Трассирование. Проектирование плана и профиля новых железных дорог

1. Трассирование. Проектирование плана и профиля новых железных дорог.

2. Трасса железной дороги

Трассирование железной дороги – это определение
проектного положения ее трассы, за которую
принимается продольная ось железнодорожного
пути в уровне бровки основной площадки
земляного полотна. На двухпутных и многопутных
линиях рассматривают, как правило, отдельно
трассу каждого из путей.
Для получения проекта трассы как
пространственной линии необходимо
запроектировать ее план и продольный профиль.

3.

Планом железнодорожной линии называется проекция
трассы на горизонтальную плоскость.
План линии представляет
собой сочетание прямых участков пути
различного направления, плавно
сопряженных друг с другом круговыми
и переходными кривыми.
Условные обозначения:
Прямые участки пути имеют значительные строительные и эксплуатационные
преимущества по сравнению с криволинейными участками (более простая и дешевая
конструкция пути, меньше износ элементов пути и подвижного состава и др.).

4.

Основной целью применения криволинейных
участков является уменьшение стоимости
сооружения железных дорог.
Наиболее широко кривые применяются в сложных
топографических, инженерно-геологических и
иных природных условиях или при трудных
ситуационных обстоятельствах (для обхода или
наиболее благоприятного пересечения зон жилой
застройки, инженерных коммуникаций и т. д.).
На железных дорогах России протяженность
криволинейных участков составляет примерно 25%
от общей длины сети.

5.

Круговые кривые
Основными параметрами
(характеристиками) круговой кривой
являются:
направление поворота (вправо или
влево);
угол поворота α;
радиус R.
Производными характеристиками
от угла и радиуса круговой кривой
являются:
тангенс T=K·tg(α/2);
длина круговой кривой K=π·R·α/180;
биссектриса угла Б=R(sec(α/2)–1);
точки центра кривой О, вершины
угла (ВУ), начала круговой кривой (НКК)
и конца круговой кривой (ККК).
Характеристики и элементы круговой кривой

6.

Круговые кривые новых железных дорог в
благоприятных условиях следует
проектировать возможно больших радиусов.
Действующими нормативными документами в
России для скоростей до 200 км/ч
предусмотрены радиусы: 4000, 3000, 2500,
2000, 1800, 1500, 1200, 1000, 800, 700, 600, 500,
400, 350, 300, 250, 200 и 180 м.
Указанные радиусы являются стандартными
для удобства расчета и разбивки кривых
новых железных дорог.

7.

Основные недостатки кривых малых
радиусов (менее 1200 м):
ограничение скорости движения поездов;
усиленный износ рельсов и колес подвижного состава;
уменьшение коэффициента сцепления колес
локомотива с рельсами;
увеличение расходов по текущему содержанию и
ремонту верхнего строения пути;
удлинение трассы, усиление и удорожание
конструкции пути;
увеличение сопротивления движению подвижного
состава;
и др.

8.

Зависимость допустимой скорости движения поезда от величины
радиуса определяется поперечными силами, действующими на
подвижной состав в кривой. Основной такой силой является
центробежная сила, направленная от центра кривой и стремящаяся
опрокинуть подвижной состав:
т V 2
F1 2
3,6 R
Где m и V – соответственно масса, т, и скорость подвижного состава,
км/ч;
3,6 – коэффициент приведения размерности км/ч к м/с.
Действие указанной силы неблагоприятно сказывается на
комфортабельности езды пассажиров. Эта сила способствует также
боковому воздействию на наружную рельсовую нить, что может привести
к уширению колеи, боковому износу рельсов и поперечному угону пути.

9.

Для уменьшения влияния центробежной силы на
подвижной состав, пассажиров и грузы устраивается
возвышение h, мм, наружного рельса над внутренним.
В результате устройства возвышения наружного
рельса появляется горизонтальная составляющая силы
тяжести подвижного состава, направленная, в отличие от
центробежной, наоборот, к центру круговой кривой:
m g h
F2
S
где g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2;
S – расстояние между осями рельсов, мм.

10.

Важнейшим из требований ограничения скорости
движения поездов является комфортабельность езды
пассажиров. Оно вытекает из условия, когда при высоких
скоростях F1 > F2 и F1 – F2 = ∆F:
т V 2 m g h
F = 2
.
S
3,6 R
или:
F
V2
g h
2
m 3,6 R
S
F
ан(пс)– непогашенное поперечное ускорение, м/с2, которое по
m
условиям комфортабельности езды пассажиров нормируется и
в большинстве стран не превышает 0,7÷0,8 м/с2.

11.

Таким образом, комфортабельность езды пассажиров
обеспечивается при условии:
12,5 Vmax( пс )
2
h
R
a S
н(пс)
g
где [ ан(пс) ] – принятая норма непогашенного
поперечного ускорения для пассажирских поездов.

12.

Для уменьшения горизонтального поперечного
ускорения и снижения его негативного воздействия
на пассажиров в ряде стран вместо
дополнительного возвышения наружного рельса
применяют вагоны с регулируемым наклоном
кузова внутрь кривой.
Это позволяет увеличить скорость движения
пассажирских поездов в кривых и в целом ряде
случаев избежать значительных затрат на
увеличение радиусов кривых.

13.

.
Другим важным требованием ограничения
скоростей движения поездов является условие
равномерного износа обеих рельсовых нитей,
которое обеспечивается при примерном равенстве
сил F1и F2 в пределах кривой,
то есть когда:
m V
m g h
2
S
3,6 R
2

14.

При наличии поездов различных категорий, движущихся
в пределах каждой конкретной кривой с разными
скоростями, условие равномерного износа относительно
возвышения наружного рельса будет следующим :
12,5 Vср
2
h
R
где Vср – средняя с учетом пропускаемого тоннажа скорость
поездопотока, км/ч, намечаемая на десятый год эксплуатации линии в
месте расположения кривой:
(Vi ni Qi )
2
Vср
(ni Qi )
где Vi, ni и Qi – соответственно скорость, км/ч, количество и масса
поездов, т, определенной категории, следующих по рассматриваемой
кривой в сутки.

15.

Потери от снижения скорости при применении
кривых малых радиусов особенно ощутимы на участках,
где поезда могли бы двигаться с большими скоростями
(например, в конце затяжных спусков).
И наоборот, эти потери очень незначительны при
использовании кривых малых радиусов на пересечении
высотных препятствий, где по условиям продольного
профиля трассы могут быть реализованы лишь скорости,
близкие к расчетно-минимальным.
Неоправданное снижение скорости движения
поездов на ограничивающем однопутном перегоне ведет к
снижению пропускной способности участка железной
дороги.

16. На основе опыта эксплуатации железных дорог, с учетом преимуществ и недостатков кривых, строительно-техническими нормами РФ в

зависимости от
категории железных дорог и условий проектирования рекомендуются радиусы
кривых, представленные в таблице.
Рекомендуемые и допустимые радиусы кривых в плане (по СТН Ц–01–95)
Радиусы кривых в плане, м
Категории железных
дорог, подъездные
и соединительные пути
допустимые
Рекомендуемые
в особо трудных
условиях при технико- по дополнительному
в трудных условиях
экономическом
согласованию
обосновании
Скоростные
4000–3000
2500
2000–1200
1000–800
Особо грузонапряженные
4000–2000
1800–1500
1200–1000
800–600
I
4000–2500
2000
1800–1000
800–600
II
4000–2000
1800–1500
1200–800
700–400
III
4000–1200
1000–800
700–600
500–350
IV – железнодорожные
линии
2000–1000
800–600
500–350
300–200
IV – подъездные пути
2000–600
500
400–200
200
IV – соединительные
пути
2000–350
300–250
200
200

17. Переходные кривые

Переходные кривые устраиваются для плавного
перехода от круговой кривой радиуса R к
прилегающим прямым участкам.
Кроме того, в пределах переходной кривой также
устраивается плавный отвод возвышения наружного
рельса, а в кривых радиусом менее 350 м – и отвод
уширения колеи.

18.

Длина переходных кривых определяется
с учетом допустимых значений:
• уклона отвода возвышения iдоп;
• скорости подъема колеса по возвышению f;
• скорости нарастания Ψ непогашенного
поперечного ускорения.

19.

На железных дорогах России и многих других
стран принят равномерный линейный отвод
возвышения наружного рельса. В этих условиях
длина переходной кривой при уклоне в виде
десятичной дроби определяется из выражения:
h
l
1000 iдоп

20.

.
Основным условием, ограничивающим уклон отвода
возвышения наружного рельса, является скорость подъема колеса на
возвышение наружного рельса f = dh/dt.
Взаимосвязь между допустимым уклоном отвода возвышения
iдоп =dh/dl и скоростью движения поезда V определяется зависимостью:
dh
dh
dh 1
1
iдоп
f
dl V dt dt V
V
Таким образом, длина переходной кривой в зависимости от
максимальной скорости определяется по формуле:
l=
h Vmax
1000 f
Опыт эксплуатации железных дорог и многочисленные исследования
свидетельствуют, что по условиям безопасности движения f не должно
превышать 50 мм/с.
При нормировании длин переходных кривых в России для скоростей до
200 км/ч f принято в пределах от 28 до 35 мм/с или от 1/10 до 1/8 км/ч.

21.

Положение и отображение кривых:
а) в плане;
б) с учетом высотного положения
рельсовых нитей;
1 – положение круговой кривой до ее
смещения для устройства переходных
кривых;
2 – то же, после ее смещения и устройства
переходных кривых;
3 – переходные кривые;
4 – прямые;
5 – уровень головки внутреннего рельса;
6 – уровень головки наружного рельса;
НПК, КПК – начало и конец переходной
кривой;
НКК, ККК – начало и конец участка
круговой кривой после устройства
переходной кривой

22.

Сопряжение смежных кривых
Длина прямой вставки между криволинейными участками
должна быть не менее длины участка, необходимого для затухания
колебаний кузова подвижного состава.
В зависимости от максимальной скорости движения, км/ч,
длина прямой вставки, м, в большинстве случаев рекомендуется от
0,5 ∙ Vmax до 1,4 ∙ Vmax .
Минимальные длины прямых вставок между кривыми участками пути
Длина прямой вставки, м
Категория
в нормальных условиях между в трудных условиях между
железнодорожной
кривыми, направленными
кривыми, направленными
линии
в разные
в одну
в разные
в одну
стороны
сторону
стороны
сторону
Скоростные
150
150
100
100
Особо
75
100
50
50
грузонапряженные
I и II
150
150
50
75
III
75
100
50
50
IV
50
50
30
30

23. Проектирование продольного профиля железных дорог

Продольным профилем железнодорожной линии называется проекция
развертки трассы на вертикальную плоскость.
Он состоит из прямолинейных элементов, различающихся крутизной и
протяжением.
Схематический
продольный профиль:
α, R, К и Т – угол, град.;
радиус, длина и
тангенс круговой
кривой, м
ЖБМ, КЖБТ и ПЖБТ –
железобетонный мост,
круглая и
прямоугольная
железобетонные трубы

24.

Длина продольного профиля измеряется в метрах.
Уклон продольного профиля обычно измеряется в
тысячных (промилле), ‰.
Численное значение уклона в этом случае
показывает величину подъема или спуска в метрах на 1 км
длины линии.
Перелом продольного профиля характеризуется
алгебраической разностью уклонов сопрягаемых
элементов.
Прямолинейные элементы продольного профиля,
при необходимости, с целью обеспечения требуемой
плавности движения поезда сопрягаются вертикальными
кривыми.

25.

При проектировании железных дорог
различают группу ограничивающих, или
наибольших, уклонов и ряд других специальных
уклонов (или уклонов проектирования),
используемых в тех или иных расчетах.
Наиболее распространенным из числа
ограничивающих является руководящий уклон, о
котором речь шла выше. Он взаимосвязан с
расчетной массой брутто состава грузового
поезда Q.

26.

Расчетная масса брутто состава
грузового поезда Q, т, определяется из
этого же условия равномерного движения
поезда по руководящему подъему с
минимально расчетной скоростью, когда
мощность и тяговые качества локомотива
используются наилучшим образом:
Fкр о iр Pg
Q
о iр g
Где Fкр – расчетная сила тяги локомотива,
Н, соответствующая расчетной скорости
локомотива Vр, принимается в зависимости
от типа локомотива;
Масса состава грузовых поездов Q
в зависимости от руководящего уклона пути iр
и типа локомотива:
1 – электровоз ВЛ85; 2 – тепловоз 2ТЭ121;
3 – тепловозы 2ТЭ10Л, 2ТЭ10М, 2ТЭ116; 4 –
электровозы ВЛ10, ВЛ11
о и о – основные удельные
сопротивления движению локомотива и
состава вагонов, Н/кН, при скорости Vр;

27.

С увеличением iр масса состава и, следовательно,
провозная способность железной дороги уменьшается.
Повышение провозной способности железной дороги в
перспективе может потребовать значительных затрат.
Для увеличения массы состава на линиях с крутыми
руководящими уклонами можно применять несколько
секций локомотивов, но при этом следует иметь в виду, что
допустимые продольные усилия в поезде ограничены.
С другой стороны, использование более крутых
уклонов дает, как правило, возможность уменьшить длину
и строительную стоимость линии, а при значительном
сокращении длины линии – снизить и расходы по ее
эксплуатации.

28.

На новых железнодорожных линиях руководящий уклон
в грузовом направлении не должен превышать:
• 9 ‰ – на особо грузонапряженных;
• 12, 15, 20 и 30 ‰ – соответственно на линиях
категорий I, II, III и IV.
На новых скоростных линиях iр не должен
превышать 20 ‰.
На международных магистральных линиях
руководящий уклон следует принимать не более 12,5‰,
что соответствует Европейскому соглашению о
международных магистральных железнодорожных
линиях.

29. Обеспечение плавности движения поездов при проектировании продольного профиля

Плавность движения поездов обеспечивается в
наилучшей степени, если проектировать продольный
профиль элементами возможно большей длины при
наименьшей алгебраической разности уклонов
смежных элементов.
Однако для уменьшения объемов работ и
стоимости строительства железной дороги, наоборот,
более желательны элементы меньшей длины при
большей разности их уклонов, когда проектная линия
максимально повторяет очертание поверхности земли
по направлению трассы.

30.

Факторы, влияющие на плавность
движения поезда
При проектировании продольного профиля короткими элементами
под поездом может оказаться несколько переломов, причем одновременно
выпуклых и вогнутых, что особенно неблагоприятно.
При движении по таким участкам профиля в поезде возникает
дополнительная продольная сила, действие которой может привести к
разрыву сцепки вагонов.
На величину продольных сил оказывают также влияние:
cочетание общих форм продольного профиля и плана линии, зависящее
от топографических условий местности,
действия машиниста (увеличение или сброс тяги, приведение в действие
или отпуск тормозов и т. п.).
Большие продольные силы, особенно в зоне кривых малых
радиусов, могут привести к сходу вагонных тележек с рельсов.
Ускорения, возникающие при действии продольных сил, могут
оказывать неблагоприятные воздействия на комфорт пассажиров и
сохранность грузов.

31.

Исследования показали, что для обеспечения плавности движения поездов, прочности
и устойчивости вагонов, а также создания российских благоприятных условий для пассажиров и
грузов элементы продольного профиля наиболее целесообразно сопрягать кривой, радиус которой
Rсопр составляет в большинстве случаев от 10 до 100 тыс. м.
Устройство и содержание продольного профиля в виде кривой большого радиуса
вызывает значительные затруднения, поэтому, взамен кривой, продольный профиль железных
дорог рекомендуется проектировать в виде многоугольника, описывающего кривую радиуса Rсопр.
l Rсопр i 10 3
Δi - разность сопрягаемых уклонов.
Сопряжение элементов продольного профиля: Rсопр, Тсопр – радиус и тангенс сопрягяющей кривой;
l – длина элемента сопряжения; α – угол, соответствующий длине элемента сопряжения.

32.

Радиус сопрягающей кривой зависит от категории
линии, массы и длины состава, скорости и условий
движения поезда.
Рекомендуемые большие значения радиуса
сопрягающей кривой соответствуют сложным участкам,
где возможны знакопеременные усилия ударного
характера на сцепках вагонов (например, углубление или
«яма», уступ на затяжном спуске, возвышение или
«горб» после затяжного спуска, чередование «ямы» и
«горба»).
Использование допустимых меньших значений
радиусов сопрягающей кривой возможно на участках,
где исключено торможение и знакопеременные усилия
на сцепке вагонов (например, «горб», ограниченный с
обеих сторон затяжными подъемами).

33.

Нормы сопряжения смежных элементов продольного профиля
(по СТН Ц–01–95)
Наибольшая алгебраическая разность уклонов смежных
элементов профиля ∆iн, ‰(числитель), и наименьшая длина
разделительных площадок и элементов переходной
крутизны lн, м (знаменатель), при полезной длине
приемоотправочных путей, м
Категория
железнодорожной
линии,
подъездного пути
850
Скоростная
Особо грузонапряженная
I
II
III
IV
6/250
–
6/200
8/200
13/200
13/200
Скоростная
Особо грузонапряженная
I
II
III
IV
10/250
–
13/200
13/200
13/200
20/200
1050
2 850 = 1700
Рекомендуемые нормы
4/300
–
3/250
3/250
4/250
3/250
5/250
4/250
7/200
7/250
8/200
8/250
Допустимые нормы
9/300
–
10/200
5/250
10/200
5/250
10/200
6/250
10/200
8/250
10/200
10/200
2 1050 = 2100
–
3/400
3/300
3/300
4/250
–
–
4/300
4/300
4/250
6/250
–

34.

Повышению плавности движения поезда
способствует также устройство в пределах
переломов продольного профиля кривых в
вертикальной плоскости с радиусом Rв.
Основное назначение вертикальных
кривых – предотвращение саморасцепления
автосцепок вагонов на переломах, а также
обеспечение комфортабельных условий езды
пассажиров.
Вертикальное ускорение
ав
2
Vmax
3,6 Rв
2
не должно превышать нормативных
значений. В России предельное значение
aвн = 0,39 м/с2:
Исходя из этого условия определены и
рекомендуются следующие значения радиусов
вертикальных кривых Rв, м:
20 000 м – на скоростных линиях при V до
200 км/ч;
15 000 м – на линиях категорий I и II при V
до 160 км/ч;
10 000 м – на линиях категории III и особо
грузонапряженных при V до 120 км/ч;
Переломы продольного профиля с
устройством вертикальных кривых:
Rв, Тв – радиус и тангенс вертикальной
кривой

35. Обеспечение безопасности движения поездов при проектировании продольного профиля

Важнейшим требованием при проектировании продольного
профиля железной дороги является обеспечение безопасности
движения поездов.
Основные условия обеспечения безопасности в этом случае
следующие:
1) исключение нарушений плавности движения поезда, которые
могут привести к появлению в поезде значительных продольных
сил и ускорений и, как следствие, к разрушению конструктивных
элементов вагонов или вызвать сход подвижного состава с
рельсов;
2) создание безопасных условий движения на пересечениях
проектируемой железной дороги с другими путями сообщения;
3) предохранение проектируемой линии от размыва и затопления.

36. Пересечение проектируемых железных дорог с другими путями сообщения.

Безопасность движения на пересечениях
путей сообщения максимально обеспечивается их
устройством в разных уровнях.
Основное требование при устройстве
пересечений в разных уровнях – соблюдение
габаритных условий, то есть минимально
необходимой разности расчетных отметок
проектируемой линии и существующей дороги.

37.

Если проектируемая железнодорожная линия
располагается над существующей железной дорогой
(рисунок, а), то минимальная отметка бровки земляного
полотна проектируемой линии, м:
H min H гр hгаб c d
Где Hгр – отметка головки рельса существующей
железной дороги, м;
hгаб – габаритное возвышение низа пролетного строения
путепровода над Нгр, м;
с – строительная высота пролетного строения, то есть
расстояние от низа его конструкции до подошвы рельса, м;
d – расстояние от подошвы рельса до бровки земляного
полотна проектируемого пути, м.

38.

Если новая железнодорожная линия проектируется
под существующей железной дорогой (рисунок, б), то
максимальная отметка бровки земляного полотна
проектируемого пути, м:
H max H гр hрс c hгаб hрп d
hрс , hрп – высота рельса соответственно
существующего и проектируемого путей.

39.

а)
б)
Принципиальные решения путепроводного пересечения
железных дорог:
а) проектируемая линия над существующей;
б) проектируемая линия под существующей.

40.

Предохранение проектируемой линии от
размыва и затопления
С целью предотвращения размыва и затопления участков
проектируемой линии на подходах к водотокам, а также при
расположении железнодорожных линий вдоль рек и водоёмов, бровка
земляного полотна должна возвышаться над наибольшим уровнем воды
не менее, чем на 0,5 м (с учетом ее подпора, ветрового нагона, высоты
волны и наката волны на откос насыпи).
С целью предупреждения затопления тоннелей положение
бровки земляного полотна должно обеспечивать возвышение дна
водоотводного лотка у портала тоннеля не менее чем на 1,0 м (с учетом
возможных подпора воды, ветрового нагона и высоты волны) над
наибольшим уровнем высоких вод.
Наибольший уровень и подпор воды определяются исходя из
вероятности их превышения 1:300 или 0,33 % или примерно один раз в
300 лет.

41.

Обеспечение бесперебойности движения
поездов при проектировании
продольного профиля
Основными условиями обеспечения бесперебойности
движения поездов являются:
1) непревышение фактического сопротивления
движению поезда над расчетными значениями
(смягчение ограничивающего уклона в кривых и в
тоннелях);
2) предотвращение снежных и песчаных заносов.

42. Спасибо за внимание!