Budownictwo komunikacyjne. Nawierzchnia kolejowa. Elementy drogi kolejowej.

Transkrypt

1 Budownictwo komunikacyjne Nawierzchnia kolejowa. Elementy drogi kolejowej.

2 WPROWDZENIE budowla kolejowa - całość techniczno-użytkowa wraz z gruntem, na którym jest usytuowana, oraz instalacjami i urządzeniami, służącą do ruchu pojazdów kolejowych, organizacji i sterowania tym ruchem, umożliwiającą dokonywanie przewozów osób lub rzeczy, a w szczególności: drogi szynowe normalnotorowe, szerokotorowe i wąskotorowe, koleje niekonwencjonalne, budowle ziemne, mosty, wiadukty, przepusty, konstrukcje oporowe, rampy, perony, place ładunkowe, skrzyżowania linii kolejowych z drogami publicznymi w jednym poziomie, nadziemne i podziemne przejścia dla pieszych, urządzenia zasilania elektrotrakcyjnego, urządzenia zabezpieczenia i sterowania ruchem, urządzenia elektroenergetyki nietrakcyjnej i urządzenia techniczne oraz inne budowle usytuowane na obszarze kolejowym służące do prowadzenia ruchu kolejowego i utrzymania linii kolejowej, droga szynowa - budowla wraz z gruntem, na którym jest usytuowana, składającą się z toru (elementu jezdnego) o konstrukcji szynowej, dostosowaną do ruchu pojazdów kolejowych, pojazd kolejowy - tabor kolejowy (pojazdy trakcyjne - lokomotywy lub wagony przystosowane do przewozu osób lub rzeczy) oraz pojazdy specjalistyczne, przystosowane do poruszania się po torze kolejowym, 2

3 koleje niekonwencjonalne - wszystkie koleje, w których ruch pojazdu kolejowego jest niekonwencjonalny, a w szczególności koleje: linowe, linowo terenowe, magnetyczne, przechyłka toru - podniesienie toku szynowego zewnętrznego w stosunku do toku wewnętrznego dla toru w łuku, w celu zrównoważenia siły odśrodkowej, która powstaje przy ruchu pojazdu kolejowego po torze w łuku, nawierzchnia - konstrukcja przystosowana do przenoszenia na grunt obciążeń stałych i ruchomych związanych z ruchem pojazdów kolejowych, składającą się z toru, po którym poruszają się pojazdy kolejowe, elementów podporowych, elementów przytwierdzających i łączących oraz podsypki, podtorze - budowla geotechniczna wykonana na gruncie rodzimym jako nasyp lub przekop wraz z urządzeniami ją zabezpieczającymi i odwadniającymi, ukres - punkt oznaczony w sposób trwały i widoczny, usytuowany w międzytorzu w miejscu rozgałęzienia torów w rozjeździe, poza którym nie mogą znajdować się pojazdy kolejowe, długość budowlana toru - długość toru mierzona między początkami rozjazdów, gdy początki rozjazdów albo ich końce zwrócone są do siebie, albo długość toru mierzoną między początkiem rozjazdu a czołem belki 3

4 odbojnicowej kozła oporowego; długość rozjazdów pośrednich znajdujących się w torze odlicza się, długość użyteczna toru - długość części toru przeznaczona na postój pociągu lub wagonów, to jest długość mierzoną pomiędzy punktem ustawienia semafora, tarczy zaporowej lub manewrowej a ukresem, końcem odcinka izolowanego, punktem zwalniającym przebieg pociągu, miejscem usytuowania wykolejnicy lub miejscem przejazdu lub przejścia kolejowego, jeśli są one czynne w czasie postoju pociągu lub wagonów; jeżeli przy torze nie znajduje się semafor, tarcza zaporowa lub manewrowa, to długość użyteczną toru określa odległość między ukresami, długość ogólna toru - długość budowlana z dodaniem długości rozjazdów i kozłów oporowych, 4

5 PODZIAŁ BUDOWLI KOLEJOWYCH kolejowe budowle drogowe, których konstrukcja jest bezpośrednio lub pośrednio związana z ruchem pojazdów kolejowych, które stanowią: drogi szynowe, gdy elementem konstrukcyjnym, po którym porusza się pojazd kolejowy, są dwie stalowe szyny ułożone na podbudowie równolegle; z uwagi na odległości pomiędzy szynami rozróżnia się: koleje normalnotorowe (o odległości mm), wąskotorowe (o odległości mniejszej niż mm), szerokotorowe (o odległości większej niż mm), kolejowe obiekty inżynieryjne, zwane dalej "obiektami inżynieryjnymi", urządzenia zasilania elektrotrakcyjnego, kolejowe budowle towarzyszące, które stanowią: budowle i urządzenia związane z obsługą przewozów osób i rzeczy, budowle zaplecza technicznego taboru kolejowego i dróg szynowych, budowle i urządzenia sterowania ruchem kolejowym, budowle i urządzenia telekomunikacyjne, urządzenia elektroenergetyki nietrakcyjnej i sieci techniczne, koleje niekonwencjonalne. 5

6 KLASYFIKACJA LINII KOLEJOWYCH Droga szynowa normalnotorowa jest to droga, w której odległość pomiędzy główkami dwóch szyn wynosi mm, mierząc 14 mm poniżej górnej powierzchni tocznej szyn, posiadająca standard konstrukcyjny dostosowany do parametrów eksploatacyjnych ustalonych dla danej linii kolejowej. Istnieją również: linie kolejowe szerokotorowe o szerokości większej niż 1435 mm, np. w krajach b. Związku Radzieckiego szerokość 1524 mm, w Hiszpanii 1676 mm, linie kolejowe wąskotorowe linie o szerokości mniejszej niż 1435 mm, np. 750 mm, 1000 mm, 1067 mm. Linie kolejowe dzielą się na: jednotorowe, na których jeden tor szlakowy służy do prowadzenia ruchu pociągów w obu kierunkach a wymijanie i wyprzedzanie pociągów może odbywać się tylko na stacjach i mijankach, dwutorowe dla każdego kierunku jazdy jest przeznaczony oddzielny tor wielotorowe oraz odcinki, szlaki i stacje, zgodnie z przepisami szczególnymi 6

7 W zależności od przeznaczenia linie kolejowe dzielą się na: magistralne, pierwszorzędne, drugorzędne, miejscowego znaczenia. stacja jest to budowla kolejowa stanowiąca połączony za pomocą rozjazdów układ torowy wraz z urządzeniami sterowania ruchem i łączności, gdzie oprócz toru głównego zasadniczego znajduje się co najmniej jeden tor główny dodatkowy, a pojazdy kolejowe (pociągi) mogą rozpoczynać i kończyć jazdę, krzyżować się i wyprzedzać, jak również zmieniać skład lub kierunek jazdy. W miejscach styku kolei o różnych szerokościach toru powinny być urządzone następujące stacje styczne: przeładunkowe lub przesiadkowe, komunikacji przestawczej - wyposażone w urządzenia do zmiany wózków lub urządzenia do zmiany rozstawu kół w wózkach. 7

8 Tabela 1. Parametry eksploatacji linii kolejowych Spełnienie jednego z warunków, o których mowa powyżej, jest wystarczające do zakwalifikowania linii kolejowej do odpowiedniej kategorii, przy czym należy brać pod uwagę: wymagania przewozowe, ukształtowanie trasy linii kolejowej w planie i profilu, standard konstrukcyjny drogi szynowej, wyposażenie techniczne linii kolejowej w urządzenia sterowania ruchem, zasilania elektrotrakcyjnego i telekomunikacyjne. 8

9 KLASYFIKACJA TORÓW KOLEJOWYCH Wg przepisów "D1 - Warunki techniczne utrzymania nawierzchni na liniach kolejowych" opracowanych przez PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. i obowiązujących od 6 czerwca 2002 r. Tory szlakowe oraz tory główne zasadnicze i dodatkowe na stacjach są kwalifikowane do jednej z sześciu klas technicznych. Tory stacyjne boczne, za wyjątkiem torów grup kierunkowych, powinny być utrzymywane jak tory piątej klasy. Tory grup kierunkowych powinny odpowiadać warunkom klasy toru, do której zostały zakwalifikowane tory główne dodatkowe. W celu określenia wymagań w zakresie utrzymania nawierzchni i standardów konstrukcyjnych nawierzchni tory kolejowe dzieli się na sześć klas technicznych (0, 1, 2, 3, 4, 5). O zakwalifikowaniu torów do jednej z sześciu klas decydują następujące parametry eksploatacyjne: 1) dopuszczalna prędkość pociągów, 2) dopuszczalny przy tej prędkości nacisk osi lokomotywy, 3) dopuszczalny przy tej prędkości nacisk osi wagonów, 4) ekwiwalentne obciążenie przewozami. 9

10 Tabela 2. Szczegółowe warunki klasyfikacji torów kolejowych Tor zakwalifikowany do danej klasy technicznej powinien posiadać konstrukcję nawierzchni odpowiadającą standardom przypisanym do danej klasy lub wyższej. 10

11 PODTORZE KOLEJOWE Górna powierzchnia podtorza (torowisko) powinna być przystosowana do: 1) zbudowania nawierzchni oraz innych obiektów związanych z prowadzeniem ruchu pojazdów kolejowych, a także do wykonywania czynności związanych z utrzymaniem drogi szynowej, 2) odprowadzenia wód opadowych z torowiska, 3) utrzymania na odpowiedniej głębokości poziomu wód gruntowych. W zależności od relacji między ukształtowaniem terenu i położeniem wysokościowym toru kolejowego, podtorze może być wykonane jako nasyp albo jako przekop, z gruntów odpowiednio uformowanych, wzmocnionych i zabezpieczonych przed wpływami eksploatacyjnymi, klimatycznymi i geologiczno-hydrologicznymi. Podtorze powinno zapewnić: wytrzymałość wymaganą dla danej kategorii linii, mniejsze od dopuszczalnych odkształcenia trwałe i sprężyste powstające w wyniku oddziaływań dynamicznych, wymiary torowiska odpowiadające danej kategorii linii, niezmienność kształtu bez względu na wpływ klimatu i oddziaływań eksploatacyjnych, możliwość mechanizacji robót nie tylko podczas budowy, lecz także w czasie eksploatacji, w tym robót trakcyjnych, teletechnicznych, nawierzchniowych. 11

12 Wymiary podtorza powinny być dostosowane do ustalonego przebiegu trasy linii kolejowej, w szczególności przy uwzględnieniu: kategorii linii kolejowej, liczby torów, lokalizacji podtorza (na: szlaku, równi stacyjnej, podejściu do mostów), położenia linii (w planie i w profilu), grubości warstwy podsypki, długości podkładów, rodzaju toru (klasyczny, bezstykowy). Przy ustalaniu przekroju poprzecznego podtorza i nawierzchni (przekroje normalne) dla wszystkich kategorii linii kolejowej powinno się uwzględniać następujące warunki: torowisko powinno być wykonane z pochyleniem poprzecznym od 3% do 5% od osi toru - dla zapewnienia odpływu wody opadowej z nawierzchni, pomiędzy krawędzią dolną konstrukcji nawierzchni a krawędzią torowiska musi być zachowana ława torowiska o szerokości uzależnionej od kategorii linii - dla ułatwienia wykonywania czynności technologicznych przy utrzymaniu drogi kolejowej, skarpy podtorza powinny mieć pochylenie zapewniające ich stateczność w oparciu o przeprowadzoną analizę stateczności, jak również stateczność całego podtorza, 12

13 w zależności od ukształtowania terenu, dla odprowadzenia wód do cieków naturalnych bądź kanalizacji, podtorze powinno być chronione rowami bocznymi, jedno- lub dwustronnymi, oraz innymi urządzeniami odwadniającymi; szerokość i głębokość rowu powinna być dostosowana do maksymalnej ilości wody, jaka może płynąć rowem, a pochylenie podłużne dna rowu powinno zapewniać swobodny spływ wody. NAWIERZCHNIA KOLEJOWA Nawierzchnia kolejowa jest to zespół konstrukcyjny, składający się z szyn, podkładów, złączek i podsypki. Elementy te służą do zbudowania toru szynowego, który stanowią dwa równoległe toki szynowe, ułożone w ustalonej między nimi odległości. Tor ma odpowiednie położenie w planie i profilu. Tor w planie składa się z odcinków prostych i krzywych (obejmujących łuki z krzywymi przejściowymi), w profilu zaś - z odcinków położonych w poziomie i na pochyleniu (wzniesienia i spadki) oraz z załomów profilu podłużnego. Do nawierzchni kolejowej zalicza się także rozjazdy oraz skrzyżowania torów. W skład drogi kolejowej wchodzą także przejazdy kolejowe. 13

14 Podstawowym elementem nawierzchni są szyny. Zadaniem szyn jest umożliwienie toczenia się kół pojazdów i nadawanie im kierunku biegu oraz przekazywanie nacisków kół na podkłady pośrednio przez podkładki szynowe. Kształt przekroju poprzecznego szyny jest zbliżony do belki dwuteowej z uwagi na to,że szyna pracuje przede wszystkim na zginanie. Rys. 1. Przekrój poprzeczny szyny Szyna składa się z główki, stopki i szyjki. Główka (C=74,3mm) jest to górna część szyny przystosowana do toczenia się kół taboru oraz do nadawania im kierunku biegu. Stopkę (B=150mmm) szyny stanowi jej dolna część przystosowana do przytwierdzania do podkładki i podkładu. Szyjka (H=172mm) szyny jest częścią pośrednią między główką a stopką.(s=16,5) a ciężar takiej szyny M=60,34kg/mb. 14

15 Zadaniem szyn jest umożliwienie toczenia sią kół pojazdów i nadawanie im kierunku biegu oraz przekazywanie nacisków kół na podkłady pośrednio przez podkładki szynowe. Szyny są przymocowywane do podkładów za pomocą złączek przytwierdzających, którymi są: podkładki szynowe, wkręty lub haki, śruby stopowe, łapki i pierścienie sprężyste. Oprócz złączek przytwierdzających są również złączki szynowe, tj. łubki, śruby łubkowe i pierścienie sprężyste, których zadaniem jest połączenie szyn ze sobą. Przy nowszych typach nawierzchni stosowane są podkładki zakładane między stopkę szyny a podkładkę szynową w celu zwiększenia oporów tarcia. Podkłady ułożoneone w ustalonych odstępach poprzecznie do osi toru przejmują naciski kół na szyny, przekazywane za pośrednictwem podkładek i przytwierdzeń szynowych, przenoszą te naciski na warstwę podsypki, a ponadto zapewniają prawidłowe szerokości toru. Zamiast podkładów mogą być stosowane inne elementy podparcia szyn, np. płyty betonowe. Szyny przytwierdzone do podkładów za pomocą złączek stanowią przęsła torowe, które następnie są układane na podsypce. Szyny kolejowe muszą się odznaczać dużą wytrzymałością na zginanie i ścieranie, twardością i jednocześnie pewną ciągliwością, a ponadto sprężystością i trwałością. Szyny są wyrabiane ze stali zlewnej. 15

16 Możemy wyróżnić 5 podstawowych typów szyn stosowanych przez koleje europejskie: S49, S54, UIC50, UIC54, UIC60. Podkłady ułożone w ustalonych odstępach poprzecznie do osi toru przejmują naciski kół na szyny, przekazywane za pośrednictwem podkładek i przytwierdzeń szynowych, przenoszą te naciski na warstwę podsypki, a ponadto zapewniają prawidłowe szerokości toru. Zamiast podkładów mogą być stosowane inne elementy podparcia szyn, np. płyty betonowe. Szyny przytwierdzone do podkładów za pomocą złączek stanowią przęsła torowe, które następnie są układane na podsypce. Podkład pracuje na zginanie, a w miejscach ułożenia podkładek - na ściskanie. Tabela 3. Podstawowe typy podkładów drewnianych stosowanych przez PKP PLK 16

17 Rys. 2. Przekroje poszczególnych typów podkładów drewnianych Podkłady drewniane wykonane są z drewna miękkiego (sosna) lub twardego (buk i dąb). Podkłady w przekroju poprzecznym mają kształt belkowy lub obły. Każdy z tych rodzajów dzieli się na typy. Masa podkładów drewnianych wynosi kg. Pod złączami szynowymi układa się podkłady podzłączowe, powstające z połączenia śrubami dwóch podkładów pojedynczych. 17

18 Podkłady betonowe ze względu na kształt dzielą się na: podkłady blokowe, podkłady belkowe i płyty betonowe, a ze względu na sposób zbrojenia - na żelbetowe i strunobetonowe. Beton nie zbrojony z uwagi na kruchość i niską wytrzymałość na rozciąganie nie nadaje się jako materiał konstrukcyjny na podkłady kolejowe. Z tego powodu stosuje się zbrojenie betonu, które zwiększa jego wytrzymałość, lecz w mniejszym stopniu podwyższa odporność na powstawanie rys i pęknięć. Zwiększenie odporności betonu na rysy można uzyskać przez wprowadzenie wstępnego sprężania betonu, co zastosowano przy produkcji podkładów strunobetonowych. Podkłady strunobetonowe z betonu sprężonego - w czasie wykonywania podkładu stalowe struny stanowiące zbrojenie poddawane są określonemu naciągowi, następuje potem silne związanie betonu ze zbrojeniem, a po stwardnieniu betonu i zwolnieniu naciągu strun uzyskuje się sprężenie betonu. Podkłady te maja kształt belkowy. Aktualnie w torach sieci PKP stosowane są podkłady strunobetonowe typu INBK-3, INBK-4, INBK-7, INBK-8, PBS1, BS65 i BS66. Podkłady stalowe mają przekrój w kształcie odwróconego koryta, z końcami zgiętymi ku dołowi. Wymiary podkładów są zbliżone do wymiarów podkładów drewnianych. Masa podkładów stalowych wynosi kg. Najlepszym sposobem przytwierdzenia szyny do podkładu stalowego jest przymocowanie jej śrubami stopowymi, łapkami i pierścieniami sprężystymi do podkładki żebrowej, przyspawanej do podkładu. 18

19 Podsypka ma za zadanie uzyskanie wymaganego położenia toru w planie i profilu, przejęcie nacisków kół pojazdów z podkładów z przekazaniem ich na torowisko, szybkie odprowadzenie wód opadowych oraz przeciwdziałanie przesunięciom podłużnym i poprzecznym toru. Ponadto podsypka spełnia ważną rolę odwodnienia nawierzchni. Podsypka jest wykonywana przez kruszenie twardych skał typu: bazalt, granit, sjenit i dolomit (skały odporne na ściskanie MPa). Tłuczeń ten odporny jest na uderzanie przy podbijaniu podkładów, wykazuje dużą wytrzymałość naścieranie. Tabela 4. Minimalne grubości warstwy podsypki [m] 19

20 Do nawierzchni kolejowej zalicza się także elementy dodatkowe stosowane w szczególnych przypadkach, jak prowadnice w łukach o małych promieniach, przyrządy wyrównawcze na mostach, opórki przeciwpełzne itp. Do nawierzchni zalicza się także rozjazdy i skrzyżowania torów. Rozjazdy służą do połączenia dwóch torów, a tym samym umożliwiają przejazd taboru z jednego toru na drugi. Skrzyżowanie torów jest przecięciem dwóch torów, jednak bez możliwości przejazdu taboru na drugi tor. Rozjazdy służą do połączenia dwóch torów, a tym samym umożliwiają przejazd taboru z jednego toru na drugi. Skrzyżowanie torów jest przecięciem dwóch torów, jednak bez możliwości przejazdu taboru na drugi tor. Rozjazdy dzielą się na cztery zasadnicze rodzaje: Rozjazdy służą do połączenia dwóch torów, a tym samym umożliwiają przejazd taboru z jednego toru na drugi. Skrzyżowanie torów jest przecięciem dwóch torów, jednak bez możliwości przejazdu taboru na drugi tor. Rozjazdy dzielą się na cztery zasadnicze rodzaje: zwyczajne podwójne krzyżowe łukowe 20

21 Rozjazdy dzielą się także według: typu szyn użytych do budowy (S60, S49, S42) promienia łuku w torze zwrotnym (190, 205, 230, 265, 300, 500, 760, 1200 m)bskosów (skosy duże - 1:6,6; 1:7; 1:7,5, skos zasadniczy - 1:9, skosy małe - 1:10; 1:12; 1:14; 1:18,5) Zastosowanie rozjazdu danego typu zależy przede wszystkim od intensywności ruchu kolejowego oraz od nacisku osi pojazdów. W torach głównych rozjazdy powinny być takiego samego typu lub cięższego niż szyny toru. Szyny przynajmniej w jednym przęśle szynowym przed i za rozjazdem powinny być tego samego typu co szyny w rozjeździe. Skrzyżowania torów układane jest w miejscu przecięcia się dwóch torów w jednym poziomie. Składa się ono z dwóch krzyżownic podwójnych, dwóch krzyżownic zwyczajnych, czterech kierownic oraz torów łączących. Najczęściej stosowane są skrzyżowania o skosie 1:9. W podwójnych połączeniach torów stosuje się skrzyżowanie torów o skosie 1:4,444 21

22 Standard konstrukcyjny nawierzchni kolejowej powinien być dostosowany do wymaganych parametrów eksploatacyjnych linii kolejowej oraz przepisów UIC. 22

23 23

24 24

25 25

26 26

27 USYTUOWANIE LINII KOLEJOWEJ I BUDOWLI KOLEJOWEJ Linia kolejowa powinna być tak usytuowana, aby zapewnić uzyskanie: jak najlepszego dostępu do kolejowych budynków, budowli i urządzeń związanych z obsługą przewozów osób i rzeczy, zminimalizowania zakresu niezbędnych do wykonania robót ziemnych oraz liczby obiektów inżynieryjnych, wymaganych parametrów eksploatacyjnych obejmujących: - prędkość maksymalną pojazdów kolejowych [km/h], - maksymalny nacisk osi pojazdów kolejowych [kn/oś], - skrajnię budowli [mm], - obciążenie przewozami [Gg/rok] lub [Tg/rok], oszczędności zużycia energii na cele trakcyjne. Wyposażenie techniczne linii kolejowej obejmuje konstrukcyjne elementy nawierzchni, podtorze, obiekty inżynieryjne oraz w szczególności następujące budowle i urządzenia: systemu sterowania ruchem kolejowym, związane z obsługą przewozu osób i rzeczy, zaplecza technicznego taboru kolejowego, 27

28 zasilania elektrotrakcyjnego, telekomunikacyjne, zasilania elektroenergetycznego, sieci technicznych, związane ze skrzyżowaniem z drogami publicznymi w jednym poziomie, związane z osłoną antyawaryjną. Budowle i urządzenia, o których mowa powyżej, powinny być usytuowane na obszarze kolejowym tak, aby: nie powodowały utrudnień w czynnościach związanych z wykonywaniem przewozu, nie kolidowały ze sobą, umożliwiały przeprowadzanie napraw bez konieczności wyłączania innych urządzeń, nie powodowały ograniczenia widoczności toru kolejowego w miejscach przeznaczonych do przebywania osób, nie zakłócały prawidłowego funkcjonowania innych urządzeń. 28

29 Literatura Szling Z., Pacześniak E., Odwodnienie budowli komunikacyjnych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław Młodożeniec W.S., Budowa dróg podstawy projektowania, Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa Warunki techniczne utrzymania nawierzchni na liniach kolejowych" opracowanych przez PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. 6 czerwca 2002 r. Sysak J., Drogi kolejowe, PWN, Warszawa 1982 Wikipedia 29