железнодорожный путь для тоннелей

Формула изобретения

1. Железнодорожный путь для тоннелей, содержащий рельсы, подрельсовое основание в виде железобетонных лежней, контактирующих отдельно под каждой рельсовой нитью с путевым бетонным слоем через резиновые прокладки в вертикальном, поперечном, горизонтальном и продольном направлениях, устроенные в путевом бетонном слое уступы в зоне торцов лежней и у боковых поверхностей лежней со стороны тоннельной обделки, выполняющие роль соответственно продольных и боковых их упоров, рельсовые скрепления, лотковую зону между лежнями, разделенную на пешеходную дорожку и водоотводный лоток, отличающийся тем, что прижатие соседних лежней в зоне их торцов к продольным упорам путевого бетонного слоя предусмотрено в вертикальном направлении с использованием прижимных плит и крепежных элементов, для чего в концевых частях лежня выполнены углубления в соответствии с формой прижимных плит, площадь совместного контакта нижней поверхности лежней, подлежневых прокладок и поверхности путевого бетонного слоя относительно наклонной плоскости, проходящей через ось симметрии рельса, условно разделена на две неравномерные части с большей площадью со стороны оси пути и меньшей со стороны тоннельной обделки.

2. Железнодорожный путь для тоннелей по п.1, отличающийся тем, что общая минимальная площадь совместного контакта нижней поверхности лежней, подлежневых амартизирующих прокладок и поверхности путевого бетонного слоя, с учетом относительного сдвига амортизирующих прокладок при регулировке высоты, составляет не менее 2880 см ² под каждым лежнем, при этом вышеназванная площадь относительно наклонной плоскости, проходящей через ось симметрии рельсов, разделена в соотношении длин b/а не менее чем 1,2.

3. Железнодорожный путь для тоннелей по п.1, отличающийся тем, что вертикальная жесткость подлежневых прокладок составляет от 75,0 до 90,0 кН/мм в диапазоне нагрузок от 40 до 80 кН.

4. Железнодорожный путь для тоннелей по п.1, отличающийся тем, что прижатие в зоне торцов двух соседних лежней к продольному упору в вертикальном направлении предусмотрено двумя прижимными плитами с использованием двух размещаемых с обеих сторон рельса болтов с усилием 25-30 кН на каждом.

5. Железнодорожный путь для тоннелей по п.1, отличающийся тем, что длина lп подрельсовой площадки лежня, а также длина размещаемой на ней подрельсовой прокладки больше длины подрельсовой площадки типовой железобетонной шпалы и соответствующей подрельсовой прокладки не менее чем в 1,25 раза.

6. Железнодорожный путь для тоннелей по п.1, отличающийся тем, что вертикальное прижатие соседних лежней в зоне торцов к продольным упорам предусмотрено с использованием прижимной поперечной связи, объединяющей железобетонные лежни по обеим рельсовым нитям с продольными упорами путевого бетонного слоя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и предназначено для использования в тоннелях магистральных железных дорог, промышленного транспорта, метрополитенов и трамвайного хозяйства. Железнодорожный путь содержит: рельсы, подрельсовое основание в виде железобетонных лежней, контактирующих с путевым бетонным слоем через резиновые прокладки в вертикальном, поперечном горизонтальном и продольном направлениях; рельсовое скрепление; устроенные в тоннельной обделке продольные и боковые упоры. Лотковая зона между рельсовыми нитями (и соответственно между лежнями) разделена на пешеходную дорожку и водоотводный лоток, размещаемый со стороны пониженной рельсовой нити. При этом отметка поверхности пешеходной дорожки не должна превышать отметки ближней подлежневой площадки.

Известен путь, содержащий в качестве подрельсового основания малогабаритные железобетонные рамы, замоноличенные в путевой бетонный слой через резиноподобную мастику или просто размещаемые в щебеночном балластовом слое [1].

Недостаток данного технического решения при сочетании с бесстыковыми рельсовыми плетями - высокая трудоемкость работ при одиночной замене малогабаритных рам в стесненных условиях тоннеля. Практически такая замена возможна при условии разрезки бесстыковых рельсовых плетей.

Известно также железобетонное подрельсовое основание в виде рамных железобетонных шпал [2]. Этот вариант выгодно отличается от подрельсового основания в виде малогабаритных рам, прежде всего упрощением технологии устройства, текущего содержания и ремонтов пути. Однако при этом подрельсовом основании его замена в тоннеле возможна также только при демонтированных рельсовых плетях бесстыкового пути.

Наиболее близким к данному изобретению (прототипом) является конструкция железнодорожного виброзащитного пути для тоннелей метрополитенов [3]. Виброзащитный путь, содержащий в качестве подрельсовых оснований железобетонные лежни, контактирующие с путевым бетонным слоем как в вертикальном, продольном, так и в поперечном горизонтальном направлениях, через резиновые амортизирующие прокладки обеспечивает существенное снижение нагрузок в соответствующих направлениях на тоннельную обделку. Кроме того, обеспечение свободного лежащего положения лежней без жесткой защемленной связи с путевым бетонным слоем создает благоприятные условия для их замены, т.к. представляется возможным после демонтажа узлов промежуточного рельсового скрепления и подлежневых прокладок свободно выдвигать поштучно лежни из-под рельсовых плетей в сторону оси пути без вырубки путевого бетонного слоя или уборки щебня.

К недостаткам данной конструкции при использовании ее для магистральных железных дорог с осевыми нагрузками, превышающими нагрузки от пассажирского подвижного состава метрополитена, возможна переподуклонка рельса от поворота лежня из-за внецентренности приложения поездной нагрузки при равных площадях опоры лежня относительно плоскости, проходящей по оси симметрии рельса.

При высоких поездных нагрузках возможны неравномерное перемещение концевых частей лежня в вертикальном направлении, его колебания на необжатых подлежневых амортизирующих прокладках при прохождении над участком лежня колесной пары, что может привести к нарушению стабильного положения элементов пути.

Недостаточна площадь опоры четырех подрельсовых площадок при повышенных осевых нагрузках и нормативных требованиях обеспечения эпюры шпал (количества опор на километр пути 2000 шт./км под каждой рельсовой нитью, а при четырех подрельсовых площадках - только 1600 шт./км).

Невозможность использования конструкции виброзащитного пути для метрополитенов при раздельном положении лежней относительно оси пути в тяжелых условиях эксплуатации при повышенных осевых нагрузках, особенно на замкнутых маршрутах, из-за несовместной работы лежней, что при изломе рельсовой плети в зоне торцов соседних лежней по внутренней нити кривой может привести к смещению вместе с лежнями концевых частей сломавшейся плети в сторону оси пути с непредсказуемыми негативными последствиями.

Техническим результатом заявляемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно обеспечение надежного прижатия лежней, исключение неравномерного вертикального перемещения концевых частей лежней, исключения переподуклонки рельса за счет поворота лежня от поездной нагрузки, обеспечения совместной работы лежней для особых условий эксплуатации пути при одновременном надежном закреплении от вертикального, бокового и продольного смещения лежней и сохранении стабильного положения пути в целом, а также обеспечения возможности проведения монтажно-демонтажных работ без вырубки путевого бетонного слоя.

Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что железнодорожный путь для тоннелей содержит рельсы, подрельсовое основание в виде железобетонных лежней, контактирующих отдельно под каждой рельсовой нитью с путевым бетонным слоем через резиновые прокладки в вертикальном, поперечном горизонтальном и продольном направлениях, устроенные в путевом бетонном слое уступы в зоне торцов лежней и у боковых поверхностей лежней со стороны тоннельной обделки, выполняющие роль соответственно продольных и боковых их упоров, рельсовые скрепления, лотковую зону между лежнями, разделенную на пешеходную дорожку и водоотводный лоток, при этом прижатие соседних лежней в зоне их торцов к продольным упорам путевого бетонного слоя предусмотрено в вертикальном направлении с использованием прижимных плит и крепежных элементов, для чего в концевых частях лежня выполнены углубления в соответствии с формой прижимных плит, площадь совместного контакта нижней поверхности лежней, подлежневых прокладок и поверхности путевого бетонного слоя, относительно наклонной плоскости, проходящей через ось симметрии рельса условно разделена на две неравномерные части с большей площадью со стороны оси пути и меньшей со стороны тоннельной обделки.

С целью исключения переподуклонки рельса совместно с лежнем в железнодорожном пути для тоннелей общая минимальная площадь совместного контакта нижней поверхности лежней, подлежневых амартизирующих прокладок и поверхности путевого бетонного слоя, с учетом относительного сдвига амортизирующих прокладок при регулировке высоты, составляет не менее 2880 см² под каждым лежнем, при этом вышеназванная площадь относительно наклонной плоскости, проходящей через ось симметрии рельсов, разделена в соотношении длин b/а не менее чем 1,2.

Также для обеспечения достаточной амортизации пути при исключении переподуклонки рельса совместно с лежнем в железнодорожном пути для тоннелей вертикальная жесткость подлежневых прокладок составляет от 75,0 до 90,0 кН/мм в диапазоне нагрузок от 40 до 80 кН.

Для исключения переподуклонки рельса совместно с лежнем и неравномерного перемещения концевых частей лежня в вертикальном направлении, в железнодорожном пути для тоннелей прижатие в зоне торцов двух соседних лежней к продольному упору в вертикальном направлении предусмотрено двумя прижимными плитами с использованием двух размещаемых с обеих сторон рельса болтов с усилием 25-30 кН на каждом.

В целях снижения материальных и трудовых затрат при устройстве и эксплуатации пути с лежневым железнобетонным основанием с учетом приведения к нормативной эпюре 2000 шпал на километр пути в железнодорожном пути для тоннелей длина lп подрельсовой площадки лежня, а также длина размещаемой на ней подрельсовой прокладки больше длины подрельсовой площадки типовой железобетонной шпалы и соответствующей подрельсовой прокладки не менее чем в 1,25 раза.

Для возможности использования виброзащитного пути в особо сложных условиях эксплуатации при повышенных грузонапряженности и осевых нагрузках с целью обеспечения совместности работы лежней по двум рельсовым нитям в железнодорожном пути для тоннелей вертикальное прижатие соседних лежней в зоне торцов к продольным упорам предусмотрено с использованием прижимной поперечной связи, объединяющей железобетонные лежни по обеим рельсовым нитям с продольными упорами путевого бетонного слоя.

На фиг.1 представлен фрагмент номинального (исходного) положения плана предлагаемой конструкции железнодорожного пути для тоннелей с лежневым железобетонным подрельсовым основанием (рельсовые скрепления не показаны); на фиг.2 приведено сечение А-А фиг.1; на фиг.3 - общий вид в плане железобетонного лежня (например, с замоноличенным анкером рельсового скрепления типа АРС); на фиг.4 - общий вид Б железобетонного лежня со стороны тоннельной обделки; на фиг.5 - вид сечения В-В фиг.4 с замоноличенным в бетон спаренным анкером; на фиг.6 - вид сечения Г-Г фиг.4; на фиг.7 - съемная прижимная поперечная связь; на фиг.8 - общий вид железнодорожного пути для тоннелей в плане со съемными прижимными поперечными связями.

Железнодорожный путь для тоннелей (см. фиг.1) содержит в качестве подрельсового основания железобетонные лежни 1, которые располагаются на путевом бетонном слоем 2. Пространство лотковой зоны (расстояние между рельсовыми нитями и соответственно между лежнями, расположенными под каждой рельсовой нитью) разделено на пешеходную дорожку 3 и промежуточный водоотводный лоток 4. Каждый лежень содержит четыре подрельсовые площадки 5. Из промежуточного водоотводного лотка 4 вода отводится по проложенным через 30-50 м (в зависимости от интенсивности ее поступления) в путевом бетонном слое трубам в основной боковой лоток 6, по оси которого предусмотрены бетонные крышки 7. Водоотводный промежуточный лоток 4 в кривых участках располагают со стороны пониженной рельсовой нити, а пешеходную дорожку 3 - со стороны повышенной. В прямых участках - преимущественно со стороны основного бокового водоотводного лотка 6.

Располагаемые под каждой рельсовой нитью 8 железобетонные лежни 1 с целью сохранения их надежного положения фиксируют прижимными плитами 9, например, с помощью болтов, размещаемых в указанных местах 10 для связи с продольными упорами 11 (например, через замоноличенные анкеры), которые имеют жесткую связь с путевым бетонным слоем 2. С целью снижения поездных нагрузок, передаваемых от лежней 1 на продольные упоры 11 и в поперечном горизонтальном направлении на упоры 12, между упорами 11, 12 и лежнями 1 предусмотрена установка амортизирующих прокладок 13.

Железобетонные лежни 1 контактируют с путевым бетонным слоем 2 через подлежневые амортизирующие прокладки 14 (см. фиг.2). Вертикальная жесткость подлежневых прокладок должна составлять от 75,0 до 90,0 кН/мм в диапазоне нагрузок от 40 до 80 кН, что обеспечивает достаточную амортизацию пути.

Длина лежня 1 (фиг.3) выбрана из условия, чтобы количество подрельсовых площадок 5 под обеими рельсовыми нитями соответствовало бы их количеству при типовой эпюре шпал 1600 шт. на 1 км пути, а расстояние между осями соседних продольных упоров 11 соответствует 2,5 м (см. фиг.1), что кратно длине стандартных рельсов - 12,5 м или 25 м. При этих условиях расстояние между осями соседних подрельсовых площадок 5 составляет порядка 625 мм, что позволяет обеспечивать ширину поверхности продольных упоров 11 (по направлению продольной оси рельсовых нитей), достаточную для свободного размещения типовых домкратов при выправке пути по вертикали.

В целях снижения материальных и трудовых затрат при устройстве и эксплуатации пути с лежневым железнобетонным основанием предусматривается увеличение длины lп (см. фиг.3) подрельсовых площадок 5 (совместно с подрельсовыми прокладками) вместо увеличения их количества до 5 шт. на лежень для соблюдения эпюры 2000 шт./км. Соответственно для снижения удельных нагрузок в пропорции, соответствующей для магистральных железных дорог отношению эпюры шпал 2000 шт./км к эпюре 1600 шт./км пути, необходимо увеличение площади опоры рельса, что выполнимо при удлинении подрельсовых площадок 5 в 2000:1600=1,25 раза. При этом обязательным условием является усиление железобетонных лежней главным образом за счет армирования.

Для прикрепления рельса к лежню 1 используют рельсовые скрепления, при этом в тело бетона лежней 1 замоноличивают крепежные элементы рельсового скрепления, например, при использовании анкерного рельсового скрепления - металлические анкеры 15 (фиг.4) или другие детали в зависимости от типа используемого рельсового скрепления. Одним из главных критериев выбора типа рельсового скрепления для лежневого подрельсового основания является возможность быстрого монтажа и демонтажа узлов промежуточного рельсового скрепления.

Изъятие лежней при их изготовлении из металлических форм осуществляют с помощью монтажных петель 16 (см. фиг.3). Углубления 17 и 18 в зоне торцов лежней 1 предназначены для их использования в качестве опорных площадок при установке прижимных плит 9 в зоне продольных упоров 11 (см. фиг.1), при этом в углублении 17 (см. фиг.3) предусматривается замоноличивать в местах 19 крепежные элементы, если предусматривается эксплуатация с повышенными нагрузками и требуется связь между парными лежнями 1 обеих рельсовых нитей 8. Для обеспечения строго фиксированного положения амортизирующих прокладок в зоне торцевых и боковых упоров лежней предусмотрены 5-миллиметровые углубления 20 (см. фиг.3 и 4), которые устраивают в зоне продольных упоров только передних по направлению движения торцах лежней 1, а в противоположных торцах лежней оставляют зазор для облегчения работ при монтаже и демонтаже лежней.

Вид замоноличенного в бетон лежня 1 с анкером 15 рельсового скрепления, а также углубления 21 для размещения подлежневых амортизирующих прокладок 14 (см. фиг.2) приведен на фиг.5. При этом площадь совместного контакта нижней поверхности лежней, подлежневых прокладок и поверхности путевого бетонного слоя, относительно наклонной плоскости, проходящей через ось симметрии рельса, условно разделена на две неравномерные части с большей площадью со стороны оси пути и меньшей со стороны тоннельной обделки. Пропорция отношения длины плеча b к длине плеча а должна быть не менее 1,2 (т.е. b/a 1,2). Данное соотношение плеч ведет к более устойчивому положению лежня. Поскольку колесо передает нагрузку на внутреннюю часть головки рельса, то при одинаковых плечах может происходить постепенная переподуклонка рельса из-за поворота лежня 1, а при соотношении плеч b/a 1,2 силы реакции уравновешиваются, что исключает переподуклонку рельса из-за поворота лежня. В данном случае увеличивается и площадь верхней поверхности лежня со стороны оси пути, что создает возможность размещения охранных приспособлений, например, обязательных в двухпутных тоннелях.

Для обеспечения свободного размещения боковых прокладок 13 (см. фиг.1) с учетом обеспечения их стабильного положения при регулировке рельсовых нитей по вертикали предусмотрено устройство со стороны тоннельной обделки в углублении 21 «заглушки» 22 (см. фиг.5) на длине с=32±2 мм. Для обеспечения стока воды с поверхности пространства 23 (см. фиг.6) между подрельсовыми площадками в сторону промежуточного водоотводного лотка 4 предусмотрен уклон за счет разности высот h₁-h ₂=5±1 мм.

Общий вид пути в плане для тоннелей со съемными прижимными поперечными связями (см. фиг.7) представлен на фиг.8. Прижимные поперечные связи 24 устанавливают вместо внутренних прижимных плит 9 лежней в зоне продольных упоров 11. Прижимные поперечные связи 24 (см. фиг.7) концевыми частями 25 размещают в углублениях 17 (см. фиг.3) и соединяют с лежнями 1 и продольными упорами 11, например, болтами, пропускаемыми через отверстия соответственно 26 и 27.

Замену при необходимости дефектного лежня производят с выполнением работ в следующей последовательности:

- с обеих сторон заменяемого лежня снимают прижимные плиты 9 (см. фиг.1) или прижимные поперечные связи 24 (см. фиг.8);

- на ближний к дефектному лежню 1 продольный упор 11 под подошву рельса устанавливают домкрат и вывешивают плеть вместе с прикрепленными к рельсу лежнями на 15-20 мм;

- изымают в сторону оси пути подлежневые амортизирующие прокладки 14 и демонтируют узлы промежуточного рельсового скрепления;

- демонтируемый лежень опускают на подлежневое основание и выдвигают из-под рельса в сторону оси пути;

- новый лежень заводят вместо изъятого с выполнением очередности работ в обратной последовательности.

При наличии дрезины с вылетом стрелы 1,8 м под грузоподъемность 1 тонна (или другого грузоподъемного механизма) бригада из 3-х человек (два монтера пути и машинист) осуществляют замену одного лежня за время порядка 20 минут.

Технико-экономические показатели железнодорожного пути для тоннелей по сравнению с типовыми вариантами характеризуются:

- продлением срока службы подрельсового основания не менее чем в 2 раза;

- исключением необходимости вырубки путевого бетонного слоя с разрубкой бетона самих шпал и вырезкой арматуры или замены потерявшего несущую способность щебеночного балластного слоя, чем снижаются трудовые затраты при текущем содержании в 2,5-3,0 раза, а при работах по замене подрельсового основания - не менее чем в 10 раз;

- при грунтах основания тоннеля с низкой несущей способностью представляется возможным устраивать подлежневые основания в исполнении с повышенной маркой бетона или даже железобетона с целью исключения просадок тоннелей;

- за счет удлинения не менее чем в 1,25 раза четырех подрельсовых площадок каждого лежня и опорных площадей соответствующих подрельсовых прокладок представляется возможным осуществлять передачу нагрузок на подрельсовое основание по эпюре эквивалентной 2000 шт. шпал (4000 узлов скрепления) на 1 км пути при реальном количестве узлов скрепления 3200 шт. на 1 км (эквивалентно эпюре шпал 1600 шт./км), что уменьшает количество узлов скрепления на 800 шт. на километр пути, чем снижается их общая стоимость порядка 20%.

Конструкция железнодорожного пути для тоннелей, выполненная согласно изобретению за счет прижимных плит, размещаемых в углублениях лежней, обеспечивает надежное прижатие лежней, исключая неравномерное вертикальное перемещение концевых частей лежней. За счет вертикального обжатия прижимных плит, а также увеличения совместной площади опоры с внутренней части лежня исключается переподуклонка лежня от поездной нагрузки. При использовании прижимных поперечных связей в особо тяжелых условиях эксплуатации обеспечивается совместная работа лежней, расположенных под каждой рельсовой нитью.

Исполнение железнодорожного пути для тоннелей согласно изобретению обеспечивает надежное закрепление от вертикального, бокового и продольного смещения лежней, что ведет к сохранению стабильного положения пути в целом. При этом сохраняется преимущество проведения монтажно-демонтажных работ без вырубки путевого бетонного слоя.

Источники информации

1. Амелин С.В., Андреев Г.Е. Устройство и эксплуатация пути. Учебник для ВУЗов железнодорожного транспорта. М.: Транспорт, 1986, с.56-58.

2. Патент на изобретение RU №2250279 С1 «Железобетонное подрельсовое основание и способ его сооружения».

3. Кравченко Н.Д. Новые конструкции железнодорожного пути для метрополитенов. М.: Транспорт, 1994, с.71-87.