Первостепенную важность для железных дорог всегда имело и имеет непосредственно железнодорожное полотно. Именно те самые пресловутые рельсы и шпалы, их исправность и состояние, являются основой железных дорог, и только затем уже паровозы и остальной подвижной состав.
С самого начала при постройке железных дорог не руководствовались какими-либо техническими соображениями для выбора расстояния между рельсами. Выбор этот фактически являлся случайным и бессистемным, но, при дальнейшем распространении железных дорог, размер этот стал стандартизироваться, поскольку при соединении различных жел.дор. возможность перехода подвижного состава с одной жел. дор. на другую представляла большие проблемы. Пока грузы и вагоны по рельсам перемещала конная упряжка (а по рельсам лошадь способна перемещать грузы в 12 раз(!) превышающие её собственный вес и при этом в 1,5 раза быстрее), при обычном весе тогдашних лошадей, пони и мулов в 11-16,5 пудов, перегрузка 130-180 пудов грузов не составляла особой проблемы. Но с появлением паровозов и резко возросшем грузообороте всё изменилось.
Колыбелью узкоколейных жел. дор. были Британские острова, где в 1832 г. была построена жел. дор. Фестиниог (в сев. Валлисе), существующая и поныне и имеющая ширину колеи 1' фут 11" дюймов (0,597 м). Затем, используя накопленный опыт, были построены и другие у. дороги, разнообразной ширины в разных странах. Уже к 1845 году протяжение жел. дор. Британских островов вкупе превысило 3,3 тыс. верст (на тер. Франции 3,9 тыс. верст) поэтому были разработаны правила о постройке и эксплоатации железных дорог (из которых весьма прогрессивным было постановление об обязанности жел. дорог трактовать всех своих клиентов на одинаковых основаниях). Первоначальное бесконтрольное развитие частных жел. дор. приводило к хаосу и очень низкому качеству услуг по завышенной цене. Только после 1847 г., когда критическая масса жел. дор. превысила необходимость, а доходы компаний упали с ~15% до 3% и меньше, началось слияние множества малых разрозненных линий в несколько больших, с целью достижения единообразия, минимизации косвенных расходов и стабилизации тарифов.
Только в 1854 г. конкурирующие между собой линии установили на своих дорогах сопоставимые тарифы и достигнуто это было в основном за счет слияния. Например, если до слияния общее число компаний в Англии и Валлисе состояло из 93 маленьких обществ и 8 компаний в Шотландии, то после - порядка 5/6 всей сети британских жел. дор. принадлежали всего 11 компаниям, из которых четыре владели половиной всей сети. На территории Франции из 33 компаний осталось 11, в итоге сократившись до 6. Только таким образом удалось достигнуть единообразия и в техническом плане. Это, а так же обустройство казённых жел. дор. позволило стабилизировать ситуацию в отрасли и продолжить развитие жел. дор. транспорта. Так к 1854 году сети жел. дор. Германских государств составляли ~5,5 тыс. вёрст, стран Австро-Венгрии ~2,1 тыс. вёрст, штатов Северной Америки ~5,4 тыс. вёрст, в Бельгии ~0,9 тыс. вёрст, в России ~0,6 тыс. вёрст, на Апеннинском п-ове - 427 верст, на Кубе - 369 верст, на территории Скандинавии - 240 верст, в Нидерлянде - 180 верст, на Вест-Индских о-вах - 36 верст, в Швейцарских кантонах и на Пиренейском п-ове по 27 верст.
Уже к 1846 г. установились стандарты для всех имеющихся железных дорог и для тех которые будут строиться в дальнейшем, но при этом даже на территории одной страны существовали долгое время жел. дор. с различною шириною пути. Одними из первых закрепили единые стандарты для территории всей страны в Швеции и Норвегии. С самого начала постройки жел. дор. там применили по экономическим соображениям пути шириной колеи 3' фута 6" дюймов («Шведская колея» или «Капская колея» 1,067 м) и 2' фута 11" дюймов 1''' линия («Шведская трёхфутовая колея» 0,891 м), а в Валлисе основной была даже «двухфутовая колея» (~0,6 м). Были и более широкие типы колеи, но, уже спустя десятилетие, опытным путём было установлено, что с экономической точки зрения, содержание именно т.н. «узкоколеек» является наиболее выгодным и экономичным. По этой же причине часто прибегают к узкой колее и в других государствах, более-менее удаляясь в отношении ширины колеи от так наз. нормальной ширины в 3' фута 6" дюймов.
По прусскому закону 1892 г. о так наз. «железнодорожных ветвях частного пользования», установлена, кроме нормальной ширины, еще ширина колеи в 1,00, 0,75 и 0,60 м. По русскому закону о подъездных жел. дор. установлена для рельсовых подъездных путей ширина пути в 0,60 м. Эта же ширина колеи была принята для военных жел. дор. всех ведущих европейских стран (только на территории Австро-Венгрии 0,7 м). Промысловые же жел. дор., даже без устройства для них особого полотна, для перевозки тяжестей, при строительных работах, в горном деле, сельском хозяйстве и пр., устраивались в разных странах вообще с разнообразною шириною колеи, даже гораздо меньшей.
Из всего разнообразия максимально широкое распространение имеют 6 типоразмеров, сложившиеся уже к сер. 1850-х
Из остальных, менее распространённых стандартов, можно назвать стандарт Апеннинского полуострова и колоний (0,95 м), уже упоминавшийся норвежский (0,891 м), польский (0,785 м), австрийский (0,76 м), швейцарский (0,75 м), датский (0,70 м), т.н. «двухфутовая колея» (0,61 м), т.н. «валлийская нагорная колея» (0,597 м, причём подвижной состав колей 0,597 м, 0,60 м и 0,61 м полностью совместим), т. н. «дековиллевская колея» (0,50 м) и кентский в 1' фут 3" дюйма (0,381 м).
Во Франции в 1863 г. инж. Флаша прямо указал на решающее значение в деле поднятия местной промышленности и освоения отдалённых территорий, линий с шириною пути менее 3,5' фт. С начала промышленного производства фабрикой Дековилля (Decauville) в 1877 году сборных секций железных дорог стандартом 0,50 и 0,60 м, данный стандарт колеи начинает быстро распространяться на практически всех местных жел. дор. не только в этой стране, но и по всему миру.
Стоимость постройки постоянных так наз. «дековиллевских» жел. дор. колеблется по последним данным между 18.000 и 26.000 фр. за версту (т.е. всего ~8,5-12,3 тыс.руб. по курсу 1896 г.), со включением стоимости подвижного состава. Обычно в качестве ширины колеи выбирали 0,50 м или 0,60 м, в зависимости от планируемой грузоподъемности, а так же использовались разные типы рельсов. Для колеи 0,50 - 0,60 м вес одного фута отдельного рельса в секции составлял 2,66 фунт/фут (~3,6 кг на метр), 4 фунт/фут (~5,4 кг на метр), 5,15 фунт/фут (~6,9 кг на метр) или 6 фунт/фут (~8,1 кг на метр), для колеи в 1 м в основном использовались рельсы массой 10 фунт/фут (~13,3 кг на метр) и более, для сравнения на магистральных путях высокой нагруженности использовались рельсы весом 20 фунт/фут (~26 кг на метр).
Для «дековиллевских» жел. дор. использовались грузопассажирские паровозы весом 200-550 пудов, способные уверенно перемещать пассажирские составы весом 1,5-5 тыс. пудов со скоростью 30-36 верст/ч и грузовые весом 2,2-7,2 тыс. пудов со скоростью 20-24 верст/ч. Самая распространённая и экономичная «дековиллевская» секция пути длиной 16,5 футов (5 м), весом рельса 4 фунт/фут (~5,4 кг на метр) и шириной колеи 0,50 м весила всего около 150 фунтов (~60 кг), так что для её переноски и укладки было достаточно артели из 3-х человек!
Жел. дор. Корсики имеют ширину пути в 1 м, в Голландии размер колеи преимущественно применяется 1,067 м. В Бельгии большинство жел. дор. имеет ширину колеи в 1 м, и лишь те из них, которые примыкают к голландским линиям, имеют ширину 1,067 м. На Апеннинском п-ове применяются, в зависимости от требуемой скорости движения, радиусов кривых и подъемов, ширины пути в 0,95 и 0,70 м. В Греции за малыми исключениями принята ширина колеи в 1 м. В Швейцарии, в силу местных условий, жел. дор. являются различных систем, в том числе - канатные, с паровой, конной и даже электрической тягой, причем в основном применена ширина пути в 0,75 и 0,6 м.
Австрия построила весьма удачно сеть жел. дор. в Боснии и Герцеговине. В 1899 г. здесь было уже выстроено более 690 верст жел. дор. с шириной колеи 0,76 м. Движение по этим дорогам быстро развивается, так в самой Австрии применяется преимущественно колея в 1 м и 0,76 м. Последний размер принят и для жел. дор. Венгрии. В германских странах, в особенности в Саксонии, Баварии и Пруссии у. жел. дор. строятся весьма деятельно в промышленных масштабах. В последней стране, на основании закона 28 июля 1892 г., правительство ежегодно расходует особые суммы для содействия постройке так наз. малых жел. дор. В 1896 г. в Пруссии имелись уже 120 железных дорог с колеей в 1 м, с шириною пути в 0,75 м - 38 и 14 с шириною пути 0,60 м, протяжением порядка 3,6 тыс. верст.
В Северной Америке узкоколейные жел. дор. были, так сказать, пионерами культуры, с развитием которой возникла жел.-дорожная сеть протяжением до 18.000 верст. В государствах Южной Америки, вследствие горного характера местности, а также по экономическим расчетам, на главных линиях (Мексика, Аргентина, Чили, Боливия, Венесуэла) применяется колея преимущественно в 1 м, но есть дороги с шириною пути в 1,067, 0,92 и 0,76 м. В Ост-Индии жел. дор. строятся с шириною колеи в 1 м, но более 300 верст дорог построены с колеёй 0,61 м. Последний размер был принят для Гималайской жел. дор., поднятой над ур. моря до 8 тыс. футов. Железнодорожная сеть Японии имеет колею в 1,067 м. В Алжире применена ширина колеи в 1 м. Та же колея наряду с колеею в 0,75 м принята в Египте. Для жел. дор. Конго также избрана колея 0,75 м. Сети Капской колонии и Трансвааля все в 1,067 м. В Австралии жел. дор. преимущественно в 1,067 м и 0,61 м.
Начало постройки узкоколеек в России началось с Ливенской (60 верст) средствами казны, а так же Новгородской (с 69 верст выросла до 180 верст) и Ярославо-Вологодской (196 верст, позже продолжена до Архангельска, всего 810 верст) частными обществами. Ширина колеи этих линий была принята в 3,5' фт. (или 1,067 м). Одновременно с постройкою их были изданы правила и технические условия для построения жел. дор., которые и действовали без изменений до 1893 г. Две жел. дор. - Рязанско-Уральская и Киево-Воронежская, только образовавшиеся в 1892 году, уже построили до 1.200 верст путей с колеей в 3,5' фт.
Безусловные преимущества узкоколейных железных дорог: 1) сбережения при постройке, 2) сбережения при заказе подвижного состава и 3) сбережения при эксплоатации. Дешевизна постройки получается вследствие того, что у. железная дорога легче приноравливается к местности, чем если бы применялась колея шириною более 3,5' фт., допускает применение кривых малого радиуса и более крутые подъемы. Вследствие этого во Франции, например, применение узкой колеи дало возможность понизить стоимость прямых затрат на сооружение железных дорог ВЧЕТВЕРО и более, позволив сократить расходы до 18.000 франков за версту при ширине полотна 0,5 м.
При ширине колеи в 1 м радиус кривых может быть уменьшен до 60 м, при колее в 0,75 м - до 40 м, а при колее в 0,60 м - до 20 м. Вследствие этого значительно сокращаются земляные работы по устройству полотна, нужная площадь отчуждения, размеры искусственных сооружений и верхнего строения. Кроме того, узкоколейная железная дорога имеет то преимущество, что может быть доводима легко до самых центров промышленных местностей и фабричных районов, ввиду чего сокращаются до минимума расходы по доставке товаров на станцию. Подвижной состав для у. жел. дороги так же стоит гораздо дешевле, так как он значительно легче, вследствие чего и ремонт его дешевле обходится. Вследствие легкости подвижного состава составление поездов и сортировка вагонов также значительно упрощаются. В общем, сбережения расходов на постройку, обслуживание и снабжение подвижным составом, получаемые вследствие применения узкой колеи, на основании сравнительных вычислений, достигают не менее 70%, в зависимости от выбора ширины колеи и местных условий. Чем труднее условия местности для проведения железной дороги, тем большие выгоды могут быть добыты употреблением узкой колеи.
Расходы эксплоатации также понижаются вследствие удешевления содержания и ремонта пути, при меньших размерах пути, более легком верхнем строении и менее значительных сооружениях. Упрощение же всей службы приводит к общему удешевлению эксплоатации, так как требуется меньше служащих, меньше гражданских построек и пр. Все эти сбережения давно с точностью подсчитаны с помощью сравнительных вычислений в каждом частном случае в отдельности.
Существующие сторонники большей ширины колеи, полагают что большая ширина может увеличить пропускную способность. Однако, на примере жел. дор. в Англии, в Бельгии (от Антверпена до Гента), местных французских, а также жел. дор. в Штирии, Венгрии, Боснии, Герцеговине и в Саксонии, практика показала, что дороги этого рода полностью удовлетворяют местным требованиям и могут обслуживать свой район при довольно значительных объёмах перевозки. Поэтому при меньших размерах капитала, потребного на постройку узкоколейной железной дороги, она соответственно будет более доходною, чем если бы была построена ширококолейная железная дорога.
Вопрос об удобнейшей и наиболее целесообразной ширине колеи для узкоколейных железных дорог многократно обсуждался в международных собраниях, посвященных железным дорогам, в том числе в Амстердаме, Брюсселе, Гамбурге и др. На международном железнодорожном конгрессе, заседавшем в Петербурге в 1892 г., состоялось следующее постановление:
"Для развития экономических железных дорог весьма важно допустить полную свободу при выборе ширины колеи. Вопрос следует разрешать отдельно в каждом частном случае, в зависимости от местных условий, размеров ожидаемого движения и рода перевозок, так как расходы зависят от всех этих обстоятельств. В остальном важно придерживаться некоторых типов, которые уже оправдали себя на практике; к таким следует отнести колеи в 1,00, 0,75 и 0,60 м".
Для приблизительных соображений можно руководствоваться следующими общими указаниями, выведенными инженером Циффером относительно стоимости сооружения узкоколейных железных дорог в зависимости от выбранной ширины колеи. Если принять за единицу поверстную стоимость железной дороги с шириною колеи в 1 м, то для ширины колеи в 0,75 и 0,60 м расходы выразятся следующими относительными цифрами:
на устройство полотна - 0,92-0,90 и 0,88-0,80;
на верхнее строение - 0,80-0,70 и 0,60-0,50;
на подвижной состав - 0,80-0,70 и 0,60-0,50.
......
Другим важнейшим вопросом жел. дор. пути является размер, качество и состояние рельсов по которым непосредственно движутся колеса железнодорожного поезда. Именно благодаря рельсам одна тягловая упряжка легко была способна заменить дюжину, весьма значительно снизив стоимость сухопутной перевозки грузов. Паровоз же облегчил и удешевил перевозки многократно! Поскольку, в отличие от упряжки лошадей (в зависимости от собственной массы и конструкции), пассажирский паровоз способен перемещать составы в 63 раза превышающие по массе собственное тяговое усилие со скоростью до 45 верст в час, а грузовые паровозы тянут составы в 90 раз(!) превышающие собственную тягу, но с меньшей скоростью.
Материал для изготовления рельсов со временем менялся в сторону постоянного улучшения эксплоатационных качеств. Первые попытки отливки рельсов из чугуна были признаны неудовлетворительными. Мало того что по техническим характеристикам невозможна была эксплоатация рельсов длиной более 5-6 футов, из-за хрупкости материала, так ещё и вес их превышал предъявляемые заказчиками требования. Напротив, изготовление железных рельсов дало возможность стразу увеличить длину каждого рельса в 3-4 раза со значительным выигрышем в весе и пределе выносливости. К середине 1850-х обычная длина железных рельсов стандартизировалась в пределах 12-22' фт.
Основным типом рельса с 1833 г. является т.н. «виньолевский» широкоподошвенный грибовидный рельс «двутаврового профиля» с головкой, который уже с 1839 года начинает собираться с помощью накладочно-болтового соединения стыковыми накладками
Но схожая геометрия профиля рельс ни коим образом не гарантировала их взаимозаменяемость. Централизованных поставок рельсов не было, что привело к необходимости размещения заказов на их изготовление на различных заводах или приобретение их за рубежом. Поэтому в ходе возведения частных железных дорог использовали различные типы рельсов при отсутствии какого либо единообразия. Разница в высоте рельсов доходила до 20 %, высоте головок – до 30 %, по площади поперечного сечения – до 50 %, при этом масса одного фута различалась почти на 30 % что заметно затрудняло эксплоатацию и замену выходивших из строя участков пути. Только к 1845 году образовались заводы специализирующиеся на массовом производстве более-менее однотипных железных рельс и в связи с этим назрело принятие решения о стандартизации рельсов в зависимости от грузонапряжённости пути. В 1866 году, наряду с железными, появились первые образцы стальных рельс и началось их постепенное опытное испытание. Начиная с 1869 года были проведены первые попытки стандартизации, к этому времени общепризнанными считались 6 типов рельсов:
Не смотря на довольно высокое качество железных рельс, срок службы их составлял 6-9 лет. С увеличением грузопотока годичный выход в неудовлетворительное состояние рельсов превысивших этот срок составлял от 3,6 до 6,3%. На дорогах образовались залежи негодных рельсов и в 1867 г. была начата их перепрокатка. Старые рельсы разрубали на куски, которые раскатывали в пластины определенных размеров. Пластины собирали в пакет вперемешку с пластинами из сварочного кричного железа. Пакет проковывали в горячем состоянии и получали пригодную для прокатки металлическую болванку - заготовку для будущих рельсов. Хотя она и была недостаточно однородна, перепрокатка рельсов постоянно давала продукцию удовлетворительного качества и снимала проблему металлолома.
Уже тогда в технической литературе поднимался вопрос о необходимости более широкого изготовления стальных рельсов. Только с 1869 года появились первые стальные рельсы определённого стандарта, годные к полевым испытаниям, а уже с 1875 года был начат их промышленный выпуск небольшими партиями зарубежными предприятиями. Но не ранее 1896 года их выпуск сравнялся с более дешевыми железными и появились первые проекты постепенного перехода основных железных дорог только на стальные рельсы. Начиная с середины 70-х годов преимущества стальных рельсов при проведении испытаний проявились со всей очевидностью. За 15 лет опытной эксплоатации на магистральных участках большой интенсивности годичный выход стальных рельсов составлял всего 0,045%, тогда как железных 6,3%. Стальные рельсы изнашивались не только мало, но и относительно равномерно, что позволяло рассчитывать на увеличение нормы износа головки и дополнительное повышение срока службы до 26-30 лет.
Проигрывая стальным рельсам по эксплоатационным качествам, дешевые железные рельсы были к тому же более тяжелыми. В то же время стальные готовились под значительно более высокую поездную нагрузку. Железные рельсы рассчитывались по колесным нагрузкам паровоза 6; 5,75; 5,25 тс соответственно трем типам, а стальные - по нагрузкам 6; 5,75 и 5 тс, причем при расстоянии между осями шпал 0,842 м допускаемое изгибное напряжение для железных рельсов принималось равным 725, для стальных - 950 кгс/см2. Использование стали для производства рельсов позволило значительно расширить ассортимент до 15 общепринятых стандартов, т.н. «казенных», при этом все рельсы малого сечения, начиная с №7 и до №15 изготавливались только из стали.
Было более 30 различных заводов выпускавших основные типы рельсов и к концу века в основном был завершен первый этап стандартизации геометрии поперечного профиля рельса, что позволило частично унифицировать их выпуск и повысить уровень обслуживания железных дорог.
Так-же немаловажное значение для путевого хозяйства имеют и шпалы. В основном используются сосновые и еловые, но средний срок службы сосновых шпал в среднем 4-5 лет, а еловых - даже 3-4 года, поэтому издавна практиковалась пропитка шпал антисептическими составами. Одним из самых распространенных было антисептирование шпал раствором хлористого цинка. Но оно не намного улучшало свойства дерева, а в случае с используемыми иногда дубовыми шпалами практически не давало улучшения вообще.
Лучшие результаты давала пропитка креозотом, но в этом случае цена пропитанных шпал в 4-5 раз превышала цену непропитанной обычной шпалы, хотя при этом сосновые шпалы служили минимум 6-7 лет. В общем и целом, для ускорения и удешевления, обработка шпал зачастую сводилась к тому, что они обмазывались дёгтем, мазутом или отработкой иных масел, что помогало продлить срок службы шпалы почти на четверть, либо вообще не обрабатывались, а рабочее состояние поддерживалось за счёт мелких профилактических работ...
И ещё одно, довольно затратное, но необходимое для устройства жел. дор. условие - это наличие труб для преодоления незначительных водных преград и предохраняющих полотно от размытия, и мостов. Все эти постройки практически с самого начала подверглись стандартизации и строились по утверждённым типовым проектам.
Трубами называются арочные искусственные сооружения малого отверстия, служащие для пропуска под железнодорожной насыпью малых потоков, ливневых вод, а в некоторых случаях — прохода пешеходов и прогона скота. Выгодность труб и их низкая строительная стоимость способствовали широкому внедрению их в практику. Эксплуатационные расходы для труб сравнительно невысоки; трубы легко поддаются удлинению в случае необходимости уширить насыпь. При разборке некоторых типов труб остаточная стоимость старого, но еще годного материала оказывается высокой, особенно при небольших высотах насыпи и годной для повторного использования.
Для переезда через речки, болота и овраги используются типовые деревянные мосты. Однако, в последнее время, вследствие постепенного подорожания дерева и недолговечности сооружений из этого материала, деревянные мосты к концу века стали постепенно перестраиваться на железные, сначала в Европе, а затем и в Америке. Хотя на шоссейных же и других проезжих дорогах деревянные мосты и ныне являются основными постоянными сооружениями.
При малых пролетах прогоны м. устраиваются из круглого леса, поверх них настилается двойной пол, нижний из притесанных пластин, а верхний из досок толщиной 60 мм. С увеличением пролетов прогоны подпираются подкосами, с применением, если нужно, ригелей и подбалок. Полотно на таких м. часто устраивается из двух рядов досок на подполовых балках или брусчатых поперечинах. В случае применения прогонов из составных балок выгоднее соединение брусьев шпонками, которые, в случае ослабления при усушке дерева, можно загонять плотнее, нежели соединение зубьями. Подкосно-арочная система в большинстве случаев выгоднее подвесно-арочной. Из брусчатых арок гнутые крепче собранных из вытесанных или выпиленных косяков, причем и материал может быть взят тоньше, но гнутье брусьев составляет довольно затруднительную работу. Наиболее выгодная форма для арки — парабола, но так как при пролетах около 30 шагов очертание по параболе мало отличается от дуги круга, то для сокращения труда придают арке кривизну по дуге круга. При значительных же пролетах арку располагают по параболе. При постройке металлических м. в качестве балок пользуются снятыми с пути старыми рельсами для сооружения подкосных м. по образцу деревянных.
Стоимость постройки деревянных м. зависит от системы м. и стоимости материала, которая не везде одинакова. Цена же железа подвержена меньшим изменениям, и потому для приблизительной оценки стоимости сооружения железного м. можно пользоваться данными о подобных же исполненных м. Стоимость зависит от величины перекрываемого отверстия и местных обстоятельств, каковы высота опор и пр. Но в любом случае, при расчётном сроке службы железного моста на менее полувека, дороговизна его постройки с запасом окупается долговечностью. Для металлических м. больших отверстий, построенных нашими казенными дорогами с 1881 г., полная стоимость М., отнесенная к погонной сажени отверстия, определилась для моста отверстием от 20—45 саж. в 2.541—2.410 руб. за погонную сажень.