Глава 7 проектирование усиления (реконструкции) существующих железных дорог. Проектирование дополнительных главных путей

7.1. Задачи усиления (реконструкции) железных дорог

Целями реконструкции существующих железнодорожных линий могут быть улучшение их эксплуатационных показателей (в частности — повы­шение скоростей движения поездов) и увеличение мощности линий при росте грузонапряженности.

В настоящее время на большинстве направлений железнодорожной сети России максимальные скорости движения пассажирских поездов не дости­гают 140 км/ч. Средняя техническая скорость пассажирских поездов в дальнем сообщении составляет 61 км/ч, а участковая скорость — около 55 км/ч. Повышение конкурентоспособности железных дорог в пассажир­ских перевозках связано с увеличением скоростей движения поездов.

В России разработана программа поэтапного повышения скоростей пас­сажирских поездов до 160—200 км/ч на существующих линиях со стабиль­ными пассажиропотоками за счет модернизации и реконструкции пути, искусственных сооружений, устройств электроснабжения, СЦБ, связи и других сооружений и устройств. Базовым направлением для наработки опыта организации скоростного движения поездов является линия Санкт- Петербург — Москва, на которой отдельными поездами достигнуты скоро­сти 160 км/ч (поезда "Аврора", "Невский экспресс") и 200 км/ч (электро­поезда ЭР200).

Увеличение скоростей движения поездов предусматривается на участке Москва — Красное (направление Москва - Минск - Брест) и на других направлениях железнодорожной сети России (подробнее см. Введение).

Реконструктивным мероприятием, значительно увеличивающим мощ­ность существующей железной дороги, является сооружение дополнитель­ных главных путей. Строительство второго пути на однопутной линии при оборудовании ее автоблокировкой увеличивает пропускную способность железной дороги в 3—4 раза. Одновременно значительно улучшаются экс­плуатационные показатели дороги: растет участковая скорость, сокращает­ся оборот локомотивов и вагонов и уменьшается потребность в подвижном составе, быстрее доставляются грузы и пассажиры, снижается себестои­мость перевозок.

Актуально также строительство третьих и четвертых главных путей на участках железных дорог, примыкающих к крупным городам с большими размерами движения пригородных поездов.

7.2. Усиление (реконструкция) железных дорог для повышения скоростей движения поездов

Для обеспечения скоростного движения поездов на существующих же­лезных дорогах должно быть выполнено усиление (реконструкция) про­дольного профиля и плана пути, земляного полотна, верхнего строения пути, искусственных сооружений и других устройств.

Как рассмотрено в гл. 3 [формула (3.3)], максимально допускаемая ско­рость движения поездов в кривой радиуса R зависит от возвышения на­ружного рельса h и недостатка возвышения ДА, определяемого допускае­мым непогашенным поперечным ускорением в кривой а_н. Согласно Мето­дике определения возвышения наружного рельса в кривых участках пути (1997 г.) [34] наибольшее возвышение наружного рельса в кривой радиуса R ограничивается скоростью потока грузовых поездов у_Пгр, при которой

(7.1)

Указанное увеличение значения а_н ощутимо повышает допускаемую скорость движения пассажирских поездов. Так, в кривой радиуса 1000 м при у_Пгр = 50 км/ч максимальная скорость пассажирских поездов v_maXnc

возрастет со 124 до 140 км/ч, а в кривой радиуса 1500 м — со 148 до 167 км/ч.

Другая возможность увеличить скорости движения пассажирских поездов заключается в создании вагонов с регулируемым наклоном кузова

отрицательное непогашенное поперечное ускорение должно быть не менее —0,3 м/с² [см. формулу (3.2)]. Инструкцией по техническому обслужива­нию и эксплуатации сооружений, устройств, подвижного состава и органи­зации движения на участках обращения скоростных пассажирских поездов (ЦРБ-393) [27] для пассажирских поездов установлено значение наиболь­шего непогашенного поперечного ускорения а_н равное 0,7 м/с², чему соот­ветствует недостаток возвышения наружного рельса в кривой ДА = 115 мм. В этих условиях максимальная скорость пассажирских поездов определяет­ся формулой (3.4):

v,

В случаях, когда радиус существующей кривой ограничивает возмож­ность повышения скорости движения поездов, а положение кривой требует значительных затрат по переустройству земляного полотна и искусствен­ных сооружений, Инструкция ЦРБ-393 в соответствии со Строительно- техническими нормами СТН Ц-01-95 допускает возможность увеличения а„ до 1 м/с² с разрешения Департамента пути и сооружений МПС. При таком значении а_и возрастает недостаток возвышения наружного рельса ДА = 163 мм и наибольшая допускаемая скорость пассажирских поездов в кривой радиуса R определяется формулой

внутрь кривой. Такие решения, примененные на некоторых зарубеж­ных железных дорогах, позволили, не повышая непогашенного попе­речного ускорения, увеличить в кривых скорость движения поездов на 25-35 %.

Для введения скоростного движения поездов должны быть устранены все дефекты и деформации земляного полотна: пучины более 10 мм, про­садки пути, превышающие 18 мм, выплески, выпучивание откосов, оседа­ние обочин, трещины в грунтах. Все противодеформационные сооружения подвергают освидетельствованию, ремонтируют, восстанавливают или за­меняют в соответствии с проектом. Если необходимость в этих сооружени­ях отпадает, то их консервируют по специальным проектам.

При усилении земляного полотна выполняют следующие работы: попе­речные профили земляного полотна приводят в соответствие с требова­ниями по общей и местной устойчивости и размещению балластного слоя с сохранением обочин шириной не менее 0,5 м; обеспечивают круглого­дичный гарантированный отвод поверхностных и грунтовых вод от желез­нодорожного пути; создают защитные слои, гарантирующие требуемую несущую способность основной площадки во все сезоны года; удаляют с поверхности земляного полотна накопившиеся засорители, препятствую­щие быстрому стеканию атмосферных осадков и стоку весеннего снеготая­ния.

Согласно Инструкции ЦРБ-393 на скоростных участках должны укла­дываться новые рельсы типа Р65, I группы, 1-го класса, термоупрочнен- ные, сваренные электроконтактным способом из 25-метровых одиночных рельсов без болтовых отверстий в плети длиной до 800 м, которые на месте свариваются без уравнительных пролетов в плети бесстыкового пути на протяжении блок-участка или перегона, оборудованного тональной авто­блокировкой.

На участках скоростного движения пассажирских поездов применяют железобетонные шпалы. Промежуточные рельсовые скрепления должны быть с упругими клеммами (допускаются до организации их серий­ного производства применение скреплений типа КБ с жесткими клемма­ми).

Железобетонные шпалы укладывают на слой щебня фракций 25—60 мм, марки И-20 по ГОСТ 7392—85, толщиной не менее 40 см. Подушка под щебнем толщиной не менее 15 см состоит из песчано-гравийной смеси или щебня фракций 5—25 мм. Вместо подушки может быть уложен защит­ный слой из полимерных материалов Плечо балластной призмы составля­ет не менее 45 см, крутизна откосов 1:1,5.

Стрелочные переводы укладывают типа Р65, марки крестовины не круче 1/11 с гибкими остряками и крестовиной с непрерывной поверхностью катания. Остряки, рамные рельсы, усовики и подвижные сердечники должны быть термоупрочненными. При скоростях движения до 160 км/ч допускается применять крестовины с усиленным поворотным сердечни­ком.

При реконструкции мостов предпочтение отдают пролетным строениям с устройством пути на балласте На мостах и в тоннелях путь укладывают на щебеночном балласте с железобетонными шпалами. Ширина плеча бал­ластной призмы должна быть не менее 40 см, а толшина балласта под шпалой в подрельсовой зоне — 30 см с допуском не более 5 см.

7.3. Мощность железных дорог и факторы, ее определяющие

Мощность железной дороги определяется ее пропускной и провозной способностью. Пропускная способность — число п пар поездов (для двух­путных линий число поездов каждого направления), которое дорога может пропустить в сутки. Провозная способность определяет мощность дороги по грузовым перевозкам. Это число тонн груза Г, которое дорога может пере­везти за единицу времени (обычно за год) в каждом направлении

3650 п,_с

/• = (7.2)

К

^гДе£2„_ср ^— средняя масса нетто состава грузового поезда, т; л,._р — число грузовых

поездов в сутки; к_ц - коэффициент внутригодичной неравномерности перевозок, зависящий от структуры грузопотока (к„ > 1).

Провозную способность железных дорог можно повысить, увеличивая [см. формулу (7.2)] пропускную способность «ф при сохранении массы со­става, массу состава при неизменной пропускной способности, либо одно­временно пропускную способность и массу состава.

Значения средней массы брутто грузового поезда на железных дорогах России за последние годы следующие:

Годы 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

Средняя масса брутто

грузового поезда, т 3170 3213 3295 3345 3380 3536 3554

Увеличение массы и количества поездов на железной дороге можно осуществить при максимальном использовании существующего техниче­ского оснащения дороги (т.е. внедряя организационно-технические меро­приятия) и реконструктивными мероприятиями.

Организационно-технические мероприятия включают: увеличение массы поездов за счет более полного использования кинетической энергии поез­да; увеличение скорости движения на перегонах, ограничивающих пропу­скную способность; введение кратной тяги на отдельных перегонах; уплот­нение графика движения поездов; введение соединенных поездов, а также формирование поездов повышенной массы с локомотивами, рассредото­ченными в составе.

Реконструктивные мероприятия предусматривают: применение более со­вершенных устройств СЦБ; удлинение приемо-отправочных путей и уве­личение числа путей на раздельных пунктах; введение более мощных ло­комотивов при данном виде тяги или замену тепловозной тяги электриче­ской; смягчение продольного профиля пути или изменение трассы на от­дельных участках; укладку вторых путей на части или на всем протяжении реконструируемой линии.

Организационно-технические мероприятия, требующие меньших капи­таловложений, обычно предшествуют реконструкции эксплуатируемой до­роги. В ряде случаев организационно-технические мероприятия сочетаются с реконструктивными. Так, при увеличении массы поезда за счет тех или иных организационных мероприятий может потребоваться удлинение приемо-отправочных путей на раздельных пунктах.

Рассмотрим основные из организационно-технических мероприятий по увеличению мощности существующих железных дорог.

К числу мероприятий, обеспечивающих более полное использование кинетической энергии поезда, относятся отмена остановки на раздельном пункте, предшествующем перегону с профилем, ограничивающим массу состава, и отмена ограничения скорости на тех участках, где это обеспечи­вает увеличение массы поезда.

Пример 1. По условиям преодоления расчетного подъема 11,7 %о после останов­ки поезда на предшествующем разъезде наибольшая масса состава равна 4100 т [кривая скорости v(5) в виде штриховой линии на рис. 7.1]. При отмене остановки [кривая v(5) в виде сплошной линии] масса поезда благодаря использованию кине­тической энергии может быть увеличена до 4700 т. Штрих-пунктирная линия под­тверждает, что без отмены остановки поезд массой 4700 т не может преодолеть рас­четный подъем.

остановки

Пример 2. Отмена ограничения скорости на участке, предшествующем расчет­ному подъему (сплошная линия на рис. 7.2), позволяет увеличить массу состава до 4900 т, в то время как ограничение скорости (штриховая линия) уменьшает массу состава до 4400 т.

Рис. 7.1. Кривые v(S) с учетом останов- Рис. 7.2. Кривые v(S) с учетом ограни- ки поезда на разъезде и при отмене чения скорости поезда и при отмене

ограничения

Рассмотренный пример 2 иллюстрирует важную роль путейцев в обес­печении вождения грузовых поездов большой массы. При решении вопро­сов увеличения мощности существующих железных дорог необходим тща­тельный анализ всех участков ограничения скорости поездов по состоянию пути, искусственных сооружений, плану линии (малые радиусы кривых). На многих из этих участков даже значительные затраты по реконструкции плана, замене или усилению искусственных сооружений с целью отмены ограничения скорости могут быстро окупиться за счет увеличения массы грузовых поездов.

Указанные мероприятия позволяют одновременно с увеличением массы поезда несколько повысить скорость и уменьшить время хода поезда по перегону. Если данный перегон ограничивал пропускную способность ли­нии, то уменьшение времени хода поезда по перегону одновременно уве­личит пропускную способность я,_р.

дороге:

а — непакетный; б — частично пакетный

В тех случаях, когда масса поезда в пределах между участковыми стан­циями ограничивается профилем небольшого числа перегонов, может ока­заться эффективной кратная тяга на этих перегонах, что позволит увели­чить массу состава на всем участке.

Непакетный график движения поездов (рис. 7.3, а) может быть уплотнен введением частично пакетного графика, который обеспечивает повышение пропускной способности линии за счет относительно небольших интерва­лов / между поездами в пакете (рис. 7.3,6). Частично пакетный график можно ввести на линиях, оборудованных автоблокировкой, при достаточ­ном числе путей хотя бы на части раздельных пунктов (на разъезде А, рис. 7.3,6) для скрещения пакетов поездов.

Введение соединенных поездов (с постановкой локомотивов в голове и середине состава) существенно увеличивает провозную способность желез­ной дороги. Такие поезда можно формировать массой до 12 тыс. т с чис­лом осей вагонов до 540 (с объединенной тормозной магистралью). Такой же массы и длины поезда могут формироваться при постановке локомоти­вов в голове и хвосте состава, а при постановке локомотивов в голове и последней трети состава (что уменьшает продольные силы, возникающие при движении поезда) масса поездов может достигать 16 тыс. т, а количе­ство осей вагонов — 780. Беспрепятственная и эффективная эксплуатация длинносоставных поездов повышенной массы будет обеспечена, если хотя бы на части раздельных пунктов имеются приемо-отправочные пути доста­точной длины.

Рассмотрим реконструктивные мероприятия по усилению мощности дороги.

Введение совершенных устройств СЦБ (автоблокировки и диспетчер­ской централизации) позволяет не только уменьшить станционные интер­валы т_А и т_Б (см. рис. 7.3), но и создает условия для введения частично па­кетного графика.

Более мощные локомотивы при том же виде тяги дают возможность увеличить массу состава. Так, электровозы постоянного тока ВЛ11 и пере­менного тока ВЛ80^С могут работать не только в двухсекционном виде (8 осей), но и в составе трех и четырех секций (12 и 16 осей) при управле­нии ими по системе многих единиц.

Частичное смягчение уклонов на участках, где относительно небольшое число крутых подъемов ограничивают норму массы поездов, может обес­печить увеличение массы состава на целом железнодорожном направле­нии. Если участки с ограничивающими подъемами имеют значительную длину, то для смягчения уклона может потребоваться изменение трассы на некотором протяжении.

Для повышения массы грузовых поездов может быть необходимым уд­линение приемо-отправочных путей раздельных пунктов, если существую­щая длина станционных путей ограничивает длину и соответственно массу состава (см. п. 2.5).

Электрификация железной дороги - одно из важных реконструктивных мероприятий. Она не только существенно повышает пропускную и про­возную способность линии; но одновременно увеличивает производитель­ность труда и дает большую экономию энергетических ресурсов.

Эффективность электрической тяги иллюстрируется следующими экс­плуатационными показателями железных дорог России (данные 2002 г.):

Техническая скорость движения грузовых поездов, км/ч 45,8/47,0

Участковая скорость движения грузовых поездов, км/ч 38,2/40,0

Средняя масса брутто грузового поезда, т 3554/3682

(в числителе - среднесетевые данные, в знаменателе — на электрифицирован­ном полигоне сети железных дорог)

Одним из наиболее капиталоемких реконструктивных мероприятий яв­ляется строительство дополнительных главных путей, значительно увели­чивающих пропускную способность линии и улучшающих ее эксплуатаци­онные показатели.