Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Особенности реконструкции и проектирования железных дорог под скоростное и высокоскоростное движение. Учебное пособие
.pdf
2. ГЕОМЕТРИЯ СМ ИВСМ
2.1. Трасса СМ иВСМ
Принципиальное направление трассы ВСМ определяет положение так называемых опорных пунктов. Опорные пункты –
это конечные и промежуточные фиксированные точки, через
которые или около которых трасса должна обязательно пройти.
Расположение опорных пунктов зависит от социально-экономических условий, в первую очередь, населенности и благосостояния жителей города или поселков в зоне тяготения ВСМ.
К примеру, на участке ВСМ Москва – Казань такими опорными
пунктами явились: Москва, Владимир, Нижний Новгород, Чебоксары, Казань, что соответствует положению «Программы
развития высокоскоростного движения» [3], где предлагается
выдержать расстояние между остановками 150–200 км. Однако, в целях увеличения мобильности населения в районе тяготения, общее количество остановок по проекту ВСМ Москва –
Казань между назваными опорными пунктами доведено до 10.
Так, только между Москвой и Владимиром предусмотрены три
Рис. 2.1. Схема трассы Москва – Казань
11
остановочных пункта: Ногинск ВСМ, Орехово-Зуево ВСМ, Петушки ВСМ. Среднее расстояние между ними около 50 км.
Время хода поезда с учетом этих остановок на участке
Москва – Владимир 55 мин. На каждой остановке «теряется»
3 мин, т.е. их исключение сократит время хода на этом участке
до 46 мин.
Один из наиболее сложных участков при трассировке ВСМ –
выход из мегаполиса. Для экономии средств в проекте Москва –
Владимир этот выход – 23 км – предлагается выполнить по
существующим путям Горьковской железной дороги. При средней скорости поезда на этом участке около 70 км/ч время хода
равняется 20 мин, при возможной скорости 350 км/ч это время
равнялась бы 4 мин, т. е. «теряется» 16 мин, а время хода поезда
до Владимира составило бы 39 мин. Нужно помнить, что цель
ВСМ – сокращение времени в пути. Поэтому выходу ВСМ из
центра мегаполиса по существующим железнодорожным путям
должен быть противопоставлен вариант с использованием эстакад и тоннелей.
При строительстве ВСМ использование эстакад и тоннелей
не является редкостью. Так, при сооружении скоростной линии
Токайдо (Япония) было построено 144 эстакады, 66 тоннелей
и 114 мостов. Длина этой линии (Токио – Осака) – 556 км. ВСМ
Лион – Турин (Франция) длиной 140 км с тоннелями протяженностью 87 км, двухпутная железная дорога Перпиньян – Фигерас (Франция – Испания) 44,4 км длиной, из них 23 км тоннелей,
8,3 км тоннель в Пиренеях [4]. Удивили и двухъярусные кварталы Миннеаполиса и Чикаго (США), в которых железнодорожные пути подняты на эстакаду до уровня 3 этажа домов, а под
ними «живет» обычная городская улица. В Штутгарте, столице
земли Баден-Вюртемберг Германии и одновременно транспортной столице Западной Европы, в 2010 году были начаты работы по перестройке главного тупикового вокзала в подземный
сквозной. Вводы поездов в этот вокзал тоже должны быть опущены под землю, а на освободившихся площадях предлагается
разбить парк. На декабрь 2009 г. стоимость проекта равнялась
4,1 млрд евро.
12
При трассировке ВСМ следует обосновать, избегая сноса,
обход различных ситуационных препятствий, садовых товариществ, небольших населенных пунктов и т.п. Так, в проекте
ВСМ Москва – Владимир почти 80 % длины трассы должны
быть обоснованы с учетом стоимости сноса.
Для примера, в табл. 2.1 приведены основные показатели
плана и профиля ВСМ Москва – Владимир [4].
Таблица 2.1
Основные технические показатели плана и продольного
профиля проекта Москва – Владимир
Параметр Показатель
Участок ВСМ 23 км – 195 км
Эксплуатационная длина, км 172,1
Средняя скорость поезда без остановок, км/ч
Время хода пассажирского поезда, мин 52
Количество промежуточных остановок 3
Радиус кривых
в плане, м
Сумма углов поворота, град 930°48′10″
Протяженность,
км/%
Максимальный уклон, ‰
Протяженность
элементов
с уклонами, шт.,
км, %
Максимальная протяженность
подъема с уклоном более 20 ‰, м
Наибольшая
минимальный 350
средний 567
максимальный 11000
кривых 92,12/48,3
прямых 79,98/51,7
24 на суммарной длине
7,26 км, 4,22 % от длины
0–15 108; 184,96 км; 95,8 %
15–20 2; 2,8 км; 0,5 %
20–24 4; 7,26 км; 3,7 %
высота насыпи, м 28,0
глубина выемки, м 8,5
221
2500
13
12.5
hs
VR
VR
Окончание табл. 2.1
Параметр Показатель
Сумма преодолеваемых высот, м 12,02
32 больших моста, всего
Искусственные сооружения, шт.,
всего 200, включая:
длиной 15436 м, 12 эста-
кад, всего длиной 14747 м,
13 ж.-д. путепроводов
общей длиной 1185,5 м
туда 477,15
обратно 465,13
Как отмечалось ранее, трассу ВСМ для экономии занимаемых земель стараются располагать в транспортном коридоре существующих магистралей. Это приводит к тому, что план ВСМ
вынужденно приближается к плану этих транспортных линий
(железных и автомобильных дорог), максимальная скорость на
которых < 180 км/ч. Такая «вынужденная трасса» ВСМ приводит к снижению скорости поездов.
Ограничение скорости в кривой согласно [1] определяется:
a
н
+×
= ×
огр
g
(2.1)
,
где h = 150 мм – максимальное возвышение наружного рельса
в кривой;
= 0,6 м/с2 – непогашенное ускорение;
а
н
s = 1600 мм – расстояние между осями рельсов в кривой;
R – радиус кривой.
Подставив значения, получим:
На основе формулы (2.2) построен график V = f (R) (сплош-
ная линия) (рис. 2.2).
На графике (пунктирная линия) показана кривая «потери»
времени на каждом километре пути, если поезд движется со скоростью < 400 км/ч.
14
огр
4, 45 .
=
(2.2)
V, км/ч
11
,
A w Ql= ××
V = f (R)
Dt = f (v)
R, м
Dt, с
Рис. 2.2. Зависимость V и Dt от R
3600 ,
t
D= −
V
i
(2.3)
400
здесь V
(см. табл. 2.1) это удлинение равняется 6 м. Длина всех кривых
92,12 км, т. е. длина трассы из-за большого количества кривых
увеличивается на 550 м.
к геодезической линии. Желательно, чтобы коэффициент развития α был бы меньше 1,07, α < 1,07.
нии поездом криволинейного участка пути определятся:
где w
в кривой, Н/кН;
A
– скорость поезда, отличная от V = 400 км/ч.
i
Каждый километр кривой удлиняет трассу. При R
= 567 м
ср
Таким образом, трасса ВСМ должна быть как можно ближе
Дополнительные затраты энергии на тягу A
2
кр k
= 700/R [5] – удельное сопротивление движению поезда
2
(2.4)
при прохожде-
кр
Q – вес поезда, кН;
l
= R × α – длина кривой, м;
k
α – угол поворота кривой, рад.
Подставив значения l
в (2.4), получим:
k
= 700 × Q × α. (2.5)
кр
15
Таким образом, работа сил сопротивления в кривой при
l
∑
Q = const прямо пропорциональна углу поворота, т. е. чем меньше
α по трассе, тем больше экономится энергия на тягу, и «из-
∑
быток энергии» тратится на повышение скорости (уменьшение
времени хода), что является основной задачей ВСМ.
Выводы по разделу
1. Пересечения ВСМ с другими путями сообщения должны
выполняться в разных уровнях.
2. Коэффициент развития трассы ВСМ желательно иметь
меньше 1,07. Для чего:
– трассирование ВСМ в транспортном коридоре с магистралями, у которых скорости движения экипажей много меньше
400 км/ч, требует серьезного обоснования, при котором следует учитывать стоимость «сэкономленных» площадей занятых
ВСМ земель и возможное увеличение времени хода поезда, так
как план ВСМ должен быть адекватен плану «коридорных» магистралей;
– обход любых ситуационных препятствий должен приниматься после сравнения с вариантами, учитывающими снос, удлинение линии, увеличение времени хода поезда.
3. Работа сил сопротивления движению в кривой пропорциональна сумме углов поворота трассы, поэтому этот показатель
трассы (
трассы ВСМ от кратчайшего направления нуждается в обосно-
вании. Кстати, параметр
α) должен быть минимальным. Любое отклонение
∑
α
g=
можно считать существенным
показателем трассы ВСМ. Здесь l – длина трассы, км.
4. Выходу ВСМ из мегаполиса по существующим железнодорожным путям следует противопоставить вариант с применением эстакад и тоннелей.
16
2.2. План СМ иВСМ
Планом железной дороги называется проекция трассы на
горизонтальную плоскость. План трассы состоит из прямых
и криволинейных участков. С точки зрения экономии ресурсов,
времени, в том числе плавности движения поездов, предпочтение отдаётся, если это возможно из условий рельефа, гидрографии, геологии и вообще ситуации, прямолинейным участкам.
В истории железнодорожного проектирования и строительства
известны примеры довольно длинных прямых. Например, на
линиях: Москва – Санкт-Петербург – 28 км; Омск – Иртышское – 96 км и на трансконтинентальной магистрали «Прыжок
кенгуру» в Австралии – 528 км.
Криволинейные участки трассы сейчас состоят из правильных круговых и переходных кривых. Один из недостатков криволинейного участка – ограничение скорости, которая определяется по формулам (2.1) и (2.2). Основной параметр этих
формул – непогашенное ускорение. В СТУ [2] эта величина вначале была принята 0,4 м/с
Скорость поездов ВСМ сравнима со скоростями авиационного транспорта (табл. 2.2).
В табл. 2.2 допускаемое ускорение на поездах ВСМ более
чем в 20 раз меньше, чем аналогичное на пассажирских самолетах. Кстати, при разгоне автомобиля до 100 км/ч за 5 с ускорение равно 5,6 м/с, или 0,5g. Такие ускорения пассажиры автомобиля испытывают гораздо чаще, чем при движении в поезде.
Физиологически влияние перегрузки на человека зависит
от её величины, длительности действия, направления, частоты.
Проанализируем действие на человека непогашенного ускорения при движении вагона в кривой, применив понятие «импульс
силы» – Р.
2
, затем изменена на 0,6 м/с2.
Р = М × a
где М – масса тела;
а
– непогашенное ускорение;
н
t – продолжительность действия a
× t, (2.6)
н
н.
17
Таблица 2.2
aa
Некоторые параметры ВСМ и авиационного транспорта
№
п/п
Параметр
Скорость, км/ч
1
/ м/с
2 Всепогодность
Ускорение;
торможение
3
в воздухе при
нормальной
эксплуатации
4 Количество
пассажиров
5 Возможность
передвижения
по салону
6 Время на пред-
подготовку:
на регистрацию,
на передвижение городским
транспортом
7 Время полета,
движение Москва – Казань
Всего:
Авиационный
верто-
леты
самолеты
800–895/
220÷248
*
Нет Да
a
0,515 м/c
≤ 2,5 у** или
≤ 24,5 м/с
180 (ТУ-154)
2
а
прод при торможении
2
*** 2
720 в 12-вагонном
208 (Боинг)
Затруднена Не ограничена
160 мин
40 мин
(60 + 60) мин
105 мин
265 мин
ВСМ
400/111
= 0,3÷0,4 м/c
верт
а
= 0,6 м/с
неп
= =
∑
i
или 0,1g
поезде
15 мин
210 мин
225 мин
2
2****
= 0,75 м/с
1, 04
м/с2
2
Примечания: * В январе 2017 года несколько суток подряд отменялось по метеоусловиям в аэропорту Домодедово до 60 рейсов, в аэропорту Кольцово свыше
30 рейсов.
**
g – ускорение земного притяжения.
***
а – суммарное ускорение, состоящее из непогашенного (поперечного), вер-
тикального и продольного.
****
а
неп
18
= 0,9 м/с2 на Свердловской железной дороге для поездов «Ласточка».
Для упрощения на рис. 2.3 показано изменение
)
P
fa V
M
P
at
M
=
и
(
н
P/M
ан = 0,6 м/с
, здесь V – скорость движения поезда.
2
Рис. 2.3. Зависимость
ан = 1,0 м/с
2
= ×
н
V, км/ч
На рисунке видно, что при скорости 400 км/ч и ан = 1 м/с2
импульс силы меньше, чем при скорости 200 км/ч и а
= 0,6 м/c2.
н
То есть с увеличением скорости движения импульс силы на одном и том же отрезке пути уменьшается; с ростом скорости время прохождения одинакового расстояния «сжимается».
Таким образом, допустимая величина непогашенного ускорения на ВСМ требует дальнейшего исследования. Частота
воздействия импульса силы зависит от «сближения» кривых
на трассе. Чем реже расположены кривые (кстати, тем короче
трасса), тем больший импульс силы может быть «допущен», т. е.
а
> 0,6 м/с2.
н
19
2.3. Переходные кривые
3
S
По [6] к переходным кривым предъявляется ряд требований,
основные из которых – условия плавного изменения кривизны
(радиуса) и отвода возвышения. У используемых переходных
кривых в настоящее время эти параметры изменяются пропорционально длине.
В качестве переходных кривых возможно использование: кубической параболы, клотоиды (радиальной спирали), параболы
4-й степени, мажоритарной и миноритарной кривых и т. д. [7,8].
В [9] говорится о возможности использования в качестве переходных кривых кубические гладко-сопряженные сплайн кривые.
При проектировании переходных кривых на скоростной магистрали Токио – Осака отвод возвышения осуществляется по
синусоиде.
При проектировании железных дорог, в том числе и ВСМ,
в качестве переходных кривых используется клотоида.
yRlD=
6
(2.7)
,
пк
где S – расстояние от начала переходной кривой до рассматриваемой точки;
– длина переходной кривой, м;
l
пк
R – радиус круговой кривой, м.
Кубическая парабола
y = x
3
, (2.8)
где y и x – координаты точки в прямоугольной системе координат.
Следует отметить, что у клотоиды ордината «y» пропорциональна длине кривой, а у кубической параболы – абсциссе «x».
Другие названные кривые не применяются из-за затруднения
нормирования параметров. Однако при скорости движения поездов до 400 км/ч, ВСМ, должно быть проведено дополнительное исследование рациональности выбора формы переходной
кривой.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]