3.12. Продольный профиль и план высокоскоростных магистралей

В предыдущих пунктах данной главы рассмотрены требования и соот­ветствующие нормы проектирования железных дорог, на которых макси­мальные скорости движения пассажирских поездов не превышают 160 км/ч (линии I и II категорий) и 200 км/ч (скоростные магистрали). Со­гласно Строительно-техническим нормам СТН Ц-01-95 проектирование магистралей, на которых предусматривается движение пассажирских поез­дов со скоростями более 200 км/ч (высокоскоростные магистрали — ВСМ) должно выполняться по специальным нормам. В соответствии с государст­венной научно-технической программой "Высокоскоростной экологически чистый транспорт" (см. п. 2.7) в России разработаны нормы проектирова­ния высокоскоростных магистралей, предназначенных для движения пас­сажирских поездов со скоростями до 300—350 км/ч. При разработке этих норм наряду с результатами выполненных теоретических и эксперимен­тальных исследований учитывался опыт проектирования и строительства таких магистралей в ряде зарубежных стран.

	/	\	/	V
	(	\	/	N

Рис. 3.32. Расположение пе­релома продольного профиля относительно пролетного строения моста с безбалласт­ной проезжей частью

Нормы проектирования высокоскоростных магистралей за рубежом. План трассы высокоскоростных зарубежных железных дорог характеризуется ра­диусами кривых 4000—6000 м и более. На строящейся высокоскоростной магистрали на Тайване, а также в проекте новой железной дороги TGV Est (из Парижа к Реймсу и далее в направлении к Страсбургу и Германии) наименьшие радиусы кривых приняты 6250 м, в исключительных случаях в проекте последней допускается радиус 5556 м (указанные некратные сот­ням значения радиусов соответствуют целым в миллиметрах значениям стрел при 20-метровой хорде: 8 мм при радиусе кривой 6250 м и 9 мм при радиусе 5556 м, что облегчает содержание пути). На строящейся в Испании

железной дороге Мадрид - Барселона, где предусматривается максималь­ная в эксплуатации скорость движения поездов 350 км/ч, наименьший ра­диус кривых — 6615 м.

Длина переходных кривых (клотоиды) достигает 300 м при уклоне пря­молинейного отвода возвышения наружного рельса в пределах 0,0005— 0,0006, наибольшая величина возвышения наружного рельса 150—180 мм, длина прямых вставок между кривыми составляет 200—300 м. Расстояние между осями путей равно 4500 мм на TGV Nord и 4800 мм на TGV Mediterranee (линия на юг Франции к Марселю).

Максимальный уклон продольного профиля ВСМ на разных железных дорогах различается в зависимости от топографических условий местности и составляет от 12—15 %о до 21 %о в проекте линии Рим — Неаполь, 35 %о на отдельных участках трассы Париж — Лион и на строящейся линии на Тайване, а также в проекте магистрали TGV Est. Наибольший уклон 40 %о принят на железной дороге Кёльн — Франкфурт-на-Майне в Германии.

Радиусы вертикальных кривых на переломах профиля составляют 25— 40 км.

Нормы проектирования высокоскоростных магистралей в России. Для со­ставления Технико-экономического обоснования (ТЭО) строительства вы­сокоскоростной магистрали Санкт-Петербург — Москва, предназначенной для движения поездов со скоростями до 350 км/ч, разработаны нормы проектирования постоянных сооружений этой магистрали, утвержденные МПС России в 1991 г. Ниже приведены нормы проектирования плана и профиля ВСМ Санкт-Петербург - Москва.

План трассы высокоскоростных магистралей. Во ВНИИЖТе МПС были выполнены исследования взаимодействия подвижного состава и пути в прямых участках и кривых различного радиуса при скоростях до 300 км/ч*. Исследования проведены применительно к скоростному восьмиосному ло­комотиву с экипажной частью из двух четырехосных тележек. Анализ ре­зультатов расчета направляющих сил в кривых радиусом 4000-7000 м, бо­ковых сил и сил трения между колесами и рельсами, а также величины поперечных отжатий головки рельса в кривых определил целесообразность принятия на высокоскоростных магистралях кривых радиусом 7000 м.

На высокоскоростных магистралях, специализированных для пассажир­ского движения, радиусы кривых в плане и возвышение наружного рельса в кривых должны обеспечивать комфортные условия поездки при установ­ленных максимальных скоростях движения поездов. Как указано в п. 3.2, при скоростях движения свыше 200 км/ч значение непогашенного попе­речного ускорения в поездах ограничивается в размере 0,4 м/с^I, соответст­венно при расчете возвышения наружного рельса в кривой недостаток воз­вышения принимается Ah = 65 мм.

Используя зависимость (3.1) можно установить, каким должен быть ра­диус кривых, чтобы при максимальном возвышении наружного рельса h = = 150 мм и наибольшем допускаемом недостатке возвышения Ah кривые обеспечивали предусмотренную на высокоскоростной магистрали макси­мальную скорость движения поездов:

^ _ 12,5 v^_ax _ 12,5 v² = 0 058 v² . (3.44)

/г + Д/г 150 + 65 ^{mdx v} '

Из формулы (3.44) следует, что при v_max = 300 км/ч R = 5200 м, а при v_max= 350 км/ч Л = 7100 м.

С учетом в перспективе максимальной скорости движения поездов на высокоскоростных магистралях на уровне 350 км/ч, а также с учетом взаи­модействия экипажа и пути в кривых, нормами проектирования ВСМ ус­тановлено значение радиуса кривых равное 7000 м. В трудных условиях при соответствующем технико-экономическом обосновании предусмотрена возможность уменьшения радиуса кривых, но не менее чем до 4000 м (при этом радиусе v_max = 260 км/ч).

(3.45)

80

70

12

1В 20 24 2Si_maд,%.

3.33. Зависимость строитель­ной стоимости высокоскоростной магистрали от максимального ук­лона продольного профиля пути

Длины переходных кривых определяют в соответствии с зависимостями (3.6) и (3.7) (см. п. 3.3). Значение вертикальной составляющей скорости подъема колеса на возвышение наружного рельса в пределах переходной кривой dh/dt принимают равным 42 мм/с (0,15 км/ч). При этом длины пе­реходных кривых /, м, рассчитывают по формуле

/ ₌ hv_mn

150

При скорости v = 225 км/ч уклон отвода возвышения наружного рельса [см. формулу (3.7)] / = 0,15/225 = 0,00067 Такой уклон отвода возвышения принят нормами проектирования в качестве наибольшего на высокоскоро­стных магистралях. Поэтому при максимальной скорости менее 225 км/ч длина переходной кривой [см. формулу (3.6)] должна быть не менее /= А/0,67 = 1,5 Л.

Прямые вставки между смежными кривыми на высокоскоростных маги­стралях устраивают возможно большей длины. При максимальных скоростях v_max = 301+350 км/ч длину прямой вставки между начальными точками переходных кривых принимают не менее 800 м, а при v_max = = 200+300 км/ч — не менее 600 м. Только в трудных условиях при соответ­ствующем технико-экономическом обосновании допускается уменьшение прямой вставки при скоростях 301-350 км/ч до 700 м.

Расстояние между осями главных путей на перегонах и на станциях принято равным 4500 мм.

Продольный профиль высокоскоростных магистралей. При обосновании наибольшего уклона продольного профиля высокоскоростных магистралей

было проведено экспериментальное про- Щ ^ ектирование участка трассы ВСМ

Центр — Юг протяженностью около ⁹⁰ 700 км, при котором варьировалась кру­

во

Рис.

тизна наибольшего уклона продольного

профиля пути /_тах от 12 до 30 %о. Ис­пользование более крутого уклона про­филя привело к соответствующему уменьшению объема земляных работ и водопропускных сооружений (мостов и труб), в результате чего строительная стоимость магистрали К сократилась (рис. 3.33), однако увеличение уклона продольного профиля свыше 22-24 %о уже не дало ощутимого удешевления строительства. В отсутствие на трассе

затяжных ограничивающих уклонов эксплуатационные показатели (время хода поездов, расход электроэнергии на тягу) в вариантах более крутого уклона профиля возросли незначительно (менее чем на 1%), что является следствием указанной в п. 2.7 большой удельной мощности тяговых средств. Поэтому нормами проектирования ВСМ наибольший уклон про­дольного профиля пути установлен в размере 24 %о, а в особо трудных ус­ловиях при соответствующем технико-экономическом обосновании он мо­жет быть увеличен до 35 %с (такой уклон может потребоваться лишь при пересечении трассой значительных высотных препятствий).

Для создания комфортабельных условий поездки в высокоскоростном поезде необходимо, наряду с указанным выше ограничением непогашенно­го поперечного ускорения, обеспечить величину продольных ускорений, возникающих при движении поезда по переломам продольного профиля пути, на уровне не более 3—5 м/с². Этому условию с учетом массы высоко­скоростных поездов и максимальной скорости движения 300—350 км/ч со­ответствуют наибольшие значения алгебраической разности уклонов смеж­ных элементов на переломах профиля Д/_н, равные 6 %с (рекомендуемая норма) и 10 %о (допускаемая норма). Как указано в п. 3.6, рекомендуемую норму следует применять на участках пути, где возможно регулировочное торможение поездов, а допускаемую норму можно использовать на других участках пути.

С учетом указанных значений Д/_н установлено значение наименьшей длины разделительных площадок и элементов переходной крутизны /_н, ко­торая принята равной 350 м

При разности уклонов смежных элементов менее Ддлина элементов может быть пропорционально уменьшена согласно формуле (3.39). Наи­меньшая длина элемента принимается 25 м.

Радиусы вертикальных кривых сопрягающих смежные элементы на переломах профиля, установлены, исходя из допускаемого вертикального ускорения а_дог| = 0,3 м/с² на выпуклых переломах профиля и а_доп = 0,4 м/с² на вогнутых переломах. Эти значения приняты из анализа влияния верти­кальных ускорений на самочувствие пассажира в поезде, причем установ­лено, что легче воспринимаются ускорения, совпадающие по направлению с гравитацией, т.е. на вогнутых переломах профиля

В соответствии с указанными значениями а_доп определены радиусы вер­тикальных кривых, м, с учетом в перспективе максимальной скорости движения поездов v_max = 350 км/ч^-

На выпуклых переломах профиля Л_в = 30000 м, а на вогнутых перело­мах R_B = 25000 м. На участках пути, где максимальные скорости движения поездов будут менее 350 км/ч, допускается пропорциональное уменьшение радиусов вертикальных кривых в соответствии с указанной зависимостью, но не менее чем до 15000 м. При алгебраической разности уклонов смеж­ных элементов менее 1,6 %о на выпуклых переломах и менее 1,8 %с на во­гнутых переломах профиля вертикальные кривые могут не устраиваться, поскольку в этих случаях биссектриса вертикальной кривой составляет ме­нее 1 см (см. п. 3.6).