике», т.е. снижения уровня вибрации непосредственно в тоннеле за счет существенного снижения вибрации, генерируемой на тоннельной обделке, что в итоге обеспечивает соблюдение требований санитарных норм по уровням вибрации и переизлучаемого структурного шума в жилых и общественных зданиях, расположенных вблизи линий метрополитена.
Из RU 2535806 С2, Е01В 3/40, опубликовано 20.12.2014, известнаконструкция верхнего строения пути метрополитена Бикбау, состоящая в том, что подрельсовое основание, состоящее из последовательно размещенных железобетонных плит, стянутых в единые пакеты стальными канатами, установлено на виброизолирующее основание, состоящее из автомобильных шин. Шины установлены на гидроизолированное основание тоннеля.
Недостатком данного изобретения является использование автомобильных шин в качестве виброизолирующего материала, что приводит к усложнению технологии обслуживания тоннеля, необходимости периодических проверок состояния шин и их периодической подкачки. Также усложняет обслуживание тоннеля наличие стальных канатов, натяжение которых необходимо проверять и регулировать.
Из ЕР 3121333 A1, Е01В 19/00, опубликовано 25.01.2017, известна конструкция верхнего строения пути, состоящая в том, что плиту опирают на виброизолирующее основание, состоящее из металлических или эластомерных упругих элементов и демпфирующих матов, расположенных между упругими элементами. Боковой зазор между опорной плитой и плитой, на которой расположен железнодорожный путь, заполняют эластичными матами.
Недостатком данной конструкции является недостаточная эффективность гашения поперечных колебаний путевой плиты, так как демпфирующие элементы, гасящие поперечную вибрацию плиты, и упругие несущие маты, на которые установлена опорная плита, имеют одинаковую жесткость. В связи с этим нельзя обеспечить эффективное гашение поперечных колебаний плиты, так как жесткость поперечных матов избыточна. Кроме того, в рассматриваемой конструкции невозможно обеспечить эффективный и простой отвод грунтовых вод с путевой плиты.
Задачей настоящего изобретения является упрощение технологии монтажа и обслуживания верхнего строения пути.
Техническим результатом от применения настоящего изобретения является:
снижение структурного шума и вибрации;
обеспечение стабильности характеристик виброизоляции на всем протяжении срока эксплуатации пути при отсутствии необходимости периодического обслуживания виброизолирующего материала;
повышение технологичности строительно-монтажных работ;
повышение технологичности обслуживания и текущего ремонта ВСП и других элементов инфраструктуры метрополитена в ночные окна без остановки движения на участке пути;
повышение эффективности отвода грунтовых вод;
соблюдение габаритов и размещение в тоннеле необходимых элементов инфраструктуры.
Сущность изобретения состоит в том, что массивная монолитная армированная железобетонная плита опирается на жесткое основание тоннеля, распределяющее контактные давления по поверхности тоннельной обделки, посредством двух групп упругих элементов - несущих эластомерных матов и боковых эластомерных матов-заполнителей. Динамические параметры матов назначают исходя из требуемой эффективности виброизоляции по требуемому направлению для каждого конкретного участка пути. При этом жесткость несущих матов должна быть выше жесткости матов, используемых для заполнения зазоров между плитой и обделкой.
Подбор жесткостных характеристик матов осуществляют таким образом, чтобы линейный участок зависимости динамического модуля упругости от давления для данного мата был пройден за счет собственного веса плиты и рельсового пути. Таким образом, обеспечивается нелинейность динамических характеристик мата.
За счет нелинейной работы материала и отсутствия эффекта резкого повышения жесткости при ограничении поперечных деформаций (такой эффект проявляется у резиновых упругих элементов) достигается эффективность виброзащиты как при следовании малогруженых поездов (например, в ночное время когда ограничения шума и вибраций наиболее жесткие), так и при максимально загруженном составе, следующем в дневное время суток.
Геометрические параметры пути выдерживают за счет непосредственного крепления рельсов к монолитной плите при помощи промежуточных рельсовых скреплений, имеющих упругие резиновые прокладки. При этом рельсовые скрепления имеют возможность регулирования как ширины колеи, так и положения рельса по вертикали. Упругая рельсовая прокладка способствует снижению жесткости пути и повышению сроков службы рельса.
Обеспечение работоспособности системы виброизоляции даже при наличии в тоннеле воды осуществляется за счет применения эластомерных материалов с замкнутыми порами.
Резиновые и эластомерные материалы имеют нелинейную зависимость между нагрузкой и деформацией, что приводит к повышению их жесткости с увеличением нагрузки. В эластомерных упругих прокладках достигается высокое соотношение между динамической и статической жесткостью, которое достигает 1,3. Высокая статическая жесткость упругих прокладок отвечает за малые деформации пути под нагрузкой, в то время как малая динамическая жесткость приводит к снижению частоты свободных колебаний системы и повышению эффективности снижения вибраций.
Динамические характеристики пути в первую очередь определяются свойствами упругого материала. Для эффективного применения материала в конструкции пути должны быть выполнены следующие требования:
материал должен обеспечивать необходимую жесткость и эффективное демпфирование на частотах и амплитудах, близких к внешнему вибрационному воздействию;
динамические характеристики материала не должны сильно меняться во время эксплуатации пути (50-100 лет). Поэтому материал должен обладать достаточной усталостной прочностью с высокими характеристиками релаксации и длительной деформацией под осадкой;
материал должен сохранять работоспособность под действием воды, агрессивной среды (щелочи, кислоты, смазочные масла и жиры).
Кроме того, упругие опорные маты, применяемые в конструкции верхнего строения пути, прощают большое количество ошибок, которые могут возникнуть во время монтажа за счет простоты технологии сооружения пути.
Изобретение также поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена общая схема верхнего строения пути в тоннеле, на фиг. 2 приведен укрупненный узел пути, в соответствии с изобретением, на фиг. 3 представлены результаты испытаний эластомерных матов, на фиг. 4 приведена зависимость модуля упругости эластомерных матов от нагрузки.
Массивная монолитная армированная железобетонная плита 5 (фиг. 1, 2) опирается на жесткое основание тоннеля 1, распределяющее контактные давления по поверхности тоннельной обделки 10, посредством двух групп упругих элементов - несущих эластомерных матов 2 и боковых эластомерных матов-заполнителей 3. Динамические параметры матов 2 и 3 назначают исходя из требуемой эффективности виброизоляции по требуемому направлению для каждого конкретного участка пути. Геометрические параметры пути выдерживают за счет непосредственного крепления рельсов 7 к монолитной плите 5 при помощи промежуточных рельсовых скреплений 6, имеющих упругие резиновые прокладки. При этом рельсовые скрепления имеют возможность регулировки как ширины колеи, так и положения рельса по вертикали. Упругая рельсовая прокладка способствует снижению жесткости пути и повышению сроков службы рельса.
Во избежание попадания посторонних предметов в виброразрыв между плитой 5 и основанием 1 и тоннельной обделкой 10 и снижения из-за этого эффективности системы, виброразрыв непрерывно заполняют эластомерными упругими матами 3, а шов между боковой гранью плиты и тоннельной обделкой закрывают защитным козырьком 4. При этом возможно как сплошное опирание монолитной плиты 5 на несущую группу матов 2, так и ленточное или точечное, при условии заполнения промежутков эластомерными матами на порядок меньшей жесткости.
Удаление воды с поверхности плиты осуществляется самотеком от боковых участков плиты к центральному лотку 8, откуда вода переливается в нижний водоотливной лоток 9 посредством ревизионных отверстий, выполненных в монолитной плите с шагом не более 10 м. Вода с тоннельной обделки перетекает со свода либо в виброразрыв, откуда стекает в нижний водоотводящий лоток 9, либо по поверхности монолитной плиты в дренажные лотки 8, сообщающиеся с центральным лотком 9.Гидроизоляцию основания 1 осуществляют до укладки упругих матов 2, 3. В качестве гидроизолирующего основания можно использовать рулонную гидроизоляцию, либо специальные смеси, например, StarmexSealFlex.
В качестве упругих матов могут быть применены материалы Sylomer и Sylodyn. В процессе испытаний по оценке стойкости к старению, проведенных в соответствии с ГОСТ, были проверены динамический и статический модуль упругости через 50 условных лет эксплуатации. Испытания показали, что данные материалы сохраняют эксплуатационные свойства при старении под воздействием статических нагрузок и влажности в течение не менее 50 лет. Производитель гарантирует сохранение стабильных динамических характеристик материала в температурном диапазоне от минут 30 до плюс 70°С.
При расчете эффективности виброизоляции, а также при учете снижения характеристик виброизолятора со временем предполагается, что линейные опоры будут находиться в воде (наихудший случай). Для учета снижения эксплуатационных характеристик эластомеров проводятся специальные испытания в лабораторных условиях. На фиг. 3 представлены результаты лабораторных испытаний образцов Sylodyn при его эксплуатации в сухом состоянии (Specimendry), увлажненном состоянии (Specimenwet) и погруженным в воду (Specimenwetsoakedinwater). Из приведенного графика видно, что динамические характеристики материала остаются в достаточной мере стабильными во всех трех случаях.
Испытания, проведенные производителем материала, подтверждают высокую степень стойкости материалов Sylomern Sylodyn к основным агрессивным средам, присутствующим в тоннеле метрополитена (таким как масла, жиры, кислоты, щелочи).
Изменение динамических характеристик материала под воздействием длительных нагрузок приводит к существенному непрогнозируемому изменению виброзащитных свойств конструкции. В связи с этим производителем эластомерных материалов осуществляется поверочный расчет применяемых в конструкции ВСП материалов и дополнительная модификация конечного продукта таким образом, чтобы под максимальной эксплуатационной нагрузкой собственная частота системы не изменялась во всем заявленном сроке эксплуатации. По информации от производителя, данное условие выполняется в отношении материалов Sylomera Sylodyn.
Описанная форма исполнения верхнего строения пути наиболее эффективна в тоннелях диаметром 5900-6060 мм с железобетонной обделкой, однако может применяться и в тоннелях другого диаметра. Снижение уровня вибрации в тоннеле достигает 25дБ в октавной полосе со среднегеометрической частотой 31,5 Гц.