Полное руководство по железнодорожным путям

1. Определение, терминология и основные функции

Железнодорожный путь, также называемый «railway track» в странах Содружества и в стандартах UIC или «railroad track» в Северной Америке, в инженерной отрасли известен как «Permanent Way» (сокращенно «P-way»). Он служит основной несущей конструкцией всей системы железнодорожного транспорта.

Полная железнодорожная путевая конструкция состоит из четырёх основных компонентов: стальных рельсов, упругих систем крепления, шпал и путевого полотна (балласта для путей с балластом или сборных плит для путей без балласта), которые укладываются на уплотнённое земляное основание.

Основные функциональные характеристики железнодорожного пути охватывают три аспекта:

Обеспечить поверхность с низким коэффициентом трения и плавным качением для стальных железнодорожных колес, чтобы снизить сопротивление качению и повысить эффективность перевозок;
Равномерно распределять огромные динамические нагрузки на оси, создаваемые поездами, чтобы избежать локального проседания грунта;
Поглощают шумы, возникающие при ударах колес о рельсы и вибрации, а также обеспечивают быстрый отвод дождевой воды, что позволяет сохранить геометрическую стабильность на длительный срок. .

Материалы для железнодорожных путей прошли несколько этапов развития. На первых транспортных линиях использовались полностью деревянные рельсы, а в начале индустриальной эпохи — хрупкие чугунные рельсы. После начала массового производства высокопрочной горячекатаной стали в 1870-х годах стальные рельсы полностью вытеснили устаревшие материалы и широко используются до сих пор. Электрифицированные железнодорожные пути дополнительно оснащаются третьими рельсами или контактной сетью для подачи электроэнергии на электровозы и электропоезда.

2. График разработки

2.1 Деревянная вагонная дорожка: самая ранняя примитивная железнодорожная линия (1603 г.)

Самый ранний примитивный железнодорожный путь (1603 г.)

Самой ранней из известных в мире железнодорожных линий была «Воллатон-Вагонвей» (Wollaton Wagonway), построенная в Великобритании в 1603 году для перевозки угля на короткие расстояния в шахтах. Основание железнодорожного полотна было изготовлено из дубовой и буковой древесины высокой плотности, прибито гвоздями к деревянным шпалам и закреплено с обеих сторон угловым щебнем.

Эти деревянные рельсы были рассчитаны только на тележки, тянутые людьми или животными, с крайне низкой грузоподъёмностью. Древесина быстро гнила и изнашивалась, поэтому они служили лишь простым средством транспортировки в шахте, не позволяющим осуществлять механическую перевозку.

2.2 Популяризация чугунных рельсов (1767)

В угольном бассейне Коулбрукдейл в Великобритании впервые начали укладывать чугунные железнодорожные рельсы. Металлические материалы обладали гораздо большей несущей способностью, чем дерево, и обеспечивали более длительный срок службы, благодаря чему эта технология быстро распространилась по шахтам Европы. Однако чугун отличался присущей ему хрупкостью и низкой ударопрочностью, что делало его пригодным только для низкоскоростных легковесных транспортных средств.

2.3 Паровозы стали движущей силой революции в строительстве железнодорожных путей (1804)

Первый в мире паровоз, запущенный в 1804 году, выявил фатальные недостатки чугунных рельсов: тяжелые локомотивы постоянно ломали хрупкие рельсы. Первые инженеры предложили создать полностью жесткую железнодорожную колею, закрепив чугунные рельсы на прочных каменных шпалах, не обладающих никакой упругостью.

Испытания в полевых условиях показали несовершенство этой конструкции: в отсутствие упругого буферного пространства огромная сила удара, создаваемая поездами, ускоряла износ рельсов и земляного полотна. Этот инженерный урок заложил основной принцип проектирования современных железнодорожных путей: необходимо обеспечивать контролируемую упругость с помощью балласта и упругих крепежных элементов для поглощения ударов между колесом и рельсом, что стало теоретической основой для последующего развития технологий балластировки и упругого крепления.

2.4 Зрелость стандартных систем стальных рельсовых путей (после 1870 г.)

Процесс производства стали по методу Бессемера позволил наладить массовое производство высокопрочных стальных рельсов, которые полностью вытеснили чугунные рельсы. Одновременно с этим были доработаны сопутствующие технологии, включая бетонные шпалы, упругие крепежные устройства и щебеночный балласт, что позволило завершить формирование стандартизированной современной системы железнодорожных путей.

3. Три основных типа конструкций железнодорожных путей

3.1 Традиционная система с балластом (основной вариант для обычных и магистральных железных дорог)

Многослойная конструкция железнодорожного полотна с балластом (сверху вниз)

Стальной рельс горячей прокатки с плоским дном → резиновые/пластиковые упругие прокладки → упругие крепежные элементы → деревянные шпалы / шпалы из преднапряжённого бетона → слой твёрдого гранитного балласта → изолирующий слой из геосинтетика → уплотнённое основание.

Компания «Ballast» придерживается строгих стандартов в отношении материалов: допускается использование только гранитной и базальтовой щебёнки высокой твёрдости с чёткими угловатыми краями и однородным размером частиц; использование мягкого известняка запрещено, чтобы предотвратить его измельчение под воздействием длительного сжатия.

Основные функции балласта

Распределение нагрузки: распределение сосредоточенного давления шпал по обширной площади земляного полотна с целью предотвращения дифференциальной осадки;
Гашение вибрации: зазоры между каменными частицами образуют естественные амортизирующие зоны, которые поглощают вибрацию и снижают шум от соприкосновения колес с рельсами при прохождении поезда;
Дренаж и вентиляция: Дождевая вода быстро просачивается через щели между камнями, что позволяет поддерживать сухость земляного полотна и предотвращать вымывание грязи и размягчение грунта, вызванные погружением в воду;
Поперечное удержание: трение между камнями ограничивает горизонтальное смещение рельсов и шпал и снижает риск потери устойчивости железнодорожного полотна при высоких температурах;
Отвод тепла: поглощение тепла трения, возникающего при высокоскоростном контакте колес с рельсами, с целью стабилизации распределения температуры рельсов.

Преимущества, недостатки и сценарии применения

Преимущества: Низкая первоначальная стоимость строительства, высокая скорость строительства, возможность регулировки высоты путей и удобство устранения дефектов. Осадки и отклонения от габарита можно быстро устранить с помощью трамбовочных машин.

Недостатки: При высоких скоростях балластные камни имеют тенденцию вылетать из рельсового полотна, а после длительного уплотнения — измельчаться. Каждые 2–5 лет требуется полная очистка и замена балласта на всем участке, что приводит к значительной нагрузке на техническое обслуживание, в связи с чем данная система не подходит для высокоскоростных железнодорожных линий со скоростью движения свыше 300 км/ч.

Приложения: Обычные пассажирские железнодорожные линии, железнодорожные линии для перевозки тяжелых грузов, малоинтенсивные местные ветки и горные маршруты со сложными геологическими условиями.

3.2 Безбалластное железнодорожное полотно (для высокоскоростных железных дорог, метро и туннелей)

Бесбалластная железная дорога, разработанная для решения проблем, связанных с частым техническим обслуживанием и недостаточной стабильностью при высоких скоростях на балластных путях, полностью исключает использование щебеночного полотна и предусматривает применение монолитных бетонных несущих конструкций. Основные отечественные типы включают плиточные пути CRTS I/II/III типа и двухблочные бесбалластные пути.

Структурный состав

Стальной рельс + виброгасящие эластичные крепления + сборная бетонная плита / монолитная бетонная основа + полимерная эластичная прокладка + армированный слой основания.

Основные преимущества

Чрезвычайно стабильная геометрическая точность железнодорожного полотна с минимальными отклонениями по вертикальному уровню и ширине колеи, обеспечивающая совместимость с электропоездами, развивающими скорость 250–350 км/ч;
Поглощение вибрации обеспечивается исключительно за счет крепежных элементов и амортизаторов без измельчения балласта; в течение десятилетия требуется лишь шлифовка рельсов, что позволяет радикально сократить затраты на техническое обслуживание на протяжении всего срока службы;
Отсутствие балласта, представляющего опасность при движении, что делает их идеальным решением для туннелей, станций на виадуках и городских линий метро, позволяя избежать столкновений с транспортными средствами и засорения дренажных систем;
Более высокая общая собственная масса конструкции обеспечивает более высокую устойчивость к тайфунам, сильным вибрациям и неравномерной осадке земляного полотна.

Внутренние ограничения

Стоимость строительства гражданских объектов в 1,5–2 раза превышает стоимость строительства железнодорожных путей с балластным покрытием, что требует огромных первоначальных инвестиций;
Жесткая бетонная конструкция создает чрезвычайные трудности при последующем изменении трассы и корректировке высоты, что требует длительного закрытия линии для проведения ремонтных работ;
Глубокая осадка земляного полотна после его укладки приводит к необходимости проведения сложных и трудоемких восстановительных работ.

Типичные сценарии применения

Национальный сеть высокоскоростных железных дорог, городское метро / легкорельсовый транспорт, длинные туннели, пассажирские станции с виадуками и городские линии, обслуживающие жилые районы, чувствительные к вибрации.

3.3 Рельсовый путь с непрерывной продольной опорой (лестничный путь для снижения вибрации)

Специализированная виброизолирующая железнодорожная путевая конструкция, также известная как «лестничный путь», широко применяемая на мостах, жилых виадуках и участках метрополитена, предназначенных для снижения вибрации, отличающаяся от традиционных поперечно уложенных шпал.

Уникальная конструкция

Две параллельные продольные балки из преднапряжённого бетона проходят параллельно стальным рельсам и соединены стальными поперечинами, образуя лестникообразную раму, уложенную на монолитном бетонном основании. Между шпалами и основанием установлены упругие виброизолирующие прокладки с высоким коэффициентом демпфирования.

Принцип снижения вибрации и шума

Железнодорожный путь в целом представляет собой систему виброизоляции типа «масса-пружина»: собственный вес лестничных шпал выступает в качестве противовеса, а расположенные под ними упругие прокладки поглощают энергию вибрации, гася колесно-рельсовую вибрацию с частотой выше 30 Гц и снижая вторичный шум моста на 12–18 децибел, что значительно уменьшает воздействие вибрации поезда на окружающие здания и жителей.

Дополнительные практические функции

Обеспечивает бесступенчатую регулировку высоты под шпалами для компенсации незначительных неравномерностей осадки мостов и туннелей. Гладкие дренажные каналы облегчают последующую очистку от ила и проведение работ по цементированию; укладка поперечных балок снижает риск повреждения рельсового пути в результате деформации моста при расширении.

4. Технические характеристики стальных рельсов, материалы и технология сварки CWR для железнодорожных путей

4.1 Стандарты на материалы и сечения рельсов

Современные стальные рельсы изготавливаются из высокопрочной легированной стали горячей прокатки с асимметричным двутавровым поперечным сечением. Расширенная и утолщённая головка рельса выдерживает многократное сжатие колесом; расширенная основа рельса увеличивает площадь контакта с подкладками и крепежными элементами, обеспечивая равномерное распределение давления. Все готовые рельсы проходят контроль на наличие дефектов и термообработку для повышения износостойкости и сопротивления разрушению.

4.2 Классификация веса рельсов и международные единицы измерения

Несущая способность и максимально допустимая скорость железной дороги зависят от линейной массы стальных рельсов. Более тяжелые рельсы имеют большее поперечное сечение, что позволяет выдерживать более высокие осевые нагрузки и обеспечивать лучшую устойчивость на высоких скоростях, однако это сопровождается более высокими затратами на сталь. В мире сосуществуют две системы измерения:

Англо-американская система (фунт/ярд): Основные технические характеристики варьируются от 115 до 141 фунт/ярд. Рельс весом 130 фунтов соответствует примерно 64 кг/м и используется на магистральных линиях в Северной Америке и Великобритании;
Система Европы и Китая (кг/м): Стандартные технические характеристики охватывают диапазон 40–60 кг/м. Рельсы весом 50 кг/м применяются на внутренних линиях обычной железной дороги, в то время как на всех высокоскоростных железнодорожных линиях повсеместно используются сверхпрочные рельсы весом 60 кг/м, а на специальных линиях для перевозки тяжелых грузов — сверхтяжелые рельсы весом 75 кг/м.

4.3 Решения для соединения двух рельсов в железнодорожном пути

4.3.1 Рельсовые пути с швами (устаревшие линии традиционного типа)

В связи с ограниченными возможностями ранних технологий производства стали и транспортировки рельсы, изготавливаемые на одном заводе, имели длину всего 25 метров и соединялись на месте с помощью стыковых планок (соединительных планок) и высокопрочных болтов. В местах соединений предусмотрены компенсационные зазоры для компенсации деформаций, возникающих при тепловом расширении и сжатии стальных рельсов.

Существенные недостатки: сильные удары и громкий стук при прохождении колес поезда по стыкам рельсов. Длительное повторяющееся сжатие приводит к образованию износа в виде седла в местах стыков и повышает риск разрушения рельсов, что требует ежегодного привлечения значительных трудовых ресурсов для шлифовки и технического обслуживания стыков. На большинстве магистральных линий внутри страны рельсовые стыки постепенно выведены из эксплуатации, а изолированные стыки сохранены только на участках зонирования сигнализации для снижения проводимости рельсов и обеспечения позиционирования поездов с помощью путевых цепей.

4.3.2 Непрерывный сварной рельс (CWR) — основной вариант для современных железнодорожных путей

Благодаря устранению всех рельсовых стыков посредством сварки система CWR является стандартным оборудованием для высокоскоростных железных дорог и вновь построенных линий обычного типа и включает в себя два вида сварки:

Сварка встык на заводе: стандартные рельсы длиной 100 метров свариваются в рельсы длиной 500 метров и доставляются на строительные площадки специальными железнодорожными эшелонами;
Термитовая сварка в полевых условиях: с помощью термитовой сварки соединяются рельсы длиной 500 метров и специальные стыки стрелочных переводов. Высокая температура (1600 °C), возникающая в результате термитовых реакций, обеспечивает сплавление концов рельсов, после чего выполняется более десяти операций, включая правку, шлифование и контроль на наличие дефектов, чтобы гарантировать гладкость поверхностей стыков без выступов.

Основная техническая задача: термические нагрузки и температура нейтральной укладки железнодорожного полотна

В отсутствие компенсационных зазоров колебания температуры приводят к накоплению значительного осевого напряжения внутри рельсового пути CWR: высокие летние температуры вызывают сжимающее напряжение, создающее риск потери устойчивости рельсов, в то время как низкие зимние температуры вызывают растягивающее напряжение, которое может привести к поломке рельсов.

Инженерное решение: нейтральная температура укладки. Инженеры собирают данные местных метеорологических наблюдений за несколько десятилетий, чтобы рассчитать среднюю нейтральную температуру рельсов (20–30 °C в большинстве регионов страны). На рассвете или ночью, когда температура рельсов соответствует расчетному значению, гидравлические домкраты растягивают рельсы до стандартной длины, после чего десятки тысяч высокопрочных упругих крепежных элементов плотно фиксируют рельсы, преобразуя деформации, вызванные тепловым расширением и сжатием, в контролируемое внутреннее напряжение рельсов, что обеспечивает равномерное распределение нагрузки в любое время года. В альпийских регионах с экстремальными перепадами температур устанавливаются компенсационные швы, которые снимают избыточные напряжения и обеспечивают безопасную эксплуатацию железной дороги в течение всего года.

5. Система фундамента под железнодорожным полотном

Основание в нижней части железнодорожной трассы служит несущим фундаментом всего маршрута. Строительство включает в себя послойную засыпку и многократное уплотнение с помощью тяжелых катков. На верхней поверхности основания проектируется пологий двусторонний дренажный уклон, обеспечивающий быстрый отвод поверхностных дождевых вод и предотвращающий размягчение грунта в результате скопления воды.

При строительстве современного железнодорожного насыпа широко применяется укладка нескольких слоев геосинтетических материалов (геотекстиля, георешеток, геоячеек), которые выполняют четыре основные функции:

Разделение: предотвратить смешивание мелкой подстилающей почвы и верхнего слоя щебня, не допуская забивания щелей в щебне почвой, что может ухудшить дренаж и ухудшить упругость, а также предотвратить просачивание грязи из земляного полотна;
Фильтрация и дренаж: обеспечить просачивание дождевой воды, одновременно задерживая мелкие частицы грунта, чтобы предотвратить образование полостей в трубопроводах в результате водной эрозии земляного полотна;
Укрепление: сетчатые георешетки, заделанные в грунт, распределяют значительные нагрузки, передаваемые от поездов, повышают несущую способность фундаментов на мягких грунтах и сдерживают поперечное смещение земляного полотна;
Гашение вибраций: ослабление передачи вибраций вниз с целью уменьшения глубокой осадки грунта и продления общего срока службы железной дороги.

В случае горных мягких грунтов, пучистых грунтов и насыпей с высоким уровнем засыпки применяются технологии предварительной обработки, в том числе пластиковые дренажные плиты и песчаные фитильные дренажи, с целью устранения причин возникновения дефектов осадки железнодорожных путей на корню.

6. Регулярное техническое обслуживание действующих железнодорожных путей

Под воздействием миллионов циклических динамических нагрузок на железной дороге постепенно возникают дефекты, в том числе износ рельсов, расширение колеи, измельчение балласта, неравномерная осадка земляного полотна и коррозия крепежных элементов. Техническое обслуживание подразделяется на периодические плановые осмотры и аварийный ремонт:

Железнодорожные пути с балластным покрытием: крупные трамбовочные машины регулярно выравнивают вертикальный и горизонтальный уровни путей; каждые 3–5 лет проводится очистка старого балласта по всей длине линии и добавление нового твёрдого камня;
Рельсовый путь без балласта: основное внимание при техническом обслуживании уделяется шлифование рельсов а также замена изношенных упругих прокладок; при отсутствии серьезных повреждений бетонных оснований не требуется проведение крупномасштабных строительных работ;
Железнодорожные пути CWR: проверка температуры укладки в нейтральном диапазоне каждую весну и осень; обходные осмотры с целью выявления риска деформации рельсов в жаркие сезоны и обнаружения трещин и дефектов в рельсах в холодные сезоны;
Специальная виброгасящая рельсовая лестница: регулярный осмотр изношенных виброгасящих прокладок и регулировка высоты шпал для поддержания эффективности виброгашения.