Нижнее строение железнодорожного пути

Железнодорожный путь является важнейшим сооружением инфраструктуры железнодорожного транспорта. Строение железнодорожного пути принято подразделять на верхнее и нижнее. К верхнему строению пути (ВСП) относят рельсы и рельсовые скрепления, шпалы, элементы стрелочных переводов и балластный слой. К нижнему строению пути (НСП) относят земляное полотно с водоотводными устройствами и искусственные сооружения (мосты, эстакады, трубы, тоннели и пр.)

Основу железнодорожного пути составляет земляное полотно, представляющее собой инженерное сооружение из грунта, на котором размещается верхнее строение железнодорожного пути. Земляное полотно воспринимает нагрузки от верхнего строения пути и передает их на основание. Земляное полотно выравнивает земную поверхность в пределах железнодорожной трассы для придания пути необходимого плана и профиля. От надежности земляного полотна зависят скорости движения, максимальная масса поездов, пропускная и провозная способность линий.

Земляное полотно работает в сложных условиях, так как подвергается значительной нагрузке от проходящих поездов и влиянию природных факторов. От целостности и состояния земляного полотна зависит исправность всего железнодорожного пути. Чтобы земляное полотно исправно служило, к нему предъявляются следующие технико-эксплуатационные требования:

• прочность - способность выдерживать нагрузку от подвижного состава (передаваемую через верхнее строение) без разрушений;
• устойчивость - неизменность формы и положения как от воспринимаемой нагрузки, так и от влияния природно-климатических воздействий;
• надежность и долговечность;
• ремонтопригодность;
• экономичность в части расходов на его устройство, содержание и ремонт.

Для защиты земляного полотна от неблагоприятных природных воздействий предусматривается комплекс различных защитных, водоотводных и укрепительных сооружений. Кроме того, при проектировании земляного полотна должны учитываться вопросы максимальной сохранности ценных земель и нанесения минимального ущерба природной среде.

Для сооружения земляного полотна обычно используются местные или привозные грунты, обладающие различными физико-техническими характеристиками. Наиболее благоприятными грунтами являются щебеночные, галечные, гравийные, крупно- и среднезернистые песчаные, которые обладают высокой несущей способностью, хорошо пропускают воду (дренирующие грунты) и не изменяют своих свойств при замерзании. От свойств грунта зависят стабильность и долговечность сооружений земляного полотна. Для обеспечения надежности земляного полотна, сооруженного из местного грунта с низкими эксплуатационными характеристиками, обычно применяют уплотнение грунта (особенно в насыпях), устройство защитного слоя из дренирующих грунтов между земляным полотном и верхним строением пути, используют геотекстиль и теплоизоляционные материалы для предотвращения пучин, отвода поверхностных и грунтовых вод.

Полоса земли, на которую опирается земляное полотно, называется основанием.

Спланированная часть земляного полотна, на которую укладывается верхнее строение пути, называется основной площадкой.

В зависимости от положения основной площадки относительно поверхности земли различают следующие виды (поперечные профили) земляного полотна:

• насыпь - основная площадка расположена выше поверхности земли и имеется два откоса;
• выемка - основная площадка расположена ниже поверхности земли и имеется два откоса;
• полунасыпь - основная площадка расположена выше поверхности земли, но откос один;
• полувыемка - основная площадка расположена ниже поверхности земли, но откос один;
• полунасыпь-полувыемка - основная площадка частично находится выше поверхности земли и в этой части земляного полотна закладывается откос насыпи, а другая часть основной площадки находится ниже поверхности земли с откосом выемки.

Последние три типа земляного полотна сооружают на косогорах.

Место перехода насыпи в выемку, где основная площадка расположена в одном уровне с поверхностью земли, называют нулевым местом.

Земляное полотно в одном уровне с землей, как правило, не устраивают даже в местах, где рельеф местности позволяет это сделать, т.к. в этом случае земляное полотно будет сильно подвержено снежным заносам и затоплениям. В таких случаях сооружают насыпь высотой не менее 0,5 - 0,7 м над средним уровнем снежного покрова в данной местности.

Ширина основной площадки земляного полотна согласно п.8 Приложения №1 к ПТЭ на прямых участках железнодорожного пути должна соответствовать категории железнодорожной линии и числу главных путей:

В кривых участках пути ширина основной площадки земляного полотна увеличивается с наружной стороны кривой на 0,2 - 0,5 м в зависимости от радиуса кривой в связи с необходимостью устройства возвышения наружного рельса за счет увеличения высоты и ширины балластного слоя:

Свободные от балласта продольные полосы по краям основной площадки называют обочинами. Они служат для удержания балласта, осыпающегося с балластной призмы, размещения путевых и сигнальных знаков, устройств сигнализации и связи, материалов, инструмента, съемных машин и механизмов, нахождения людей при пропуске поездов. Минимальная ширина обочин - 0,4 м.

Боковые наклонные поверхности насыпи или выемки называются откосами. Горизонтальная проекция линии откоса называется заложением. Отношение высоты откоса к его заложению называется крутизной откоса. Если высоту откоса принять за 1, а величину заложения выразить числом таких единиц (n), то мы получим показатель крутизны откоса 1:n. В зависимости от вида грунта, высоты насыпи или глубины выемки крутизну откоса принимают в отношении от 1:0,1 до 1:2. Чем прочнее грунт, тем круче могут быть откосы.

Линия перехода откоса в основную площадку называют бровкой. Расстояние между бровками является шириной основной площадки.

Вдоль насыпи для осушения ее основания и отвода дождевых и паводковых вод создают продольные водоотводные канавы, расположенные с обеих сторон земляного полотна, а на косогорных участках - только с верховой стороны (нагорные канавы). Если насыпь возводилась из местного грунта, взятого рядом с насыпью, то для отвода воды используют образовавшиеся при этом котлованы, называемые резервами. Полосу между подошвой насыпи и ближайшим водоотводом называют бéрмой.

Для отвода воды в выемках с каждой стороны основной площадки делают продольные канавы - кюветы. Невысокий земляной вал вдоль верхнего края выемки, служащий для защиты бровки и откоса от стекания воды, называют банкетом. Вынутый при сооружении выемки лишний (неиспользованный для постройки насыпи) грунт укладывают за откосом выемки в правильные призмы - кавальеры.

Поперечные профили земляного полотна на раздельных пунктах принимают в зависимости от числа путей, типа раздельного пункта, вида грунта и климатических условий. На разъездах и промежуточных станциях однопутных линий с небольшим числом путей земляное полотно делают односкатным с уклоном в сторону водоотводных устройств. На обгонных пунктах, станциях двухпутных линий и в больших отдельных парках сооружают двускатное земляное полотно. На крупных станциях земляному полотну придают пилообразный профиль, а в междупутьях с пониженными отметками высот укладывают закрытые продольные водоотводы - лотки, дренажи.

Ширина основной площадки земляного полотна на раздельных пунктах зависит от числа путей и ширины междупутий (расстояний между осями смежных путей). Расстояние от оси крайнего пути до бровки земляного полотна принимают равным половине ширины основной площадки однопутной линии соответствующей категории. Число путей на одном скате принимают:

• при скальных, крупнообломочных и песчаных грунтах - до 10 и более;
• при легких и тяжелых суглинках - от 6 до 10;
• при глинистых грунтах им пылеватых песках - от 2 до 8.

Поперечные уклоны основной площадки принимают 0,008 - 0,010 при дренирующих грунтах; 0,010 - 0,020 - при суглинках и глинистых грунтах в зависимости от интенсивности выпадения осадков в данной местности. Размещать резервы и кавальеры в пределах раздельных пунктов, а также в местах расположения зданий и переездов не допускается.

Устойчивость и надежность работы земляного полотна во многом зависят от наличия и исправности водоотводных устройств и сооружений. Притекающая к земляному полотну поверхностная вода приводит к его размывам, деформациям и разрушениям. При низких температурах происходит замерзание воды, содержащейся в порах грунта, что может привести к образованию пучин, вызывающих вертикальные неровности рельсошпальной решетки.

Для защиты земляного полотна от атмосферных (поверхностных) вод, от размывов ими и проникновения воды в грунт осуществляют планировку всех поверхностей земляного полотна и полосы отвода таким образом, чтобы они имели поперечные и продольные уклоны, обеспечивающие быстрый отток поверхностных вод от земляного полотна. Для перехвата, сбора и отвода поверхностных вод применяют различные водоотводные устройства и сооружения: водоотводные канавы, лотки, дренажи, устройства ливневой канализации и др.

Канавы (водоотводные, нагорные, кюветы, резервы) - наиболее распространенные устройства для сбора и отвода воды от земляного полотна. Их форма, как правило, трапецеидальная, а размер определяется на основании гидравлических расчетов. Продольный уклон канав должен быть не менее 0,003. На болотах, в речных поймах и в других местностях с малым естественным уклоном продольный уклон водоотводных канав допускается уменьшать до 0,002, а в исключительных случаях – до 0,001. Если установленный расчетом максимальный уклон дна канавы меньше естественного уклона местности, то необходимо проектировать на таком участке быстроток или перепад.

В стесненных условиях (в населенных пунктах, на станциях), а также при слабых грунтах вместо открытых канав применяют водоотводные лотки (междушпальные и междупутные). Лотки могут иметь трапецеидальную или прямоугольную форму. Для сбора грунтовой воды в боковых стенках имеются дренажные отверстия. Междушпальные лотки имеют глубину 0,35, 0,5 и 0,7 м. Междупутные лотки выпускают глубиной 0,75, 1,25 и 1,5 м. Лотки изготавливаются из железобетона и полимерных материалов.

Для защиты земляного полотна от вредного воздействия грунтовых вод применяют дренажи, которые служат для понижения уровня, перхвата и отвода грунтовых вод.

Для понижения уровня грунтовых вод под основной площадкой в выемках устраивают подкюветные дренажи. Под кюветом делается траншея под дренаж, верхняя часть заполняется глиной, ниже этого слоя укладывается дренажный заполнитель из мелкого гравия или крупнозернистого песка. Под заполнителем укладывается дренажная труба с отверстиями. Грунтовые воды под действием силы тяжести проникают через дренажный заполнитель, фильтруются и отводятся через дренажные трубы. Для того чтобы следить за работой дренажей и проводить их систематическую прочистку, устраивают смотровые колодцы.

В местах, где прокладываемая железнодорожная линия встречает естественные и искусственные преграды, устраивают искусственные сооружения, которые позволяют:

• проложить железнодорожную линию через русла рек, каналы, суходолы, горные хребты, глубокие ущелья, овраги, болотистые места;
• устроить пересечение железнодорожной линии с другими железнодорожными линиями, автомобильными дорогами, трамвайными путями;
• повысить устойчивость крутых или деформирующихся откосов земляного полотна;
• защитить железнодорожный путь от размывов, переувлажнения, падения камней, схождения селей и т.п.

Искусственные сооружения как правило составляют менее 1,5 % общей длины железнодорожной линии, однако доля их стоимости в общей стоимости железнодорожной линии может достигать 10 %. К искусственным сооружениям относят: мосты, тоннели, трубы, виадуки, эстакады, противообвальные галлереи, селеспуски, подпорные стены и др.

Мост - искусственное сооружение, позволяющее проложить железнодорожный путь через водное препятствие. Участки земляного полотна, примыкающие к мосту, называют подходами. Их концевые части как правило оформляют в виде конусов. Мост состоит из пролетных строений, перекрывающих требуемое пространство и являющихся основанием для верхнего строения пути, и опор, поддерживающих пролетные строения. Концевые опоры моста называют устоями, промежуточные - быками. В зависимости от числа пролетов мосты бывают одно-, двух-, трехпролетными и т.д. По типу пролетных строений мосты бывают с ездой понизу, с ездой поверху и с ездой посередине. По длине мосты подразделяют на: большие (свыше 100 м), средние (от 25 м до 100 м) и малые (до 25 м).

На небольших водотоках и суходолах устраивают малые мосты. Однако болнее предпочтительной в этом случае является укладка труб (ниже стоимость, проще эксплуатация), над которыми сооружаются обычные насыпи. При малой высоте насыпи и малых объемах воды применняют поперечные лотки.

При пересечении железнодорожной линией горных ущелий, глубоких долин и оврагов строят виадуки - высокие мосты (до 100 м и более).

В городских условиях для прокладки железнодорожной линии используют железнодорожные эстакады - мосты с нечастой равномерной расстановкой опор для возможно меньшего стеснения улиц и обеспечения более удобного прохода и проезда под ними. Эстакады также строят и на подходах к большим мостам, а также в местах пересечения железнодорожных путей в разном уровне.

Для пропуска над железнодорожной линией автомобильных дорог и городских улиц строят путепроводы.

В горной местности вместо сооружения глубоких выемок или сложных обходов хребтов строят тоннели. По заданной трассе и профилю удаляют горную породу, а образовавшуюся выработку укрепляют камнем, бетоном, железобетоном или металлическими тюбингами. Продольный профиль пути в тоннеле должен иметь уклон не менее 0,003. Тоннели защищают от проникновения поверхностных вод водоотводами. Входы в тоннели укрепляют и оформляют в виде порталов. При тепловозной тяге в тоннелях длиной более 1000 м для удаления выхлопных газов предусматривают искусственную вентиляцию.

На косогорах и в местах возможных горных обвалов сооружают противообвальные галереи - особый вид горных сооружений, напоминающий тоннель, но открытый сбоку и сверху. В местах возможных сходов селевых грязекаменных потоков строят селеспуски, имеющие наклонные горизонтальные поверхности с вертикальными стенками, продолжающие селевое русло над защищаемым полотном железной дороги.

Для повышения устойчивости крутых или деформирующихся откосов насыпей или выемок, когда по условиям местности не представляется возможным устроить откосы нормальной крутизны, сооружают подпорные стены из камня, бетона или железобетона. Они поддерживают грунт, находящийся позади стены, предотвращая его осыпание, сползание или обрушение.