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. 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 / 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.
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 рас-четно-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 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-минималь-ного 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.
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, 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.