Продольный профиль железнодорожного пути
Продольный профиль железнодорожного пути – вертикальный разрез по трассе, развернутый на плоскость. Трасса ж.-д. пути в этом сечении представляется проектной линией. На существующих линиях продольный профиль пути определяется уровнем головки рельса. Продольный профиль пути состоит из горизонтальных участков (площадок) и уклонов. Площадки и уклоны различной крутизны называют элементами профиля. При значительной разности уклонов смежных элементов (более 2—3 ‰) они сопрягаются вертикальной сопрягающей кривой.
Общие сведения
Очертание продольного профиля пути влияет на безопасность и плавность движения поездов. Чем больше длина элементов профиля и меньше разность уклонов смежных элементов, тем меньше продольные усилия и ускорения, возникающие при движении поезда. Особенно неблагоприятны значительные изменения крутизны уклонов на тех участках пути, где изменяется режим работы локомотива (включение тормозов, сброс или набор тяги). К таким участкам относятся углубления профиля или уступы на крутых спусках, где согласно нормам проектирования принимается меньшая разность уклонов смежных элементов и большая их длина (так называемые рекомендуемые нормы). На участках, где поезда движутся в стационарном режиме, например на возвышениях профиля, ограниченных затяжными уклонами, допускается большая разность уклонов смежных элементов и меньшая их длина (так называемые допускаемые нормы).
Требования
Наряду с проектной линией на продольном профиле ж. д. показывают также линию земли, инженерно-геологические условия, водопропускные сооружения (мосты, трубы, лотки и др.), тоннели, станции, переезды и т.д. Вместе с тем продольным профилем часто называют именно проектную линию ж. д. Проектная линия состоит из отдельных прямолинейных элементов, каждый из которых характеризуется протяженностью (длина l в м) и крутизной (уклон i в %о). Уклоны продольного профиля (отношение разности отметок концов элемента к его длине) на ж. д. принято измерять в тысячных долях. Величина уклона соответствует превышению одного конца элемента над другим (в м) при его длине в 1 км. Место сопряжения двух смежных элементов продольного профиля образуют перелом, характеризуемый алгебраической разностью уклонов смежных элементов (i). При этом подъемы принимают со знаком «+», а спуски со знаком «-». При заметной разности уклонов (более 2-3%о) в месте сопряжения элементов устраивают вертикальные круговые кривые.
Максимально допустимую величину уклона на проектируемом участке называют ограничивающим уклоном. Это один из наиболее важных технических параметров ж. д., устанавливаемый при разработке проектов в комплексе с другими параметрами (вид тяги и тип локомотива, полезная длина приемо-отправочных путей и др.). Величина ограничивающего уклона влияет на весовую норму поездов и провозную способность проектируемого участка ж. д., определяет сложность продольного профиля, скорости движения, затраты топлива или электроэнергии. С другой стороны, от принятого значения ограничивающего уклона зависят длина трассы, объемы и стоимости земляных работ по сооружению земляного полотна и искусственных сооружений. Использование крутых ограничивающих уклонов ухудшает эксплуатационные условия, но благоприятно для строительства ж. д.
Продольный профиль пути на перегонах
Длина элементов профиля, как правило, не должна быть менее половины полезной длины приемо-отправочных путей, принятой на перспективу, а на внутристанционных соединительных и подъездных путях IV категории — половины длины поезда или состава, передаваемого маневровым порядком, но не менее 100 м.
Алгебраическая разность уклонов смежных элементов не должна превышать значений Δiн, указанных в числителе таблице. При большей разности уклонов смежные элементы следует сопрягать посредством разделительных площадок и (или) элементов переходной крутизны, длина которых при указанных значениях Δiн должна быть не менее значений Iн, приведенных в знаменателе таблицы. При алгебраической разности уклонов менее Δiн длину разделительных площадок и элементов переходной крутизны допускается пропорционально уменьшать, но не менее, чем до 25 м. Уменьшенную длину элементов следует определять по формуле:
L = Lн(Δi1 + Δi2)/2Δiн,
где Δi1, Δi2 — алгебраические разности уклонов, ‰, по концам элемента профиля.
Допускаемые нормы, указанные в таблице, не следует применять:
а) в углублениях профиля (ямах), ограниченных хотя бы одним тормозным спуском;
б) на уступах, расположенных на тормозных спусках;
в) на возвышениях профиля (горбах), расположенных на расстоянии менее удвоенной полезной длины приемоотправочных путей (расчетной длины поезда) от подошвы тормозного спуска.
Примечания:
- 1. Временные участки трассы проектируются по нормам железных дорог IV категории при полезной длине приемоотправочных путей 850 м.
- 2. При проектировании подъездных путей и временных участков в трудных условиях допускается увеличивать алгебраическую разность уклонов Δiн до 30 ‰ при длине элементов профиля Iн не менее 150 м.
В случае, когда использование указанных норм приводит к необходимости переустройства существующего земляного полотна или искусственных сооружений, допускается при соответствующем обосновании применять нормы, указанные в таблице для линии следующей более низкой категории.
При обращении на линиях грузовых поездов удвоенной длины в особо трудных условиях, когда использование норм, указанных в таблице, приводит к значительным работам по переустройству существующего земляного полотна или искусственных сооружений, допускается, при соответствующем обосновании, проектировать сопряжение уклонов на основе расчетов, выполненных применительно к условиям движения поездов на данном участке пути.
Особенности
Продольный профиль в выемках длиной более 400 м и в выемках независимо от их длины, устраиваемых в вечномерзлых грунтах, следует проектировать уклонами одного направления, либо выпуклого очертания. При этом крутизну уклонов следует принимать не менее, соответственно, 2 и 4 ‰.
Продольный профиль железнодорожных линий в метелевых районах следует проектировать преимущественно в виде насыпей; высоту насыпи над уровнем расчетной толщины снежного покрова следует принимать не менее 0,7 м на однопутных и 1,0 м на двухпутных линиях. На участках, располагаемых на насыпях, не удовлетворяющих указанным требованиям, а также на нулевых местах и в выемках, проектом следует предусматривать средства защиты от снежных заносов.
Перед затяжными спусками, при соответствующем обосновании, следует проектировать участок пути с пологими уклонами длиной не менее 1,5 км для опробования тормозов в пути следования. Длина спусков с крутыми затяжными уклонами (более 20 ‰) не должна превышать длины, проходимой поездом без остановок по условиям нагрева тормозных колодок и колес подвижного состава и истощимости автотормозов. В случае превышения этих длин должна предусматриваться остановка поезда. В местах возможной остановки поезда, не совпадающей с площадкой раздельных пунктов, уклоны не должны превышать значений, установленных по удержанию поезда вспомогательным тормозом локомотива (локомотивов).
Продольный профиль дополнительного главного пути, располагаемого на общем земляном полотне с существующим путем на прямых участках следует проектировать из условия обеспечения одинакового уровня головок рельсов обоих путей после капитального ремонта существующего пути. На участках пути в кривых на одном уровне должны быть головки внутренних рельсов.
Временная разность уровней головок рельсов не должна превышать 10 см, а в отдельных точках — 15 см. В местах, где исключена возможность заноса пути снегом или песком, временную разность уровней головок рельсов допускается в обоснованных случаях увеличивать до 25 см. На переездах, устраиваемых на прямом участке пути, разность уровней головок рельсов не допускается.
Продольный профиль на раздельных пунктах
В пределах раздельных пунктов должно быть обеспечено беспрепятственное и безопасное проведение маневровых операций. Поэтому очертания продольного профиля пути должны исключать самопроизвольных уход с путей раздельных пунктов подвижного состава, оснащённого роликовыми подшипниками. Благоприятным является вогнутое очертание продольного профиля пути раздельных пунктов с глубиной понижения от 0,45 до 0,55 м на каждые 1000 м полезной длины приёмо-отправочных путей. В трудных условиях раздельные пункты, на которых не предусматриваются маневровые операции, размещают на уклонах не круче 10 ‰ при условии, что будут обеспечены удержание поездов вспомогательными тормозами локомотивов и трогание поездов с места.
При расположении раздельного пункта на переломном продольном профиле условия сопряжения элементов профиля должны соответствовать установленным нормам для главного пути на перегонах.
Площадки разъездов и обгонных пунктов, размещаемых в легких топографических условиях, следует, по возможности, располагать на возвышениях профиля (горбах), а участки, предшествующие входным сигналам, на протяжении, равном полезной длине приемо-отправочных путей, — на уклонах, обеспечивающих трогание поезда с места. На раздельных пунктах новых линий, проектируемых с электрической тягой на постоянном токе, где предусматривается остановка полногрузных поездов, в том числе соединенных, продольный профиль станционной площадки и участка выхода в сторону затяжного подъема с ограничивающим уклоном должен обеспечивать разгон поездов до расчетной скорости на этом подъеме.
Стрелочные горловины при невозможности их размещения на указанных уклонах допускается располагать на уклонах не круче ограничивающего, уменьшенного на 2 ‰, а в особо трудных условиях, при соответствующем обосновании в проекте, — и на ограничивающем уклоне. Диспетчерские съезды и отдельные стрелочные переводы на главных путях за пределами горловин допускается размещать на любом продольном уклоне до ограничивающего включительно.
При переустройстве существующих разъездов и обгонных пунктов, на которых не предусматривается производство маневров, в тех случаях, когда размещение приемоотправочных путей в пределах полезной длины на горизонтальной площадке связано с перетрассировкой подходов, большими объемами земляных работ, переустройством искусственных сооружений и т. п., допускается проектировать удлинение приемо-отправочных путей на уклонах до руководящего включительно; при этом должны обеспечиваться условия безопасности движения поездов. При удлинении приемо-отправочных путей существующих станций, расположенных в особо трудных условиях, по согласованию с заказчиком, допускается размещать пути на уклонах не более 10 ‰.
При переустройстве существующих станций, разъездов и обгонных пунктов допускается сохранять существующие уклоны и длины отдельных элементов продольного профиля в не переустраиваемой части. Средний уклон путей, на которых предусматривается соединение или разъединение соединенных поездов, как правило, не должен превышать 6 ‰.
Профиль сортировочных устройств
Профиль сортировочных устройств (сортировочных горок, вытяжных путей со стрелочными горловинами на уклонах либо площадках) и обслуживаемых ими сортировочных путей проектируется согласно нормам и правилам проектирования сортировочных устройств. Сортировочные пути, на которых сортировку вагонов производят с вытяжных путей, в пределах стрелочной зоны следует располагать по возможности на спуске в сторону сортировки вагонов; крутизна спуска не должна превышать 2 ‰; там, где маневровые операции выполняются преимущественно с порожними вагонами, допускается располагать стрелочные горловины на спуске до 2,5 ‰.
Вытяжные пути за пределами стрелочной горловины станции следует располагать на горизонтальной площадке или на спуске (в сторону сортировки вагонов) не круче 2 ‰, а в трудных условиях допускается располагать на подъеме не круче 2 ‰ в сторону обслуживаемых путей. На промежуточных станциях продольный профиль вытяжных путей, используемых для работы сборных и вывозных поездов, в трудных условиях допускается проектировать в соответствии с продольным профилем смежного участка главного пути.
Стрелочные переводы на главных и приемоотправочных путях следует располагать вне пределов вертикальной кривой. В трудных условиях на линиях со скоростями движения поездов до 120 км/ч допускается размещать стрелочные переводы в пределах вертикальной кривой, радиус которой должен быть не менее 10 км. На прочих путях, не предназначенных для прохода организованных поездов, а также при переустройстве существующих и строительстве новых станций, разъездов и обгонных пунктов на существующих линиях, где не предусматриваются скорости движения поездов более 120 км/ч, стрелочные переводы допускается размещать в пределах вертикальной кривой, радиус которой должен быть не менее 5 км.
При проектировании продольного профиля сортировочных горок радиусы вертикальных кривых следует определять расчетом по условию обеспечения проходимости и предотвращения саморасцепа вагонов. При этом в пределах вертикальной кривой в виде исключения допускается располагать только переводную кривую стрелочного перевода; остряки и крестовины должны размещаться вне вертикальной кривой.
Для бесперебойного движения поездов ограничивающие уклоны при совпадении их с кривыми в плане уменьшаются на такое значение, которое эквивалентно дополнительному сопротивлению от кривой; в кривых малых радиусов может потребоваться дополнительное уменьшение ограничивающих уклонов вследствие снижения силы тяги из-за уменьшения коэффициента сцепления колёс локомотива с рельсами (смягчение уклонов в кривых). Смягчение ограничивающих уклонов производится также в тоннелях длиной 300 м и более и на подходах к ним со стороны подъёма, что компенсирует увеличение сопротивления воздушной среды в тоннеле и уменьшение коэффициента сцепления колёс локомотива с рельсами. В благоприятных топографических условиях участки, предшествующие входным сигналам раздельных пунктов, размещают на уклонах, обеспечивающих трогание поездов с места.
Влияние продольного профиля пути на строительную стоимость железной дороги обусловлено высотой насыпей и глубиной выемок, определяющих объёмы земляных работ и необходимость возведения искусственных сооружений. От очертания продольного профиля пути зависят эксплуатационные расходы, поскольку продольный профиль пути влияет на скорости поездов, расход электроэнергии (топлива), а также расходы по содержанию пути, так как высота, глубина и протяжённость насыпей и выемок определяют расходы на борьбу со снежными заносами.
При реконструкции существующих железных дорог и строительстве вторых путей на однопутных железных дорогах при проектировании продольного профиля пути стремятся максимально сохранить существующее земляное полотно и обеспечить минимум срезок и досыпок балласта.
Руководящий уклон
В практике проектирования различают следующие виды ограничивающих уклонов: руководящий, инерционный, уравновешенный и уклоны усиленной тяги. Руководящий уклон – наибольший уклон неограниченного протяжения, при движении на подъем по которому поезда расчетной массы с одиночной тягой устанавливается скорость, равная расчетно-минимальной для данного локомотива. Нормативные документы (СНиП 32-01-95, СТН Ц-01-95) регламентируют максимальные значения руководящего уклона в зависимости от категории ж. д. от 9 до 40%о, при этом большие значения соответствуют более низким категориям дорог.
Инерционные уклоны
Инерционные уклоны превышают крутизну руководящего уклона и могут быть допущены на локальных участках, где поезд, используя кинетическую энергию (наряду с силой тяги), следует по всей длине элемента со скоростью не ниже ее расчетно-минимального значения. Обычно это выходы из углублений продольного профиля при сравнительно непротяженных элементах ограничивающего уклона. Поскольку фактические скорости подхода к таким элементам могут отличаться от расчетных, применение инерционных уклонов ограничено (как правило, только для переустраиваемых ж. д.). На новых линиях для повышения надежности эксплуатации инерционные уклоны не рекомендованы.
Если на ж.-д. линии имеет место существенное различие размеров перевозок по направлениям и это различие устойчиво во времени, то для негрузового направления с целью уменьшения стоимости линии можно применять уклоны, круче руководящего, – уравновешенные уклоны. Их величина зависит от соотношения весовых норм по направлениям, которые в этих условиях целесообразно принять различными (меньше -в негрузовом направлении). Уравновешенные уклоны особенно эффективны, если подъемы расположены преимущественно в сторону меньшего грузопотока.
Уклоны усиленной тяги
На ж.-д. линиях, проложенных через горные хребты или высокие водоразделы, часто имеет место концентрация больших высотных препятствий на участках, примыкающих к водораздельной линии. В этих случаях рационально использовать на таких участках (длиной не менее одного перегона) уклоны усиленной тяги, которые преодолеваются за счет силы тяги нескольких локомотивов. При использовании одинаковых локомотивов или их секций эти уклоны называют уклонами кратной тяги. В СТН Ц-01-95 приведена таблица с величинами уклонов двойной и тройной тяги в соответствии с руководящими уклонами. Максимальные значения уклонов ограниченной тяги во всех случаях должны обеспечивать безопасность движения исходя из условий работы тормозных средств поезда.
Для обеспечения безопасности и плавности движения поездов при укладке проектной линии новой или переустраиваемой ж. д. необходимо учитывать нормы проектирования продольного профиля по минимальным длинам элементов и максимальной алгебраической разности смежных уклонов. Таким образом ограничивают дополнительное усилие в сцепных приборах, вызванное различным сопротивлением от уклона на смежных элементах. Процесс возникновения и распространения продольных усилий в поезде от переломов профиля зависит также от режимов и скорости движения поезда. Важной величиной является количество переломов под поездом, влияющее на длину элемента. Исследованиями выявлены радиусы допустимого очертания проектной линии, при которых обеспечивается необходимая безопасность и плавность движения поездов. При замене этого очертания описанными вокруг него прямолинейными отрезками получены нормативные значения минимальных длин элементов и максимальных алгебраических разностей уклонов, приведенные в СТН Ц-01-95. Эти нормы зависят от категории дороги, характеризующей эксплуатационные условия, в частности скорости движения, а также от полезной длины приемо-отправочных путей, определяющей протяженность поезда. Для учета режимов движения поездов и их возможного изменения приведены рекомендуемые (более строгие) и допускаемые нормы. Допускаемые нормы можно применять только на участках со сравнительно невысокими скоростями и устойчивыми режимами движения поездов (выпуклое очертание проектной линии, нетормозные участки движения поездов). Минимальные значения длин элементов продольного профиля составляют 200-400 м, а максимальные величины алгебраической разности не должны превышать 3-20%о. В проектах реконструкции линии или строительства дополнительных главных путей должны быть выполнены те же требования, что и для новых ж. д., однако в сложных условиях для сохранения существующих сооружений допускается применение норм для следующей (более низкой) категории.
Наряду с этим на переломах профиля для уменьшения вертикальных ускорений и обеспечения необходимой плавности движения устраивают вертикальные кривые. Величина радиуса этих кривых зависит от скоростей движения и рекомендована в нормативных документах в пределах 3-20 км в зависимости от категории ж. д. Вертикальные кривые для упрощения их разбивки и содержания должны размещаться вне переходных кривых и не совпадать с пролетными строениями мостов и путепроводов с безбалластной проезжей частью, а также горловинами раздельных пунктов. Расстояние от перелома продольного профиля до конца переходной кривой или до пролетного строения должно быть не менее тангенса вертикальной кривой, равного T=(RвΔi)/2000, где Rв – радиус вертикальной кривой, м.
Особое внимание при проектировании продольного профиля уделяют обеспечению благоприятного водоотвода, исключающего затопление или размыв земляного полотна паводковыми водами. На участках подхода к водопропускным сооружениям через большие водные препятствия в пределах паводковых разливов бровка земляного полотна (проектная линия для новой ж. д.) должна возвышаться над наибольшим расчетным уровнем с учетом подпора, наката волны на насыпь, ветрового нагона, приливных и ледовых явлений не менее чем на 0,5 м. Аналогичным образом ограничивают положение дна лотка тоннеля с запасом в 1 м. В местах расположения малых водопропускных сооружений (труб, мостов и др.) бровка земляного полотна должна быть выше уровня подпертых вод с учетом аккумуляции при наименьшей вероятности превышения расходов воды на 0,5 м, а для труб, работающих в полунапорном режиме,- на 1,0 м.
При проектировании протяженных выемок и тоннелей профиль трассы должен способствовать организации продольного водоотвода. Проектную линию укладывают либо с однообразным уклоном, либо выпуклого очертания. Крутизна уклонов в выемках не должна быть меньше 2%% (в вечномерзлых грунтах -не менее 4%%), в тоннелях – не менее 3%% (в сложных условиях – 2%%). На пересечениях с другими путями сообщения при достаточно интенсивном движении проектную линию укладывают в разных уровнях с учетом обеспечения необходимого габарита приближения строений.
Для обеспечения бесперебойности движения поездов должны быть выполнены расчетные условия по определению максимальной массы составов, в которых учитывают только дополнительное сопротивление от ограничивающего уклона. Поэтому при расположении руководящего или другого ограничивающего уклона на кривой его следует уменьшить (смягчить) на величину дополнительного сопротивления от кривой. Смягчение выполняют на протяжении всей кривой. Кроме этого, в кривых радиусом менее 500 м (при электрической тяге) и менее 800 м (при тепловозной тяге) уменьшается сцепление колес с рельсами, что также может потребовать смягчения ограничивающего уклона. При расположении тоннелей длиной более 300 м на ограничивающих уклонах следует выполнять смягчение уклона вследствие увеличения сопротивления движению и повышенной влажности, из-за которой уменьшается сцепление колес с рельсами. Это смягчение должно быть выполнено не только в пределах кривой, но и перед ней (на расчетном протяжении).
При проектировании продольного профиля ж. д. в условиях снегозаносимости проектную линию укладывают так, чтобы земляное полотно было в виде насыпи, высота которой превышала расчетную толщину снежного покрова на 0,7-1,0 м. Чтобы избежать заноса ж.-д. линии песком в районах распространения подвижных песков, рекомендуется укладывать проектную линию также в виде насыпи, высота которой была бы не менее 0,9 м.
Особые требования предъявляют к продольному профилю в пределах станций, разъездов и обгонных пунктов. Продольный профиль на дополнительных главных путях, располагаемых на общем земляном полотне с существующим, проектируют в одном уровне. Допускается лишь временная разность уровней (до производства капитального ремонта верхнего строения пути), величина которой не должна превышать 0,1-0,25 м.
Для разработки проекта продольного профиля в современных условиях используют новые информационные технологии, позволяющие не только автоматизировать расчетно-графические операции, необходимые в этой работе, но и оптимизировать положение проектной линии с учетом различных критериев и технических ограничений. Такие технологии разработаны в ЦНИИС и МИИТ.
Меры против самопроизвольного ухода вагонов
Во всех случаях расположения приемо-отправочных путей в пределах полезной длины на уклонах следует предусматривать меры против самопроизвольного ухода вагонов (составов) за пределы полезной длины путей, а величина среднего уклона в пределах полезной длины путей должна обеспечивать условия удержания поездов вспомогательными тормозами локомотивов, а также условия трогания поездов с места.
Развязки подходов в железнодорожных узлах и соединительные пути, предусматриваемые исключительно для движения поездов в одном направлении, допускается располагать в трудных условиях на спусках круче ограничивающего уклона, но не более наибольшего значения уклона, установленного для линий данной категории.
Пассажирские остановочные пункты разрешается располагать на уклонах, допускающих трогание с места пассажирских поездов, в том числе повышенной длины и соединенных.
Пути у погрузочно-выгрузочных платформ и площадок, пути, предназначенные для стоянки составов или вагонов без локомотивов, а также пути экипировки и стоянки локомотивов следует располагать на горизонтальных площадках. В трудных условиях допускается располагать указанные пути на уклонах до 2,5 ‰.
Пути для стоянки пассажирских составов и отдельных вагонов на пассажирских и пассажирских технических станциях и пути в зданиях следует располагать на горизонтальных площадках.
Во всех случаях надлежит предусматривать меры против самопроизвольного ухода вагонов, проектируя при возможности профиль вогнутого очертания.
Величину уклонов внутристанционных соединительных путей, а также путей для перестановки составов, подачи вагонов к бункерам и складам следует принимать с учетом массы обращающихся по этим путям составов и силы тяги локомотивов, но не более величины уклонов, установленных для данной категории линии.
Уклоны путей, предназначенных для передвижения только локомотивов и моторвагонных секций, следует принимать не более 40 ‰.
При проектировании продольного профиля внутристанционных соединительных и ходовых путей разрешается применять допускаемые нормы, указанные для линий IV категории.
Расстояние от ворот здания или начала грузового фронта до начала вертикальной кривой в профиле, а также до начала круговой кривой в плане должно быть не менее длины наиболее длинного вагона (секции локомотива), подаваемого под погрузку, выгрузку или в ремонт. В трудных условиях для переустраиваемых путей это расстояние допускается уменьшать до 2 м.
Литература
- «Энциклопедия железнодорожного транспорта», научное издательство «Большая Российская энциклопедия», 1995 год.
- Строительно-технические нормы Министерства путей сообщения Российской Федерации. Железные дороги колеи 1520 мм. Москва, 1995 год.