УСТРОЙСТВО ВЕРХНЕГО СТРОЕНИЯ ПУТИ МЕТРОПОЛИТЕНА БИКБАУ
DESIGN OF TRACK SUPERSTRUCTURE OF BIKBAU UNDERGROUND

Предлагаемое изобретение относится к строительству метро, а именно к конструкциям подрельсового основания верхнего строения пути.
В настоящее время метрополитен, как и железнодорожный транспорт во всем мире, в плане повышения надежности железнодорожных путей с шпальным основанием близок к пределу возможностей.
Надежность железнодорожного пути по фундаментальной работе В.С.Лысюк, В.Н.Сазонова и Л.В. Башкатовой - свойство пути сохранить в условленных пределах значение всех параметров, характеризующих способность выполнить требуемые функции (бесперебойный пропуск поездов с установленной скоростью) в заданных условиях эксплуатации (текущего содержания и ремонтов). При этом количественно надежность пути оценивается численными значениями показателей его безотказности, долговечности и ремонтопригодности [1].
Наблюдающееся во всем мире повышение скоростей и осевых нагрузок при железобетонных шпальных основаниях намного увеличило вибрацию пути и понизило сопротивление вибрации всех элементов пути, ухудшило условия работы балластной призмы и земляного полотна [2].
Авторы работы [1] в качестве будущего железных дорог предполагают переход от прочного пути к надежному с учетом двух направлений стратегий:
1 - своевременную ликвидацию неровностей на колесах и рельсах, а также укладки виброзащитных железобетонных шпал с резиновыми прокладками;
2 - повышение безотказности и долговечности пути без увеличения его материалоемкости: изменение очертания верха головки рельсов по типу американских рельсов 132 RE, применение шарнирных стыковых накладок вместо клиновых, противораспорных костыльных подкладок, ликвидация избытка возвышения наружного рельса в кривых и укладка рельсовых стыков в разбежку, а не по наугольнику.
Специалисты считают, что единственно эффективным путем повышения надежности и объемов наработки путей, обеспечения безопасности железнодорожного транспорта являются интенсивные методы, связанные с повышением указанных факторов за счет конструктивного совершенствования железных дорог без увеличения их материалоемкости.
При поиске лучших инженерных решений для развития железнодорожного транспорта необходимо учесть следующие пожелания эксплуатационников:
- создание пути, равнопрочного по его протяжению;
- высокая изгибная прочность рельсов без увеличения массы погонного метра рельса;
- минимизация неровностей на железнодорожном пути;
- ускорение строительства новых и упрощение замены при ремонте, снижение сроков простоя пути при ремонтах полотна.
Значительное внимание инженеров уже многие десятилетия привлекает возможность перехода от шпальных подрельсовых оснований к железобетонным из сборных плит, балок, рам или лежней. В отдельных странах есть определенный опыт применения сплошных железобетонных оснований на мостах, в тоннелях и метрополитене [3, 4].
Ведущие специалисты-железнодорожники практически не видят сегодня перспективы применению сборных блочных или монолитных железобетонных оснований для железных дорог, что связано с тем, что такие основания обычно связаны:
- с излишней жесткостью основания, оказывающей влияние на быстрый износ колесных пар;
- незначительным влиянием на изгибную прочность рельсов;
- недостаточной равнопрочностью основания пути по протяжению, особенно при применении сборных железобетонных плит заводского изготовления, тем более применении монолитных железобетонных оснований для климатических условий России не реально.
- большим расходом железобетона.
Учитывая существенно меньшие скорости подвижного состава метрополитена по сравнению с наземными железными дорогами в различных странах получает распространение переход на применение сплошных и блочных железобетонных опор рельсов.
Известные конструкции блочного, рамно-лежневого подрельсового основания обеспечивает более плавное и безопасное движение поездов, снижение затрат на текущее содержание и периодические ремонты пути, распределенную передачу подвижных нагрузок на опорную площадку метрополитена без больших перепадов, имеющих место при обычной рельсо-шпальной решетке. Наиболее широкое распространение получило верхнее строение пути метрополитена, включающее расположение рельсов на бетонных шпалах-коротышах, совмещенных с композитными материалами и омоноличенных путевым бетоном (Замуховский А.В. Совершенствование технологии укладки и текущего содержания безбаластного пути метрополитена. Кандидатская диссертация, M., 2006 г., - с.143).
Основной проблемой строительства метрополитена во всех странах, обострившейся в последние годы с его развитием и переходом на безбаластный, более жесткий путь, является вибрация и шум от подвижного состава, негативно влияющие не только на пассажиров метро, но и на близлежащие здания и сооружения (см. СП 23-105-2004 «Оценка вибрации при проектировании, строительстве и эксплуатации объектов метрополитена). Решению проблемы вибрации и шума от эксплуатации метрополитена посвящены многочисленные исследования (см., например, Костарев С.А. Анализ вибраций, генерируемых линиями метрополитена, и разработка комплекса мероприятий по их снижению. Докторская диссертация ., М., 2004 г., - 270 С.; Наумов В.Б. Совершенствование способов борьбы с вибрацией, передаваемой от железнодорожного пути на тоннель метрополитена. Кандидатская диссертация, Санкт-Петербург, 2005 г., - 144 С.).
Все существующие технические решения проблемы предусматривают применение различных упругих прокладок, пружин, матов и скреплений рельсов для виброзащиты конструкций верхнего строения пути. Классификация таких виброзащитных конструкций по Наумову В.Б. приведена на фиг.1.
Аналогом предлагаемого изобретения является техническое решение, описанное в работе В.М.Круглова, Н.Д.Кравченко, Ю.Н.Аксенова и А.Ю.Богачева. Выбор типа верхнего строения пути для метрополитенов.- Журнал «Путь и путевое хозяйство», 2010, №4, с.26-29. Указанное техническое решение предусматривает виброзащитный путь с лежневым железобетонным подрельсовым основанием, при этом лежни изолированы от путевого бетона амортизирующей прокладкой из упругого полимерного материала, так же как боковые и торцовые поверхности лежней. Однако уровень гашения вибраций и звуковых волн рассматриваемого решения оказался недостаточным и не превышал, например, на тоннельной обделке для частоты 63 Гц 9 дБ, а стоимость виброзащиты, предполагающая затраты значительных объемов упругих материалов для прокладок и пружин импортного производства, подбалластых матов, например, фирмы Getzner: SYLOMER, SYUDIN весьма высока.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению, его прототитом, является патент РФ №2352706 С1 «Устройство верхнего строения пути», включающее уложенное на балласт подрельсовое основание из последовательно размещенных преднапряженных железобетонных плит, упругие элементы между плитами и прикрепленные к плитам с помощью скреплений рельсы на пакетах плит длиной от 10 до 100 м, стянутых напряженными стальными канатами, на которые надеты уплотняющие резиновые элементы в количестве от трех до семи, расположенных - один на оси пути, а остальные симметрично оси пути на расстоянии начиная от края плит, кратном минимальной толщине плиты, причем концы стальных канатов снабжены анкерами, размещенными в крепежных прямоугольных пустотах плит и омоноличенных бетоном, а между плитами и после натяжения стальных канатов и их закрепления выдержан зазор от 50 до 100 мм с возможным смещением крепежных пустот с анкерами относительно друг друга на расстояние, взятое в пределах расстояний между соседними канатами.
Применение указанного изобретения обеспечивает повышение равнопрочности пути, увеличение изгибной прочности стальных рельсов со смонтированными на них плитами, предотвращает угон рельсов, позволяет стабилизировать колею пути. Однако применение изобретения по прототипу для верхнего строения пути метрополитена затруднено в связи с использованием балласта в его основании, усложняющего строительство пути и его эксплуатацию в стесненных условиях ствола тоннеля.
Кроме того, уровень гашения вибраций и звука для изобретения по прототипу в условиях метрополитена оказался недостаточным.
Целью предлагаемого изобретения является создание устройства верхнего строения пути метрополитена с минимальным вибрационным и звуковым воздействием на пассажиров, тоннель метрополитена и окружающую среду, повышением безопасности движения подвижного состава.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве верхнего строения пути метрополитена, включающем подрельсовое основание из последовательно размещенных железобетонных плит, упругие элементы между плитами, стянутыми в единые пакеты длиной от 10 до 30 м напряженными стальными канатами, проходящими через упругие элементы в конических углублениях в торцах плит, с расположением стальных канатов в количестве от трех до пяти - один - центральный по оси пути, а остальные на равных расстояниях от центрального и друг от друга с концами канатов, закрепленных в анкерах, размещенных в крепежных пустотах, а также зазором между торцами соседних плит в пределах от 20 до 50 мм, с целью снижения вибрации и уменьшения звука при эксплуатации поездов, повышения безопасности движения подвижного состава, плиты выбирают в плане прямоугольной формы с фиксированной шириной поперек пути, например, 2,4 м и переменной длиной вдоль пути от 1,8 до 3,0 м с переменным сечением плит по толщине от 0,10 в средней части до 0,24 м по краям, поверхность краев плит по длине пути симметрично его оси выбирают с уклоном внутрь осевой линии от 0,03 до 0,07; плита содержит углубление - дренажную канаву вдоль пути с сечением в виде обратной трапеции с высотой от 0,4 до 0,5 толщины плиты в средней части и нижним основанием длиной от 0,2 до 0,3 ширины плиты, а нижняя часть плит содержит симметричную оси пути выемку в виде трапеции в сечении с верхним основанием от 0,88 до 0,92 ширины плиты и высотой от 0,6 до 0,8 толщины плиты в средней части, острые углы обоих трапециевидных сечений выбирают в пределах от 60 до 75 градусов, при этом плиты размещены на горизонтально расположенных автомобильных шинах с камерами, уложенных на шероховатом бетонном основании в стволе метрополитена в два ряда вдоль пути и соединенных воздуховодом с компрессором, поддерживающими в камерах постоянное давление в пределах от 2 до 6 ати, кроме того, автомобильные шины выбирают среди широкопрофильных грузовых шин с наибольшим наружным диаметром от 900 до 1350 мм и шириной профиля от 250 до 500 мм с индексом несущей способности не менее 149 (максимальная нагрузка не менее 2500 кгс). На криволинейных участках метрополитена необходимый угол наклона поверхности плит подрельсового основания к горизонту (3-7 градусов) регулируется выбором соответствующего профиля поверхности путевого бетона и, при необходимости, подкачкой ряда автомобильных шин с наружной стороны криволинейного участка пути до больших давлений по сравнению с рядом автомобильных шин с внутренней стороны.
Для лучшего понимания предлагаемого изобретения приводятся следующие чертежи: на фиг.1 показано сечение тоннеля метрополитена с предлагаемым устройством верхнего строения пути; на фиг.2 - вид сверху предлагаемого верхнего строения пути.
Устройство включает железобетонную плиту 1 с отверстиями 2 для стальных канатов 3 и нижней выемкой 4 с сечением в виде трапеции, рельсы 5 со скреплениями 6, дренажный канал 7 с сечением в виде обратной трапеции, автомобильные шины 8 с камерами, наполненными сжатым воздухом и расположенными на путевом бетоне 9 тоннеля 10, контактный рельс 11. Рельсы 5 расположены на эластичных вибро- и звукогасящих элементах, включающих подрельсовую прокладку 12, подушки под шпалы 13 и виброизоляционные маты 14. Железобетонные плиты 1 соединены стягивающими напряженными стальными канатами 3 с резиновыми амортизаторами 15, одетыми на стальные канаты и расположенными в конических углублениях 16 в торцах плит, и с резиновой упругой лентой 17 между торцами плит. Плиты 1 размещены на расположенных под плитами в два ряда автомобильных шинах 8 с камерами, наполненными воздухом, который подается из магистрали (воздуховода) 18, соединенной с компрессором (на фиг. не показан).
При сборке основания пути метрополитена по предлагаемому изобретению на подготовленный путевой бетон 9 с шероховатой для фиксации шин поверхностью укладывают в два параллельных ряда, как это показано на фиг 3, автомобильные шины 8 с камерами грузовых автомобилей, которые наполняются воздухом до давления 1-2 ати по проложенному между камерами или сбоку воздуховоду 15. На подготовленное виброизолирующее основание из автомобильных шин 7 опускают железобетонные плиты 1 таким образом, чтобы под каждой плитой, в ее выемке 4 трапециевидного сечения находилась верхняя часть четырех шин, расположенных в два ряда по две штуки параллельно или вразбежку, ограниченных от боковых смещений выступами на нижней поверхности плит. Затем в конических углублениях 16 каждой пары смежных плит устанавливают упругие арматурные элементы, например резиновые амортизаторы 15, и через отверстия 2 протягивают напрягаемые стальные канаты 3.
Натяжение стальных канатов 3, закрепленных анкерами в крепежных полостях (на фиг. не показаны) плит, производят с помощью домкратов, после чего свободный конец каждого каната заанкеривают в крепежных полостях плит через каждые 10 -30 м. После натяжения стальных канатов с усилием 5-15 т (РФ №2 352 706 С1 «Устройство верхнего строения пути») крепежные полости с анкерами на концах стальных канатов омоноличивают быстротвердеющим цементно-песчаным раствором и на смонтированное из сборных бетонных плит подрельсовое основание укладывают и закрепляют рельсы 5.
Предлагаемое устройство верхнего строения пути из преднапряженных железобетонных плит радикально повышает изгибную прочность стальных рельсов и обеспечивают равнопрочность рельсов по всей длине пути как закрепленных равномерно на основании без прерывания их опирания при прохождении подвижного состава. Благодаря напряжению стягивающих плиты стальных канатов с усилием от 5 до 15 т на каждый канат пакеты плит подрельсового основания работают как единая длинномерная конструкция, стабилизирующая положение стальных рельсов по всей длине состава благодаря стягиванию плит, не прогибающихся на стальных канатах.
Такое верхнее строение пути позволяет стабилизировать положение рельсовых нитей как по оси пути, так и поперек него, а способность к вибрации плит вдоль стальных канатов с помощью резиновых амортизаторов на стальных канатах и упругих резиновых лент между торцами плит полностью компенсирует угон рельсов, эффективно разряжает своим перемещением в пространстве энергию движущегося состава на перемещение и вибрацию плит с значительной массой (около 1 тонны на погонный метр) вдоль пути.
Расположение подрельсового плитного протяженного основания на упругих автомобильных шинах, наполненных сжатым воздухом, обеспечивает эффективное гашение периодических знакопеременных нагрузок подвижного состава с минимизацией передачи вибраций на путевой бетон в нижней части тоннеля метрополитена.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет строить длинномерное, гибкое, хорошо ориентированное горизонтально, без возможности просадки в стыках соседних плит, верхнее строение пути с повышенной изгибной прочностью рельсов и обеспеченной равнопрочностью пути.
Значительная площадь опирания длинномерного пакета плит на амортизирующую пневмопрокладку из автомобильных шин позволяет намного эффективней (по сравнению со шпальным основанием) и всеми известными способами борьбы с ДПМ вибрацией гасить знакопеременные нагрузки от движущегося состава с минимизацией угона рельсов, поперечных сдвигов и других негативных явлений.
Для лучшего понимания работы предлагаемого изобретения полезно привести фиг 3-6: на фиг.3 показаны кривые влияния в метро вибраций: 1- на людей и здания; 2 - на технологическое оборудование; 3 - диапазон шума в зависимости от частоты воздействий; на фиг.4 - взаимосвязь прогиба стальных рельсов метрополитена и интенсивности (скорости) вибрации; на фиг.5 - схема расположения эластичных вибро-и звукогасящих элементов в верхнем строении пути метрополитена; на фиг.6 - кривые шумопоглощения в верхнем строении пути метрополитена в зависимости от частот шумов для различных эластичных элементов и по предлагаемому изобретению.
Как показано многолетними исследованиями в мировой практике эксплуатации метрополитенов, прогиб рельсов при прохождении подвижного состава является основным источником вибрации (фиг 4).Предлагаемое изобретение позволит минимизировать прогиб рельсов и передачу вибрации от метрополитена на близлежащие здания и людей в таких зданиях.
Наибольшее распространение в мире для борьбы с вибрацией и шумом в метрополитене получило применение подрельсовых прокладок 12, подушек под шпалы 13 и виброизоляционых матов 14 (фиг 5). Однако анализ кривых на фиг. 6 показывает, что даже применение дорогостоящих виброизоляционных матов не обеспечивает гашение вибраций для наиболее важного при прохождении подвижного состава диапазона частот от нескольких до 60 Гц, а уровень шума при их использовании (кривая 3 фиг. 6) даже возрастает.
В отличие от этого, расчеты эффективности гашения шума и вибраций по предлагаемому изобретению показывают его значительное превосходство (см. кривую 3 на фиг. 6).
Предлагаемое изобретение позволяет повысить несущую способность верхнего строения пути с стальными рельсами Р 50 без необходимости применения стальных рельсов Р 65, которые в настоящее время в массовом порядке начали применять при строительстве метрополитенов. Использование нового верхнего строения пути с плитным подрельсовым основанием по предлагаемому изобретению позволит экономить только за счет применения рельсов Р 50 30 кг дорогостоящей стали на каждый метр пути. Весьма привлекательным является также в целях снижения себестоимости нового верхнего строения пути метрополитена возможности применения в качестве грузовых автомобильных шин, шин бывших в употреблении, утилизация которых превратилась в экологическую проблему во многих странах.
Высокая эффективность предлагаемого решения связана и с реализацией максимальной вибрационной и звуковой изоляции нового верхнего строения пути метрополитена, повышением надежности и долговечности пути.
Источники информации
1. В.С.Лысюк, В.Н.Сазонов, Л.В.Башкатова. Прочный и надежный железнодорожный путь. - М.: НКЦ «Академкнига», 2003 г.- 589 с.
2. Современные конструкции верхнего строения железнодорожного пути.// Под ред. В.Г.Альберхта и А.Ф.Золотирского.- М.: Транспорт, 1975, - 280 с.
3. Волошко Ю.Д., Микитенко A.M. Рельсовый путь с блочными железобетонными опорами. - М.: Транспорт, 1980, - 175 с.
4. Дудкин Е.П., Наумов В.Б. Новые подходы к созданию верхнего строения пути метрополитена//Сб.научных трудов. Проблемы промышленного и городского транспорта. - СПб.: ПГУПС, 2005, - 170 с.