BALLAST-FREE RAILWAY TRACK FOR CARGO AND PASSENGER HIGH-SPEED TRAFFIC AND METHOD FOR CONSTRUCTION THEREOF
Безбалластный железнодорожный путь для грузопассажирского высокоскоростного движения и способ его сооружения

Изобретение относится к железнодорожному пути на безбалластном основании и может найти применение для грузопассажирского высокоскоростного движения, в том числе на искусственных сооружения -мостах, эстакадах, путепроводах, а также земляном полотне высокоскоростной железной дороги.
Известно решение, описывающее безбалластный путь на искусственном сооружении, содержащий основание в виде плит, покрытых гидроизоляционным слоем и соединенных с пролетным строением, с подрельсовыми опорами и средствами скрепления. Соединение плиты основания с пролетным строением выполнено с использованием закладной арматуры и с образованием монолитной конструкции, рельсовые плиты установлены на плиты основания, на поверхности которых уложен слой самоуплотняющегося бетона, а средство скрепления выполнено с возможностью обеспечения усилия прижатия рельса, при котором величина усилия сдвига составляла не менее 14 kH (патент РФ №2669195, МПК: Е01В 1/00, опубл. 09.10.2018 г., БИ №28) - аналог.
Недостатком известного решения является невозможность использования для высокоскоростного движения, при его организации на земляном полотне.
Известна система небалластированного пути, в которой представлена конструкция безбалластного железнодорожного пути, состоящая из плиты бетонного основания, уложенного на земляное полотно, подрельсовой плиты (плиты пути) и наливочного (подливочного) слоя, объединяющего плиту пути с плитой основания, с устройством амортизирующих и армирующих элементов (патент РФ №150693 U1, МПК: Е01 В2/00, опубл. 20.02.2015 г, БИ №5) - прототип.
Недостатком известного решения является значительная строительная высота конструкции, включающая нижнюю плиту и собственно плиту верхнего строения пути, которая снижает эксплуатационную безопасность в случае схода колеса с рельса. При сходе колесо может соскочить с поверхности путевой плиты, а при значительной высоте путевой структуры возможно опрокидывание вагона на бок. Для предотвращения катастрофы боковые пространства и междупутье предлагается засыпать щебнем, который не включен в работу. Кроме того, указанная конструкция не обладает достаточной вибрационной защитой. Бетоны при перерыве бетонирования имеют более низкое сцепление, которое при динамическом нагружении приводит к отслоению между ними и развитию трещин и дефектов.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение в части устройства, является обеспечение требований по эксплуатационной безопасности, надежности и долговечности конструкций, снижение влияния вибрационных воздействий на эксплуатационную надежность, повышение ремонтопригодности, снижение трудоемкости выполнения работ и повышение качества.
Указанный технический результат достигается тем, что безбалластный железнодорожный путь для грузопассажирского высокоскоростного движения содержит основание, наливной слой, армированные подрельсовые плиты и два ряда подрельсовых площадок и рельсы, причем дополнительно содержит полимерные амортизаторы, один из которых (нижний) расположен между основанием и наливным слоем, а другой (верхний) - между наливным слоем и армированной подрельсовой плитой. Размеры полимерных амортизаторов по длине и ширине равны или превышают габариты соответствующей подрельсовой плиты, между соседними подрельсовыми плитами по их ширине от верхней поверхности полимерного амортизатора до верхней поверхности подрельсовой плиты установлены полимерные перегородки, в каждой подрельсовой плите выполнены, предназначенные для контроля и заливки наливного слоя, сквозные отверстия, в которые установлены трубки, нижний конец у части из которых жестко связан с размещенными в наливном слое винтовыми домкратами, а верхний конец контрольных трубок выполнен с возможностью установки в них арматурных анкеров для фиксации положения подрельсовой плиты.
Безбалластный железнодорожный путь, характеризующийся тем, что винтовые домкраты могут быть расположены по углам каждой армированной подрельсовой плиты.
Безбалластный железнодорожный путь, характеризующийся тем, что отверстия в армированной подрельсовой плите могут быть выполнены круглыми с диаметром не менее 25 мм.
Безбалластный железнодорожный путь, в котором амортизатор из полимера выполнен в виде мата виброгасящего.
Безбалластный железнодорожный путь, характеризующийся тем, что в качестве его основания используется основная площадка земляного полотна, в том числе с асфальтобетонным покрытием.
Безбалластный железнодорожный путь, характеризующийся тем, что в качестве его основания используется верх плиты проезда мостового полотна искусственного сооружения.
Безбалластный железнодорожный путь, характеризующийся тем, что в качестве основания используется выравнивающий слой, который служит для заполнения впадин или каверн на поверхности основной площадки земляного полотна или плиты проезда мостового полотна искусственного сооружения и составляет с ними единое целое.
В заявляемом решении под термином «основание» понимается тело, на поверхности которого располагается (на которую укладывают) нижний полимерный амортизатор, т.е. основанием в зависимости от вида и состояния железнодорожного пути может быть:
- основная площадка земляного полотна, в случае если полимерный амортизатор укладывается непосредственно на нее, в том числе с асфальтобетонным покрытием;
- плиты полотна искусственного сооружения, в случае если речь идет о ИССО (искусственные сооружения);
- выравнивающий слой, который наносится на поверхности основной площадки земляного полотна (земляное полотно или его асфальтобетонне покрытие) или плиты проезда мостового полотна искусственного сооружения, в случае если требуется заполнение впадин или каверн на них.
Известен способ сооружения безбалластного железнодорожного пути для конструкции содержащей нижнюю плиту, уложенную на основную площадку земляного полотна, подрельсовую плиту, наливной слой, соединительную деталь, два ряда подрельсовых площадок и рельсы, причем при реализации способа для выше упомянутой конструкции, подрельсовую плиту устанавливают на нижней плите, а наливной слой заливают между нижней плитой и подрельсовой плитой (патент РФ №150693 U1, МПК: Е01В 2/00, опубл. 20.02.2015 г, БИ №5) - прототип.
Недостатком известного решения является отсутствие возможности контроля качества и полноты заливки наливного слоя, что приводит к необходимости избыточного резервирования прочности конструкции, назначения повышенных сечений плиты основания, арматурного каркаса плиты рельсового пути, т.е. к неоправданному преднапряжению арматурных элементов и армированию подливочного слоя, что в свою очередь приводит к существенному усложнению и удорожанию конструкции.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение в части способа, является обеспечение требований по эксплуатационной безопасности, надежности и долговечности конструкций, снижение влияния вибрационных воздействий на эксплуатационную надежность, повышение ремонтопригодности, снижение трудоемкости выполнения работ и повышение качества.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе сооружения безбалластного железнодорожного пути для грузопассажирского высокоскоростного движения под армированной подрельсовой плитой формируют наливной слой, причем до формирования наливного слоя на основание железнодорожного пути укладывают нижний полимерный амортизатор и размещают на нем винтовые домкраты, на которые устанавливают армированную подрельсовую плиту, с прикрепленным к ее нижней поверхности верхним полимерным амортизатором и с выполненными в ней сквозными отверстиями, предназначенными для подачи и контроля поступления заливочной смеси в подплитную область, винтовые домкраты закрепляют к соответствующим трубкам, установленным в сквозных отверстиях армированной подрельсовой плиты и, выставляют армированную подрельсовую плиту, с прикрепленным к ее нижней поверхности верхним полимерным амортизатором, в требуемое положение, после чего подают заливочную смесь и формируют в подплитной области, с установленными в ней винтовыми домкратами, наливной слой, после окончания формирования которого в отверстия армированной подрельсовой плиты устанавливают арматурные анкеры и фиксируют положение плиты, после чего укладывают на армированную подрельсовую плиту рельсы.
Способ, характеризующийся тем, что на полимерный амортизатор, расположенный между основанием и наливным слоем, устанавливают не менее трех винтовых домкратов из расчета на каждую армированную подрельсовую плиту.
Способ, в котором полимерный амортизатор укладывают на основание без разрывов.
Безбалластный путь для высокоскоростного грузопассажирского движения должен обладать более высокой точностью положения подрельсовых площадок в плане и по высоте по сравнению с обычным железнодорожным путем, что и обеспечивают заявляемые решения.
Изобретение относится к железнодорожному пути на безбалластном основании - на мостах, эстакадах, путепроводах и земляном полотне высокоскоростной железной дороги, с обеспечением движения пассажирских поездов со скоростями до 440 км/ч с осевой статической нагрузкой до 20 тс, грузовых контейнерных поездов со скоростями до 300 км/ч с осевой статической нагрузкой до 23 тс и хозяйственных поездов со скоростями до 90 км/ч с осевой статической нагрузкой до 27 тс.
При монтаже безбалластного пути на искусственном сооружении или на земляном полотне, для получения требуемого уровня точности, применяют технологию предварительного выравнивания плит безбалластного пути с последующей заливкой цементным раствором или мелкозернистым бетоном в пространство между полимерным амортизатором с прикрепленным к нижней поверхности подрельсовой плиты и еще одним полимерным амортизатором, уложенным на основание. Заливку можно осуществлять известными составами, например, самоуплотняющимся мелкозернистым бетоном класса В40, эмульгированным асфальтовым вяжущим раствором и т.д. Целесообразно, чтобы наливной слой имел механические свойства по возможности близкие к механическим свойствам подрельсовой плиты с небольшой разницей в прочности для обеспечения наилучших характеристик долговечности.
Известные в данной области решения имеют ряд недостатков, включая избыточное армирование самих плит, невозможность высокоточного выравнивания их положения и контроля распределения и заполнения заливочной смесью пространства между подрельсовой плитой и основанием, что приводит к отклонению от требуемого расчетного положения подрельсовой плиты в пространстве и по сплошности ее подливочного слоя, которые напрямую не декларируются но подразумеваются, поскольку нет конструктивных признаков обеспечивающих их контроль. Применение известных решений вынуждает прибегать к неизбежному избыточному резервированию прочности конструкции, назначению повышенных сечений плиты основания, арматурного каркаса плиты рельсового пути, заданию неоправданного преднапряжения арматурных элементов, армируя наливочный слой, что плохо сказывается на эксплуатационной надежности. Кроме того существующие решения не обеспечивают свободы температурных деформаций безбалластного пути в целом относительно основной площадки земляного полотна. В таком случае в безбалласном основании пути могут возникать повышенные температурные напряжения, которые приведут к его расстройству.
Предлагаемые конструктивные и технологические изменения позволяют обеспечить высокую точность укладки безбалластного железнодорожного пути для грузопассажирского высокоскоростного движения, контроль заполнения бетоном пространства между подрельсовой плитой и основанием, повысить полезную нагрузку на плиту от высокоскоростных и специальных контейнерных грузовых поездов и сделать движение по пути с безбалластным основанием с принятыми улучшениями высокоскоростным грузопассажирским. Помимо указанных выше, предлагаемым решением устраняется еще одна проблема, связанная с устройством бесстыкового безбалластного железнодорожного пути для грузопассажирского высокоскоростного движения, а именно повышение эксплуатационной надежности и долговечности конструкции путем исключения использования нижней плиты (плиты основания) железнодорожного пути. Так как если нижнюю плиту делать без разрывов, она превратится в сплошную железобетонную ленту, которая будет получать температурные напряжения и перемещения, на которые она не рассчитана, что приведет к ее разрушению. Наличие нижнего полимерного амортизирующего слоя не только служит гашению вибрационных воздействий, но и обеспечивает свободу продольных перемещений для подрельсовых плит вместе с подливочным (наливным) слоем безбалластного пути относительно основания. Кроме того, известные решения не содержат указаний об устройстве вертикальных деформационных швов между соседними подрельсовыми плитами по их ширине. Между тем, очевидно, что такие швы должны быть устроены (расположены) определенным образом, например, так как предлагается в заявляемом решении, а именно от самого верха подрельсовой плиты по ее торцу на ширину плиты до верхней поверхности нижнего полимерного амортизатора.
Вносимые конструктивные и технологические изменения (заявляемый безбалластный железнодорожный путь для грузопассажирского высокоскоростного движения и способ его сооружения) позволяют решать указанные проблемы системно на уровне автоматизации технологии производства плиты и строительного процесса.
Заявляемое решение в части устройства конкретизировано на фиг. 1-6, где на фиг. 1 показан вид сбоку на безбалластный путь (фасад); на фиг. 2 - поперечное сечение безбалластного пути при отсутствии выравнивающего слоя; на фиг. 3 - укрупненно узел Г стыка винтового домкрата с путевой плитой на фиг. 2; на фиг. 4 - поперечное сечение безбалластного пути с выравнивающим слоем, на фиг. 5 - укрупненно узел стыка винтового домкрата с путевой плитой Б на фиг. 4, на фиг. 6 - вид сверху на безбалластный путь с указанием границ между плитами.
Заявляемый безбалластный железнодорожный путь для грузопассажирского высокоскоростного движения содержит расположенные над основанием 1 наливной слой 2, армированные подрельсовые плиты 3, два ряда подрельсовых площадок 4 и рельсы 5. Между основанием 1 и наливным слоем 2 расположен нижний полимерный амортизатор 6, размеры которого по длине и ширине не меньше габаритов соответствующей подрельсовой плиты 3, что объясняется необходимостью равномерного опирания плиты на основание. В плите установлены сквозные металлические трубки 7 для нагнетания подливочной смеси и установки винтовых домкратов 8 для выравнивания плиты в плане. Между соседними подрельсовыми плитами 3 по их ширине на торце от верхней поверхности полимерного амортизатора (А) до верхней поверхности (В) подрельсовой плиты 3 установлены полимерные перегородки 7, материал которых выбирается из условия требуемой жесткости пути, материала и конструкции самого амортизатора и может быть изготовлен из однородного вспененого полиуритана или из резины с внутренними структурными каналами. В каждой подрельсовой плите 3 выполнены, предназначенные для контроля и заливки наливного слоя, сквозные отверстия, в которые установлены контрольные трубки 8, нижний конец некоторых из них жестко связан (закреплен) с размещенными в наливном слое 2 винтовыми домкратами 9, а верхний конец контрольных трубок 8 выполнен с возможностью установки в них арматурных анкеров 10 для фиксации положения соответствующей подрельсовой плиты 3. Количество и расположение винтовых домкратов 9 обусловлено размерами плиты, ее весом и тем, расположена плита на прямом участке пути или в кривой (по плану и профилю пути). После выбора расположения винтовых домкратов 9, в теле подрельсовой плиты выполняют сквозные отверстия таким образом, чтобы часть из них была ответна расположению домкратов 9, и при монтаже обеспечивала возможность соединения нижней части соответствующих трубок, вставленных в сквозные отверстия, с домкратами 9. Винтовые домкраты могут быть расположены, например, по углам каждой армированной подрельсовой плиты, но могут иметь и другое расположение, которое зависит от требуемого плана и профиля пути и удобства работы. Форма, количество отверстий в армированной подрельсовой плите и их пространственное положение в теле подрельсовой плиты определяется составом и подвижностью подливочной смеси, например, отверстия в армированной подрельсовой плите могут быть выполнены круглыми с диаметром не менее 25 мм.
Полимерный амортизатор 6 предназначен для защиты основания от вибраций, возникающих при взаимодействии колес вагонов и рельсов и обеспечения продольных температурных перемещений армированной подрельсовой плиты вместе с подливочным слоем. Его размеры выбираются из условия требуемой жесткости пути, материала и конструкции самого амортизатора, который может иметь однородную ширину и толщину или иметь внутреннюю структуры в виде пустотных каналов или наружных рифлей или конусов и т.п. Например, амортизатор из полимера может быть выполнен в виде мата виброзащитный с постоянными шириной и длиной в плане из вспененного полиуретана требуемой жесткости. Амортизатор может составляться из нескольких полотнищ, скрепляемых по длине и ширине, иметь трубчатые герметичные пустоты. Выравнивающий слой 11 предназначен для равномерной передачи давления от виброзащитного мата на основную площадку и устраивается в том случае, если основная площадка имеет неровности с резким изменением профиля (выбоины, каверны и т.п.). Выравнивающий слой может изготавливаться из бетона или асфальтобетона и иметь размеры в плане соответствующие размерам виброзащитного мата, а по толщине - не менее допустимой для материала, из которого он изготовлен. Полимерный амортизатор 12, расположенный (закрепленный) на нижней поверхности армированной подрельсовой плиты, необходим для гашения вибраций и обеспечения стойкости соапрягаемых поверхностей подливочного (наливного) слоя и нижней плоскости армированной подрельсовой плиты. Этот слой полимерного амортизатора наносится или наклеивается на нижней проверхности армированной подрельсовой плиты при ее изготовлении, в нем имеются отверстия ответные отверстиям трубок устроенных в самой подрельсовой плите для нагнетания и контроля заполнения наливного слоя.
Для достижения заявленных технических результатов для устройства и способа, в заявляемые конструкцию и технологию получения безбалластного железнодорожного пути для высокоскоростного грузопассажирского движения вносятся следующие изменения:
- при укладке подрельсовую плиту, с полимерным амортизатором 12 (например, наклеенным), устанавливают на винтовые домкраты в количестве не менее 3 шт. на каждую плиту, например, по углам для выставления ее с высокой точностью в проектное положение. Домкраты остаются в наливном слое после его создания и способствуют его укреплению в качестве косвенной арматуры;
- для контроля равномерности распределения бетонной смеси под плитой и полноты заполнения пространства (наливного слоя), в подрельсовой плите выполняются сквозные отверстия, в которые устанавливаются сквозные контрольные трубки диаметром не менее 25 мм в несколько рядов, через которые смесь можно нагнетать и визуально, щупом или специальным датчиком контролировать поступление смеси в данную область;
- верхние концы винтовых домкратов контактируют с контрольными трубками, образуя жесткое соединение и упор от горизонтальных смещений плиты;
- в контрольные трубки при заполнении раствором подплитного пространства (образования наливного слоя) устанавливают арматурные анкеры, фиксирующие положение плиты, в том числе в кривых за счет перекоса поперек оси пути и вдоль оси пути на переходных кривых, причем установка арматурных анкеров производится пока смесь сохраняет свою подвижность в процессе нагнетания или заливки.
- между подрельсовыми плитами по всей высоте и ширине сечения поперечного торца плиты (поперечных торцов плиты) от верхней поверхности полимерного амортизатора до верха соответствующих подрельсовых плит устанавливают полимерную перегородку, обеспечивающую возможность сохранения прочности и долговечности конструкции при температурных деформациях каждой плиты и нижележащего подливочного (наливного) слоя. Возможно устройство выравнивающего слоя, если поверхность основной площадки имеет выбоины или каверны. На основание железнодорожного пути укладывается сплошной амортизатор из полимера (мат виброгасящий), подобранный по упругости и деформативности. В рамках данной заявки предполагается, что сплошной амортизатор может быть составным, но соединенным специальными замками, предусмотренными производителями амортизирующего мата для создания при стыке составных частей эффекта его сплошности.
При укладке плит рельсового пути, в соответствии с заявляемым решением, подливочный слой заполняет весь промежуток от амортизирующей прокладки (мата виброгасящего) до верхнего полимерного амортизатора, размещенного на нижней поверхности подрельсовой (путевой) плиты, обеспечивая плотность и равномерность ее опирания.
Арматурный каркас плиты назначается по расчету в соответствии с действующими нормативами и может содержать как ненапрягаемую так и напрягаемую арматуру.
Для возможной выправки пути при эксплуатации применены рельсовые скрепления, позволяющие вести регулировку положения рельса в плане и по высоте в достаточных пределах (до 5 мм в плане и до 10 мм по высоте).
Заявляемая конструкция безбалластного железнодорожного пути для грузопассажирского высокоскоростного движения и способ его сооружения в прямых и в кривых участках пути одинаковая. В кривых участках путевая плита укладывается с требуемым продольным и поперечным перекосом, фиксируется заливочным (наливным) слоем и объединяется с ним арматурными стержнями, вставленными в контрольные сквозные трубки.
Подробное описание последовательности способа укладки плиты заключается в следующих технологических операциях. После подготовки земляного полотна, с твердым покрытием основной площадки, в том числе асфальтобетонным, производится раскладка виброгасящих матов. При наличии выбоин или каверн на твердом покрытии основной площадки перед укладкой матов неровности закрывают выравнивающим слоем и размещают на нем винтовые домкраты, на которые устанавливают армированную подрельсовую плиту с нанесенным на нее полимерным амортизатором и с выполненными в ней сквозными отверстиями, предназначенными для подачи и контроля поступления заливочной смеси в подплитную область. Производится рихтовка плиты в плане и профиле сразу при раскладке по высокоточной реперной сети, разбиваемой заранее, и закрепляется ее положение с помощью домкратов. Производится нагнетание подливочного (наливного) слоя в свободное пространство под плиту. После набора прочности подливочного слоя через 12-36 часов производится раскладка рельсовых плетей, закрепление рельсов окончательная подгонка их положения с помощью скреплений и шлифовка рельсов.
В соответствии с нормативными требованиями, к высокоскоростному грузопассажирскому движению предъявляются повышенные требования. Например, как указано в «Специальных технических условиях. Верхнее строение пути участка Москва-Казань высокоскоростной железнодорожной магистрали Москва-Казань-Екатеринбург со скоростями до 400 км/ч. Технические нормы и требования к проектированию и строительству».
Заявляемое решение обеспечивает указанные в таблице 2.1 параметры рельсового пути.