Путь и путевое хозяйство. Нижнее строение пути

Железнодорожный путь — это комплекс инженерных сооружений, предназначенный для пропуска по нему поездов с установленной скоростью. Путь — самая дорогая и самая протяжённая часть инфраструктуры: он занимает полосу земли по всей длине линии, и именно от его состояния непосредственно зависит безопасность движения.

Требования, предъявляемые к устройству железнодорожного пути:

• все элементы пути по прочности и состоянию должны обеспечивать безопасное и плавное движение поездов с наибольшими скоростями, установленными для данного участка;
• конструкция пути должна соответствовать интенсивности перевозок и грузонапряжённости линии: чем больше грузонапряжённость и осевые нагрузки, тем мощнее должны быть рельсы, шпалы и балластный слой;
• путь должен быть устойчивым, стабильным, износостойким и экономичным в содержании.

Железнодорожный путь состоит из нижнего и верхнего строений.

Нижнее строение пути включает:

• земляное полотно — насыпи, выемки, полунасыпи, полувыемки, полунасыпи-полувыемки;
• искусственные сооружения — мосты, тоннели, трубы, подпорные стены и другие.

Верхнее строение пути (ВСП) предназначено для восприятия нагрузок от подвижного состава, передачи их на земляное полотно и искусственные сооружения, а также для направления движения подвижного состава. ВСП представляет собой единую комплексную конструкцию из рельсов, скреплений с противоугонами, рельсовых опор (чаще всего в виде шпал), балласта, мостового полотна, стрелочных переводов, башмакосбрасывателей и других специальных устройств.

Таким образом, нагрузка от колеса передаётся по цепочке: колесо → рельс → промежуточное скрепление → шпала → балластный слой → основная площадка земляного полотна → грунт основания, а в местах пересечения водотоков и дорог — на искусственные сооружения. Каждое звено этой цепочки рассчитывается на свою долю нагрузки, и ослабление любого звена немедленно отражается на всех остальных.

Земляное полотно — это комплекс грунтовых сооружений, получаемых в результате обработки земной поверхности и предназначенных для укладки верхнего строения пути, обеспечения устойчивости пути и защиты его от воздействия атмосферных и грунтовых вод.

Верхняя площадка земляного полотна на одних участках проходит выше поверхности земли, и тогда сооружают насыпи; на других участках верхняя площадка расположена ниже поверхности земли, и там устраивают выемки. Места, где насыпи переходят в выемки или наоборот, называются нулевыми местами. Реже встречаются полунасыпи, полувыемки и полунасыпи-полувыемки (когда площадку устраивают на косогоре, срезая грунт с одной стороны и отсыпая его с другой).

В земляном полотне различают следующие элементы: основную площадку, откосы, водоотводные и укрепительные устройства.

Основные геометрические понятия:

• основная площадка — верхняя поверхность земляного полотна, на которую укладывают балластную призму; её ширина назначается проектом в зависимости от числа путей, вида грунта и категории линии;
• бровка земляного полотна — линия пересечения основной площадки с откосом;
• откос — боковая наклонная поверхность насыпи или выемки;
• подошва откоса — линия пересечения откоса с основанием (для насыпи — с поверхностью земли, для выемки — с дном водоотвода или полки);
• заложение откоса — горизонтальная проекция линии откоса;
• крутизна откоса — отношение высоты откоса h к его заложению, обозначается 1:n (например, 1:1,5);
• высота насыпи — расстояние от уровня бровок до её основания по оси;
• основание насыпи — полоса земли, на которую опирается насыпь.

На двух- и многопутных линиях ширина основной площадки увеличивается на расстояние между осями крайних путей: на двухпутных линиях — на 4,1 м, на трёхпутных — на 9,1 м. Это прямое следствие норм междупутий: чтобы разместить балластные призмы двух путей, основную площадку приходится расширять.

Минимально допустимая ширина основной площадки однопутных линий на эксплуатируемой сети железных дорог: 5,0 м — для скальных, крупнообломочных и песчаных грунтов и 5,5 м — для обычных (глинистых) грунтов. На новых линиях и при переустройстве ширину назначают больше, поэтому в расчётах она часто принимается равной 7,0 м и более: чем шире основная площадка, тем устойчивее путь и тем проще содержать его в исправном состоянии.

Требования к земляному полотну вытекают из его назначения. Земляное полотно должно быть прочным и устойчивым, иметь достаточные размеры для размещения балластной призмы и обеспечивать отвод воды от пути. Для бесстыкового пути дополнительно нормируется состояние полотна: не допускаются пучины высотой более 10 мм, просадки пути, оползания откосов насыпей и другие деформации земляного полотна.

Форма и размеры земляного полотна в поперечном сечении описываются типовыми поперечными профилями. Различают профили насыпи, выемки, полунасыпи, полувыемки и полунасыпи-полувыемки. В каждом профиле нормируется комплекс элементов, обеспечивающих устойчивость сооружения и отвод воды.

Типовой нормальный профиль насыпи включает:

• основную площадку (3) — поверхность, на которую укладывается верхнее строение пути;
• бровку земляного полотна (4) — границу основной площадки;
• откос (5) с крутизной 1:n, горизонтальная проекция которого называется заложением;
• подошву насыпи (7) — линию опирания насыпи на основание;
• водоотводную канаву (1) — для отвода воды, стекающей с откосов и прилегающей местности;
• берму (2) — горизонтальную площадку между подошвой откоса и водоотводной канавой, обеспечивающую устойчивость откоса и удобство осмотра;
• резерв (6) — выработку грунта вдоль насыпи, из которого отсыпалось тело насыпи (в современных условиях резервы, как правило, не оставляют без засыпки или планировки).

Высота насыпи h определяется как расстояние от бровки земляного полотна до подошвы насыпи, а крутизна откоса 1:n назначается в зависимости от вида грунта, высоты откоса и условий работы сооружения; для типовых профилей наиболее характерна крутизна 1:1,5.

Типовой нормальный профиль выемки включает:

• основную площадку (6) с расположенным вдоль неё кюветом (7) — продольной водоотводной канавой у подошвы откоса выемки;
• бровку откоса (8) и откос выемки;
• банкет (5) — насыпную призму вдоль бровки выемки, защищающую откос от воды, стекающей с прилегающей поверхности;
• забанкетную канаву (3) — для отвода воды, просочившейся через банкет;
• обрез (4) — горизонтальную полку между забанкетной канавой и кавальером;
• кавальер (2) — отвал грунта, вынутого из выемки, уложенный вдоль её бровки;
• нагорную канаву (1) — для перехвата воды, стекающей к выемке с вышерасположенной местности.

Профиль выбирается проектом в зависимости от рельефа, грунтовых и гидрогеологических условий, а также от уровня грунтовых вод. Для выемок глубиной более 2,0 м в глинистых грунтах, в мелких и пылеватых песках и в легковыветривающихся скальных грунтах дополнительно предусматривают закюветные полки шириной, как правило, не менее 3,0 м, которые облегчают осмотр и содержание откосов и защищают кювет от обрушения грунта.

Вода — главный враг земляного полотна. Переувлажнение грунта снижает его несущую способность, приводит к просадкам, пучинам и оползанию откосов. Поэтому водоотводные устройства — не «дополнение» к земляному полотну, а обязательная часть его конструкции.

Состав водоотводных устройств:

• на участках насыпей — водоотводные канавы (нагорные и продольные), а также бермы;
• на участках выемок — нагорные канавы, кюветы и водоотводные лотки;
• для перехвата, отвода и понижения уровня подземных вод — дренажи: подкюветные и закюветные (односторонние и двусторонние), откосные;
• на станциях — ливневая канализация с сетью дренажей мелкого и глубокого заложения или смешанная система водоотводов.

Водоотводные канавы и кюветы устраивают, как правило, трапецеидального сечения с укреплением дна и откосов. Для защиты от размыва применяют бетонные плиты, противоэрозионные маты, габионные конструкции (матрацы РЕНО), щебневание, посев многолетних трав по слою растительной земли.

Укрепительные и защитные сооружения. Откосы земляного полотна подвержены стеканию атмосферных вод, а на пойменных и затапливаемых участках — волновому воздействию. Водная эрозия разрушает грунт в откосах, нарушает целостность и проектное очертание земляного полотна, что ведёт к потере устойчивости и угрозе безопасности движения. Укреплению подлежат откосы насыпей и выемок, кюветов, берм, конусов регуляционных сооружений. Эрозионные процессы на неукреплённых откосах обычно имеют незатухающий, а иногда и прогрессирующий характер, поэтому укрепление откосов обязательно предусматривается проектом.

Основные деформации земляного полотна:

• пучины — неравномерное морозное пучение грунта, приводящее к поднятию пути; для бесстыкового пути не допускаются высотой более 10 мм;
• просадки — вертикальные осадки основной площадки и балластного слоя;
• балластные ложи и мешки — углубления в основной площадке под шпалами, заполняемые загрязнённым балластом и водой;
• оползание откосов насыпей и выемок, сплывы, обрушения;
• размывы насыпей и конусов мостов при проходе ливневых и талых вод;
• обводнение грунтов тела насыпи с изменением их физико-механических свойств в сторону снижения несущей способности из-за отсутствия или неудовлетворительной работы водоотведения.

Содержание земляного полотна и водоотводных сооружений регламентируется Инструкцией по содержанию земляного полотна (ЦП-544), которая требует проведения систематических осмотров, в том числе детальных проверок общего состояния земляного полотна и его сооружений с инструментальными измерениями, а также наблюдений за образованием заторов воды в водоотводных кюветах при проходе ливневых вод.

Искусственные сооружения предназначены для:

• пересечения железной дорогой водных преград, других железных и автомобильных дорог, глубоких ущелий, горных хребтов, застроенных городских территорий;
• обеспечения безопасного перехода людей через пути;
• обеспечения устойчивости земляного полотна в сложных условиях.

К искусственным сооружениям относятся мосты, тоннели, трубы, подпорные стены, регуляционные сооружения, дюкеры, галереи, селеспуски и другие сооружения.

Мост — искусственное сооружение, предназначенное для пересечения железной дорогой водных преград. Мост состоит из пролётных строений, являющихся основанием для пути, и опор, поддерживающих пролётные строения и передающих давление на грунт. Мост вместе с подходами, укрепительными и регуляционными сооружениями и подмостовым руслом реки составляет мостовой переход. Это важное понятие: состояние моста определяется не только самим пролётным строением, но и состоянием русла, конусов насыпи у устоев и подходов.

Регуляционные сооружения (грушевидные и шпоровидные дамбы, траверсы, головы дамб) служат для регулирования течения реки и защиты мостового перехода от размыва. Дюкер — сооружение для пропуска воды под железной дорогой (или канала под путём) с устройством, работающим по принципу сообщающихся сосудов. Селеспуск — сооружение для пропуска селевых потоков в горных условиях. Противообвальная галерея защищает путь от обвалов и камнепадов.

Отдельный класс составляют разводные мосты. Всего в России 12 разводных железнодорожных мостов, половина из них расположена на полигоне Октябрьской дороги, в том числе три — в Санкт-Петербурге: два Финляндских и Кузьминский мост на ладожском направлении. Финляндские мосты разводят каждую ночь в створе с городскими автодорожными мостами по графику, утверждённому городским комитетом по транспорту; Кузьминский мост разводят по заявкам администрации Волго-Балтийского бассейна внутренних водных путей, которая организует движение судов по акватории Невы.

Процедура разводки железнодорожного моста — это полноценная технологическая операция с перерывом в движении поездов. Диспетчер дистанции инженерных сооружений сообщает мостовому мастеру дату и время разводки, вносит заявку в программу, которую согласовывают причастные службы, а отдел технологических «окон» службы пути утверждает технологический перерыв в движении поездов по искусственному сооружению. Подъём пролётного строения, прохождение судов, опускание пролёта с установкой рельсовых замков и накладок на путь занимают в среднем час. Перед каждой разводкой руководитель работ проверяет работоспособность механизмов, а разводным механизмам требуется регулярное техническое обслуживание: натяжение канатов, проверка датчиков положения пролётного строения, смазка рельсовых замков.

За состоянием водного режима на мостовых переходах следят водомерные посты: специалисты ежедневно измеряют уровень воды водомерными рейками, фиксируют значения в журналах наблюдений и отмечают их в книгах моста. Рост уровня воды в реке напрямую влияет на число разводок: чем выше вода, тем чаще приходится разводить мост для пропуска судов.

Путевое хозяйство — самое крупное хозяйство инфраструктуры. Его задача: содержать путь и искусственные сооружения в состоянии, обеспечивающем безопасное и плавное движение поездов с установленными скоростями, при наименьших затратах.

Основные производственные единицы:

• дистанция пути (ПЧ) — линейное предприятие, осуществляющее текущее содержание пути, земляного полотна и искусственных сооружений на закреплённом участке; в составе дистанции работают участки (ПЧУ), мастерские и бригады;
• путевая машинная станция (ПМС) — предприятие, выполняющее плановые ремонты пути с использованием путевых машин (рельсоукладчиков, щебнеочистительных, выправочно-подбивочно-отделочных машин, рельсосварочных машин);
• дирекция по ремонту пути — объединяет ПМС и ремонтные мощности в границах дороги;
• путевые рельсосварочные предприятия, шпалопропиточные заводы, балластные карьеры.

Виды работ на пути. Различают текущее содержание — систематический надзор и работы по устранению мелких неисправностей, и плановые ремонты: капитальный ремонт пути, усиленный капитальный ремонт, средний ремонт, подъёмочный ремонт и планово-предупредительную выправку. Ремонты назначаются по фактическому состоянию пути, накопленному пропущенному тоннажу и грузонапряжённости участка в соответствии с правилами назначения ремонтов железнодорожного пути.

Планирование ремонтов. Ремонт пути выполняется в перерывах в движении поездов — технологических «окнах». Норма выработки одной ПМС напрямую зависит от продолжительности «окна»: при 8-часовом «окне» — около 1600 м пути, при 10-часовом — 2000 м, при 12-часовом — 2300 м, при 16-часовом — 3000 м, при 20-часовом — 3600 м, при 24-часовом — 4300 м. Отсюда следует, что увеличение продолжительности «окна» даёт непропорционально большой прирост выработки: за 24 часа ПМС укладывает почти втрое больше, чем за 8 часов.

Диагностика пути. Состояние пути контролируется комплексом мобильных и стационарных средств. Основные из них:

• путеизмерительные вагоны (например, КВЛ-П) — измеряют ширину колеи, положение рельсовых нитей по уровню, перекосы, просадки, положение пути в плане; выявленные отступления классифицируются по степеням, а участки получают балльную оценку;
• дефектоскопные средства (тележки, вагоны, съёмные дефектоскопы) — выявляют внутренние дефекты рельсов;
• вагоны-лаборатории (например, ВИКС) — оценивают состояние контактной сети, пути и других устройств;
• натурные осмотры: комиссионные месячные осмотры, зимние осмотры, обходы пути.

По результатам осмотров и диагностики оформляются записи о выявленных неисправностях, назначаются работы и устанавливается срок их выполнения; неисправности, угрожающие безопасности движения, устраняются немедленно с принятием мер предосторожности.