Распоряжение ОАО РЖД от 18.12.2012 N 2607р
ОАО «РОССИЙСКИЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ»
РАСПОРЯЖЕНИЕ
от 18 декабря 2012 г. N 2607р
ОБ УТВЕРЖДЕНИИ И ВВЕДЕНИИ В ДЕЙСТВИЕ «ИНСТРУКЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ КОНСТРУКЦИИ ВЕРХНЕГО СТРОЕНИЯ ПУТИ В ТОННЕЛЯХ»
С целью создания нормативной базы к конструкции верхнего строения пути в тоннелях:
1. Утвердить и ввести в действие с 1 февраля 2013 г. прилагаемую «Инструкцию по применению конструкции верхнего строения пути в тоннелях» (далее — Инструкция).
2. Начальникам территориальных дирекций инфраструктуры, руководителям причастных филиалов и структурных подразделений ОАО «РЖД» обеспечить использование Инструкции при планировании и выполнении работ по реконструкции (модернизации) железнодорожного пути в тоннелях.
3. Контроль за исполнением настоящего распоряжения возложить на начальника Управления пути и сооружений Центральной дирекции инфраструктуры — филиала ОАО «РЖД» Гришова А.И.
Вице-президент ОАО «РЖД»
А.В.Целько
УТВЕРЖДЕНА
распоряжением ОАО «РЖД»
от 18 декабря 2012 г. N 2607р
ИНСТРУКЦИЯ
ПО ПРИМЕНЕНИЮ КОНСТРУКЦИИ ВЕРХНЕГО СТРОЕНИЯ ПУТИ В ТОННЕЛЯХ
ВВЕДЕНИЕ
Широкий спектр эксплуатационных параметров действующих тоннелей, их отличительные особенности взаимодействия подвижного состава и пути (в тоннелях), вызывает необходимость разработки критериев выбора как типа верхнего строения пути (далее ВСП) в тоннелях, так и параметров конструкции.
Несмотря на незначительную протяженность тоннелей (менее 0,1%) от общей протяженности путей общего пользования, тоннели являются сооружениями, которые могут ограничивать пропускную и провозную способность, как отдельных участков пути, так и направления в целом. В тоннелях значительно сложнее выполнять ремонты пути.
Все это требует тщательного подхода к выбору конструкции ВСП с точки зрения ее надежности, долговечности, наименьших затрат на текущее содержание.
Разработка настоящей Инструкции обусловлена отсутствием в действующих нормативных документах требований к конструкции ВСП.
1.1. Настоящая Инструкция применяется при реконструкции (модернизации) железнодорожного пути в тоннелях с целью выбора наиболее рациональной конструкции ВСП в тоннеле и регламентирует требования к упругим параметрам ВСП в тоннелях для линий различных классов, исключая высокоскоростные линии.
1.2. ВСП в тоннеле выполняет следующие функции:
— обеспечивает пространственную стабильность рельсовой колеи;
— обеспечивает направляющую функцию для колес подвижного состава;
— распределяет нагрузку от подвижного состава на тоннельную обделку;
— обеспечивает снижение генерируемых подвижным составом вибраций до приемлемого уровня.
1.3. ВСП в тоннеле необходимо проектировать, исходя из критериев выполнения всех перечисленных функций, обеспечивающих стабильную работу верхнего строения пути.
1.4. ВСП в тоннеле устраивают в соответствии с проектным решением, разработка которого должна осуществляться по результатам инженерных обследований и инженерных изысканий, на основе данных дистанций пути о наличии участков с отступлениями геометрии рельсовой колеи, данных Центров диагностики и мониторинга устройств инфраструктуры (по результатам проходов диагностических комплексов) о наличии участков с нестабильным состоянием пути и повышенной деформативностью, путеизмерительных вагонов и нагрузочных устройств, результатов инженерных обследований и осмотров.
1.5. В тоннеле должны выполняться условия по надежному водоотведению.
1.6. В местах примыкания земляного полотна к тоннелю следует предусматривать устройства сопряжений, конструкция которых будет обеспечивать стабильность балластной призмы в примыкающей части земляного полотна.
1.7. Конструкция ВСП в тоннелях должна соответствовать как современному уровню динамического воздействия поездов, так и перспективным нагрузкам и отвечать требованиям Положения о проведении реконструкции (модернизации) железнодорожного пути на прилегающих участках.
1.8. Инструкция предназначена для использования в работе структурными подразделениями ОАО «РЖД», проектными организациями при проектировании реконструкции (модернизации) железнодорожного пути в тоннелях железнодорожных дорог общего пользования.
В настоящей Инструкции приведены ссылки на следующие нормативные документы:
ГОСТ 31185-2002 (ИСО 10815:1996) Вибрация. Измерение вибрации внутри железнодорожных тоннелей при прохождении поездов;
ГОСТ Р ИСО 14837-1-2007 Вибрация. Шум и вибрация, создаваемые движением рельсового транспорта. Часть 1. Общее руководство;
ГОСТ Р 52892-2007 Вибрация и удар. Вибрация зданий. Измерение вибрации и оценка ее воздействия на конструкцию;
СТН Ц-01-95. Строительно-технические нормы Министерства путей сообщения РФ. Железные дороги колеи 1520 мм;
СТО «РЖД» 1.07.002-2010 Инфраструктура железнодорожного транспорта на участках обращения грузовых поездов повышенного веса и длины. Технические требования;
Положение о системе ведения путевого хозяйства ОАО «Российские железные дороги», утвержденное распоряжением ОАО «РЖД» от 02.05.2012 г. N 857р;
Положение о проведении реконструкции (модернизации) железнодорожного пути, утвержденное распоряжением ОАО «РЖД» от 01.07.2009 г. N 1374р;
Методика оценки воздействия подвижного состава на путь по условиям обеспечения надежности, утвержденная 15.06.2000 г. N ЦПТ-52/14;
Инструкция по оценке деформативности подрельсового основания нагрузочным поездом, утвержденная распоряжением ОАО «РЖД» от 15.08.2012 г. N 1648р;
Инструкция по содержанию искусственных сооружений утвержденная 28.12.1998 г. N ЦП-628;
Инструкция по расшифровке лент и оценке состояния рельсовой колеи по показаниям путеизмерительного вагона ЦНИИ-2 и меры по обеспечению безопасности движения поездов утвержденная 14.10.97 г. N ЦП-515.
3. Оценочные показатели конструкции верхнего строения пути в действующих тоннелях
3.1. Параметры конструкций верхнего строения пути в действующих тоннелях
3.1.1. Характеристику конструкции ВСП в тоннеле необходимо рассматривать исходя из ее соответствия эксплуатационным параметрам:
— конструкция ВСП не соответствует современным параметрам перевозочного процесса или поставленным задачам перспективной его эксплуатации. В качестве направления решения данной задачи при разработке мероприятий по изменению конструкции ВСП для проектирования реконструкции (модернизации) пути параметры ВСП выбираются в соответствии с требованиями раздела 4 настоящей Инструкции.
— конструкция ВСП удовлетворяет современным параметрам перевозочного процесса. Изменение конструкции ВСП не требуется;
3.1.2. В качестве оценочных характеристик текущего состояния конструкции ВСП в тоннеле при выборе того или иного варианта решения задачи рассматриваются следующие эксплуатационные параметры:
— грузонапряженность;
— пропущенный тоннаж;
— скорости движения пассажирских и грузовых поездов, установленные по приказу и фактически реализуемые;
— ограничения скорости движения пассажирских и грузовых поездов;
— причины ограничения скорости движения пассажирских и грузовых поездов;
— и др. показатели.
3.1.3. Для обоснования различных мероприятий по реконструкции, модернизации, ремонту и содержанию пути в тоннеле необходимо иметь следующую информацию:
— существующая конструкция верхнего строения пути;
— габарит тоннеля;
— грузонапряженность;
— план и профиль пути в тоннеле;
— количество путей в тоннеле;
— общая длина тоннеля с подходами к нему;
— максимальная нагрузка на ось обращающегося подвижного состава;
— скорости движения пассажирских и грузовых поездов, установленные по приказу и фактически реализуемые;
— ограничения скорости движения пассажирских и грузовых поездов;
— причины ограничения скорости движения пассажирских и грузовых поездов;
— периодичность и длительность «окон», предоставляемых для содержания и ремонта пути в тоннеле;
— климатические и географические условия расположения тоннеля.
3.2 Технические характеристики пути по параметрам геометрии рельсовой колеи
3.2.1. Обоснование необходимости проведения реконструкции (модернизации) ВСП в тоннеле и на его подходах выполняется на основании результатов анализа отступлений геометрии рельсовой колеи (ГРК). При анализе ГРК в тоннеле и на его подходах необходимо использовать анализ просадок с использованием специализированного программного обеспечения (например StabWay).
3.2.2. Реконструкция (модернизация) ВСП в тоннеле назначается в случае повторения «удовлетворительной» или «неудовлетворительной» оценок состояния пути в соответствии с Инструкцией N ЦП-515 более двух раз в год или если в процессе выполнения расчетов обнаруживается нестабильность по какому-либо отдельному параметру в соответствии с таблицей 1.
3.2.3. В качестве исходных данных для анализа используют результаты измерений ГРК, получаемые путеизмерительными вагонами КВЛ-П.
Материалами для исходных данных являются архивные материалы результатов измерений, полученные за период последних двух-трех лет.
3.2.4. В качестве выходных данных представляют:
— график скользящего среднего квадратического отклонения просадок контролируемого участка (далее — ССКО);
— график положительных приращений ССКО просадок контролируемого участка (далее — ППСС);
— график накоплений положительных приращений ССКО просадок контролируемого участка (SССКО) в течение рассматриваемого периода (как правило, в течение года);
— ведомость участков нестабильного состояния для контролируемого участка;
— таблицы значений просадок контролируемого участка;
— таблицы значений ССКО просадок контролируемого участка;
— таблицы значений ППСС просадок контролируемого участка;
— таблицы значений SССКО просадок контролируемого участка;
По результатам вычислений величин ССКО отмечаются участки с состоянием пути, на которых ССКО превышает предельные значения /ССКО/, а также участки, где ГРК нестабильна (таблица 1).
Таблица 1 — Предельные значения /ССКО/ и приращения ССКО (/»Дельта»ССКО/)
|
Допускаемая скорость движения поездов, км/ч |
>140 |
61-140 |
41-60 |
|
Предельное значение /ССКО/, мм |
1,70 |
2,1 |
2,5 |
|
Предельное приращение ССКО (/»Дельта»ССКО/), мм |
0,40 |
0,40 |
0,50 |
|
Предельное суммарное приращение ССКО за расчетный |
0,50 |
0,70 |
0,90 |
3.2.5. Учитывая, что при текущем содержании пути периодически производятся исправления отдельных отступлений, в качестве критерия для оценки стабильности ВСП в тоннеле и на подходах к нему принимается сумма всех положительных приращений величины ССКО за рассматриваемый период, в формуле (1).
SUM (+»Дельта»ССКО) <= │»Дельта»ССКО│, (1)
n
где (+»Дельта»ССКО) — величины положительных приращений ССКО при
последующем проходе путеизмерительного вагона к предыдущему на выделенном
отрезке пути (как правило, 100 м);
n — количество проходов путеизмерительного вагона в рассматриваемый период;
│»Дельта»ССКО│ — предельная величина приращения ССКО, которая в зависимости
от допускаемых скоростей на участке определяется по таблице 1.
После установления необходимости реконструкции (модернизации) конструкции верхнего строения пути в тоннеле и на его подходах осуществляют технико-экономическую оценку реконструкции ВСП в тоннеле.
4. Требования к конструкции и параметрам верхнего строения пути в тоннелях
4.1. В тоннелях следует применять безбалластное ВСП следующих конструктивных типов:
— тип 1. Безбалластный путь с подрельсовыми опорами, омоноличенными в путевом бетоне, имеющими упругий слой с расчетной (пониженной) жесткостью;
— тип 2. Безбалластный путь системы масса-пружина с расчетной (пониженной) жесткостью;
Схемы указанных конструктивных типов приведены в Приложении N 1.
Примечание. Применение других конструкций ВСП допускается по согласованию с Управлением пути и сооружений Центральной дирекции инфраструктуры — филиала ОАО «РЖД».
4.2. Все элементы ВСП в тоннеле должны обеспечивать свои эксплуатационные параметры в диапазоне температур от минус 60 до плюс 40 °С, если иное не указано в задании на проектирование.
4.3. Упругие элементы ВСП должны иметь расчетную жесткость. Расчетная жесткость пути определяется в соответствии с Приложением N 2.
4.4. Рекомендуется применять упругие элементы, имеющие обратимое увеличение жесткости при низких температурах:
— не более 2 раз, при температуре ниже значения от минус 40 °С до минус 50 °С включительно;
— не более 3 раз, при температуре ниже минус 50 °С.
4.5. В условиях длительного воздействия отрицательных температур (более 15 суток) необходимо обеспечивать устройство электрообогрева заобделочного дренажа при строительстве новых тоннелей, а также при реконструкции эксплуатируемых тоннелей.
4.6. При проектировании верхнего строения пути, его укладке, ремонтах и текущем содержании на подходах к тоннелю не допускаются переломы профиля в зоне +/- 20 м от порталов.
4.7. При укладке ВСП в тоннеле, его ремонтах и текущем содержании не допускать наличия смешанных конструкций ВСП.
4.8. Промежуточные рельсовые скрепления в тоннеле должны быть упругого типа. Металлические элементы промежуточных скреплений должны иметь защиту от коррозии.
4.9. Вибрационные свойства ВСП оценивают в соответствии с Приложением N 3. При необходимости выполнения мероприятий по устройству виброзащитной конструкции ВСП при реконструкции (модернизации) пути в тоннеле необходимо выполнить измерения вибраций в действующем тоннеле в соответствии с ГОСТ 31185.
Измерения вибраций и расчет прогнозируемых вибраций при проектировании ВСП должны выполняться специализированной организацией, имеющей соответствующую аккредитацию.
4.10. Решение о применении конкретного конструктивного типа ВСП принимают на основании ТЭО. ТЭО рекомендуется выполнять в соответствии с Приложением N 4.
4.11. При выборе конструкции ВСП в тоннеле следует стремиться к обеспечению модуля упругости пути близким к его значению при пути на балласте на земляном полотне (50+/-5 МПа). Увеличение жесткости и, соответственно, модуля упругости пути ведет к увеличению динамических добавок сил инерции, воздействующих на путь. Для обеспечения долговечности элементов ВСП в тоннеле не хуже чем на земляном полотне модуль упругости пути в тоннеле не должен превышать следующих значений <1>:
— 65 МПа при смешанном движении и осевой нагрузке 23,5 т/ось;
— 50 МПа при смешанном движении и осевой нагрузке 25,0 т/ось;
— 100 МПа при пассажирском движении.
———————————
<1> Значения модуля упругости пути приведены для температуры (20+/-5) °С.
4.12. Конструкция ВСП в двухпутных тоннелях должна предусматривать установку охранных приспособлений в соответствии с Инструкцией N ЦП-628.
4.13. Приемку вновь уложенного ВСП при новом строительстве или после реконструкции (модернизации) пути следует проводить с применением нагрузочного комплекса в соответствии с методикой, изложенной в Инструкции утвержденной распоряжением ОАО «РЖД» от 15.08.2012 г. N 1648р. Неравномерность полученных значений упругой осадки пути не должна превышать от плюс 10 до минус 1 5% от проектного (расчетного) значения.
Измеренный модуль упругости пути не должен отличаться от расчетного значения:
— среднее измеренное значение в большую сторону, не более чем на 10 %;
— максимальное из измеренных значений не более чем на 15 %.
При отсутствии возможности применить нагрузочный комплекс измерение модуля упругости пути допускается выполнить по методике, приведенной в Приложении N 5.
5. Зона сопряжения пути в тоннеле и на подходах
5.1. В соответствии с требованиями СТН Ц-01-95 в местах сопряжений безбалластной конструкции пути в тоннелях с конструкцией пути на земляном полотне при необходимости должны укладываться участки переходного пути с переменной жесткостью. Необходимость устройства таких участков определяется развитием в этих местах «предмостовых ям», т.е. зон пути, где происходит прогрессирующее во времени накопление остаточных деформаций в балластном слое и земляном полотне, требующее постоянных выправок пути и приводящее к повышенному выходу элементов ВСП.
5.2. Разработка конструкций переходного участка осуществляется из условия обеспечения по длине плавного изменения упругих осадок и минимальных величин остаточных осадок пути под колесами, возникающих в процессе длительной эксплуатации. При этом в качестве критерия изменения жесткости пути принимаются:
— силовой уклон по головке рельса, определяемый по формуле (2)
1
│i │ = ─── <= 0,5 o/oo , (2)
y 10v
где v — наибольшая скорость движения поездов, км/ч;
приращение силового уклона по головке рельса │»Дельта»i │ <= 0,2 o/oo ;
y
разность давлений на смежные опоры рельса │»Дельта»Q│ <= 12кН.
5.3. Технологическим требованием к конструкциям переходного участка пути является возможность их устройства с применением существующего парка путевых машин и кранов, а также последующей эксплуатации пути с помощью типовых средств машинизации и механизации.
5.4. Одним из вариантов обеспечения переменной жесткости, отвечающим поставленным критериям, является постепенное увеличение к порталу толщины балластных материалов, заменяющих грунты верхней части земляного полотна. Для исключения боковых деформаций балласта он располагается между слоями георешеток (геосеток).
Длина переходного участка принимается не менее 25 м. Количество слоев геосинтетика назначается 5 или 6 шт. у портала с постепенным сведением каждого слоя на нет. При этом срезка грунта земляного полотна осуществляется в каждом сечении на расчетную глубину, обеспечивающую плавное повышение модуля упругости пути от тоннеля к обычному пути.
Толщина единичного слоя щебня между геосетками для возможности создания требуемого уплотнения и гарантированного предотвращения боковых деформаций принимается величиной от 15 до 20 см, а длина участка с одинаковым числом слоев геосинтетика 5 м.
Ширина георешеток (геосеток) под один путь принимается равной стандартной ширине рулона, но не менее 3,8 м.
Характеристика георешеток (геосеток) для создания участков переменной жесткости принимается такой же, как и для армирующих прослоек при усилении основной площадки земляного полотна в соответствии с Руководством по применению полимерных материалов (пенопластов, геотекстилей, георешеток, полимерных дренажных труб) для усиления земляного полотна при ремонтах пути.
5.5. Другим вариантом устройства переходного участка является применение вяжущих материалов вместо геосеток для исключения боковых деформаций балласта. В остальном конструкция и технология аналогичны изложенной в п. 5.4.
Схемы конструктивных типов верхнего строения пути в тоннелях
См. Рисунок 1.1 — Тип 1. Безбалластный путь с подрельсовыми опорами, омоноличенными в путевом бетоне через упругий слой с расчетной (пониженной) жесткостью.
См. Рисунок 1.2 — Тип 2. Безбалластный путь системы масса-пружина с расчетной (пониженной) жесткостью.
2.1. Определение расчетной жесткости пути
Основной характеристикой упругих свойств пути в отечественной практике
расчетов пути на прочность принят модуль упругости пути, представляющий собою
погонный упругий отпор подрельсового основания, отнесенный к единице прогиба.
Модуль упругости пути и жесткость подрельсового основания связаны следующим
соотношением:
Ж
U = ─── , (2.1.)
l
где U — модуль упругости пути, МПа;
Ж — жесткость подрельсового основания, МН/м;
l — расстояние между осями соседних шпал, м.
В свою очередь жесткость подрельсового основания и жесткость его отдельных
элементов связаны следующим соотношением, по формуле (2.2.)
1 1
─── = SUM ─── , (2.2.)
Ж Ж
i
где Ж — жесткость отдельных элементов конструкции пути.
i
Формулы (2.1.) и (2.2.) позволяют рассчитать модуль упругости
безбалластного пути при известной жесткости в узле промежуточного скрепления за
счет прокладок-амортизаторов и дополнительную жесткость упругого слоя между
подрельсовой опорой и путевым бетоном. Эти расчеты для эпюры подрельсовых опор
2000 и 1840 шт./км приведены в таблицах 2.1. и 2.2. соответственно.
При пользовании таблицами в столбце, соответствующем жесткости узла
рельсового скрепления находим строку с требуемым модулем упругости пути.
Значение в боковике таблицы показывает требуемую дополнительную жесткость
упругого слоя (подшпальной прокладки). В случае если требуемое значение величины
находится между приведенными в таблицах, применяют линейную интерполяцию.
Примечание редакции.
Очевидно, в тексте документа допущена опечатка. Вместо Таблица 1.1. следует читать Таблица 2.1.
Таблица 1.1. — Модуль упругости пути, МПа, при эпюре подрельсовых опор 2000 шт./км
|
Ждоп., |
Жскр, МН/м |
|||||||
|
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
125 |
150 |
|
|
100 |
66,7 |
75,0 |
82,4 |
88,9 |
94,7 |
100,0 |
111,1 |
120,0 |
|
90 |
64,3 |
72,0 |
78,8 |
84,7 |
90,0 |
94,7 |
104,7 |
112,5 |
|
80 |
61,5 |
68,6 |
74,7 |
80,0 |
84,7 |
88,9 |
97,6 |
104,3 |
|
70 |
58,3 |
64,6 |
70,0 |
74,7 |
78,8 |
82,4 |
89,7 |
95,5 |
|
60 |
54,5 |
60,0 |
64,6 |
68,6 |
72,0 |
75,0 |
81,1 |
85,7 |
|
50 |
50,0 |
54,5 |
58,3 |
61,5 |
64,3 |
66,7 |
71,4 |
75,0 |
|
40 |
44,4 |
48,0 |
50,9 |
53,3 |
55,4 |
57,1 |
60,6 |
63,2 |
|
30 |
37,5 |
40,0 |
42,0 |
43,6 |
45,0 |
46,2 |
48,4 |
50,0 |
|
20 |
28,6 |
30,0 |
31,1 |
32,0 |
32,7 |
33,3 |
34,5 |
35,3 |
Примечание редакции.
Очевидно, в тексте документа допущена опечатка. Вместо Таблица 1.2. следует читать Таблица 2.2.
Таблица 1.2. — Модуль упругости пути, МПа, при эпюре подрельсовых опор 1840 шт./км
|
Ждоп., |
Жскр, МН/м |
|||||||
|
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
125 |
150 |
|
|
100 |
61,3 |
69,1 |
75,8 |
81,8 |
87,2 |
92,1 |
102,3 |
110,5 |
|
90 |
59,1 |
66,3 |
72,5 |
78,0 |
82,9 |
87,2 |
96,4 |
103,6 |
|
80 |
56,6 |
63,1 |
68,8 |
73,7 |
78,0 |
81,8 |
89,8 |
96,1 |
|
70 |
53,7 |
59,5 |
64,5 |
68,8 |
72,5 |
75,8 |
82,6 |
87,9 |
|
60 |
50,2 |
55,2 |
59,5 |
63,1 |
66,3 |
69,1 |
74,7 |
78,9 |
|
50 |
46,0 |
50,2 |
53,7 |
56,7 |
59,2 |
61,4 |
65,8 |
69,1 |
|
40 |
40,9 |
44,2 |
46,9 |
49,1 |
51,0 |
52,6 |
55,8 |
58,2 |
|
30 |
34,5 |
36,8 |
38,7 |
40,2 |
41,4 |
42,5 |
44,6 |
46,0 |
|
20 |
26,3 |
27,6 |
28,6 |
29,5 |
30,1 |
30,7 |
31,8 |
32,5 |
Модуль упругости материала в соответствии с законом Гука — это коэффициент
пропорциональности между напряжениями в материале и его относительной
деформацией, по формуле (2.3.)
«сигма» = «эпсилон» · E. (2.3.)
где «эпсилон» — относительная деформация сжатия;
Е — модуль упругости материала, МПа.
Учитывая, что «сигма» = Р/А, где Р — сила, действующая на образец площадью
А, а «эпсилон» = «дельта»/h, где «дельта» — деформация образца начальной высоты
h (смотри рисунок 2.1), то по формуле (2.4.) определяется
P h
Е = ─── · ──────── (2.4.)
A «дельта»
См. Рисунок 2.1. — Схема работы упругого элемента на сжатие
При этом Р/»дельта» есть жесткость. Тогда жесткость и модуль деформации
связаны следующим выражением, по формуле (2.5.)
А
Ж = Е ─── . (2.5.)
h
Коэффициент постели (опоры) представляет собой силу, которую надо приложить
к площади А полупространства, чтобы вызвать ее перемещение на величину «дельта»
определяется по формуле (2.6.)
P
С = ──────────── , (2.6.)
A «дельта»
где Р/»дельта» — жесткость, тогда по формуле (2.7.)
Ж = С · А . (2.7.)
Из (2.5.) получим по формуле (2.8.)
h
E = Ж ─── , (2.8.)
A
где h — толщина упругого элемента, м;
A = a х b — площадь упругого элемента. Для шпалы в балласте это площадь
эффективной опоры полушпалы, кв.м.
Таким образом, зная требуемую дополнительную жесткость, можно подобрать
материал упругого слоя и его размеры.
Приведенные данные позволяют определить необходимые упругие свойства
материалов для различных конструктивных типов ВСП в тоннеле.
2.2 Пример расчета
Необходимо рассчитать жесткость упругих элементов, укладываемых под
шпалы-коротыши при конструкции ВСП типа 1.
Тип промежуточного скрепления АРС-4 с вертикальной жесткостью 100 МН/м.
Эпюра подрельсовых опор 1840 шт./км.
Опорная площадь шпал коротышей 200 х 400 = 80 000 кв.мм.
Модуль упругости материала прокладок под коротышом 2,4 МПа.
Толщина прокладки 12,5 мм.
Жесткость прокладки под коротыш составит по формуле (2.5.)
А 80 000 МН
Ж = Е ─── = 2,4 ────── = 15,36 ── .
h 12,5 м
Общая жесткость составит по формуле (2.2.)
1 1 1 МН
─ = ──────── + ────────── = 13,3 ── .
Ж 100 МН/м 15,36 МН/м м
Модуль упругости пути составит
U = Ж / l = 13,3/0,5 = 26,6 МПа
ш
Упругая статическая осадка рельса на пути такой конструкции в соответствии
с Методикой N ЦПТ 52/14 составит 2,1 мм.
Оценка виброзащитных свойств конструкции
Виброзащитные свойства любой системы заключаются в том, что она работает как фильтр высоких частот, то есть, частоты ниже собственной частоты системы проходят без затухания, на собственной частоте наблюдается резонанс, выше собственной частоты системы частоты проходят с затуханием, которое тем больше, чем выше частота воздействующих колебаний по сравнению с собственной частоты системы. В общем случае система представлена системой колеблющихся масс, связанных между собой и основанием упругими и диссипативными связями. Каждая пара масса-упругая связь обладает собственной частотой, которая зависит от жесткости связи и колеблющейся массы.
Принято, что эффект виброзащиты проявляется начиная с частоты, превышающей собственную частоту в 1,41 раза.
Собственная частота в Гц определяется по формуле (3.1.)
──────
1 / Ж
f = ──────── / ─── (3.1.)
0 2 «пи» / m
где Ж — жесткость упругой связи, Н/м;
m — колеблющаяся масса, кг.
Снижение жесткости пути, как правило, приводит к снижению генерации колебаний.
Оценочные виброзащитные свойства конструкций ВСП в тоннеле приведены в таблице 3.1.
С точки зрения виброзащитных свойств и заданных расчетных характеристик наиболее эффективной является конструкция ВСП типа масса-пружина.
Измерение вибраций в тоннелях следует выполнять с соблюдением требований ГОСТ 31185 и ГОСТ Р ИСО 14837. Оценку вибраций выполняют в соответствии с таблицей 3.1 ГОСТ Р 52892 для 1 категории сооружений.
Таблица 3.1. — Сравнительные виброзащитные свойства различных конструкций ВСП в тоннелях
|
Тип |
Снижение |
Примечание |
|
Железобетонные шпалы с упругими |
0 |
— |
|
Железобетонные шпалы с упругими |
6-8 |
Не требует |
|
Железобетонные шпалы с упругими |
10-18 |
Эффективна на |
|
Безбалластный путь с омоноличенными в |
0 |
— |
|
Безбалластный путь с подрельсовыми опорами, |
6-12 |
Эффективна на |
|
Безбалластный путь системы масса-пружина. |
До 25 |
Эффективна на |
Приложение N 4
(рекомендуемое)
Технико-экономическая оценка конструкции ВСП в тоннеле
При технико-экономической оценке конструкции пути для тоннеля учитываются следующие параметры:
— затраты на изготовление и укладку новой конструкции пути в тоннеле и на его подходах, либо капитальные вложения (инвестиции) на реконструкцию (или обновление) существующей конструкции пути, руб./км;
— затраты на оплату труда при содержании пути в тоннеле, руб./км;
— затраты на материалы, используемые при текущем содержании пути в тоннеле, в том числе одиночная замена рельсов, шпал, скреплений, балласт при локальных выправках пути, руб./км;
— расходы, связанные с ограничениями скоростей движения в тоннеле по состоянию пути, руб./км;
— расходы, связанные с предоставлением «окон» для текущего содержания и планового ремонта пути, руб./км;
— затраты транспорта, вызванные ограничением скорости движения поездов в связи с обкаткой пути после ремонта, руб./км;
— стоимость плановых ремонтов пути и ремонтных работ по одиночной замене рельсов, шпал, скреплений, локальные выправки пути на балласте, руб./км;
— фактический контингент для обслуживания железнодорожного пути в тоннелях и на подходах к ним, чел./100 пог. м пути;
— фактический контингент для обслуживания конструкции тоннеля (обделки, водоотводных конструкций и сооружений, вспомогательных конструкций и сооружений и т.п.), портальных и предпортальных сооружений тоннеля и т.п., чел./100 пог. м пути;
— стоимость материалов на содержание пути тоннеля и его подходов, тыс. руб./100 пог. м пути в год;
— эксплуатационные расходы и единовременные затраты на 1 поездо-час простоя поезда, руб.;
— продолжительность «окна», ч;
— среднесетевые размеры движения, поездов/ч;
— средний вес поезда брутто, т;
— дополнительное время хода поезда в пределах одного километра пути при снижении скорости его движения, ч;
— потери времени, соответственно на торможение и разгон поезда, ч;
— длина участка пути, на котором действует ограничение скорости, км;
— расходная ставка на 1 кН механической работы локомотива, руб.;
— ходовая скорость движения поезда на участке пути, км/ч;
— скорость движения поездов, установленная в результате ограничения, км/ч;
— продолжительность действия ограничения скорости движения поездов, ч;
— среднемесячная ставка одного монтера пути (по величине среднего разряда), руб.;
— коэффициент начислений к заработной плате;
— коэффициент, учитывающий район расположения тоннеля (участка пути) на территории России;
— поправочные коэффициенты, учитывающие движение скоростных пассажирских поездов, наличие угольных маршрутов, наличие электрификации и автоблокировки, повышение уровня механизации;
— дополнительный расход рабочей силы на ограждение пути при пропуске поездов, на содержание двухсторонней изгороди, на охрану тоннеля, на содержание осветительных устройств и устройств вентиляции (при ее наличии) и др., чел./км в год;
— стоимость одного рельса длиной 25 м, стоимость одной шпалы (деревянной и железобетонной), руб.;
— удельное одиночное изъятие остродефектных рельсов, шт./км;
— интенсивность ежегодного (одиночного) выхода шпал и скреплений, шт./км;
— стоимость 1 куб.м балластных материалов, руб.;
— количество рабочих дней в течение фактического сезона работ по содержанию балластного слоя, дни;
— доля работ по содержанию балластного слоя в общем объеме трудовых затрат по текущему содержанию пути, %;
— среднемесячная заработная плата одного монтера пути (по величине среднего разряда), руб.
При выборе рациональной конструкции пути в тоннеле и на его подходах с учетом затрат на текущее содержание пути целевой функцией является соотношение суммарных затрат: на содержание пути с расходами на изготовление и укладку новой конструкции пути, либо реконструкцию или обновление существующей конструкции пути. Оба вида затрат включают эксплуатационные расходы транспорта при перерывах в движении поездов «окнах» и задержках поездов в результате снижения скорости их движения. Для приведения вышеперечисленных затрат к сопоставимому виду используется показатель — удельные приведенные транспортные затраты. Базисом для приведения в данном случае служит 1 млн. т брутто пропущенного груза, или 0,5 года — продолжительности эксплуатации пути.
Определение срока ремонта пути, исходя из критерия минимума удельных приведенных затрат транспорта, выполняется согласно следующему условию. По формуле (4.1.)
Сi + E · Ki => min, (4.1.)
где Кi — инвестиции (капитальные вложения) по каждому варианту;
Сi — текущие затраты по тому же варианту;
Если по сравниваемым вариантам капитальные вложения различны по объемам и осуществляются в разные сроки, а текущие затраты изменяются во времени и отсутствует возможность учета фактора времени с помощью нормативов продолжительности строительства, реконструкции (модернизации), то следует приводить затраты более поздних лет к текущему моменту путем применения коэффициента приведения (дисконтирования), исчисляемого по зависимости, по формуле (4.2.)
1
r = ───────────── , (4.2.)
d t
(1 + r )
d min
где t — период времени приведения, в годах;
r — норматив для приведения разновременных затрат, принимается равным
d min 0,08.
Результаты приведения разновременных затрат к текущему моменту не могут служить основанием для изменения сметной стоимости строительства, реконструкции (модернизации) или величины затрат на внедрение новых конструкций (новых технологий).
Для обоснования выбора различных видов конструкции ВСП в тоннеле и применения различных технологий производства работ по реконструкции (модернизации) пути или капитальному ремонту наиболее целесообразным является определение дисконтного срока окупаемости инвестиций (Diskounted Рауbаск Реriod — DРР). Этот метод позволяет определить момент, когда дисконтированные денежные потоки доходов сравняются с дисконтированными денежными потоками инвестиционных затрат. Выражение имеет вид, по формуле (4.3.)
P
T t
DPP = min t, при котором SUM ────────── >= IC , (4.3.)
t=1 t j
(1 + r )
d
где IC — сумма инвестиций;
j
P — денежные поступления за период времени t.
t
При рассмотрении вариантов применения различных конструкций ВСП в тоннеле и применения различных технологий производства работ по реконструкции (модернизации) пути является момент, когда дисконтный период оценки инвестиций на реконструкцию (модернизацию) пути достигнет величины дисконтных значений капитальных вложений по капитальному ремонту базового (типового) варианта конструкции ВСП в тоннеле.
В качестве примера на рисунке 4.1. представлены графики соотношения дисконтированных сроков выполнения капитального ремонта базовой (типовой) конструкции ВСП в тоннеле, составляющей порядка 18,3 млн. руб./км пути (кривая 2 на рисунке 4.1.) и реконструкции (модернизации) конструкции ВСП в тоннеле, составляющей порядка 30 млн. руб. (кривая 1 на рисунке 4.1.).
См. Рисунок 4.1. — Пример определения дисконтированного срока окупаемости реконструкции (модернизации) и капитального ремонта ВСП в тоннеле.
В приведенном на рисунке 4.1. примере при расчете кривых 1 и 2 были учтены затраты (в виде «ступенек») на выполнение промежуточных видов ремонта ВСП в процессе его эксплуатации. Затраты на текущую эксплуатацию конструкции ВСП (текущее содержание) учтены в виде общей суммы дисконтированных затрат соответственно на реконструкцию (модернизацию) и капитальный ремонт ВСП в тоннеле.
В представленном на рисунке 4.1. примере дисконтный срок окупаемости инвестиций на реконструкцию (модернизацию) ВСП в тоннеле составит 23,7 года.
В случае применения менее затратных конструкций ВСП в тоннеле и использования более экономичных технологий их реконструкции (модернизации) дисконтный срок окупаемости инвестиций будет уменьшаться. Например, при тех же величинах стоимости капитального ремонта (18,3 млн. руб.) дисконтный срок окупаемости инвестиций составит 11,9 лет при общей сумме инвестиций 24 млн. руб.
На рисунке 4.2. представлены графики изменения дисконтного срока окупаемости инвестиций по реконструкции (модернизации) ВСП в тоннеле при различной величине инвестиций. В качестве базового значения стоимости капитального ремонта ВСП в тоннеле принята сумма 18,3 млн. руб.
См. Рисунок 4.2. — Пример определения изменения дисконтного срока окупаемости инвестиций по реконструкции (модернизации) ВСП в тоннеле.
Путем анализа дисконтных сроков окупаемости вариантов конструкции ВСП в тоннеле в зависимости от стоимости различных технологий реконструкции (модернизации) и затрат на конструкцию ВСП в тоннеле, график на рисунке 4.2. позволяет осуществлять выбор различных вариантов реконструкции ВСП в тоннеле. Например, применение на современном этапе наиболее прогрессивной конструкции ВСП в тоннеле типа масса-пружина, потребует от инвестора таких размеров инвестиций, которые будут окупаться за период порядка 40 лет. И наоборот, инвестирование мероприятий с минимальными вложениями, например, тип 1 обеспечит окупаемость инвестиций на модернизацию ВСП в тоннеле в течение 10-12 лет.
На рисунке 4.3. представлен пример кривых для определения сроков назначения различных видов ремонтов пути с целью повышения работоспособности ВСП, его усиления или производства капитальных ремонтных работ.
См. Рисунок 4.3. — Пример определения целесообразных сроков назначения ремонтов пути капитального характера, в том числе модернизации (реконструкции) при сумме инвестиций 30 млн. руб. (на модернизацию ВСП) и стоимости капитального ремонта 18,3 млн. руб. (для типовой конструкции ВСП).
Методика применения зависимостей, представленных на рисунке 4.3. состоит в определении целесообразных сроков назначения ремонтов пути в зависимости от соотношения дисконтированных показателей инвестиций или капиталовложений (рисунок 4.3. кривые дисконта инвестиций или капиталовложений, которые имеют ниспадающий характер в связи с ростом удаленности затрат) и кривых дисконтированных показателей затрат на текущую эксплуатацию (текущее содержание ВСП) (рисунок 4.3., кривые дисконта затрат на текущее содержание ВСП, которые имеют возрастающий характер в связи с ростом текущих издержек при эксплуатации ВСП, вызванных его старением).
В качестве примера на рисунке 4.3. представлен диапазон выбора целесообразных сроков назначения ремонтов пути для типовой конструкции ВСП и конструкции ВСП после ее модернизации. Рекомендуемые сроки назначения ремонтных работ составляют 17-18 лет для типовой конструкции ВСП и 22-23 года для конструкции ВСП после осуществления ее модернизации, например, в соответствии с типом 5 таблицы 2.3. Продолжение эксплуатации конструкции ВСП после рекомендуемых сроков назначения капитальных ремонтных работ ведет к дальнейшему увеличению затрат на текущую эксплуатацию ВСП (текущее содержание).
Приведенный на графиках рисунка 4.3. диапазон между кривыми дисконта инвестиций (капиталовложений) и дисконта текущих затрат (текущего содержания) для различных конструкций ВСП позволяет выполнять предварительную оценку целесообразных сроков назначения ремонтных работ для других конструкций ВСП в интервале стоимости затрат на модернизацию ВСП от 30 млн. руб./км до 18,3 млн. руб./км.
Обозначенные сроки назначения ремонтных работ имеют для руководителя подразделения, обслуживающего данный объект, рекомендательный характер, поскольку окончательное решение для производства ремонтных работ принимается не только на основании критериев целесообразности по экономическим составляющим.
Приложение N 5
(рекомендуемое)
Методика определения модуля упругости пути в тоннеле
5.1. Теоретические предпосылки
Упругая осадка рельса при действии нескольких сил (осей) выражается
зависимостью, формула (5.1.)
k
y = ──── SUM P «эта» , (5.1.)
2U
где U — модуль упругости пути, МПа; -1
k — коэффициент относительной жесткости подрельсового основания, м ;
P — сила, действующая от колес на рельс, кН;
«эта» — коэффициент, учитывающий влияние соседних осей.
Коэффициент относительной жесткости пути k связан с модулем упругости пути
U соотношением, формула (5.2.)
──────
/ U
k = 4 / ───── , (5.2.)
/ 4EI
5
где E — модуль упругости рельсовой стали, E=2,1·10 МПа;
I — момент инерции рельса относительно горизонтальной нейтральной оси, для
-8 4
рельса типа Р65 I = 3540 · 10 м.
Коэффициент, учитывающий влияние соседних осей определяется по формуле
(5.3.)
-kx
«эта» = e (cos kx + sin kx), (5.3.)
где x — расстояние от расчетного сечения до соответствующей расчетной силы,
м.
Однако, сила, передаваемая от колеса на рельс в момент измерения достоверно
не известна и измерение ее значений технологически весьма сложно, поэтому можно
воспользоваться свойством линии влияния сил, действующих на рельс. Расстояние l
0
от точки приложения силы до перехода линии прогибов через ноль (рисунок 5.1.)
равно, формула (5.4.)
3 «пи»
l = ─────── , (5.4.)
0 4k
-1
где k — коэффициент относительной жесткости подрельсового основания, м .
См. Рисунок 5.1. — Линия влияния силы. Действующей на рельс.
Линию влияния сил, действующих на рельс, можно получить измерением
фактических упругих осадок рельсовой нити перед первой осью локомотива.
Тогда из (5.2.) и (5.4.) можно выразить модуль упругости пути, формула
(5.5.)
┌ ┐4
│ 3 «пи» │
U = 4EI │ ────── │ . (5.5.)
│ 4l │
└ 0 ┘
Измерив l из (5.5.) получим соответствующие значения модуля упругости
0
пути.
5.2. Определение расстояния от первой оси локомотива до перехода линии
прогибов через ноль
В тоннеле напротив камер (или ниш) выбирают несколько измерительных
участков в количестве не менее трех.
Измерения выполняют в следующем порядке.
Напротив выбранной камеры устанавливают локомотив таким образом, чтобы
колесо его первой оси было видно из камеры.
Размечают ближний к камере рельс на сечения. Разметку наносят мелом на
шейку рельса со стороны камеры в виде вертикальной черты. Первую метку наносят
под первой осью локомотива. Следующую метку наносят через 1 м от первой перед
первой осью. Следующие метки наносят через 0,25 м. Метки нумеруют. Разметку
осуществляют на длине 4 м от первой оси локомотива. Измеряют вертикальное
положение рельса в каждом размеченном сечении. Результаты записывают в журнал.
Измерения следует выполнять с точностью не хуже 0,01 мм.
Далее отгоняют локомотив от первого сечения на расстояние не менее 10 м и
снова измеряют вертикальное положение рельса в каждом размеченном сечении.
Результаты записывают в журнал.
Повторяют определения положения рельса под локомотивом и без него три раза
на каждом измерительном участке.
Измерения вертикального положения рельса можно выполнять с помощью
оптических средств (тахеометр, нивелир) или механических средств измерения
расстояний (штангенциркуль, штангенрейсмасс, штангенглубиномер), однако
наибольшую точность можно получить при применении электронных средств измерений
(индукционные, тензометрические и др.).
Вычисляют упругий прогиб рельса в каждом сечении по следующей формуле
(5.6.)
y = h — h , (5.6.)
i 2i 1i
где h и h — вертикальное положение рельса под локомотивом и без
1i 2i
локомотива соответственно, мм.
Вычисляют среднее значение упругого прогиба рельса из трех определений.
Положительный знак имеют вертикальные прогибы вниз.
Результаты вычислений фиксируют в журнале с учетом знака.
Определяют сечения, между которыми произошло изменение знака величины
упругого прогиба. Расстояние от первой оси локомотива до перехода линии прогибов
через ноль определяют с помощью линейной интерполяции по формуле (5.7.)
l — l
i i-1
l = l + ─────────── y , (5.7.)
0 i-1 y — y i-1
i-1 i
где l — расстояние до сечения, в котором изменился знак упругого прогиба
i рельса, м;
l — расстояние до предыдущего сечения сечения;
i-1
y — упругий прогиб рельса в сечении, в котором изменился знак
i упругого прогиба рельса, м;
y — упругий прогиб рельса в предыдущем сечении.
i-1
5.3 Пример определения модуля упругости
Допустим, на выбраном участке тоннеля получены следующие средние величины
упругих прогибов рельса, приведенные в таблице 5.1.
Таблица 5.1.
┌──────────────┬─────────────────┬────────────────────┐
│ N сечения │ Расстояние от │ Упругий прогиб │
│ │первой оси l , м │ рельса y , мм │
│ │ i │ i │
├──────────────┼─────────────────┼────────────────────┤
│ 1 │ 1,00 │ 0,382 │
├──────────────┼─────────────────┼────────────────────┤
│ 2 │ 1,25 │ 0,236 │
├──────────────┼─────────────────┼────────────────────┤
│ 3 │ 1,50 │ 0,124 │
├──────────────┼─────────────────┼────────────────────┤
│ 4 │ 1,75 │ 0,046 │
├──────────────┼─────────────────┼────────────────────┤
│ 5 │ 2,00 │ 0,004 │
├──────────────┼─────────────────┼────────────────────┤
│ 6 │ 2,25 │ -0,032 │
├──────────────┼─────────────────┼────────────────────┤
│ 7 │ 2,50 │ -0,044 │
├──────────────┼─────────────────┼────────────────────┤
│ 8 │ 2,75 │ -0,045 │
├──────────────┼─────────────────┼────────────────────┤
│ 9 │ 3,00 │ -0,040 │
└──────────────┴─────────────────┴────────────────────┘
Смена знака происходит между 5 и 6 сечениями.
По формуле (5.7.) получим
2,25 — 2,00
l = 2,00 + 0,004 ────────────── = 1,978м
0 0,004 +0,032
По формуле (5.5.) определим модуль упругости пути
┌ ┐4
5 -8 │ 3 «пи» │
U = 4 х 2,1 · 10 х 3540 · 10 │ ────── │ = 60 МПа.
│ 4·1,978 │
└ ┘