Ревякин А.А. Изыскания и проектиров. ж.д. Для самостоят. раб. 2017

Все результаты проектирования представляются в виде таблиц стандартного образца и(или) в виде файлов в формате специализированных чертежных программ или AutoCAD.

Математические методы проектирования реконструкции продольного профиля железных дорог проекции градиента, последовательного анализа вариантов, минимальной поправки, используемые в различных проектирующих программах, – стандартные математические методы, реализация которых к настоящему времени достаточно хорошо освоена разработчиками программных средств АПР.

Например, метод проекции градиента сводится к последовательной реализации множества стандартных операций с матрицами большой размерности (транспонирование, обращение, умножение), которые обеспечивают поиск точки минимума целевой функции (строительной стоимости) при вариациях управляемых переменных (отметок проектной линии) в пределах допускаемой области их изменения, определяемой ограничениями оптимизационной задачи (нормы проектирования).

Проектирование реконструкции поперечных профилей земляного полотна ведут в интерактивном режиме после определения проектного положения оси реконструируемого пути в плане и продольном профиле (рис. 1.20)

Рис. 1.20. Окно модуля проектирования реконструкции поперечных профилей земляного полотна (комплекс Карrem)

21

1.5 Экономические и социальные аспекты автоматизированного проектирования

При оценке сравнительной эффективности различных САПР следует различать:

прямую экономию – уменьшение стоимости проектных работ и повышение производительности труда;

косвенную экономию – улучшение качества продукции, сокращение времени проектирования, повышение качества проектов, рост эффективности труда каждого работающего.

В современных условиях наряду с прямой экономией существенное значение приобретает косвенный эффект от использования САПР, в значительной мере определяющий конкурентоспособность проектной организации на рынке проектов:

–повышение качества продукции;

–уменьшение сроков проектирования;

–улучшение качества проектно-сметной документации.

Большое значение имеет и повышение «комфортности» условий работы проектировщиков, что косвенно приводит и к росту ее эффективности.

Точная оценка косвенного эффекта от повышения качества продукции, например, снижение строительной стоимости новой железной дороги, вряд ли возможна в связи с высоким качеством этой продукции и при традиционных технологиях проектирования. Основное (и принципиальное) значение имеют уменьшение сроков проектирования и повышение качества проектно-сметной документации, также не выражаемые в виде объемов и затрат.

Полагают, что значения PR и CR вместе с существующими ограничениями могут стать основой для принятия решения о внедрении САПР.

Исходя из этих соображений, при оценке целесообразности использования альтернативных САПР обычно учитывают лишь прямую экономию, определяемую увеличением производительности труда и снижением затрат на проектирование, с учетом ограничений, диктуемых рынком и политикой проектной организации (фирмы):

–допустимый уровень инвестиций;

–приоритеты;

–форма организации;

–предыдущий опыт;

–конкуренция;

–неотложность нововведений.

Внедрение АПР является средством снижения технических и экономических затрат. Как показала практика, автоматизированное проектирование позволяет:

–улучшить качество продукции;

–освободить квалифицированных проектировщиков от рутинной рабо-

ты;

22

–улучшить экономические показатели проектирования и производства внедрением стандартов;

–упростить ведение документации.

При этом внедрение АПР, существенно уменьшая объем рутинной работы, ликвидирует и связанные с ее выполнением рабочие места. В этих условиях вопрос об использовании или неиспользовании этих средств, как правило, предрешен:

–при наличии потенциала увеличения объемов работ, в том числе и на основе конкуренции с другими проектными организациями, средства АПР обычно используют, обеспечивая реализацию данного потенциала;

–при стабильном объеме работ – реальный экономический эффект от использования средств АПР достигается лишь при уменьшении числа рабочих мест, и решение об их применении принимается исходя из местных условий.

В тех организациях, где АПР еще не внедрено, необходимо обучение методам АПР сотрудников (от чертежников до инженеров и руководителей) и прием на работу одного или нескольких опытных специалистов по АПР. На ранних стадиях внедрения АПР тонкости новой технологии и ее влияние на существующий процесс проектирования часто недооцениваются, в то время как потенциальные преимущества переоцениваются в расчете на быструю окупаемость АПР.

23

2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ МАГИСТРАЛЕЙ

2.1Развитие высокоскоростного движения в мире

Современный рост подвижности населения, усиление конкурентной борьбы между различными видами транспорта, повышение роли экологических аспектов в оценке различных транспортных систем привели в ряде зарубежных стран к строительству высокоскоростных железных дорог, характеризующихся экономической эффективностью, экологической чистотой, безопасностью движения и комфортными условиями для пассажиров.

В60–70-гг. XX в. в наиболее развитых странах Азии и Европы начались работы по созданию сети специализированных пассажирских магистралей, на которых скорости движения поездов превышают 200 км/ч. Эти дороги получили название высокоскоростных магистралей (ВСМ).

В1964 г. в Японии началась эксплуатация первой линии высокоскоростной системы Синкансен («Новая магистраль») – железной дороги Токайдо (Токио– Осака) протяженностью 515 км, где поезда двигались со скоростью до 210 км/ч. На построенных позднее линиях максимальные скорости были повышены до 240–275 км/ч.

В1981 г. во Франции вступил в строй первый участок магистрали Париж– Лион, где поезда TGV развивали скорость до 260 км/ч. Сегодня на ряде высокоскоростных магистралей Франции максимальные скорости достигают

350 км/ч.

ВСМ функционируют также в Италии, Германии, Испании, Бельгии, Южной Корее, Великобритании, Нидерландах, Китае, США и ряде других стран. В большинстве этих стран максимальная скорость движения поездов по новым ВСМ достигает 300 км/ч.

В1997 г. появилась первая международная ВСМ, когда на территориях Франции и Бельгии между городами Парижем и Брюсселем была реализована скорость до 300 км/ч. Сегодня международная сеть ВСМ объединяет Францию, Бельгию, Великобританию, Германию и Голландию. ВСМ проектируют и строят также на Тайване, в Австралии, Бразилии, Финляндии и других странах. К настоящему времени в мире эксплуатируется около 10 тыс. км ВСМ (из них свыше 3 тыс. км в Японии и 3750 км в Западной Европе).

Ежесуточно по расписанию движется около 2 тыс. высокоскоростных поездов.

24

3 ТРАНСПОРТНАЯ ЭКОЛОГИЯ

3.1 Железнодорожный транспорт и окружающая среда

3.1.1 Основные понятия

Комплекс сооружений железной дороги оказывает существенное влияние на природную среду, так же, как и природная среда влияет на условия работы железной дороги. В совокупности с окружающей природной средой (ОПС) железная дорога представляет собой природно-техническую систему (ПТС) «железная дорога–ОПС», все компоненты которой, взаимодействуя между собой, вызывают изменения в соответствующих подсистемах.

По возможности в процессе строительства и эксплуатации железной дороги должны быть обеспечены устойчивость и неизменность указанной ПТС, для чего при разработке проектной документации необходимо предусмотреть различные мероприятия, приводящие к снижению негативного воздействия железной дороги на компоненты ОПС, а также позволяющие защитить железную дорогу от вредного воздействия ОПС. Кроме того, в течение всего периода существования конкретной ПТС необходимо вести контроль (мониторинг) за ее параметрами и своевременно вносить изменения в работу ПТС в случае изменения экологической ситуации.

Любое воздействие объектов железнодорожного транспорта на ОПС вызывает ответную реакцию, которая проявляется в следующих формах:

–адаптационная с незначительным (несущественным) смещением равновесия ПТС;

–восстанавливаемая или самовосстанавливающаяся, характеризуемая полным возвратом экосистемы в исходное состояние;

–частично восстанавливающаяся, когда экосистема восстанавливает только часть своих свойств и характеристик;

–невосстанавливающаяся, когда в экосистеме образуются необратимые сдвиги от ее исходного состояния.

Уровень воздействия железной дороги на ОПС может быть в допустимых, равновесных и кризисных границах.

Объекты железнодорожного транспорта воздействуют на ОПС при их строительстве, производственно-хозяйственной деятельности предприятий железнодорожного транспорта, а также при эксплуатации железных дорог. Загрязнения от объектов железнодорожного транспорта накладываются на фоновые загрязнения от хозяйственно-бытовой, культурной и производственной деятельности общества, от объектов теплоэнергетики, промышленности, сельского хозяйства и других видов деятельности.

Строительство и функционирование железных дорог требуют изъятия из ОПС земли, почв, недр, флоры, фауны, ландшафтов.

При сооружении и реконструкции объектов железнодорожного транспорта необходимо отводить земельные участки для размещения различных зданий

исооружений, при этом землю отводят не только в постоянное, но и во времен-

25

ное пользование. В состав отводимых земель могут входить сельскохозяйственные угодья (пашни, выгоны, сенокосы), лесные насаждения, территории с разведанными полезными ископаемыми промышленного масштаба и другие ценные земли. К примеру, сооружение однопутной железной дороги со всеми необходимыми для ее эксплуатации устройствами требует в пределах перегона полосы отвода до 100–150 м шириной, что обуславливает отчуждение угодий от 1 до 20 га на 1 км пути. Крупные сортировочные станции размещаются на территории шириной до 300–500 м и длиной 4–7 км. При строительстве вторых путей хотя и используется полоса постоянного отвода существующего пути, возникает необходимость в дополнительном отчуждении земель, связанная с реконструкцией плана линии, размещением водопропускных сооружений дополнительного главного пути.

Объекты железнодорожного транспорта потребляют воду, воздух, топ- ливно-энергетические и минеральные ресурсы. В процессе строительства и эксплуатации, железных дорог происходит загрязнение воздушного бассейна, водных объектов, порождаются высокие уровни шума и вибрации.

Воздействие железнодорожного транспорта имеет свои специфические особенности. Это, прежде всего негативное влияние стационарных предприятий и передвижных объектов (локомотивов, вагонов, контейнеров), концентрация подвижного состава в зонах жилой застройки, что неблагоприятно влияет на здоровье людей и санитарное состояние ОПС. Сюда же следует отнести и несовершенство технологии перевозочного процесса и транспортных средств; недостаточные темпы изменения структуры вагонного парка в сторону его специализации и большую долю неисправного парка вагонов, используемых под массовые перевозки, что тоже не способствует их сохранности.

3.1.2 Загрязнение прилегающих территорий

Причиной загрязнения территорий железнодорожных путей и предприятий являются, помимо прочего, утечки нефтепродуктов на пути и междупутья из цистерн во время перевозок, разлив смазочных материалов во время заправки букс колесных пар на экипировочных пунктах, попадание на поверхность земли масла при экипировке локомотивов и нефтепродуктов на территории складов горюче-смазочных материалов (ГСМ). Кроме того, смазка попадает на путь из букс, особенно при остановке и трогании поездов с места. На шпалопропиточных заводах основными загрязнителями являются сланцевые и каменноугольные масла, содержащие в своем составе фенолы.

Установлены следующие источники и виды загрязнителей ОПС предприятиями железнодорожного транспорта:

–локомотивное хозяйство – локомотивное депо, пункты технического осмотра, базы топлива. Основные загрязнители: воды, содержащие синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), нефтесодержащие сточные воды и их осадки, разлив нефтепродуктов;

–вагонное хозяйство – вагонные депо, пункты подготовки вагонов, промывочно-пропарочные станции. Основные загрязнители: многокомпонент-

26

ные и нефтеСПАВ-содержащие сточные воды, щелочные растворы и их осадки, текущие и аварийные потери сыпучих и текучих грузов;

–службы грузовой и коммерческой работы. Основные загрязнители – аварийные разливы текучих грузов, потери сыпучих грузов;

–путевое хозяйство – заводы строительных материалов; строительномонтажные и рельсосварочные поезда, путевые машинные станции (ПМС). Основные загрязнители: нефтеСПАВ-содержащие сточные воды, щелочные растворы и их осадки, утечки нефтепродуктов;

–заводы по ремонту подвижного состава – основные загрязнители: нефтеСПАВ-содержащие сточные воды, щелочные растворы, многокомпонентные сточные воды, содержащие различные химические продукты и их загрязнители, газовые выбросы.

В радиусе от десятков метров до нескольких километров от железнодорожного пути почвы, воды, растительность и животные могут иметь высокую концентрацию вредных веществ. Накопление таких веществ за определенный период времени в почве, водоемах, воздухе, растениях и в сельхозпродуктах создает реальную опасность для здоровья людей.

Перевозки каменного угля и кокса, железной и марганцевой руд, цветных металлов, минеральных строительных материалов, химических и минеральных удобрений, торфа и др. занимают большой удельный вес в общем отправлении (почти 59 %). Максимальная доля в перевозках по сети приходится на минеральные строительные грузы (27 %), на каменный уголь и кокс – примерно 20

%сетевого отправления грузов. Однако нормы естественной убыли не учитывают несохранность грузов в процессе погрузки, выгрузки и транспортировки из-за технической неисправности вагонов, рода перевозимой продукции, климатических условий и др.

Общие безвозвратные потери перевозимых железнодорожным транспортом сыпучих грузов, по оценкам научных организаций и вузов, превышают нормативную убыль не менее чем в 3 раза.

Помимо прямого загрязнения сыпучими грузами, потери от перевозимых грузов способствуют буксованию колесных пар вагонов (локомотивов) и являются одной из причин самовозгорания букс, приводят к интенсивному загрязнению балластной призмы, снижают устойчивость железнодорожного пути, нарушают работу рельсовых цепей, увеличивают длину тормозного пути, что, в свою очередь, ведет к дополнительному загрязнению прилегающей территории тяжелыми металлами, нефтепродуктами, ГСМ и т.п.

Снижение ущерба от потерь и уменьшение влияния загрязнений на ОПС при погрузочно-разгрузочных работах и транспортировании сыпучих грузов может быть обеспечено следующими способами:

–использование специального подвижного состава;

–герметизация перевозимых сыпучих материалов в специальных емко-

стях;

–увлажнение сыпучих материалов водой и другими жидкостями в пределах, допустимых техническими условиями и технологическими процессами;

27

–использование пневмотранспорта и устройство специальных завес для погрузочно-разгрузочных работ;

–подавление пыли пеной;

–применение безводных пылеподавителей, наносимых на сыпучие грузы распылением, с целью снижения пылевыделения;

–уменьшение скоростей перемещения;

–правильный выбор технологии и погрузочно-разгрузочного оборудо-

вания.

В полосе отвода в процессе эксплуатации железных дорог почва загрязняется перевозимыми грузами, особенно нефтепродуктами. Нефтяное загрязнение создает новую экологическую обстановку, что приводит к глубокому изменению всех звеньев естественных биоценозов или к их полной трансформации. Общая особенность всех нефтезагрязненных почв – изменение численности и ограничение видового разнообразия почвенной мезо- и микрофауны и микрофлоры. Загрязнение нефтепродуктами приводит к массовой гибели почвенной мезофауны: через три дня после аварии большинство видов почвенных животных полностью исчезает или их остается не более 1 % по сравнению с контрольными участками. Наиболее токсичными для них оказываются легкие фракции нефти. Комплекс почвенных микроорганизмов реагирует на нефтяное загрязнение повышением валовой численности и усилением активности. Прежде всего, это относится к углеводородокисляющим бактериям, количество которых резко возрастает по сравнению с незагрязненными почвами. В процессе разложения нефти в почвах общее количество микроорганизмов приближается

кфоновым значениям, но численность нефтеокисляющих бактерий еще долгое время превышает те же группы в незагрязненных почвах (в районах южной тайги, например, на протяжении 10–20 лет).

Изменение экологической обстановки приводит к подавлению фотосинтезирующей активности растительных организмов. Прежде всего, это отражается на развитии почвенных водорослей: от их частичного угнетения и замены одних групп другими до выпадения отдельных групп или полной гибели всех водорослей. Особенно значительно подавляют развитие водорослей сырая нефть и минеральные воды.

Изменяются фотосинтезирующие функции высших растений, в частности злаков. Эксперименты показали, что в условиях южной тайги при высоких дозах загрязнения (более 20 л/м2) растения даже через год не могут нормально развиваться на загрязненных почвах.

3.1.3 Загрязнение атмосферного воздуха

На ОПС отрицательное влияние оказывают как передвижные, так и стационарные источники вредных воздействий при сооружении и эксплуатации объектов железнодорожного транспорта.

К основным передвижным источникам загрязнения воздушного бассейна на железнодорожном транспорте можно отнести: магистральные и маневровые локомотивы; рефрижераторный подвижной состав; сыпучие грузы;

28

нефтепродукты и химические грузы; печное отопление пассажирских вагонов; испарение смазки деталей подвижного состава; пыль при торможении подвижного состава.

Стационарными источниками загрязнения являются: шпалопропиточные и щебеночные заводы; котельные; заводы по ремонту подвижного состава и производству запасных частей; вагонные и локомотивные депо; промывочнопропарочные станции; заводы железобетонных конструкций, хозяйства гражданских сооружений, водоснабжения и водоотведения; парк отстоя пассажирских составов; заводы по ремонту путевой техники и т.п.

Ежегодный суммарный объем вредных примесей, попадающих в нашей стране в атмосферу от всех источников на железнодорожном транспорте, составляет примерно 2 млн. т (без пылящих грузов). Из них 65 % выбросов образуется при сжигании топлива дизельными магистральными и маневровыми локомотивами.

На долю стационарных источников железнодорожного транспорта, включающих в себя разнообразные ремонтные предприятия, а также заводы по выпуску специфической внутриотраслевой продукции, приходится примерно 15 % выбросов.

Анализ структуры загрязнений атмосферы стационарными источниками объектов железнодорожного транспорта показал, что почти 90 % объема загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу, приходится на долю энергетических теплоагрегатов котельных, 5 % – на долю энерготехнологических теплоагрегатов (кузнечные печи для термической обработки изделий, сушильные установки, устройства для подогрева растворов и расплавов и т.д.) и 5 % – на долю технологических агрегатов (окрасочные камеры, сварочные посты, установки механической очистки деталей, гальванические ванны, установки химической очистки и т.д.).

Причиной образования и попадания в атмосферу загрязняющих веществ при работе энергетических и энерготехнологических теплоагрегатов является сжигание природного топлива, в результате чего образуются зола, оксид углерода, оксиды азота, сернистый ангидрид. Вид используемого топлива предопределяет образование специфических ингредиентов в выбросах. Кроме топочных газов, выбросы энерготехнологических тепловых агрегатов содержат примеси материалов, используемых в технологическом процессе. Вредные выбросы технологических агрегатов состоят из специфических и, как правило, высокоагрессивных частиц материалов, используемых в технологических процессах. В атмосферу выбрасываются твердые и газообразные вещества. Наиболее трудно улавливаемыми являются газообразные вещества.

3.1.4 Негативное воздействие магнитных полей

Переход на железных дорогах от тепловозной тяги к электрической позволяет частично решить проблему загрязнения воздушной среды выбросами локомотивов, которые составляют до 90 % выбросов на железнодорожном транспорте. При этом решение одних проблем экологического характера по-

29

рождает другие, например, увеличение вредных выбросов при производстве электроэнергии или электромагнитное воздействие электрифицированной железной дороги.

Проблема негативного воздействия магнитных полей выросла за последние десятилетия на несколько порядков и в настоящее время стала столь тревожной, что Всемирная организация здравоохранения рассматривает ее как приоритетную для мирового сообщества.

Считается, что основная доля в электромагнитном загрязнении окружающей среды относится к полям от линий электропередач (ЛЭП) и электротранспорта, работающего как на переменном, так и на постоянном токе.

С образованием магнитных полей прямо связывают повышенный риск возникновения таких заболеваний, как детская лейкемия, опухоли мозга, различные неврологические нарушения, депрессии. Магнитные поля низкой частоты могут замедлять реакцию человека, что представляет серьезную угрозу безопасности на транспорте, если такие явления наблюдаются, например, у машинистов электропоездов.

Важное обстоятельство – магнитные поля от электротранспорта отличаются от полей, создаваемых ЛЭП, большей сложностью, наличием резких скачков интенсивности в широком диапазоне частот, преимущественно ультранизких.

Магнитные поля, индуцированные электрическими токами, протекающими вразличного рода ЛЭП, могут наблюдаться на значительных расстояниях от источника, и тем самым в зону их действия может попадать большое число людей. Такими полями, в частности, могут являться магнитные поля отЛЭП и от тяговых сетей электрифицированных железных дорог (ТС ЭЖД). В последнем случае за счет токов растекания возникают дополнительные магнитные поля, регистрируемые на обширных площадях, прилегающихк ТС ЭЖД. Вследствие этого магнитные поля от ЛЭП гораздо быстрее затухают с расстоянием, чем магнитные поля от ТС ЭЖД.

Источником земных токов растекания (ЗТР) являются рельсы – часть электрической цепи железной дороги «подстанция–контактный провод– электродвигатели поезда–рельсы–подстанция». Контакт токоведущих рельсов с проводящей земной средой приводит к тому, что часть полного тока ТС ЭЖД в виде токов растекания замыкается на подстанцию через проводящую земную толщу. Образующаяся система ЗТР распределяется в пределах десятков-первых сотен километров по обе стороны дороги от ТС ЭЖД.

Описанная проблема нуждается, однако, в изучении, так как материалы проведенных исследований указывают на необходимость дальнейших экспериментов, направленных на разработку норм предельно допустимого уровня (ПДУ) как для низкочастотных магнитных полей в целом, так и для ультранизких частот (УНЧ-диапазона) в частности. Кроме того, следует иметь в виду, что интенсивность УНЧ-магнитного поля от ТС ЭЖД, как правило, превосходит интенсивность средней магнитной бури на расстоянии менее 1000 м и уменьшается до уровня естественного фона УНЧ-магнитного поля на расстояниях более 20 км от железной дороги.

30