Бесстыковой путь

БЕССТЫКОВОЙ ПУТЬ– железнодорожный путь, содержащий сварные рельсовые плети, длина которых настолько велика, что температурные силы, возникающие в них при максимальных колебаниях температуры за год, не в состоянии преодолеть сил сопротивления продольному сдвигу по всей длине плетей. По существующей на отечественных ж. д. классификации к понятию «бесстыковой путь» относят также участки со сварными плетями, имеющими длину, равную длине блок-участка (обычно 2-4 км), и более короткие -со сварными плетями длиной 500—800 м, между которыми уложены 2-4 уравнительных рельса длиной по 12,5 м. В последнем случае бесстыковой путь представляет собой чередование сварных плетей и коротких участков звеньевого пути. Бесстыковой путь является наиболее прогрессивной конструкцией ж.-д. пути; начиная с 1960-х гг. широко применяется в качестве типовой на скоростных ж.-д. линиях за рубежом, а также на отдельных направлениях дорог России. Отсутствие стыков (самых слабых и напряженных мест пути) при отшлифованной поверхности головки рельса и хорошем содержании пути практически исключает какие-либо динамические воздействия на пассажиров (полная комфортность), уменьшает (по сравнению с конструкциями пути с короткими рельсами) удельное сопротивление движению поезда (до 15%), сокращает расходы на ремонты подвижного состава и пути (на 10% и более), продлевает сроки службы элементов верхнего строения пути (до 20-25%), снижает уровень шума (на 5-15 дБ).

Бесстыковой путь – температурно-напряженная конструкция. В рельсах сварных плетей изменение температуры относительно «нейтральной» (при которой сварные плети были закреплены в проектном положении) приводит к возникновению температурных напряжений. В этой связи расчет бесстыкового пути следует производить на прочность и устойчивость. Суммарные напряжения в подошве рельса складываются из температурных напряжений σt и «изгибных» (от колес подвижного состава) – σкп При допускаемых напряжениях в рельсах [σ] чем больше влияние σt, тем меньше остается «запаса» на σкп = [σ] – σt. Для того, чтобы иметь под колесами проходящих поездов фактические кромочные напряжения (растяжения), не превосходящие акп , необходимо применять рельсы повышенной мощности – для условий российских ж. д. не легче рельсов типа Р65.

Помимо расчета на прочность при очень низких температурах необходимо проверять возможность образования недопустимо большого зазора при сквозном изломе рельсовой плети, имеющей, например, при температуре минус 50 °С растягивающее усилие 975-1000 кН (по одной рельсовой нитке). В практике эксплуатации бесстыкового пути даже при температуре минус 30-45 °С при изломах плетей были зафиксированы зазоры, равные 60-70 мм, что влечет за собой сход колес подвижного состава. Повышение температуры свободно лежащего рельса вызывает его удлинение. В условиях бесстыкового пути средняя (основная) часть рельса не имеет возможности изменять свою длину. При повышении температуры возникают продольные силы сжатия Nt, которые при достижении своих критических значений Nk, могут инициировать т. н. выброс пути – резкое его искривление в горизонтальной (чаще) и вертикальной (реже) плоскостях. Экспериментами и расчетами установлена величина нагрева [Δty] (сверх нейтральной температуры, когда продольные температурные силы равны нулю), при достижении которой Nt= Nk и возможно нарушение устойчивости температурно-напряженного бесстыкового пути. Величина [Δtу] для одной и той же конструкции пути зависит от радиуса кривой, на длине которой уложен бесстыковой путь. Чем меньше радиус, тем требуется меньшая продольная сила N" (а отсюда меньшее значение Δty) для нарушения устойчивости бесстыкового пути. Ниже приведены значения [Δty] для бесстыкового пути, уложенного на участках кривых с радиусом R рельсами Р65 на типовых железобетонных шпалах и щебеночном балласте.

Температура рельса, как правило, не совпадает с температурой окружающего воздуха. За счет интенсивной солнечной радиации в летние жаркие дни температура рельса выше температуры воздуха на величину Δt, которая в зависимости от географического расположения ж.-д. линии может быть в пределах от 15-16 °С (северные регионы) до 23-24 °С (средняя и южная полоса России). С учетом распределения температуры рельса по его сечению расчетное значение Δt на ж. д. России принято равным 20 °С.

Бесстыковой путь требует высокого технического уровня текущего содержания, наличия специализированных транспортных средств для перевозки длинных плетей, машин и механизмов для сварки рельсов в пути, их укладки и замены (при капитальных ремонтах). При годовых температурных амплитудах рельсов более 110 °С укладка пути на типовых шпалах возможна в кривых радиусом R>600 м. Для укладки бесстыкового пути при таких температурных амплитудах (например, на ж. д. Восточной Сибири, Байкало-Амурской магистрали, линии Таммот -Якутск) необходимо повысить его устойчивость при нагревании сверх величин [Δty]. На дорогах России и за рубежом проводятся комплексные исследования по укладке бесстыкового пути на подрельсовое основание, имеющее повышенное сопротивление поперечному смещению рельсошпальной решетки. В числе таких решений – замена железобетонных шпал малогабаритными рамами; омоноличивание щебеночной балластной призмы вяжущими полимерными составами; замена балластной призмы железобетонным монолитным основанием и др.

Надежная работа бесстыкового пути зависит от недопущения продольного перемещения рельсовых плетей, что может быть обеспечено надежной связью рельса с основанием. При недостаточном нажатии пружинных клемм промежуточных рельсовых скреплений на подошву рельса под воздействием колес подвижного состава возникают местные подвижки сварных плетей. Образуются зоны добавочного сжатия (до 800-900 кН по обеим рельсовым ниткам), которые, складываясь с температурными силами N", могут превысить максимально допустимые продольные силы, что приведет к выбросу пути. Одновременно на другой стороне плети появляются добавочные растягивающие силы аналогичной величины, которые при низких температурах могут привести к излому и разрыву плети. При костыльном промежуточном рельсовом скреплении, которое широко применяется на участках бесстыкового пути в США, Канаде и других странах на деревянных шпалах, в целях недопущения продольного перемещения сварных плетей на подошву рельса устанавливают пружинные скобы-противоугоны, упирающиеся в боковые поверхности шпал (по 2 или 4 пружинных противоугона на каждую или каждую вторую шпалу).

Ремонт и текущее содержание (включая выправку отдельных неисправностей) участков бесстыкового пути имеют свои особенности, обусловленные температурно-напряженной конструкцией пути. Приведенные значения [Δty] применимы при технически исправном бесстыковом пути, когда шпальные ящики заполнены щебнем по норме, балласт уплотнен, рельсовые нити не имеют «углов» в плане. При подъемке, сдвижке, рихтовке пути, очистке щебня и других операциях при текущем содержании и ремонтах сопротивление рельсошпальной решетки ее смещению в горизонтальной и вертикальной плоскостях резко уменьшается. В результате нарушение устойчивости (при нагревании сварных плетей) наступает при превышении температуры рельса над нейтральной при меньших значениях Atу. Руководствуются нормативами, конкретно указывающими, при каких превышениях температуры рельса (над температурой, при которой плети были уложены и закреплены к шпалам пружинными клеммами) разрешается выполнять различные виды путевых работ.

При ремонтах пути, работе балластеров, щебнеочистительных и других машин в подготовительный период производится «разрядка напряжений» на всем протяжении участка, где планируется выполнение работ: длинные сварные плети освобождаются от связи со шпалами – снятием клеммного нажатия на подошву рельса и «вывешиванием» плетей на ролики или подведением под подошву рельсов специальных прокладок, обеспечивающих очень низкий коэффициент трения рельсов с основанием; снятием накладок на концах сварных плетей. После проведения этих операций, производимых с использованием гидравлических и других приборов, происходит удлинение сильно нагретой плети. При этом продольные силы сжатия снимаются и опасность выброса пути при подъемках и рихтовке плетей исключается.

После завершения комплекса операций по ремонту (в т. ч. очистки щебня, замены негодных шпал, поставки пути в проектное положение и т. д.) необходимо ввести рельсовые плети в расчетную температурную зону. Удлинившиеся при температурной разрядке плети бесстыкового пути сжимаются (укорачиваются) с помощью специальных гидравлических приборов до первоначального положения, после чего уже напряженные плети прижимаются к шпалам пружинными клеммами, фиксируя проектные положения. Представляется возможным возвращение плетей бесстыкового пути в проектное положение без приложения к ним продольных сил специальными приборами. Для этого необходимо в период, когда температура воздуха будет находиться в интервале расчетных температур рельсовой плети, снять клеммное нажатие, поставить рельсы на ролики (или прокладки с малым коэффициентом трения) и, прилагая небольшие продольные силы, поставить плети в расчетный температурный интервал. Для того, чтобы не выполнять трудоемкие работы сначала по разрядке напряжений (до начала основных работ), а потом не производить их в обратном порядке (устанавливать бесстыковой путь в расчетном температурном интервале), целесообразно планировать выполнение путевых работ, нарушающих стабильность бесстыкового пути, рано утром, когда рельсы еще не нагреты и плети находятся в расчетном температурном интервале.

На каждую плеть бесстыкового пути ведется техническая документация, где указывается ее местоположение, конструкция элементов верхнего строения пути, температура закрепления, а также вносятся записи о всех видах ремонтно-выправочных работ, которые проводились на этом участке. Технология образования плетей бесстыкового пути включает следующие этапы:

• Сварка на специальных путях рельсо-сварочных предприятий (РСП) 25-метровых рельсов (не имеющих по концам отверстий в шейке) в плети длиной, как правило, 800 м, которая определяется возможностью перевозки плетей и длиной станционных путей.
• Погрузка плетей на специализированный состав с их закреплением на нем (рельсовые плети опираются на ролики).
• Транспортировка 800-метровых сварных плетей к месту их укладки; выгрузка на путь и временное закрепление в проектном положении (до начала работ в «окно» по сдвижке плетей на место звеньевого пути).
• Сдвижка лежащего звеньевого пути и надвижка на его место длинных сварных плетей с закреплением их промежуточными рельсовыми скреплениями в проектном положении (производится в «окно» с помощью специальных приспособлений, желательно при температуре воздуха и рельсов, близкой к расчетной) .
• Сварка 800-метровых плетей с образованием бесстыкового пути расчетной длины -протяженностью, равной блок-участку или всему перегону.

Главные пути в пределах станций, а также приемо-отправочные, предназначенные для безостановочного пропуска поездов, должны иметь конструкцию бесстыкового пути того же типа, что и на перегоне. Приемо-отправочные пути могут укладываться длинными сварными плетями протяжением от стрелки до стрелки. На концах плетей перед крестовиной помещают 2-3 уравнительных рельса. На станциях при укладке сварных плетей применяют старогодные материалы верхнего строения пути. Шпалы могут быть железобетонные, деревянные, скрепление – костыльное. В этом случае устанавливаются пружинные противоугоны с обоих концов шпал («в замок»). Балласт для бесстыкового пути на станциях может быть щебеночным, асбестовым, из сортированного или карьерного гравия, гравийно-песчаным. При железобетонных шпалах и щебеночном (асбестовом) балласте плети разрешено укладывать на прямых и кривых радиусом не менее 300 м; при балласте из сортированного гравия и гравийно-песчаном балласте – на прямых и кривых радиусом не менее 600 м. Допускаемые повышения температуры (сверх нейтральной) по условиям устойчивости на станционных путях при гравийно-песчаном балласте приведены ниже.

Учитывая, что скорости движения на станционных путях находятся в пределах до 25-45 км/ч, для плетей бесстыкового пути допускается применение старогодных рельсов типов Р65 и Р50 (при условии их тщательного дефектоскопирования перед укладкой в путь).

На однопролетных металлических мостах длиной свыше 55 м и на многопролетных – свыше 60 м конструкции бесстыкового пути имеют особенности. При высоком уровне связи плетей с пролетным строением из-за подвижек последнего может возникнуть разрыв плети. Площади поперечного сечения продольных балок, поясов ферм пролетного строения многократно превышают площадь сечения рельса, и при продольном перемещении металлической фермы на подвижной опоре (другая опора фермы остается неподвижной) в рельсовых плетях появляются дополнительные продольные силы. Для их недопущения прикрепление рельсовых плетей к основанию осуществляется с подрезными лапками, что обеспечивает зазор между клеммой и верхом подошвы рельса. Для компенсации местных температурных удлинений таких сварных плетей на мостах применяются уравнительные приборы, которые укладываются по расчету. Работа бесстыкового пути в тоннелях также имеет некоторые особенности, связанные с тем, что температура внутренних рельсов в летнее время на 30-35 °С может отличаться от температуры наружных рельсов на подходах к тоннелю в зоне порталов. При длине тоннелей более 300 м плети желательно размещать таким образом, чтобы их концы находились внутри тоннеля на расстоянии 10-15 м от портала и соединялись с наружным путем (бесстыковым или звеньевым) уравнительным пролетом. В коротких тоннелях (длиной до 200-300 м), если у порталов нет изолирующих стыков, целесообразно укладывать плети возможно большей длины, чтобы тоннель приходился на среднюю часть плети, а наружные части плети закреплять на расстоянии 80-100 м (обычными клеммами); при этом необходимо обеспечить повышенный нажим на верхнюю часть подошвы рельса.