СПОСОБ УКЛАДКИ ВЕРХНЕГО СТРОЕНИЯ ПУТИ
METHOD FOR INSTALLATION OF PERMANENT WAY

Изобретение относится к строительству железных дорог, преимущественно способам укладки верхнего строения пути, и предназначено для применения в технике железнодорожного транспорта.
В настоящее время железнодорожный транспорт как в России, так и 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 ремотопригодности [1].
В условиях возрастания объемов перевозок, скоростей движения поездов в последние десятилетия стремление к повышению надежности железнодорожных путей в отечественной и зарубежной практике осуществлялось по направлениям:
- повышения изгибной жесткости рельсов путем увеличения погонной массы рельсов;
- повышение жесткости рельсового основания путем увеличения густоты расположения шпал;
- повышение жесткости балласта путем увеличения толщины балластного слоя щебня под шпалами.
Однако в настоящее время укрепилось общее мнение, что дальнейшее увеличение погонной массы рельсов свыше 65 кг/м нецелесообразно - в течение 1950-2000 г.г. масса рельса в России была повышена с 38,4 до 64,4 кг/м. Доля протяжения главного пути с рельсами Р65 и Р75 уже достигла 95%.
Тем не менее о низкой эффективности дальнейшего повышения погонной массы рельсов типа Р65 и Р75 свидетельствует доля их отказов по контактно - усталостным дефектам, которая по сравнению с 1950 г. для рельсов с q=38,4 кг/м возросла для всех типов в 2000 г. до 45%, а для рельсов Р75 до 64% [1].
Густота укладки шпал в настоящее время уже повысилась до 1840-2000 шт./км железнодорожного пути, что существенно удорожает как строительство новых, так и ремонт старых путей. Толщина щебеночного балласта на отечественных дорогах уже достигает 1 м, а кое-где его превышает. 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, 3].
Верхнее строение пути является несущей конструкцией железнодорожного пути, воспринимающей нагрузки от колес подвижного состава и направляющей их движение [4].
Организация скоростного движения поездов и увеличение нагрузок на ось подвижного состава (в перспективе до 30 т/ось) вызывает значительный рост напряженно-деформированного состояния всех элементов железнодорожного пути. Возрастание грузонапряженности ведет к интенсивному накоплению остаточных деформаций пути, что осложняет обеспечение надежности пути.
Специалисты считают, что единственно эффективным путем повышения надежности и объемов наработки путей, обеспечения безопасности железнодорожного транспорта является интенсивные методы, связанные с повышением указанных факторов за счет конструктивного совершенствования железных дорог без увеличения их материалоемкости.
Кроме того, при поиске лучших инженерных решений для развития железнодорожного транспорта необходимо учесть следующие пожелания эксплуатационников:
- создание пути равнопрочного по его протяжению;
- высокую изгибную 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 [2, 3, 5].
В цитированных работах приводятся различные данные о многочисленных преимуществах сплошных железобетонных оснований как сборных, так и монолитных, однако десятилетия упорных исследований не позволили в мировой практике железнодорожного транспорта заменить шпальное основание железнодорожных путей. Практическое применение сплошных (блочных) железобетонных опор рельсов применяется только при прокладке отдельных путей на мостах и тоннелях, а также как основания трамвайных путей.
Не случайно, современный СНиП 32-01-95 «Железные дороги колеи 1520 мм» в разделе 5 «Верхнее строение пути» не предусматривает применение железобетонных плит, рам или подобных опор.
Кроме того, 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.
Ведущие специалисты железнодорожники практически не видят сегодня перспективы применению сборных блочных или монолитных железобетонных оснований, 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 применение монолитных железобетонных оснований для климатических условий России не реально;
- с большим расходом железобетона.
Это связано с определенными недостатками сплошных железобетонных опор (сборных или монолитных), устранению которых посвящено предлагаемое изобретение.
Ознакомление с современным уровнем техники применения сборных блочных железобетонных оснований позволяет указать, в частности способ укладки верхнего строения пути путем размещения на балластном слое продольных подрельсовых лежней с гнездами, выполненными в виде продольных канавок [6]. Лежни соединяют друг с другом горизонтальными поперечными железобетонными брусами, после чего в канавки укладывают резиновые прокладки, на которые затем устанавливают рельсы и закрепляют их рельсовыми скреплениями.
Однако применяемые в известном способе в качестве основной несущей подрельсовой конструкции продольные лежни требуют точной установки по оси пути, в противном случае, допущенные при их укладке нарушения положения пути в плане, увеличиваются по мере пропуска многотоннажных грузов и трудно поддаются исправлению при текущем содержании.
Известен также способ изготовления верхнего строения пути, включающий укладку на монолитное бетонное основание подрельсового основания из последовательно размещенных преднапряженных бетонных плит, установку упругих элементов между плитами и прикрепление к плитам с помощью скреплений рельсов [7]. Для сокращения времени на демонтаж верхнего строения пути между монолитным бетонным основанием, а также нижней и боковой частями подрельсового основания устанавливают упругие прокладки, а для отвода воды из подрельсовой зоны упругие прокладки между монолитным бетонным основанием и нижней частью подрельсового основания устанавливают с зазором.
Однако скрепление друг с другом преднапряженных бетонных плит подрельсового основания осуществляется в известном способе посредством уложенной на подрельсовое основание рельсовой колеи, что приводит под действием движущихся вертикальных нагрузок к относительным горизонтальным продольным перемещениям рельсов и плит друг относительно друга и вследствие этого - к возрастанию сил трения в зоне узла скрепления, осложнению работы промежуточных скреплений и верхнего строения пути в целом.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ по техническому решению, описанном в [8]. По указанному способу железобетонные плиты размером 2,3×0,5×0,17 м, армированные тремя рядами продольно расположенных предварительно напряженных, двойных стальных прутьев, уложены на указанное гравийно-песчаное основание, на поверхность которого насыпается и разравнивается слой песка.
На ровную поверхность песчаного покрытия укладываются указанные выше бетонные плиты с вставкой между торцами сплошных плит резиновых прокладок толщиной в несколько мм, при этом два десятка таких плит соединяется в одно звено, длиной около 10 метров. Соединение плит в звено осуществляется с помощью железобетонных пластин - лаг в виде двух десятиметровых плетей, в вставных в специальные углубления в боковой поверхности железобетонных плит и имеющих возможность предварительного напряжения. Это позволяет поднимать звено из 20 плит с помощью портальных кранов и укладывать звено на полотно. Звенья между собой с помощью соприкасающихся крайних плит соединены короткими лагами и позволяют уложенным звеньям образовать неразрывное основание, на которое укладываются и скрепляются рельсы.
Предлагаемое по прототипу техническое решение позволяет, по мнению автора, существенно уменьшить массу балласта и ускорить строительство, замену путей при ремонте, а, кроме того, радикально повысить долговечность рельсового основания. В этом случае лаги могут служить средством для подтягивания или ослабления полотна пути, так как к ним снаружи предполагаются доступы.
К недостаткам предлагаемого по прототипу решению относится то, что напряжение железобетонных лаг, расположенных вдоль полотна в боковых торцах плит, не позволяет обжать равномерно друг к другу вдоль пути боковые поверхности плит шириной 0,5 м в количестве 5 шт. друг к другу по всей длине плит, так как плечо между напрягаемыми лагами составляет около 2,3 м. Кроме того, прикрепляемые плиты необходимо периодически подбивать песком или мелким щебнем, для чего предлагается применение специального прибора и ручных домкратов.
Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, а также обеспечение:
- надежности и равнопрочности пути по его протяжению, включая решение проблемы относительной осадки краев (стыков) соседних плит;
- высокой изгибной прочности рельсов без увеличения массы погонного метра с возможным ее снижением;
- ускорения строительства и снижения продолжительности ремонтов верхнего строения пути;
- повышения уровня механизации строительства и ремонта железных дорог;
- повышения безопасности движения и долговечности подрельсовых оснований путей.
Поставленная цель достигается тем, что в способе укладки верхнего строения пути, включающем укладку и стыковку преднапряженных железобетонных плит на щебеночное, песчаное, грунтовое или другое основание и установку упругих элементов между плитами, монтаж на поверхности плит стальных рельсов и прикрепление к плитам стальных рельсов с помощью скреплений, на подготовленное основание укладывают пакеты преднапряженных железобетонных плит с ориентированными вдоль пути внутренними сквозными каналами, через которые пропускают стальные канаты, предпочтительней с изоляцией от внешних воздействий, при этом на канаты между плитами надевают упругие, предпочтительней резиновые, элементы, разделяющие железобетонные плиты друг от друга, после чего стальные канаты натягивают домкратами с усилием от 5 до 30 т на каждый таким образом, чтобы расстояние между торцами плит составляло от 50 до 100 мм, концы канатов закрепляют анкерами, которые помещают в крепежные прямоугольные полости в железобетонных плитах через каждые 10-100 м, а полости с анкерами после закрепления в стыке двух концов канатов омоноличивают бетоном. Кроме того, соседние крепежные прямоугольные пустоты с концами стальных канатов и анкерами в плитах располагают друг от друга со смещением вдоль пути на расстоянии, равном расстоянию между соседними канатами.
Сущность заявляемого способа изготовления верхнего строения пути состоит в следующем. Протягивание стальных канатов через сквозные каналы, предусмотренные в преднапряженных бетонных плитах подрельсового основания, и последующее натягивание их на пакет плит с усилием от 5 до 30 т позволяет получить длинномерные конструкции в виде пакетов преднапряженных бетонных плит, на верхней поверхности которых расположены стальные рельсы, а параллельно им, внутри бетонных подрельсовых плит, натянуты на бетон стальные канаты, повышающие вместе с плитами изгибную прочность рельсов.
Существенным преимуществом данного способа укладки пути является уменьшение под эксплуатационной нагрузкой относительных горизонтальных и продольных взаимных перемещений рельсов и плит, вследствие стягивания стальными канатами бетонных плит друг с другом, что способствует снижению уровня сил трения в зоне узла скрепления рельсов и, таким образом, повысить эксплуатационную надежность, безопасность и стабильность железнодорожного пути. При этом жесткость верхнего строения пути компенсируется размещением упругих, предпочтительней резиновых элементов, одетых на стальные канаты между преднапряженными бетонными плитами. Упругие элементы выбирают так, чтобы после натяжения стальных канатов и уплотнения элементов между плитами оставался зазор в пределах от 50 до 100 мм.
Надетые на стальные канаты упругие элементы согласно предлагаемому техническому решению играют весьма важную роль в компенсации и гашении периодических нагрузок на систему: рельсы - плита - стальные канаты, - осуществляя компенсацию горизонтальных воздействий, вызывающих угон рельсов и поперечный сдвиг.
Расчеты и эксперименты показывают, что оптимальным является натяжение стальных канатов на пакеты из плит длиной от 10 до 100 м, при этом канаты натягиваются с усилием от 5 до 30 т, а упругие элементы между плитами надетые на канаты сжимают до расстояния между торцами плит от 50 до 100 мм. За пределами указанного интервала эффективность натяжения канатов снижается.
Заявляемый способ изготовления верхнего строения пути поясняется чертежами. На фиг.1 показана преднапряженная бетонная плита для укладки верхнего строения пути; на фиг.2 - стык пакетов преднапряженных плит (вид сверху); на фиг.3 - сечение верхнего строения пути; на фиг.4 - двухсторонний анкер со стальными канатами после натяжения в крепежной прямоугольной полости; на фиг.5 - концевой анкер со стальным канатом и полимерными защитными оболочками.
Предлагаемый способ изготовления верхнего строения пути осуществляют следующим образом. На земляное полотно или балластную призму, выполненную из щебня и песка, устанавливают соосно друг другу вдоль железнодорожного полотна предварительно напряженные со сквозными каналами бетонные плиты, в торцах которых предусмотрены посадочные гнезда для упругих элементов полости (фиг.1). Через сквозные каналы 2 в плитах 1 протягивают стальные канаты 3, размещая при этом между плитами упругие элементы 4 (фиг.2), посредством которых бетонные плиты стягивают в пакеты.
Для натяжения канатов применяют домкраты, с помощью которых натягивают каждый канат с усилием от 5 до 30 т. При этом сила натяжения от домкратов передается стальным анкерным упорам, расположенным на концах стальных канатов и размещенных в полостях 5 (фиг.2) стыкуемых плит. Стальные канаты с анкерами укладывают после натяжения в крепежные прямоугольные полости 5, которые омоноличивают бетоном (фиг.2).
Небольшие прямоугольные пустоты, симметричные оси сквозных продольных каналов, предусмотрены в части преднапряженных плит, в которых осуществляется стыковка пакетов плит и куда выходят для протяжки и натяжения стальные канаты, где после их натяжения укладываются и омоноличиваются концы канатов с анкерами. При этом соседние крепежные прямоугольные пустоты с концами стальных канатов и анкерами располагают друг от друга со смещением вдоль пути на расстояние, равное расстоянию между соседними канатами.
На готовом, как изложено подрельсовом основании, смонтированном из пакетов преднапряженных бетонных плит, с помощью скреплений крепят рельсы. Сечение верхнего строения пути показано на фиг.3.
Пример осуществления изобретения
Преднапряженные плиты заводского изготовления 8300×2700×200 мм со сквозными каналами (фиг.1) уложили на балластную призму вдоль полотна пути на расстояние между торцами 20-30 см. Стальные канаты 3 диаметром 12 мм протянули через сквозные каналы плит 2 попеременно с упругими элементами 4, после чего закрепили один конец первого стального каната анкером, помещенным в крепежную прямоугольную пустоту 5 (А) в крайней плите, а другой натянули на 4 плиты через 34 метра с помощью гидравлического домкрата с усилием 10 т (фиг.2).
Конец второго стального каната и анкер поместили в крепежную пустоту (Б), смещенную относительно пустоты (А) на расстояние, равное расстоянию между каналами (фиг.2), после чего канаты протянули через сквозные каналы в четырех плитах вдоль полотна попеременно с упругими элементами и натянули с тем же усилием 10 т, закрепив анкеры каната в пустотах концевых плит пакета.
Таким же образом натянули и закрепили и стальные канаты третьего сквозного канала в пустоты В на фиг.2. При стягивании преднапряженных плит в пакет расстояние между торцами плит составляло 70 мм. На готовое подрельсовое основание уложили и закрепили стальные рельсы. Следующий пакет монтировали, стыкуя его с предыдущим, но закладывая концы канатов для натяжения в крайнюю плиту уложенного пакета плит. Целесообразно применять анкеры, закрепляющие два натянутых каната (фиг.4). Могут применяться и односторонние, концевые анкеры со стальными канатами, защищенными полимерными оболочками (фиг.4). На приведенной фиг.4 обозначены: стальной канат - 12, полимерные оболочки - 13 и 14 и концевой анкер 11.
Размерность предлагаемых пакетов плит и существующих длин стягивающих канатов (10-100 м) является оптимальной и соответствует требованиям механизации строительства. Оптимальный диапазон величин сил натяжения каждого стального каната (5-30 т) определен экспериментально и соответствует возможностям простых мобильных домкратов. Предлагаемый способ предусматривает и одновременное натяжение стальных канатов всего пакета плит разработанного верхнего строения пути. Выбранное расстояние между торцами преднапряженных плит, стянутых стальными канатами, в пределах 50-100 мм обеспечивает меньшую жесткость верхнего строения пути, эффективно передающего нагрузки на балласт и земляное полотно.
Заявляемый способ изготовления верхнего строения пути позволяет благодаря стягиванию бетонных плит, не прогибающихся на стальных канатах, но способных к вибрации для эффективного гашения периодических нагрузок, монтировать длинномерные конструкции - пакеты плит, которые обеспечивают равномерную передачу подвижных нагрузок на основную площадку земляного полотна, невзирая на вспучивание или осадку части полотна, возникающих при традиционной рельсошпальной решетке пути.
Предлагаемое техническое решение позволяет строить гибкое, хорошо ориентированное горизонтально, без возможности просадки в стыках соседних плит, верхнее основание пути с повышенной изгибной прочностью рельсов и обеспеченной равнопрочностью пути. Значительная площадь опирания пакетов плит на балласт или земельное полотно позволяет существенно более эффективно (по сравнению с шпальным основанием) передавать нагрузки от движущегося состава на грунт, с минимализацией угона, поперечных сдвигов и других негативных явлений. Новое решение, тем более при применении бесстыковых рельсовых путей, позволит повысить скорости движения поездов, снизить основное удельное сопротивление пути движению поездов и благодаря этому экономить топливо и электроэнергию на тягу.
Предлагаемое изобретение позволяет существенно ускорить работы по укладке верхнего строения пути, так как, в частности, скрепления стальных рельсов должно осуществляться на плитах подрельсового основания в 2-3 раз реже, чем на шпалах.
Кроме того, снижаются объемы работ по выправке пути, интенсивность износа рельсов и, в конечном итоге, увеличиваются сроки службы и долговечность верхнего строения пути. Существенно сокращающиеся относительные горизонтальные продольные перемещения между плитами подрельсового основания и рельсами обеспечивают, как выше отмечалось, снижение трения в зоне узла крепления рельсов, благодаря чему повышается эксплуатационная надежность, безопасность и стабильность железнодорожного пути.
Предлагаемый способ позволяет разработать новые конструкции верхнего строения пути, которые могут гибко реагировать на смещения земной поверхности и снизить влияние деформаций на скоростные возможности подвижного состава.
Источники информации
1. B.C.Лысюк, В.Н.Сазонов, Л.В.Башкатова. Прочный и надежный железнодорожный путь, - М., НКЦ «Академкнига», 2003 г., - 589 с.
2. Б.И.Мушкатин. Путь на железобетоном основании. - ж-л «Путь и путевое хозяйство». - 1957, №2, с.10-12.
3. Современные конструкции верхнего строения железнодорожного пути. Под ред. В.Г.Альберхта и А.Ф.Золотирского, - М., Транспорт, 1975, - 280 с.
4. И.В.Прокудин, И.А.Грачев, А.Ф.Колос. «Организация переустройства железных дорог под скоростное движение поездов, - М., Изд-во Маршрут, 2005, - 716 с.
5. Ю.Д.Волошко, A.M.Микитенко. Рельсовый путь с блочными железобетонными опорами, - Москва, Транспорт, 1980, - 175 с.
6. Авторское свид-во СССР №1461810, кл. Е01В 3/12, 1987 г.
7. Авторское свид-во СССР №908979, кл. Е01В 2/00, 1979 г.
8. М.Главаты. Замена шпал железобетонными плитами. Зарубежная техника. - ж-л. «Путь и путевое хозяйство», - 1959, №11, с.47-48.