Анализ причин приведших к альтернативным методам съёмки пути. 3,4. Следует заметить, что при строительстве железной дороги решаются одни задачи, при проектировании ремонтов или реконструкции пути решаются другие задачи
 Скачать 1.44 Mb.
|
|
Анализ причин, приведших к альтернативным не геодезическим) методам съёмки пути Задача содержания железнодорожного пути в проектных параметрах является одной из важнейших задач железнодорожного транспорта уже более ста лет. По вопросам оптимизации параметров пути и их выправки было множество обсуждений на различных конгрессах, конференциях и совещаниях, было написано множество научных статей и диссертаций, но актуальность вопроса осталась. С момента инженерного сопровождения строительства железных дорог в мире способы выправки пути решались теми же методами, что и при строительстве железных дорог, те. классическими геодезическими методами разбивки на местности точек участка пути в прямоугольной системе координат. При применении геодезических методов сложности возникали в том, что для их исполнения не хватало нужного числа инженеров высокой квалификации [1]. Сам процесс выправки дох годов XX века выполнялся в основном ручным способом при помощи переносных инструментов и производился под строгим контролем инженеров путей сообщения. С появлением специализированных машин выправка стала осуществляться автоматизированным способом без проведения геодезических работ на пути. До настоящего времени геодезические методы применяются как при строительстве, таки в изыскательских работах при ремонтах и реконструкции ж.д. пути. При текущем содержании и непосредственно ремонтных работах на пути геодезические методы не применяются, так как они трудоемкие и их реализации мешает множество естественных и искусственных препятствий [2]. При укладке верхнего строения пути и его плановых выправках применяется другой метод, не имеющий ничего общего с геодезией. И только при строительстве и содержании путей метрополитена геодезические методы в полном объёме применяются на всех этапах строительства и содержания пути [3,4]. Следует заметить, что при строительстве железной дороги решаются одни задачи, при проектировании ремонтов или реконструкции пути решаются другие задачи. А при текущем содержании пути – свои, отличные от первых этапов, задачи. Именно разделение задач, решаемых на разных этапах, привело к тому, что на каждом этапе производятся измерения своими, присущими только данному этапу, методами. Для понятия, почему геодезические методы съёмки пути перестали использоваться при его текущем содержании, рассмотрим наиболее известные методы. Так, при строительстве пути основной задачей является вынос на местность главных точек и детальная разбивка по ним проектной кривой [5]. Поэтому на этом этапе, который не претерпел существенных изменений, методы съёмки остались прежние – геодезические. Существует несколько способов детальной разбивки, применяемых в зависимости от разных условий местности и наличия геодезических приборов. Основным является классический способ прямоугольных координат от тангенсов (рис. Рисунок 1. Способ прямоугольных координат от тангенсов Где: НК – начало кривой СК – середина кривой ВУ – вершина угла поворота кривой Бс – биссектриса кривой Т – тангенс α – угол поворота k – расстояния между получаемыми точками. Другой классический способ – способ полярных координат рис) был известен ещё в XIX веке, но его применение в то время ограничивалось сложностью вычислений. Широкое применение этого способа стало возможным в XXI веке с появлением современных геодезических приборов – тахеометров, позволяющих одним прибором строить проектный угол и горизонтальное положение расстояния. В настоящее время применение способа полярных координат ограничивает использование для его осуществления дорогостоящих приборов. Но для различных условий могут применяться и другие способы. Рисунок 2. Способ полярных координат Где: НК – начало кривой ВУ – вершина угла поворота кривой Т – тангенс α – угол поворота 𝞫 – проектный угол 𝞿 – угол от тангенса на точку стоянки тахеометра; d – расстояние до проектной точки Способ углов и хорд (рис) удобен при стеснённых условиях на местности. Но при его выборе следует учитывать то, что с увеличением числа точек разбивки, происходит накопление погрешностей. Рисунок 3. Способ углов и хорд Где: НК – начало кривой ВУ – вершина угла поворота кривой S – хорда R – радиус кривой 𝞿, δ – разбивочные углы. Способ продолженных хорд (рис) очень прост в применении и не требует использования при его осуществлении сложных геодезических приборов. Но, так как при увеличении числа разбиваемых точек происходит быстрое накопление погрешностей, то применение этого способа очень ограничено. Как правило, способ продолженных хорд применяется на коротком участке трассы, при восстановлении промежуточных точек кривых в процессе послойной отсыпки насыпи или поярусной разработки выемки. Рисунок 4. Способ продолженных хорд Где: НК – начало кривой ВУ – вершина угла поворота кривой S – хорда 𝞿 – углы поворота d – отрезок промежуточного перемещения В случае если из-за сложных условий местности невозможно произвести линейные измерения, тов сочетании с другими способами при разбивке части кривой, удалённой от тангенсов, может применяться способ прямой угловой засечки (рис. Данный способ осуществляется двумя теодолитами для восстановления промежуточных точек кривой на земляном полотне или в процессе его сооружения, когда обеспечивается взаимная видимость между главными точками. Рисунок 5. Способ прямой угловой засечки Где: НК – начало кривой ВУ – вершина угла поворота кривой Т – тангенс α – угол поворота кривой 𝞫, 𝛶 – разбивочные углы. Для реконструкции и ремонтов пути главной задачей является снижение объёмов ремонтных работ при уже существующих путях. Поэтому при реконструкции и ремонтах пути требуется информация о существующем положении пути и по ней определяются его смещения для обеспечения заданных параметров с наименьшими трудозатратами. Изыскательские работы производятся с применением геодезических методов с некоторыми изменениями, позволяющими облегчить процесс съёмки с высокой частотой измерений. Носам процесс ремонта пути трансформировался так, что его осуществление не требует не только геодезических методов, но и самого проекта. Укладка пути в условиях существующих второго пути и других объектов инфраструктуры, осуществляется с учётом соблюдения габарита приближения строения, и, как правило, повторяя очертания соседнего не выправленного пути. Реконструкция существующего пути может производиться как классическим геодезическим способом, который применяется при строительстве нового пути, таки способами, осуществляемыми при ремонтах пути. При проведении изыскательских работ по реконструкции и ремонту пути наиболее часто применяется способ съёмки инж. Гоникберга, или по-другому - метод измерения стрел прогиба от длинных хорд (рис. Этот способ съёмки удобен тем, что он прост в исполнении и данные, полученные по нему, легко пересчитываются в данные, наиболее часто применяемые для определения параметров пути или углы поворота каждой точки, или стрелы изгиба от симметричной хорды. Рисунок 6. Способ съёмки инж. Гоникберга Где: – стрелы прогиба 𝞫 – измеренные углы между хордами. Меньшее распространение в России получил способ съёмки пути с опорных точек (рис. Этот способ имеет широкое применение за рубежом, в том числе для автоматизированной геодезической съёмки пути машинным способом, но он весьма дорогой, т.к. требует выноса на местность вдоль пути постоянных опорных точек с частотой их установки 60-100 м. Рисунок 7. Способ съёмки пути с опорных точек Где: f – стрелы прогиба F – расстояния от линии между опорными точками до точек на пути. Наиболее точными простым в исполнении, является тахеометрический способ съёмки пути (рис. Этот способ съёмки позволяет получать значения положения пути в пространстве в координатах, т.к. один прибор измеряет и углы, и расстояния, а программное обеспечение прибора вычисляет координаты по измеренным данным. В связи с этим, этот способ съёмки имеет высокую производительность. Тахеометрический способ съёмки пути при широкой его популярности имеет ограничения в применении из- за высокой стоимости приборов. Рисунок 8. Способ съёмки пути электронным тахеометром Приведённые выше геодезические способы приемлемы для разбивки кривых на местности по рассчитанным на стадии проектирования параметрам пути. Способ полярных координат может применяться как при строительстве, таки при контроле текущего состояния существующего пути, но он имеет ряд ограничений. Во- первых, это наличие дорогостоящих приборов. Во-вторых, должен быть решён кадровый вопрос, т.к. такое оборудование требует соответствующей подготовки кадров. И в-третьих, для реализации этого способа необходима цифровая модель пути. В полном объёме все три причины ограничения широкого использования способа полярных координат не решены. При текущем содержании пути главной задачей является обеспечение движения поездов с заданной скоростью, а значит, обеспечение необходимой плавности хода подвижного состава по пути. На этом этапе геодезические методы не применяются. Проект, ввиду его отсутствия и несоблюдения вовремя укладки пути при его ремонтах, даже не рассматривается. А выправка пути производится с приближением к новым рассчитанным параметрам, которые определяются перед каждой выправкой. Именно на этапе текущего содержания пути произошло существенное отклонение от геодезических методов съёмки пути, т.к. классические способы, применяемые при строительстве и ремонте пути, стали неприемлемыми при его текущем содержании. Рассмотрим, почему это произошло. Вопросы с альтернативными методами измерений положения пути, более лёгкими, чем геодезические способы съёмки и не требующими высокой подготовки кадров, возникли очень давно. В конце XIX века строительство железных дорог стало развиваться ускоренными темпами во всём мире [6,7]. Стало очевидным то, что инженеров для содержания пути теми методами, которыми осуществлялось его строительство, недостаточно. Следует также отметить, что в конце XIX и начале XX века быстрыми темпами развивалось паровозостроение. Скорости движения поездов значительно возросли [8], а масса перевозимого груза увеличилась, что, в свою очередь, привело к изменению параметров железнодорожного пути. Например, на железной дороге Манчестер- Лондон в Англии, в конце XIX века средняя скорость движения поездов составляла 80 км/ч, а на некоторых участках достигала 120 км/ч, что почти соизмеримо с современными скоростями движения поездов. Такие скорости потребовали переустройства железных дорог, круговые кривые с прямыми стали сопрягать переходными кривыми, те. кривыми переменного радиуса, обеспечивающими плавный переход с одного параметра на другой [1,6,7,9,10]. Введение переходных кривых также усложняло работы при их расчётах и содержании. К тому же, до начала XX века не было единого мнения о функции, по которой следовало рассчитывать и разбивать на пути переходную кривую [1]. Основными формулами для разбивки переходной кривой служили кубическая парабола и лемниската, которые разные инженеры применяли по своему усмотрению. И только в 1903 г. профессором К.Ю. Цеглинским было предложено и обосновано применение в качестве переходной кривой радиоидальной спирали, которая стала стандартом для применения её в России в качестве переходной кривой. Применение же разных функций для разбивки кривых являлось одним из тех факторов, которые влияли на предъявляемые требования к инженерам, обслуживающим железную дорогу. Координаты и для точки касательной к переходной кривой для радиоидальной спирали [1] определяются как (1) (2) где – постоянная, определяющая изменение радиуса в зависимости от расстояния , пройденного по переходной кривой от её начала Как видно из выражений 1 ив полевых условиях решение задачи определения координат проектного пути вначале веков, имея в своём распоряжении только логарифмическую линейку Мангейма, было весьма затруднительно. А если учесть, что величины смещения натурного пути от проектного с большой частотой надо было определять решением обратной геодезической задачи, то эта работа становилась достаточно трудоёмкой и требовала хорошей подготовки специалистов. Именно на это ещё в 1903 г. указывал профессор К.Ю. Цеглинский. Вначале века многие инженеры искали альтернативные возможности решения задач съёмки и содержания железнодорожного пути. Одной из таких возможностей предполагалось использование оси существующего пути как криволинейной координатной линии, по нормалям от которой можно откладывать точки выправленной оси и оси второго пути (рис. Рисунок 9. Расчётная схема где – сдвижка пути, – стрела, – плечи хорды. Для ее реализации необходимо было создание нового метода измерений и расчета. В XIX веке в Англии - самой передовой стране того времени в области инженерных железнодорожных технологий, для определения радиуса кривой применяли натянутую 20 метровую хорду, постреле которой вычислялся радиус существующей кривой [8] (рис. Рисунок 10. Хордовая система определения радиуса кривой, применяемая в Англии в XIX веке В России первая попытка создания теории этого метода в 1911 году принадлежит инженеру путей сообщения, профессору ИМ. Зубову [10]. Для контроля радиуса закругления железнодорожной кривой, по его отрезкам, И.М.Зубов предложил применять хорду длиной до 50 сажень (106.68 м) (рис. Рисунок 11. Метод контроля закруглений кривых Зубова где a 0 a 8 – измерительная хорда 1..7 – точки измерения на пути a – точки измерения стрел на хорде – отрезки радиуса С – центр кривой. В 1915 г. ИМ. Зубов предлагает применить английскую систему хордовых измерений (рис, ноне одиночных, как это делалось в Англии для контроля радиуса кривой, а непрерывных от двадцатиметровой хорды, натянутой в точках кривой, разбитой на равные десятиметровые отрезки (рис. 12). Для такого метода измерений Зубов выводит и публикует формулу (3), связывающую сдвиг пути с натурной и проектной стрелами изгиба от симметричной хорды [11]: где – стрела изгиба – сдвижка пути. Вывод формулы был основан Зубовым наследующих допущениях 1. Длина дуги между двумя точками деления, стягиваемыми хордой, равна длине хорды 2. Косинус центрального угла дуги между двумя точками деления принимается равным единице (Первое допущение предполагает неизменность расстояний между точками дои после выправки. Рисунок 12. Непрерывная разбивка пути симметричной хордой, предложенная Зубовым Где – стрела прогиба a – шаг измерений равный половине длины хорды. Независимо и много позже к тем же результатам пришли в Германии Наленц и М.Гофер (1927 га во Франции - Х.Галлад и Дюпюи (1936 г) [13]. Они предполагали, что точки выправленной оси следует откладывать по эвольвентам где, y – смещение пути Эн – эвольвента натурной кривой Эп – эвольвента проектной кривой – стрела изгиба. В основу метода эвольвент вошло высказанное Гофером допущение о том, что величина сдвижки кривой в любой её точке равна разности эвольвент кривой в несдвинутом и сдвинутом положениях [12]. Конечно, хордовый метод измерений значительно упростил процесс съёмки пути, и тем самым снизил требования к квалификации инженеров путей сообщения, которых в путевом хозяйстве не хватало. Но даже такой простой способ съёмки пути, как хордовый, был затруднён в применении из-за сложности расчётов параметров пути и его сдвижек. Ив этом вопросе старая проблема в квалификации кадров сказалась на качестве выправочных работ. Особенно, дефицит инженеров сказался после Октябрьской революции в России. До 1936 года, те. до момента, когда развитие железнодорожного транспорта стало тормозить форсированное развитие промышленности в СССР, к текущему содержанию пути относились халатно, предупредительные меры, предотвращающие расстройства путине применялись. На железных дорогах СССР из-за плачевного состояния пути, ежедневно происходили сходы и крушения поездов. Путейцы все надежды возлагали на предстоящий капитальный и средний ремонты пути, которые производились только после того, как путь становился опасным для движения поездов [14]. Ранее, обязательные в царской России геодезические приборы - теодолиты и нивелиры, исчезли из перечня инструментов путевой части. Острая нехватка высококвалифицированных инженерных кадров, стала одной из причин поиска более простых методов измерений, расчётов и выправки пути. Хордовый способ измерений не имел альтернативы при механизации и автоматизации процесса съёмки пути. Все современные выправочные машины имеют одинаковую измерительную систему – хордовую. Автоматизация съёмки пути, математические модели расчёта параметров пути, построенные на обработке данных, полученных от хордовых систем измерения, и механизация его выправки, закрепили хордовый способ измерения единственно применяемым при текущем содержании пути. Таким образом, главной причиной ограничивающей применение геодезических методов на всех этапах существования железнодорожного пути, послужил недостаток в квалифицированных кадрах из-за роста протяженности железных дороги усложнения геометрии пути и, как следствие, усложнения методов расчёта его параметров и способов его содержания. До середины х годов XX века шло формирование новых методов измерений и, на их основе, новых методов расчётов параметров железнодорожного пути. Как и сто с лишним лет назад, вопрос подготовки высококвалифицированных кадров остаётся актуальными по сегодняшний день. Особенно это стало заметно, после возврата во всём мире от альтернативных методов съёмки к геодезическим. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Цеглинский К.Ю., Железнодорожный путь в кривых. Исследование оснований устройства и условий работы пути в связи с особенностями криволинейного движения поездов- М Товарищество типо-литографий Владимир Чичерин в Москве, 1903, 162 с. 2. Дюнин А.К., Ковтун Д. Г, Ангелейко В. И. Вопросы теории проектирования железнодорожных кривых- Новосибирск, 1960, 260 с. 3. Инструкция по геодезическими маркшейдерским работам при строительстве транспортных тоннелей. ВСН 160-69.- М Минтрасстрой, 1970, 463 с. 4. Афанасьев В.Г., Мураев А.В. Геодезия и маркшейдерское дело в транспортном строительстве- М Недра, 1987, 440 с. 5. Брынь М.Я., Канашин Н.В., Полетаев В.И., Расчёт элементов и разбивка железнодорожных кривых. Учебное пособие. - Санкт- Петербург: ПГУПС, 2008, 38 с. 6. Андреев П. Переходные кривые при закруглении железных дорог. "Журнал М.П.С.".- 1879, т. I, кн. 2. 7. Авринский НА. Переходные кривые в сопряжении прямых участков пути с закруглениями на железных дорогах- М, 1898. 8. Цеглинский К.Ю., Железные дороги Англии. Заметки о верхнем строении, станциях и сигнализации- М Товарищество типо-литографий Владимир Чичерин в Москве, 15 таблиц и чертежей. 1899, 156 с. 9. Емельянов МН. Таблицы для разбивки закруглений с переходными кривыми- СПБ, 1909. 10. Зубов И. Разбивка переходных кривых и поверка закруглений по отрезкам радиуса кривизны- Мс. Зубов И. Проверка закруглений. "Журнал М.П.С".- М, 1915, кн. 5-8. 12. Hofer M. Die Absteckung von Gleisbogen aus Evolventenunterschieden.- Berlin, 1927. 13. Chappelet М. Nouvelle methode de leve de plan de voies posees en courbe et de calcul de l'angle au centre, au moyen des diagrammes de fleches. Bull, de Congres de Chemin de fer, № 3, 1936. 14. Дурново ПС. Организация ремонта и содержания пути- М Трансжелдориздат, 1938. 352 с. |