4.2 Искусственные сооружения

К искусственным сооружениям относятся - мосты, эстакады, виадуки, тоннели, трубы, подпорные стены, регуляционные сооружения, дюкеры, галереи, селеспуски.

МОСТЫ

Мосты сооружаются в местах пересечения железной дорогой с водными преградами.

а)

Мосты могут быть однопролетные и многопролетные. Пролетные строения моста поддерживают путь, воспринимают давление подвижного

состава и передают его на опоры. Опоры моста подразделяются на береговые (устои) и промежуточные (быки).

Полная длина моста – это расстояние между задними гранями устоев.

Высота моста – это расстояние от уровня горизонта низких вод до подошвы рельса.

По высоте мосты бывают:

- низкие, которые для пропуска судов имеют подъемные, поворачивающиеся и разводные пролетные строения, и высокие.

По длине мосты делятся на:

• малые (до 25 м);

• средние (от 25-100 м);

• большие (100м – 500м);

• внеклассные (более 500м).

Мосты бывают: металлические, железобетонные (см. рис. 4.4 и рис. 4.5), бетонные, каменные, а по количеству путей однопутные, двухпутные и многопутные.

Рис. 4.4 Пример металлического моста длиной 34 метра

Рис. 4.5 Общий вид железобетонного моста

Пролетное строение данного моста – железобетонные балки. Устои совмещенные. Большая площадь водосбора перед мостом.

ПУТЕПРОВОДЫ

Путепроводы сооружаются в местах пересечения дорог в разных уровнях.

ЭСТАКАДЫ

Эстакады применяют вместо высокой насыпи на городской территории или на подходах к большим мостам.

ВИАДУКИ

Виадуки сооружаются вместо насыпей в глубоких ущельях и оврагах.

ТОННЕЛИ

Тоннели сооружаются для пропуска пути под землей или под водой. Тоннели бывают: горные, подводные, городские.

Горные тоннели сооружаются в случае невозможности обхода горы, когда постройка тоннеля оказывается дешевле глубокой выемки. Для отвода воды из тоннеля делают лотки, а для укрытия людей, находящихся в тоннеле во время прохода поезда, делают ниши. Вход в тоннель оформляется порталом.

ТРУБЫ

Трубы устраивают вместо мостов на небольших водотоках для пропуска через насыпь ливневых и талых вод. Устройство трубы возможно при высоте насыпи не менее двух метров. Их преимущество: непрерывность земляного полотна, малая чувствительность к увеличению веса поезда, небольшие эксплуатационные расходы на их содержание.

Трубы бывают: металлические, бетонные, железобетонные, каменные.

По форме: круглые, прямоугольные, сводчатые (овальные). По количеству: одноочковые и многоочковые. На рисунке 4.6 приведен пример металлической трубы с отверстием 1,07 метра и толщиной стенки 20мм.

Рис. 4.6 Пример металлической трубы

ГАЛЕРЕИ

Галереи сооружают в горной местности, и служат защитой для железной дороги от камнепадов и снежных лавин.

4.3 Верхнее строение пути и его основные элементы

Верхнее строение пути состоит из балластного слоя, шпал, рельсов, рельсовых скреплений, противоугонных устройств, стрелочных переводов, мостовых и переводных брусьев. Эта комплексная конструкция предназначена для восприятия поездной нагрузки и направления движения подвижного состава:

Прочность верхнего строения определяется типом рельсов, родом балласта, толщиной и шириной балластного слоя, типом и количеством шпал на одном километре пути.

БАЛЛАСТНЫЙ СЛОЙ

Основным назначением балластного слоя является восприятие давления от шпал и равномерное распределение его на основную площадку земляного полотна, обеспечение устойчивости шпал под воздействием вертикальных и горизонтальных сил, обеспечение упругости подрельсового основания, отвод поверхностных вод.

Балластный слой для железнодорожного пути устраивается из сыпучих и хорошо проводящих воду материалов. Он должен обеспечивать устойчивость пути и обладать упругими свойствами. Балластный слой может сооружаться из следующих материалов: щебень, гравий, отходы асбестового производства, ракушечник, песок. При тяжелом типе верхнего строения применяется щебень и асбест на подушке из песка. При нормальном типе верхнего строения пути может применяться любой вид балластного материала.

Щебень – хорошо пропускает воду, не смерзается в зимнее время, превышает срок службы балласта из любого другого материала. Однако он быстрее загрязняется различными сыпучими материалами (руда, уголь, торф). Для предохранения балластного слоя из щебня от загрязнения грунтом при вдавливании в земляное полотно, а также для уменьшения расхода щебня его укладывают на песчаную подушку.

Гравийный и гравийно-песчаный балласт - дешевле щебня, меньше загрязняется, но менее устойчив к нагрузкам, хуже пропускает воду и может смерзаться в зимнее время.

Асбестовый балласт (отходы асбестового производства) в виде раздробленных горных пород с присутствием мелких свободных волокон асбеста. При достаточной высокой несущей способности, малой засоряемости, больших удобствах выправки пути имеет ряд недостатков: сильно пылит при высоких скоростях движения и недостаточно устойчив против размыва ливневыми дождями.

Ракушечный балласт имеет местное значение и применяется только на малодеятельных линиях.

Песчаный балласт - наихудший из балластов, поэтому его применяют только на малодеятельных линиях, станционных путях и в качестве подушки под щебеночный и асбестовый балласт.

Рис. 4.7 Поперечные профили балластной призмы из щебня на песчаной подушке для особо тяжелого типа верхнего строения пути на однопутных участках:

а, б - соответственно в прямых и кривых участках пути на деревянных шпалах; в, г - то же на железобетонных шпалах;

h - возвышение наружного рельса; 1 - щебень; 2 – песок

Размеры балластного слоя зависят от грузонапряженности линии. Ширина балластной призмы по верху на прямых участках пути на однопутных линиях составляет от 3,2 до 3,6 м. На двухпутных линиях размеры балластного слоя увеличиваются на ширину междупутья. Толщина балластного слоя составляет от 0,45 до 0,6 м.

При загрязнении балласта его подвергают очищению с помощью щебнеочистительной машины.

Рис. 4.8 Поперечные профили балластной призмы из щебня на песчаной подушке для особо тяжелого типа верхнего строения пути на двухпутных участках:

а, б - соответственно в прямых и кривых участках пути на деревянных шпалах; в, г - то же на железобетонных шпалах;

А - уширение междупутья в кривых; h - возвышение наружного рельса; 1 - щебень; 2 - песок

ШПАЛЫ И БРУСЬЯ

Шпалы являются основным видом подрельсовых оснований, предназначены для крепления к ним рельс, обеспечения постоянства ширины колеи, для восприятия давления от рельсов и передачи его на балластный слой.

Шпалы должны быть прочными, упругими, дешевыми и обладать достаточным сопротивлением электрическому току. На железных дорогах в зависимости от условий эксплуатации находят применение деревянные и железобетонные шпалы, а также брусья для стрелочных переводов и металлических мостов.

Основные требования к деревянным шпалам приведены в ГОСТ 78-89 (введен с 1 июля 1991 года взамен ГОСТ 78-65):

1. Деревянные шпалы для железных дорог широкой колеи в зависимости от назначения изготавливаются трех типов (рис. 4.9):

I - для главных путей;

II - для станционных и подъездных путей;

III - для малодеятельных подъездных путей промышленных предприятий.

2. По форме поперечного сечения деревянные шпалы подразделяются на три вида:

обрезные - пропилены четыре стороны;

полуобрезные - пропилены три стороны;

необрезные - пропилены две противоположные стороны, две другие могут быть пропилены частично.

3. Размеры шпал установлены для древесины с абсолютной влажностью не более 22%. При большей влажности древесины шпалы должны иметь по толщине и ширине припуски на усушку: для хвойных пород - по ГОСТ 6782.1-75, а для лиственных пород - по ГОСТ 6782.2-75.

4. Длина шпал должна быть 2750 мм при измерении по наименьшему расстоянию между торцами.

5. Шпалы должны изготовляться из древесины следующих пород: сосны, ели, пихты, лиственницы, кедра и березы.

6. Шпалы, до укладывания их в путь, должны быть пропитаны на заводах - изготовителях маслянистыми защитными средствами. Качество пропитки шпал масляными антисептиками должно удовлетворять требованиям ГОСТ 20022.5-75.

На 1 км пути укладывается 1440-1600-1840-2000 шт.

Достоинством деревянных шпал является: легкость, упругость, простота изготовления, удобство крепления рельсов, высокое сопротивление токам рельсовых цепей.

Недостатками деревянных шпал является: небольшой срок службы (15-18 лет) и значительный расход деловой древесины.

Рис. 4.9 Поперечные сечения деревянных шпал по ГОСТ 78-89:

а - обрезных; б - полуобрезных; в - необрезных

Брусья для стрелочных переводов подразделяются:

а) по назначению на типы:

I - для главных путей;

II - для малодеятельных главных, приемо-отправочных путей и сортировочных горок;

III - для подъездных путей промышленных предприятий;

б) по форме поперечного сечения на виды:

обрезные (А) (пропиленные с четырех сторон);

необрезные (Б) (пропиленные с двух противоположных сторон).

Рис. 4.10 Поперечные сечения деревянных брусьев для стрелочных переводов по ГОСТ 8816-70:

а - обрезных; б - необрезных

Железобетонные шпалы (применяются с 1957 г) имеют больший срок службы (40-50 лет), обеспечивают высокую устойчивость пути, плавность движения поездов (из-за одинаковых размеров и равной упругости шпал), но сложны в эксплуатации, очень тяжелые, обладают высокой стоимостью и жесткостью. Для уменьшения жесткости на железобетонных шпалах под металлические подкладки и под рельсы помещают резиновые упругие прокладки.

Железобетонные шпалы изготавливаются путем предварительного напряжения арматуры. В качестве арматуры используется стальная углеродистая холоднотянутая проволока от 3-5 мм. За счет растяжения арматуры обеспечивается упругость шпал.

Основные требования к предварительно напряженным железобетонным шпалам для железных дорог колеи 1520 мм приведены в ГОСТ 10629-88 (введен с 1 января 1990 г. взамен ГОСТ 10629-78)

1. Стандартом предусмотрено изготовление шпал двух типов:

Ш1 - для раздельного клеммно-болтового рельсового скрепления (типа КБ) с болтовым прикреплением подкладки к шпале (рис. 4.11);

Ш2 - для нераздельного клеммно-болтового рельсового скрепления (типа БПУ) с болтовым прикреплением подкладки или рельса к шпале.

2. Шпалы типа Ш1 изготавливаются в двух вариантах, отличающихся очертанием подрельсовой площадки. Угол наклона упорных кромок подрельсовых площадок в шпалах может быть 72° и 55°.

Рис. 4.11 Шпала железобетонная типа Ш 1-1 по ГОСТ 10629-88

1 - арматура, 2 - закладная шайба

В зависимости от трещиностойкости, точности геометрических параметров, качества бетонных поверхностей шпалы подразделяют на два сорта: первый и второй. Шпалы второго сорта предназначены для укладки на малодеятельных, станционных и подъездных путях. Поставку шпал второго сорта производят только с согласия потребителя.

Помимо шпал, к подрельсовым основанием относятся мостовые и переводные брусья, отдельные опоры в виде полушпал, а также сплошные опоры в виде плит и рам. Используют рамнолежные и плитные железобетонные основания (повышается стабильность пути и уменьшается расход балластного слоя).

РЕЛЬСЫ

Рельсы непосредственно воспринимают давление подвижного состава и направляют его движение. Их изготавливают из высокопрочной стали с высоким содержанием углерода (0,67-0,84%). Материал должен быть твердым, но не хрупким. Для повышения прочности рельсы закаливают. Их выпускают стандартной длины – 25 метров, а для укладки в кривых выпускают укороченные рельсы 24,92 м и 24,84 м. Часто железнодорожный путь укладывают сварными рельсовыми плетями длиной 800 м (бесстыковой путь). Одна из основных особенностей бесстыкового пути состоит в том, что хорошо закрепленные рельсовые плети при повышении или понижении температуры не могут изменять свою длину. Из-за этого в них возникают значительные продольные растягивающие или сжимающие силы, которые в жаркую погоду могут привести к выбросу пути в сторону, а в сильный мороз – к излому плети с образованием опасного зазора. Поэтому бесстыковой путь укладывают на железобетонных шпалах с раздельным скреплением на щебеночном балласте.

К широкой укладке бесстыкового пути на железных дорогах России приступили в начале 1960-х годов, чему способствовало освоение массового производства железобетонных шпал. На 1 января 2000 года протяженность бесстыкового пути на железных дорогах России составила 43347км, в том числе 39658 км на главных путях, что составляет почти 32% их общей длины, и 3689 км на станционных.

Наиболее слабым местом бесстыкового пути являются уравнительные пролеты. На содержание и ремонт уравнительных пролетов приходится почти 50% общих затрат средств и труда. Поэтому в настоящее время на железных дорогах России интенсивно ведутся работы по увеличению длины плетей как эксплуатируемых, так и вновь укладываемых с доведением ее до длины блок-участка или перегона.

В зависимости от массы и поперечного профиля рельсы подразделяются на типы Р43, Р50, Р65, Р75. Буква Р означает «рельс», а цифра – округленный вес в килограммах одного погонного метра рельса (табл.4.1).

Выбор типа рельсов зависит от грузонапряженности линии, нагрузки и скоростей движения поездов. При сплошной замене рельсов на основных направлениях железных дорог в путь укладывают в зависимости от грузонапряженности новые рельсы двух типов: Р75 (ГОСТ 16210-77) и Р65 (ГОСТ 8161-75). На путях промышленных предприятий находят применение рельсы типов Р50 (ГОСТ 7174-75) и Р43 (ГОСТ 7173-54). В железнодорожных путях имеются рельсы таких же типов, но более ранних лет укладки. Рельсы, вторично используемые в путях, называются старогодными.

Рельс Р65 (поперечный профиль)

Головка рельса

Шейка

Подошва рельса

Срок службы рельсов измеряется количеством проследовавшего по ним тоннажа (Р65 - 500 млн. т. брутто, Р50 – 350 млн. т. брутто). Срок службы рельсов Р75 примерно на 30% выше, чем для Р65. Для замены выявленных дефектных рельсов на каждом километре пути имеется так называемый километровый запас рельсов, хранящихся на специальных станках.

Таблица 4.1

Основные размеры рельсов

Тип рельса	Масса, кг/м	Размеры, мм
		Высота			Ширина головки понизу	Толщина шейки	Ширина подошвы
		рельса	головки	Подошвы
Р75 Р65 Р50	74,41 64,72 51,67	192 180 152	55,3 45 42	32,3 30 27	75 75 72	20 18 16	150 150 132

РЕЛЬСОВЫЕ СКРЕПЛЕНИЯ

Рельсовые скрепления служат для крепления рельсов к шпалам и рельсов между собой. Рельсы в стыках соединяются с помощью двухголовых металлических накладок. Бесстыковой путь с рельсами типов Р75, Р65 и Р50 на железобетонных шпалах в зоне стыков уравнительных пролетов имеет такую же конструкцию, как и на деревянных шпалах. Основным типом рельсового скрепления для деревянных шпал является костыльное скрепление.

Костыльное скрепление может быть нераздельным и смешанным:

• нераздельное скрепление – рельс и металлическая прокладка крепится к шпалам костылями одновременно.

• смешанное скрепление – отдельно двумя костылями крепится металлическая подкладка к шпале, а затем еще двумя или тремя костылями крепится металлическая подкладка и рельс к шпале.

Клеммное скрепление применяется для крепления рельсов, как на деревянных, так и на железобетонных шпалах.

Клеммное скрепление – сложное и более металлоемкое. Оно состоит из закладочных болтов, металлических прокладок, клеммных болтов, гаек, гроверных или пружинных шайб.

Рис. 4.12 Пример стыкового и промежуточного костыльного скрепления для рельсов типов Р75, Р65

Закладочными болтами к железобетонной шпале крепится металлическая прокладка, на металлическую прокладку укладывают резиновую подкладку, на которую укладывается рельс.

Преимущество клеммного скрепления состоит в том, что отсутствует вибрация прокладок, возможность смены рельса без вытаскивания шурупов.

Недостаток клеммного скрепления: большой расход металла, множество деталей, трудоемкость работ при ремонте и замене рельс.

СТЫКОВЫЕ СКРЕПЛЕНИЯ

Стыковые скрепления объединяют рельсы в непрерывную рельсовую нить. Они состоят из двух накладок, болтов, пружинных шайб и гаек. Гайки на болтах завинчивают так, чтобы дать возможность рельсам перемещаться в накладках при изменении их длины от воздействия температуры. По этой же причине отверстия в накладках выполняют овальной формы, а между торцами рельсов оставляют зазор  21 мм.

Конструкция стыка должна обеспечивать прогиб рельса не более прогиба самого рельса.

Стыковые скрепления могут располагаться:

а) на одной шпале б) на весу в) на двух шпалах

Стыки обеих рельсовых нитей располагают друг против друга. Это улучшает плавность хода поезда за счет одновременного прохода колесной парой стыков и для удобства укладки рельсов путеукладочной машиной.

ПРОТИВОУГОНЫ

Угон пути – это продольного перемещение рельсов в направлении движения поезда. Возникает вследствие волнообразного изгиба рельсов под движущимся поездом, из-за ударов колес на стыках рельсов и торможении.

На двухпутных участках угон происходит по направлению движения, а на однопутных линиях угон бывает двусторонний.

Для исключения продольного перемещения рельсов при нераздельном и смешанном скреплении применяют противоугоны.

Рис. 4.13 Противоугон пружинный П65 по ТУ 14-4-1438-87 к рельсам типа Р65

Самые простые – это пружинные противоугонные скобы (пружинная скоба, защемляющаяся на подошве рельса и упирающаяся в шпалу). Применяются также самозаклинивающиеся противоугоны, состоящие из скобы и клина с упором, который прижимается к шпале и при перемещении рельса заклинивается все сильнее. На звено длиной 25 метров ставят от 18 до 44 пары противоугонов.

УСТРОЙСТВО РЕЛЬСОВОЙ КОЛЕИ

В ПРЯМЫХ И КРИВЫХ УЧАСТКАХ ПУТИ

Расстояние между внутренними гранями головок рельсов называется шириной колеи (расстояние между колесами 1440+3 мм и две толщины гребней (от 25 до 33 мм) и зазоров между колесами и рельсами +6 мм и -4 мм).

Устройство рельсовой колеи тесно связано с конструкцией и размерами колесных пар подвижного состава. Колесная пара состоит из стальной оси, на которую наглухо насажены колеса, имеющие для предотвращения схода с рельсов направляющие гребни.

Поверхность катания колес подвижного состава в средней части имеет коничность 1/20, которая обеспечивает более равномерный износ, большее сопротивление горизонтальным силам, препятствует появлению желоба на поверхности катания. И рельсы устанавливаются также с подуклонкой 1/20.

Рис. 4.14 Пример кривых участков пути в горловине станции

В соответствии с ПТЭ верх головок рельсов обеих нитей пути на прямых участках должен быть в одном уровне. Разрешается на прямых участках пути на всей протяженности каждого из них содержать одну рельсовую нить выше другой на 6 мм.

Стыки на обеих рельсовых нитях располагают точно один против другого (это уменьшает число ударов колесных пар о рельсы, проще менять рельсошпальную решетку целыми звеньями с помощью путеукладчиков).

Чтобы каждая колесная пара не могла поворачиваться вокруг вертикальной оси, колесные пары вагона или локомотива соединяют по две и более жесткой рамой. Жесткое соединение колесных пар обеспечивает устойчивое положение их на рельсах, но в то же время затрудняет прохождение в кривых малого радиуса, где возможно их заклинивание.

В кривых участках (рис. 4.14) устройство пути имеет ряд особенностей: возвышение наружного рельса над внутренним рельсом, наличие переходных кривых, уширение колеи при малых радиусах, укладка укороченных рельсов на внутренней рельсовой нити, усиление пути, увеличение расстояния между осями путей на двухпутных и многопутных линиях.

Возвышение наружного рельса над внутренним предусматривается при радиусе кривой 4000 метров и менее для того, чтобы нагрузка на каждую рельсовую нить была примерно одинаковой с учетом действия центробежной силы и не должно превышать 150 мм.

Устройство переходных кривых связано с необходимостью плавного сопряжения кривой с примыкающей прямой к в плане, так и в профиле.

Уширение колеи производится для обеспечения вписывания подвижного состава в кривые. Поскольку колесные пары закреплены в раме тележки таким образом, что в пределах жесткой базы они всегда параллельны между собой, в кривой только одна колесная пара может расположиться по радиусу, а остальные будут находиться под углом. Это вызывает необходимость увеличения зазора между гребнями колес и рельсами во избежание заклинивания колесных пар.

Укладка укороченных рельсов во внутреннюю нить необходима для исключения разбежки стыков. Поскольку внутренняя рельсовая нить в кривой короче наружной, то укладка в неё рельсов той же длины вызовет забегание стыков вперед. Укладку укороченных рельсов во внутренней нити чередуют с укладкой рельсов нормальной длины.

Усиление пути в кривых производится при радиусах меньше 1200 м для обеспечения необходимости равнопрочности с примыкающими прямыми. Для этого увеличивают число шпал на километр, уширяют балластную призму с наружной стороны кривой, на двух- и многопутных линиях увеличивают расстояние между осями путей.