СПОСОБ УКРЕПЛЕНИЯ БАЛЛАСТНОЙ ПРИЗМЫ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ
METHOD OF REINFORCING RAILWAY TRACK BALLAST SECTION

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а именно к способу укрепления балластной призмы железнодорожного пути, и может найти применение при путевых работах, связанных с укреплением балластной призмы на участках железнодорожного пути в кривых малых радиусов, на участках производства путевых работ с глубокой вырезкой балласта и на строящихся или реконструируемых участках железнодорожных магистралей.
Известен способ укрепления балластной призмы железнодорожного пути, включающий отсыпку щебня с образованием насыпи в виде призмы и введение в нее связующего, перед введением которого осуществляют внесение в верхний слой насыпи мелкозернистого материала в количестве 1,5-7,0% от веса обрабатываемого щебня (см. SU 887723 А, опубл. 07.12.1981).
Особенностью известного способа является введение в поверхностный слой щебня связующего, в качестве которого используют отходы нефтепереработки, целлюлозно-бумажной промышленности и компоненты на основе латексов. После укладки рельсо-шпальной решетки засыпают щебень с подбивкой его под решетку, затем после обкатки пути осуществляют распределение по поверхности щебеночной насыпи-призмы мелкозернистого материала с введением его, с помощью шнекового оборудования, на глубину до 7 см. Розлив связующего на поверхность щебня производится с помощью поливочного агрегата. Известный способ позволяет при повторной перекладке пути использовать значительную часть щебня, ранее уложенного в насыпь-призму.
Недостатком известного способа является то, что укрепленная указанным образом балластная призма имеет сравнительно низкие эксплуатационные характеристики и амортизирующие свойства, ее поверхностный слой обладает недостаточной удерживающей способностью от горизонтального сдвига шпал, что особенно актуально на участках движения высокоскоростных поездов, тяжеловесных и длинносоставных поездов и перспективных вагонов с нагрузками более 23,5 т/ось.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является способ укрепления балластной призмы железнодорожного пути, включающий формирование и пропитку верхнего щебеночного слоя жидким полимерным связующим. Особеннность известного способа состоит в том, что осуществляют отсыпку с балластной призмы части щебеночного слоя, формируют со стороны действующей части пути технологический откос высотой Н, в верхние слои откоса и примыкающие к нему участки балластной призмы шириной Н/2 вводят жидкое полимерное связующее и формируют каркасную структуру щебеночного слоя на глубину 7-14 см за счет склеивания зерен щебня в точках их соприкосновения, затем обработанный щебеночный слой выдерживают в условиях отсутствия капельной жидкости и вибрации в течение 1-4 час для отверждения связующего (см. патент РФ №2469145, опубл. 10.12.2012 - прототип).
3
Для известного способа укрепления поверхностной части щебеночного слоя балластной призмы целесообразно использовать щебень из плотных горных пород с номинальным размером зерен 25-60 мм, в качестве связующего - полиуретановый эластомерный материал плотностью 1,09 г/см, а для защиты обработанного щебеночного слоя от дождя на период отверждения связующего его закрывают любым водонепроницаемым укрывным материалом.
Недостатком известного способа укрепления балластной призмы железнодорожного пути является низкая удерживающая способность укрепленного с поверхности щебеночного слоя из-за возможного осыпания значительной массы нижерасположенных балластных материалов при производстве путевых работ на смежном пути с глубокой вырезкой балласта, при проведении путевых работ на участках пути в кривых при высоких температурах окружающей среды и др. Таким образом, в указанные периоды не обеспечивается поддержание требуемых эксплуатационных характеристик пути и требуемая безопасность движения поездов.
При отсутствии других дополнительных средств укрепления балластной призмы возможно снижение продольной и поперечной устойчивости эксплуатируемого участка пути под воздействием нагрузок от движения поездов и температурных сил, возникающих в рельсах в ремонтный и послеремонтный периоды. Дополнительное укрепление участков пути в кривых и технологических откосов междупутной зоны балластной призмы в указанных случаях практически осуществляют с помощью шпунта или щитовой опалубки, укрепленной с помощью стальной арматуры, заглубленной в балластную призму, что увеличивает удельные затраты на проведение указанных работ.
Техническим результатом предложенного способа укрепления балластной призмы железнодорожного пути является устранение указанных недостатков и увеличение удерживающей способности основной массы щебеночного слоя для предотвращения осыпания балластных материалов на участках пути в кривых и в технологических откосах междупутной зоны при производстве путевых работ с глубокой вырезкой балласта. Дополнительным результатом является снижение затрат на укрепление указанных участков балластной призмы при одновременном улучшении амортизирующих и эксплуатационных характеристик балластной призмы железнодорожного пути.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе укрепления балластной призмы железнодорожного пути, включающем формирование и пропитку верхнего щебеночного слоя жидким полимерным связующим с образованием каркасной структуры, согласно изобретению, в верхнем щебеночном слое балластной призмы в зоне плеча, откоса или междупутного участка на расстоянии от края рельсо-шпальной решетки формируют, по крайней мере, одну канавчатую выработку, на дно которой подают жидкое полимерное связующее, выполненное с возможностью вспенивания, затем восстанавливают профиль балластной призмы до начала вспенивания полимерного связующего и формируют внутри щебеночного слоя каркасную структуру в виде протяженного элемента жесткости балластной призмы за счет образования композита щебень - полимерное связующее, после чего обработанный участок балластной призмы выдерживают при положительной температуре в условиях отсутствия эксплуатационных нагрузок в течение 1-4 час для отверждения связующего.
2
Кроме того, для верхнего щебеночного слоя балластной призмы в зоне плеча, откоса или междупутного участка в качестве жидкого полимерного связующего можно применять полиуретановую пену, причем канавчатую выработку в щебеночном слое можно формировать на глубину 10-45 см на расстоянии 5-25 см от края рельсо-шпальной решетки в зоне укрепления балластной призмы, а расход полимерного связующего рассчитывают таким образом, чтобы площадь поперечного сечения образованной каркасной структуры композита составляла не менее 450 см.
Укрепление щебеночного слоя балластной призмы путем заливки на указанную глубину вспенивающегося полимерного связующего с формированием в щебеночном слое каркасной структуры в виде протяженного элемента жесткости за счет образования композита щебень - полимерное связующее позволяет достичь указанного технического результата по увеличению удерживающей способности щебня в технологических откосах, снижению затрат на укрепление указанных участков и обеспечению требуемых амортизирующих и эксплуатационных характеристик балластной призмы на участках движения высокоскоростных поездов, тяжеловесных и длинносоставных поездов и перспективных вагонов с нагрузками более 23,5 т/ось в ремонтный и послеремонтный периоды.
Для повышения эффективности и оптимизации предложенного способа укрепления балластной призмы железнодорожного пути целесообразно использовать в качестве связующего полиуретановую пену. Вспененный полимер застывает на воздухе и самоотверждается на зернах щебеночного слоя, образуя каркасную пористую структуру в виде композита. Полученная структура не задерживает на поверхности влагу. При этом эластичные свойства каркасной пористой структуры позволяют предохранять щебеночный слой откоса и примыкающих к нему участков балластной призмы от разрыва при различных климатических воздействиях внешней среды, а также повысить удерживающую способность слоя щебня на участках с высокоскоростным движением поездов в ремонтный и послеремонтный периоды.
2
Проведенные в МГУПС (МИИТ) эксперименты показали, что в большинстве случаев сохранение удерживающей способности щебеночного слоя достигается, если количество заливаемого в канавчатую выработку полимерного связующего после вспенивания обеспечивает формирование каркасной структуры в виде протяженного элемента жесткости с площадью поперечного сечения не менее 450 см при глубине нижней границы композита от дневной поверхности балластной призмы не менее 40 см. При этом затраты на укрепление и обеспечение требуемых характеристик эксплуатируемых участков балластной призмы в ремонтный и послеремонтный периоды достаточно малы по сравнению с иными способами их укрепления.
Использование в предложенной технологии укрепления балластной призмы вяжущих материалов, преимущественно, полимерных связующих для омоноличивания внутренней части щебеночного слоя в зонах плеча и откоса балластной призмы в кривых участках пути, особенно радиусом менее 350 м, со стороны наружной рельсовой нити, как известно, обеспечивает дополнительное увеличение величины поперечного сопротивления сдвигу бесстыкового пути. Аналогичный технический результат достигается при использовании способа для укрепления междупутной зоны балластной призмы на участках производства путевых работ с глубокой (более 0,45 м) вырезкой балласта для обеспечения безопасности пропуска поездов по смежному пути путем ликвидации условий для осыпания балластных материалов, вызывающих нарушение нормативных размеров вновь образующегося откоса балластной призмы.
Для реализации предложенного и иных подобных способов укрепления балластной призмы железнодорожного пути в МГУПС (МИИТ) разработаны требования к структуре и функционированию полимерного вспенивающегося связующего или вяжущего материала, который после нанесения его на поверхность или в щебеночный слой балластной призмы должен создать совместно с щебнем пространственную каркасную структуру в виде композита щебень - полимерное связующее. При этом композит должен иметь необходимую прочность и устойчивость, обеспечивать фильтрацию воды в окружающем щебеночном слое. Полимерное связующее должно находиться в работоспособном состоянии в диапазоне температур наружного воздуха от 0 до +45°С, в том числе, при воздействии атмосферных осадков, а также обеспечивать необходимую прочность и устойчивость омоноличенного щебеночного слоя с учетом внешних климатических и механических воздействий на балластную призму. Время полной полимеризации вспененного связующего на основе полиуретановой пены составляет от минут до нескольких часов при положительной температуре.
Согласно предложенному техническому решению полимерное связующее необходимо вводить в щебеночный слой для укрепления плеча и откоса балластной призмы в кривых участках пути радиусом менее 350 м со стороны наружной рельсовой нити на глубину 20-35 см, а для закрепления щебеночного слоя в междупутье - на глубину до 45 см. После схватывания и образования композита он должен соответствовать экологическим нормативам. Сформированный в щебеночном слое композит не должен уменьшать стабильность балластной призмы как в период проведения путевых работ, так и в процессе дальнейшей эксплуатации. При глубокой вырезке балласта композит должен обладать такой прочностью, чтобы под действием поездной нагрузки не происходило понижение внутренней рельсовой нити смежного пути и не происходило обрушения закрепленного плеча балластной призмы.
Необходимые требования к составу используемого в предложенном способе однокомпонентного или многокомпонентного полимерного связующего и полученного композита включают пожаробезопасность, минимальную степень воздействия на организм человека и окружающую среду, электромагнитную совместимость и др. Требования, касающиеся условий эксплуатации: полученный композит не должен препятствовать выполнению ремонтно-путевых работ, он должен разрушаться на отдельные щебенки под воздействием рабочих органов выправочных и щебнеочистительных машин, должен не терять своих свойств под воздействием поездов и характерных для железных дорог химических материалов и климатических воздействий в интервале температур от минус 50 до плюс 60°С. При закреплении междупутья срок службы композита должен быть не менее срока проведения ремонтно-путевых работ на участке пути. После завершения работ, связанных с глубокой вырезкой и восстановлением проектного очертания балластной призмы требования к условиям эксплуатации не устанавливаются.
При разработке проектов укрепления балластной призмы железнодорожного пути по предложенному способу с применением полимерного связующего, выполненного с возможностью вспенивания, должны быть учтены положения соответствующих нормативных документов по технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации. Технологические операции по предложенному способу укрепления балластной призмы могут быть выполнены как без перерыва в движении поездов вручную с использованием поливочных средств, так и с применением специализированных машин и оборудования в отдельные «окна» продолжительностью 2-4 часа. Работы по омоноличиванию плеча и откоса балластной призмы выполняют после окончания ремонтных путевых работ. Работы по закреплению междупутья должны быть выполнены до путевых работ, связанных с глубокой вырезкой балласта. Подачу связующего в балластную призму можно производить при температуре щебня выше +5°С.
В соответствии с предложенным способом при укреплении балластной призмы, преимущественно, используется полимерное связующее на основе полиуретановых полимеров, макромолекулы которых в главной цепи содержат уретановую группу. Благодаря высоким техническим характеристикам, большое количество полиуретановых связующих используют для получения строительных пенопластов и пенополиуретанов, после нанесения которых в жидком виде на скрепляемые материалы полиуретан вспенивается и отвердевает в течение короткого промежутка времени.
Существуют одно-, двух- и многокомпонентные полимерные связующие на основе полиуретанов, включающие отвердители, вспениватели и другие добавки. Компоненты этих полимерных связующих перемешивают в смесителе и подают в зону скрепляемых частиц щебеночного слоя балластной призмы. Реакция в полимерной смеси протекает со значительным увеличением объема полимерного состава. Вспененный состав проникает под некоторым давлением в зазоры между частицами щебня и полимеризуется. В результате в массиве формируется упрочненная область каркасной пористой структуры в виде протяженного элемента жесткости для укрепляемого участка балластной призмы за счет образования композита щебень - полимерное связующее. Внутри щебеночного слоя формируется прочное эластичное, химически стабильное, стойкое к вибрациям и колебаниям протяженное соединение - элемент жесткости балластной призмы, который может воспринимать дополнительную нагрузку на участках пути с высокоскоростным движением поездов в ремонтный и послеремонтный периоды.
Способ укрепления междупутной зоны балластной призмы железнодорожного пути при производстве путевых работ с глубокой вырезкой балласта осуществляется следующим образом.
2
В щебеночном слое междупутной зоны балластной призмы на расстоянии 5-25 см от края рельсо-шпальной решетки смежного пути формируют методом продольного распахивания или роторного фрезерования, по крайней мере, одну канавчатую выработку глубиной 30-40 см. На дно выработки подают жидкое полимерное связующее, например, на основе полиуретана, выполненного с возможностью вспенивания. Затем восстанавливают профиль балластной призмы до начала вспенивания полимерного связующего и формируют внутри щебеночного слоя каркасную структуру в виде протяженного элемента жесткости балластной призмы за счет образования композита щебень - полимерное связующее. Количество залитого в канавчатую выработку полимерного связующего до вспенивания составляет 0,2-0,4 л/м (литр на метр пути) и выше из расчета, чтобы поперечное сечение образованной после вспенивания каркасной структуры композита превышало 450 см. Профиль балластной призмы восстанавливают до вспенивания связующего, например, с помощью выравнивающего приспособления в виде соединенных под углом стальных пластин. После этого обработанный участок балластной призмы выдерживают при положительной температуре в условиях отсутствия эксплуатационных нагрузок в течение 1-4 час для отверждения связующего. Для щебеночного слоя балластной призмы в зоне междупутья целесообразно применять в качестве вспенивающегося жидкого полимерного связующего полиуретановую пену.
2
2
Как было отмечено, канавчатую выработку в щебеночном слое можно формировать в междупутной зоне укрепления балластной призмы на глубину 10-45 см на расстоянии 5-25 см от края рельсо-шпальной решетки. Диапазон указанных значений глубины и расстояния являются оптимальными с учетом требований к технологическим и конструктивным параметрам укрепляемой балластной призмы, а количество подаваемого в канавчатую выработку полимерного связующего должно быть достаточным для формирования внутри щебеночного слоя каркасной структуры композита с площадью поперечного сечения не менее 450 см. При повышенной глубине вырезки балласта в междупутной зоне балластной призмы может возникнуть необходимость формирования внутри щебеночного слоя, в соответствии с предложенным способом, каркасных структур в виде двух протяженных элементов жесткости балластной призмы с общим сечением более 450 см.
В результате проведенных в МГУПС (МИИТ) экспериментов было выявлено, что для предложенного способа укрепления балластной призмы железнодорожного пути нет необходимости в защите обработанного указанным способом щебеночного слоя от осадков. Вспенивание и отверждение связующего на полеуретановой основе с образованием каркасной структуры в виде композита надежно осуществляется при плюсовой температуре. После выполнения упомянутых операций в условиях отсутствия эксплуатационных нагрузок по истечении указанного или большего времени на ремонтируемом участке можно выполнять технологические операции соответствующих типовых технологических процессов без каких-либо ограничений.
2
Предложенный способ укрепления балластной призмы на участках железнодорожного пути в кривых осуществляется аналогично. При этом в плече балластной призмы наружного пути на расстоянии 5-25 см от края рельсошпальной решетки формируют, в соответствии с данным способом, по крайней мере, одну канавчатую выработку глубиной 18-35 см. На дно выработки подают полимерное связующее на основе полиуретана, выполненного с возможностью вспенивания. После этого восстанавливают исходный профиль балластной призмы в области канавчатой выработки с помощью упомянутого выравнивающего приспособления. Количество залитого в канавчатую выработку полимерного связующего до вспенивания также составляется из расчета, чтобы площадь поперечного сечения образованной после вспенивания каркасной структуры композита превышала 450 см.
Как указывалось выше, внутри щебеночного слоя после вспенивания и отверждения полимерного связующего образуется каркасная структура в виде протяженного элемента жесткости для откоса балластной призмы со стороны наружной рельсовой нити за счет образования композита щебень - полимерное связующее. Аналогичным образом реализуют способ дополнительного укрепления щебеночного слоя балластной призмы в зоне сопряжения пути с различными типами основания, например, при переходах от пути на земляном полотне к безбалластному пути искусственного сооружения (мосты, эстакады, тоннели и т.п.). При этом расход полимерного связующего рассчитывают с возможностью образования каркасной структуры композита с указанным поперечным сечением, достаточным для формирования дополнительного укрепления щебеночного слоя в зоне плеча, откоса или междупутного участка балластной призмы.
Осуществление предложенного способа на строящихся участках железнодорожных магистралей или при путевых работах по укреплению балластной призмы позволяет сохранить ее основные эксплуатационные характеристики как на период проведения указанных работ, так и на период дальнейшей эксплуатации. Увеличение удерживающей способности балластной призмы и технологических откосов предотвращает осыпание материала щебня. Дополнительным результатом предложенного технического решения является значительное снижение затрат на укрепление балластной призмы при проведении ремонтных работ за счет рационального использования полимерного связующего и затрат на его нанесение в сравнительно широком диапазоне климатических условий.