Ревякин А.А. Изыскания и проектиров. ж.д. Учеб. пособ. 2017

Последнее решение имеет следующие существенные недостатки:

–в связи с возможным увеличением заносимости пути снегом усложняются работы по снегозадержанию и очистке пути от снега;

–в связи с усложнением условий водоотвода возникает необходимость устройства продольных лотков для отвода воды;

–усложняются работы по текущему содержанию и ремонтам пути.

В связи с этим второй путь проектируют, как правило, с сохранением

уклонов существующего пути и в одном с ним уровне. Необходимость смягчения ограничивающего уклона существующего и (или) второго путей должна быть обоснована в проекте.

При выборе сторонности второго пути (слева или справа от существующего) стремятся к обеспечению наименьших объемов работ, а также наиболее благоприятных условий эксплуатации двухпутной линии.

Выбирая сторонность второго пути, учитывают:

– топографические условия – при наличии поперечного уклона местности и преобладании насыпей наименьший объем земляных работ будет при расположении второго пути с верховой, а при преобладании выемок – с низовой стороны по отношению к существующему пути (рис. 1.13);

Рис. 1.13. Выбор сторонности второго пути на косогорах при преобладании насыпей (а) и выемок (б):

I и II – положение осей соответственно существующего и второго путей

–геологические условия, которые в отдельных случаях вызывают необходимость проектирования второго пути на раздельном земляном полотне с определенной стороны от существующего или выноса всей трассы за пределы неустойчивых грунтовых оснований;

–условия пересечения больших водотоков – если при проектировании существующего мостового перехода заранее предусматривалась укладка второго пути (на опорах моста есть место для установки пролетных строений), то сторонность второго пути предрешена, иначе второй путь целесообразно располагать с низовой стороны, так как при этом сохраняются регуляционные сооружения и ледорезы;

–путевое развитие раздельных пунктов — если при укладке второго

31

пути раздельный пункт подлежит закрытию, сторонность выбирают так же, как и на перегонах, но с учетом использования имеющегося земляного полотна; если разъезд предусматривается переустраивать в обгонный пункт или в станцию, то вопрос о сторонности второго главного пути решают при разработке схемы путевого развития раздельного пункта;

–наличие служебных, технических зданий и других капитальных сооружений вблизи пути во избежание (для ограничения) их сноса.

С учетом этих факторов может оказаться целесообразно на одних участках располагать второй путь справа, а на других – слева от существующего пути. Возникает необходимость изменения сторонности второго пути, которое может быть выполнено на прямом участке или на кривой

(рис. 1.14).

При этом в пределах участка изменения сторонности второго пути:

–затрудняется использование второго пути в период строительства для сквозного пропуска рабочих поездов и применения механизации при укладке второго пути в зоне переключения;

–в начальный период эксплуатации усложняются содержание земляного полотна и обеспечение устойчивости верхнего строения первого и второго путей, которые в месте переключения располагаются частично на старом, а частично – на новом земляном полотне;

–при переключении сторонности на прямой ухудшается план линии

–появляются дополнительные кривые.

Рис. 1.14. Перемена сторонности второго пути на прямой (а) и на кривой (б):

1 – разбираемый участок существующего пути; 2 – уширение существующего земляного полотна; I и II – положение осей первого и второго путей; III – ось существующего пути; М1, М2 – проектные междупутья

32

Чтобы исключить эти недостатки, второй путь, как правило, размещают с одной стороны от существующего. При необходимости сторонность второго пути целесообразно изменять на участках невысоких насыпей или нулевых местах и использовать схему переключения на кривой.

Спрямление трассы на участках ее необоснованного (в современных условиях) развития при сооружении второго пути может обеспечить большой экономический эффект. Стоимость спрямлений обычно весьма значительна, тем не менее возможность применения спрямляющих вариантов всегда должна быть в поле зрения автора проекта, так как уменьшение пробега поездов на двухпутной линии с большими объемами перевозок может оправдать значительные инвестиции (рис. 1.15).

Рис. 1.15. Пример прокладки второго пути по спрямленной трассе

Вынос линии на новую трассу достаточно часто применяют для освобождения площадей залегания полезных ископаемых, при обходе создаваемых водохранилищ, на участках неустойчивого земляного полотна и в других аналогичных случаях. Обычно эти работы связаны с удлинением новой трассы по сравнению с существующей.

Инженерные требования к проектированию плана и профиля второго пути, как и при проектировании новых железных дорог, нацелены на уменьшение вредных продольных и боковых усилий, действующих на путь и экипажи, а также ударов на криволинейных участках пути.

При выборе норм проектирования плана и профиля железнодорожных линий следует учитывать, что расчетные грузопотоки на реконструируемых линиях, как правило, значительно больше, чем на вновь проектируемых железных дорогах. В связи с этим при проектировании усиления (реконструкции) железных дорог особенно важно обеспечить наилучшие условия эксплуатации – повышение скоростей движения и массы поездов, снижение эксплуатационных расходов.

Однако оптимальные нормы при реконструкции железных дорог не всегда удается применить, так как на существующих линиях встречаются участки с крутыми уклонами, короткими элементами профиля, круговыми кривыми малых радиусов и т.п. Устранение всех этих недостатков часто

33

вызывает необходимость производства сложных и дорогостоящих работ. Поэтому обязательному устранению подлежат лишь те из них, которых могут отрицательно повлиять на безопасность и бесперебойность движения поездов при существенно увеличившихся размерах движения, скоростях и массах поездов для перспективных условий организации перевозочного процесса. Устранение остальных недостатков обосновывается техни- ко-экономическим расчетом.

1.4 Проектирование реконструкции плана и продольного профиля железных дорог

1.4.1 Общие положения

Процесс проектирования реконструкции плана и продольного профиля железных дорог в общем случае может быть разбит на четыре этапа:

–определение параметров элементов плана и продольного профиля существующего пути;

–приведение параметров элементов к нормативным требованиям;

–реконструкция плана и (или) профиля существующей железной

дороги.

В зависимости от конкретной постановки проектной задачи (паспортизация, ремонт, реконструкция, дополнительный путь) любой из этих этапов может стать окончательным.

Специфика проектирования реконструкции плана и продольного профиля железных дорог в отличие от проектирования продольного плана

ипрофиля новых железных дорог заключается в следующем:

–необходимость учета существующего состояния и возможных изменений поперечных профилей земляного полотна, верхнего строения пути, искусственных сооружений и т.п.;

–наличие на трассе сложных сооружений, переустройство которых нежелательно (мосты, тоннели, путепроводы, горловины станций и т.п.);

–необходимость реконструкции дороги без перерыва движения и существенного нарушения нормального пропуска поездов.

Вышеуказанные особенности проявляются не только при усилении (реконструкции) эксплуатируемых железных дорог и укладке дополнительных главных путей, но и при проектировании ремонтов железнодорожного пути.

План и продольный профиль эксплуатируемой железной дороги обычно значительно отличаются от проектного. Причина в том, что в процессе эксплуатации под воздействием проходящих поездов и атмосферных явлений (выпадение осадков, изменение температуры и т.п.) земляное полотно, балластная призма и путевая решетка деформируются.

Периодически в процессе ремонтов пути план и продольный про-

34

филь железной дороги реконструируют: ее правильное геометрическое очертание восстанавливают, а параметры элементов приводят в соответствие с нормативными требованиями.

Таким образом, реконструкция плана и продольного профиля – плановая работа, выполняемая регулярно на всех железных дорогах в процессе ремонтов.

Проектные работы, по существу аналогичные проектированию реконструкции плана и продольного профиля (начальный этап), выполняют и при паспортизации железных дорог, при проверках плана и профиля.

Земляное полотно и другие постоянные устройства дороги при ремонтах пути обычно не реконструируют. Такая задача может возникнуть при усилении (реконструкции) эксплуатируемых железных дорог и всегда возникает при укладке дополнительных главных путей.

Необходимость реконструкции земляного полотна, искусственных сооружений и других постоянных устройств при усилении (реконструкции) эксплуатируемых железных дорог может быть связана с несоответствием норм проектирования (радиусы круговых кривых, длины элементов, алгебраические разности уклонов и т.п.) на эксплуатируемой линии и на линиях, предусматриваемых проектом.

1.4.2 Проектирование реконструкции плана железных дорог. План дополнительного главного пути

Одним из наиболее важных и сложных вопросов при реконструкции железных дорог является проектирование плана линии.

Работы по проектированию плана линии при реконструкции можно разделить на следующие основные виды:

–расчеты переустройства кривых существующего пути с приведением их к правильному геометрическому очертанию;

–расчеты реконструкции плана существующего пути;

–проектирование плана дополнительного (второго, третьего и т.д.)

пути;

–проектирование плана спрямляющих участков трассы и обходов. Проектирование спрямляющих участков трассы и обходов (за ис-

ключением зон примыкания к существующей линии) соответствует проектированию участка новой железной дороги. Общая протяженность спрямлений и обходов при реконструкции линии может быть более или менее значительной, однако в большинстве проектов земляное полотно существующего пути в основном полностью сохраняется для движения поездов.

Прямые на эксплуатируемых железных дорогах, как правило, не являются таковыми в строго математическом смысле этого слова. Возможное отклонение «прямой» от геометрически правильного начертания в зависимости от ее длины может составлять от нескольких десятков сантиметров до нескольких десятков метров.

35

Возникновение части этих отклонений происходит еще на стадии строительства дороги – при сооружении земляного полотна. Проблема их учета всегда существовала, однако лишь при переходе к использованию на железных дорогах современных машинизированных технологий она стала наиболее актуальной. Установка пути в проектное положение на прямой с фиксацией ее направления, например, по лазеру, как правило, не может быть выполнена «от кривой до кривой» в традиционном понимании этого слова. Выполненный анализ данных сплошной координатной съемки плана на сети железных дорог (Москва – Красное, Санкт-Петербург – Москва, Транссибирская магистраль и др., всего около 10 000 км) показывает, что прямые длиной свыше нескольких сот метров практически всегда распадаются на ряд отрезков с небольшими углами поворота между ними. Определение числа таких отрезков, положения их границ и величин углов поворота является оптимизационной задачей, решаемой в комплексе с расчетом кривых.

Сходные проблемы возникают при переходе к сплошному закреплению оси пути по геодезическим координатам с использованием системы реперов. Расчет проектных координат оси пути, подлежащих закреплению, предполагает строгое математическое моделирование всех элементов плана, включая и прямые, которые в этом случае приходится описывать как последовательность отрезков прямых с углами поворота в точках их пересечения.

Величина этих углов невелика и может составлять от нескольких минут до нескольких десятков минут. При столь малых углах поворота возможность вписывания в них круговых кривых обычного радиуса, идентификации таких кривых в процессе текущего содержания и ремонтов пути представляется проблематичной.

Применение углового сопряжения прямых участков пути без устройства круговых кривых (при угле поворота не более Р) разрешено на большинстве железных дорог мира.

Например, в Бельгии принято β = 2'04" (стрела 3 мм на хорде 20 м), в Германии – β = 0,1 град (5'24", или стрела около 8 мм на хорде 20 м). При большем угле поворота в него вписывают круговую кривую максимального радиуса.

При проектировании усиленного капитального ремонта участка Москва – Красное принято β = 3', на линии Санкт-Петербург – Москва β = 7' (на других участках Октябрьской железной дороги – 11').

Точку пересечения двух прямых, на которой образуется некоторый угол поворота без вписывания в этот угол круговой кривой, целесообразно рассматривать как еще один из элементов плана существующей железной дороги – излом.

Методы расчета переустройства железнодорожных кривых, как и методы, их съемки, различаются при текущем содержании и при реконструкции железных дорог, хотя и основаны на одинаковых расчетных предпосылках. Разница в методах расчета обусловлена тем, что при текущем со-

36

держании важно получить динамически правильную кривую, т.е. такую, в которой разность кривизны в двух соседних точках не превышает допускаемой величины, что обеспечивает нормальную динамику движения поезда. При проектировании реконструкции плана необходимо получить геометрически правильную кривую с точным расчетом всех ее элементов.

Результатом расчета реконструируемой кривой является определение сдвигов Д точек существующей кривой, необходимых для ее перемещения в проектное положение.

Методика проектирования реконструкции плана зависит от степени использования информационных технологий.

Точные методы расчета основаны на определении координат расчетных точек и расстояний между ними на базе формул аналитической геометрии на плоскости с оптимизацией получаемого проектного решения. Эти расчеты крайне трудоемки и выполняются с помощью компьютерной техники. В настоящее время они получили повсеместное распространение

впроектной практике.

Втрадиционных методах расчета при моделировании данных по плану в качестве оси абсцисс используется ось существующего пути, а величину сдвига А определяют как разность эвольвент (рис. 1.16).

Рис. 1.16. Эвольвенты кривых радиусом R1 и R2 (а)

и определение величины смещения B1 B2 по угловой диаграмме (б)

Такое допущение упрощает расчетные формулы, позволяет использовать графоаналитические этапы при подборе параметров элементов кривой, выполнить расчет на базе простейших вычислительных средств.

Использование криволинейной системы координат всегда связано с представлением проектного сдвига как разности эвольвент (на уровне расчетных формул), длина которых достаточно просто определяется двойным интегрированием графиков кривизны оси пути:

37

где ∆ – проектный сдвиг; Кс, Кп – кривизна оси пути в существующем и проектном положениях в функции расстояния от начала участка съемки s; S – длина расчетного участка.

Впутейской практике для определения величины сдвигов используют не график кривизны, а график стрел (рис. 1.17, в), отличающийся от первого тем, что кривизна определяется в точке, а стрела – на хорде определенной длины (обычно 20 м).

Вкачестве варианта для определения длины эвольвент используют

не графики кривизны (стрел), а графики углов поворота (Uс, Uп) – угловые диаграммы, представляющие собой графические интегралы от графиков кривизны.

При этом

Выражение (1.3) всегда рассматривается как длина эвольвенты оси пути в существующем положении.

Второе слагаемое считается проблемным в связи с несовпадением верхних пределов интегрирования слагаемых в формулах для расчета сдвигов – расстояния от начала участка съемки до соответствующих расчетных точек на существующем и проектном путях, как правило, не равны между собой (эвольвенты осей пути в проектном и существующем положениях не совпадают, см. рис. 1.16, а). Это приводит к погрешности в определении величины сдвига и соответственно к погрешности при расчете проектных параметров проектируемой кривой.

При расчете рихтовки кривой методом угловых диаграмм предполагается, что сдвиг А некоторой точки существующей кривой, необходимый для ее перевода в проектное положение В2, с достаточной для практики точностью можно определять как разность длин эвольвент ВВ1 и ВВ2 (см.

рис. 1.17, а).

Для определения длин эвольвент используют угловые диаграммы кривых (см. рис. 1.17, б). Угловой диаграммой называют графическую зависимость U(s) угла поворота от расстояния от начала участка съемки.

Угловая диаграмма круговой кривой обладает двумя свойствами:

1) каждому радиусу круговой кривой R соответствует определенный угол наклона диаграммы к оси абсцисс, т.е. для круговой кривой зависи-

мость изменения величины угла от ее длины линейна: = ;

2) площадь угловой диаграммы ωB от начала круговой кривой до некоторой точки В численно равна длине эвольвенты e этой точки:

где – расстояние от начала кривой до точки В.

38

а

б

в

Рис. 1.17. График кривизны (а), определение стрел (б), график стрел (в)

При подборе проектного радиуса неправильной, сбитой в процессе эксплуатации кривой ее существующее положение определяют на основе данных полевой съемки, для чего кривую разбивают на равные отрезки (обычно по 20 м) и в конце каждого из-них определяют угол поворота между касательной к кривой и направлением прямой на подходе к ней. По этим углам поворота строят угловую диаграмму существующей кривой.

При подборе радиуса для переустройства существующей сбитой кривой проектную кривую вписывают в общий угол поворота (изыскательский угол, определенный в процессе съемки кривой).

Условием выхода проектной кривой на общую с существующей кривой концевую прямую в соответствии со вторым свойством угловых диа-

39

грамм является равенство площадей угловых диаграмм существующей Ωс и проектной Ωп кривых, измеренных между точками, расположенными на подходных прямых (точки А и D на рис. 1.18), т.е. Ωс = Ωп.

Рис. 1.18. Вписывание проектной кривой в общий угол поворота с существующей кривой (а) и совмещенные угловые диаграммы существующей и проектных кривых (б):

1– существующая сбитая кривая; 2– проектная кривая

При подборе однорадиусной симметричной кривой (с равными длинами переходных кривых) это условие соблюдается во всех, когда угловая диаграмма проектной кривой проходит через точку СК (середина кривой) с координатами:

где ас – угол поворота кривой, рад.

Для подбора радиуса проектной кривой через точку СК нужно провести прямую (угловую диаграмму правильной проектной кривой) таким образом, чтобы получить наименьшие сдвиги желательного направления. При этом следует учитывать переходные кривые, при устройстве которых происходит смещение проектной кривой к ее центру на величину

2≈ 24,

40