1️⃣ Трассирование железных дорог
Кто-нибудь из вас задумывался, как в свое время строили железные дороги, чем руководствовались инженеры прошлого? Ниже представлен небольшой кусочек Байкало-Амурской магистрали. И если вы впервые в жизни задумались о том, как строили железные дороги, то у вас, глядя на этот участок, могут возникнуть примерно такие вопросы:
- Почему дорогу построили такой кривой?
- Можно ли было провести ее как-то иначе?
- Такой кривой план пути был единственно верным решением?
- Что вообще можно понимать под верным решением при прокладывании трассы?
Проектирование железнодорожной трассы называется трассированием. Когда-то давным-давно во время проектирования на карты нанесли железнодорожные трассы и назвали их положение в пространстве наилучшим, после чего дороги построили. Но перед тем как трасса была названа лучшей, инженеры прошлого решали непростые инженерные задачи, которые встречаются в трассировании.
Трассирование — это поиск. Поиск очертания плана пути в пространстве. Оно бывает двух видов, которые прекрасно дополняют друг друга
- Полевое трассирование. В этом случае мы отправляемся на местность и занимаемся поиском оптимального маршрута для будущей железной дороги.
- Кабинетное трассирование (раньше его так называли). В рамках этой работы сейчас мы работаем за компьютером и пользуемся цифровыми картами, спутниковыми снимками и цифровой моделью местности. Ранее же использовали бумажные карты и аэрофотоснимки, чтобы найти лучшее решение для прокладки дороги.
2️⃣ Самое начало — это опорные пункты
Опорный пункт — это место, куда будет точно заходить железная дорога. В зависимости от целей дороги опорными пунктами может являться:
- Населенный пункт (город, поселок, деревня, места для отдыха и т.д.);
- Промышленные предприятия (заводы, фабрики, карьер для добычи грунта);
- Станции существующих железных дорог;
- Совершенно новое место, куда необходимо проложить дорогу.
Например, опорными пунктами будут являться вокзалы в Екатеринбурге и Челябинске, если поднимается вопрос о проектировании новой высокоскоростной железной дороги.
Перед трассированием сначала всегда определяются с опорными пунктами и последовательно соединяют их между собой.
Если вы знаете, что такое план пути, то понимаете, что в ломанную линию нужно вписать кривые участки. Так путь немного удлинится. Но это всё ещё самая идеальная трасса в теории.
3️⃣ Геодезическая линия — лучшее направление в теории
Геодезическими линиями называются направления, которые проходят между опорными точками. Они представляют собой кратчайший путь. Если мы построим план маршрута по геодезической линии, то получим идеальную трассу, так как она будет самой короткой.
Очевидные преимущества самой короткой трассы:
- Экономия материалов верхнего строения пути.
- Кратчайший путь между опорными пунктами позволяет быстрее перемещаться
Геодезическая линия — это не прямая, а дуга
Если вспомнить, что мы проектируем на земном шаре, то сразу станет понятно, почему кратчайшее направление — это дуга. И геодезическую линию всегда нужно наносить с этой поправкой, так как карта — это плоскость, а не глобус. Но чем будут ближе опорные пункты, тем прямее будет казаться геодезическая линия.
4️⃣ Препятствия и обход фиксированными точками частной земли
Трасса, проложенная по геодезической линии, — мечта для подвижного состава. Но, к сожалению, в жизни она очень часто проходит через различные препятствия.
Например, возьмем старую карту Адлера, еще до Олимпиады 2014 года.
Сейчас-то там проложена железная дорога к «Розе Хутор», но мы представим себя на месте проектировщиков. Проведем геодезическую линию до «Розы Хутор».
Эта трасса будет самой короткой, но проект выглядит довольно устрашающе. Ведь она почти полностью пролегает по горам! Именно поэтому часто отказываются от самого короткого направления в пользу другого, более удобного, чтобы избежать строительства сложных и дорогостоящих искусственных сооружений.
Думаю, всем понятно, почему железная дорога пролегает в долине. Однако, если говорить более научно, то долина была выбрана для того, чтобы обойти препятствия, которые при трассировании железных дорог делятся условно на два вида.
- Препятствия контурные
- Препятствия высотные
Контурные препятствия – это всё, что можно увидеть на карте или фотографии. Сюда же можно отнести и границы частных земельных участков.
Некоторые примеры контурных препятствий:
- Реки;
- Озёра;
- Постройки;
- Болота;
- Заповедники;
- Частные земли.
Высотные препятствия — это такие препятствия, которые не всегда хорошо видны на спутниковых снимках, но которые очень хорошо видны на топографических картах, описывающих рельеф местности.
Некоторые примеры высотных препятствий:
- Горы;
- Хребты;
- Холмы;
- Лощины.
Обход препятствий с помощью фиксированных точек. Разные варианты
И контурные, и высотные препятствия можно пройти 3 способами:
- Пройти напролом по геодезической линии;
- Пересечь препятствие под определенным углом, например, пересечь реку под углом 90 градусов с помощью фиксированных точек;
- Уйти от препятствия, объехать его с помощью фиксированных точек.
Всегда стоит рассмотреть все возможные варианты преодоления препятствий, отмечая на карте множество фиксированных точек.
Важно помнить о геодезической линии, которая указывает на кратчайший идеальный маршрут. Отметив первую точку, следует помнить о первоначальной цели — сократить длину пути. Поэтому следующую точку желательно выбрать по этим соображениям. Но не стоит приближаться к первоначальной геодезической линии, это только увеличит длину маршрута. Вместо этого необходимо провести новую прямую линию от фиксированной точки до опорного пункта. Это и будет новая геодезическая линия, новое оптимальное направление. Следующую точку рекомендуется расположить уже в направлении этой линии.
5️⃣ Магистральные ходы. Варианты
Так, смотря на местность, мы расставляем фиксированные точки, обходя или пересекая препятствия. Создаются альтернативные варианты прокладывания трассы, которые в дальнейшем рассматривают и сравнивают между собой. Такие альтернативные варианты трассы называются магистральными ходами.
Вообще в трассировании рассматривают все получившиеся варианты магистральных ходов, так как это черновики будущего варианта трассы железной дороги.
Магистральный ход — это всё еще ломанная линия. Лучшим вариантом будет вписывание криволинейных участков, и всё, трасса готова.
Но и у магистрального хода может возникнуть несколько вариантов. Между фиксированными точками может быть вариант с дополнительными кривыми участками. Эти кривые участки могут быть запроектированы с целью преодоления более мелких препятствий. Они также могут быть контурными и высотными. Но сначала решается вопрос о преодолении именно высотных препятствий на всем участке магистрального хода.
6️⃣ Средний естественный уклон местности и уклон трассирования
Магистральный ход разбивают на участки трассирования, которые называются:
- Вольный ход
- Напряженный ход
Но чтобы понять всю суть, вам нужно знать, что такое продольный профиль железнодорожного пути и что такое руководящий уклон
Мы смотрим на продольный профиль ломанных магистральных ходов. Только упрощаем съемку, избавляясь от колебаний земли. Так мы получаем средние естественные уклоны местности. По ним и можно разбить каждый магистральный ход на более-менее протяженные участки вольных и напряженных ходов.
Напряженный ход
Напряженный ход — это когда мы вынуждены проектировать продольный профиль красной линии (например уровня головки рельса) по руководящему уклону с целью уменьшения рабочих отметок насыпей и выемок.
Это происходит тогда, когда средний естественный уклон местности примерно равен или больше руководящего уклона. Чтобы уменьшить объемы земляных работ, мы вынуждены проектировать по максимально возможному уклону.
Так и определяют участок напряженного хода: сравнивают средний естественный уклон со смягченным руководящим уклоном.
Уклон трассирования
Уклон трассирования — это смягченный руководящий уклон. Смягчают его из-за возможного устройства криволинейных участков.
Когда поезд едет в плане по кривой, то он испытывает дополнительное сопротивление. Колесную пару может прижимать к наружному рельсу. Мы говорили об этом в ролике про возвышение рельса.
Кроме того, могут возникать поперечные и продольные проскальзывания колесной пары. На всё это очень сильно влияет радиус кривой и текущее состояние верхнего строения пути.
И когда по такой кривой поезд еще едет на подъем или спуск, то в добавок от сопротивления от уклона добавляется сопротивления от кривой. Это значит, что уклон, который написан на элементе продольного профиля, поезд не будет чувствовать. Поезд будет ощущать уклон более крутой. Кривая набрасывает несколько ‰ (тысячных или промилле) к уклону.
И если мы на кривой запроектируем руководящий уклон, то по факту поезд будет чувствовать, что уклон под ним круче руководящего. Так проектировать нельзя. Поэтому заранее сбрасывают с красной линии несколько ‰ (промилле), чтобы поезд чувствовал, что едет по руководящему уклону.
Задача кривых на напряженном ходу — это найти рельеф, который будет примерно равен такому смягченному руководящему уклону. Берут руководящий уклон проектируемой дороги и сбрасывают с него от 0.5‰ до 1.5‰ в зависимости от рельефа. И называют его уклоном трассирования.
Так, мы заранее позаботились, что в случае устройства кривых на участке напряженных ходов мы будем искать нужный нам уклон трассирования с целью уменьшения земляных работ.
Вольный же ход — это когда средний естественный уклон местности меньше уклона трассирования. В этом случае мы уже не вынуждены применять крутой руководящий уклон.
7️⃣ Трассирование на участке вольного хода
На участках вольных ходов объемы насыпи и выемки будут небольшими. Поэтому мы можем сделать вариант с прямой трассой.
Например, у нас весь магистральный ход может состоять из вольных ходов. Тогда мы прокладываем трассу с фиксированной точки на фиксированную и вписываем кривые. Только мы должны поместить фиксированную точку внутрь угла поворота, чтобы при вписывании кривой наша трасса не удлинялась.
Но мы также можем использовать дополнительные кривые, чтобы объехать какие-то мелкие препятствия или найти более-менее ровный рельеф. Но в таком случае каждая кривая должна быть обоснована.
Самый длинный в мире вольный ход проходит через равнину Налларбор Трансавстралийской железной дороги, почти 500 км прямых путей.
8️⃣ Трассирование на участке напряжённого хода
Трассировать на напряженных ходах сложнее. Если мы не рассматриваем вариант с огромными земляными работами и с искусственными сооружениями, то мы должны с помощью кривых найти нужные нам уклоны трассирования.
Предположим, участок магистрального хода идет на подъем с уклоном 40‰. На плане это расстояние 500 метров. Уклон трассирования у нас 20‰. Если мы будем проектировать профиль по этой линии, то получим в конце 10-метровую выемку.
Нам нужно найти такое очертание плана, при котором средний естественный уклон будет равен уклону трассирования в 20‰. В теории такое возможно на длине 1000 метров. Смотрите рисунок ниже. Так наша трасса удлинится в 2 раза.
Мы должны преодолеть 20 метров высоты с уклоном не в 40‰, а в 20‰. Можно вычертить схемку и узнать длину такой трассы. Длина такой трассы 1000 метров. В 2 раза длиннее, чем на участке магистрального хода. Мы должны эту прямую «выгнуть», создав кривые, чтобы в итоге получить наши минимальные земляные работы ценой удлинения трассы. Удлинение трассы вы можете видеть в виде синей линии, которая строится благодаря так называемым линиям «нулевых работ».
О том, как строятся линии нулевых работ, вы можете узнать и увидеть наглядно в соответствующем ролике, который приложен в конце данной статьи.
Обычно конечная самая высокая точка уже не будет находиться на магистральном ходу, поэтому лучше прокладывать линию нулевых работ «на спуск». Так, если в конце спуска будет вольный ход, то мы сможем с помощью кривой соединиться с напряженным ходом.
Самая же линия нулевых работ показывает идеальное очертание плана, естественно, так ось не ломают. Трассу вписывают, прижимаясь к этой линии, с соблюдением нормативных норм проектирования плана железнодорожного пути.
Продуманное трассирование пути нередко представляет весьма сложную задачу, требующую некоторого опыта, а также знаний определенных особенностей, таких как:
- Особенности использования боковых долин;
- Особенности петлеобразного развития линии;
- Особенности спирального развития линии;
- Особенности трассирования в долинах рек;
- Особенности трассирования на водоразделах;
- Особенности трассирования на склонах.
В процессе трассирования всегда можно найти несколько возможных вариантов развития линии. Однако не всегда легко определить, какой из них является лучшим. Для этого сравниваются различные критерии: стоимость строительства, расходы на эксплуатацию и текущее содержание и т.п.
Выбор оптимального варианта — это уже другой вопрос. Задача трассирования заключается в поиске возможных вариантов, которые соответствуют нормативным требованиям в проектировании железных дорог.
Ниже в качестве приложения представлен соответствующий ролик
Спасибо, что прочитали, ставьте лайки 👍 и подписывайтесь!