Admin

О проектировании высокоскоростных магистралей

УЛАНОВ И. С., советник генерального директора по проектированию высокоскоростных магистралей АО «Росжелдорпроект», канд. техн, наук

Высокоскоростная железнодорожная магистраль (ВСМ) — разновидность железнодорожного транспорта со скоростью движения более 250 км/ч по международной классификации, и свыше 200 км/ч — по российским стандартам. Движение высокоскоростных поездов, как правило, осуществляется по специально выделенным путям, однако в международной практике существуют примеры смешанного движения высокоскоростных, обычных пассажирских и даже грузовых поездов на одной линии.
Первые ВСМ появились в Японии в теперь уже далеких 60-х годах прошлого века; на сегодняшний день общая протяженность японских высокоскоростных железных дорог достигла 2664 км. Японская сеть ВСМ — Shinkansen — состоит из шести выделенных линий, максимальная эксплуатационная скорость движения поездов по ним составляет 270 км/ч, а по линии Тохоку—Синкансен на отдельных участках — 320 км/ч.
В 1980-х годах к высокоскоростному движению приобщилась Франция. Современная французская сеть ВСМ — TGV — насчитывает 2036 км и состоит из восьми выделенных линий, имеющих связь с общей сетью железных дорог страны. Скорость движения по выделенным линиям составляет до 320 км/ч, по участкам обычной сети — до 220 км/ч. Сеть ВСМ Франции объединена с сетями ВСМ еще шести стран.

Постепенно идея о необходимости иметь высокоскоростное сообщение между главными городами была реализована и прочими европейскими странами. Так, немецкая сеть ВСМ — ICE — интегрирована в общую систему железных дорог. Она включает в себя как выделенные линии со скоростями до 300 км/ч, так и модернизированные со скоростями до 230 км/ч и обычные, по которым поезда двигаются со скоростями до 160 км/ч. Концепция реализации высокоскоростного сообщения Германии предусматривает возможность совместного движения поездов ВСМ и грузовых как в режиме смешанного графика, например на линии Гамбург—Берлин, так и с разделением на движение поездов ВСМ в дневное время и грузовых в ночное на линии Ганновер—Вюрцбург.
Испанская сеть ВСМ — AVE — состоит из девяти выделенных линий с шириной колеи 1435 мм (стандартной для общей сети Испании является колея 1668 мм). Скорость поездов по линиям ВСМ достига
ет 310 км/ч. Испанская сеть ВСМ соединена с линиями ВСМ Франции, Португалии и Германии.
Сравнительно поздно, в 2000-х годах, на мировую арену строительства ВСМ вышел Китай и, поставив рекорд темпов развития, сегодня обладает самой обширной сетью ВСМ в мире — более 37 тыс. км. Каждый год в Китае вводятся в эксплуатацию 4—5 тыс. км новых ВСМ со скоростями движения 250—350 км/ч. Китайская сеть ВСМ состоит из основных восьми вертикальных и восьми горизонтальных выделенных железнодорожных линий, разделяющих всю территорию КНР на секторы. В Китае существуют два стандарта строительства ВСМ — с расчетной скоростью 250 и 350 км/ч. Выбор скоростного режима осуществляется в зависимости от длины линии и условий строительства.
В мировой практике реализовано движение высокоскоростных поездов как по выделенным специальным линиям, так и по существующей путевой инфраструктуре, которая предварительно подверглась необходимой модернизации для возможности пропуска поездов с повышенными скоростями.
Проектирование и строительство выделенных линий для высокоскоростного движения имеет свои преимущества и недостатки. К преимуществам следует отнести возможность осуществления наибольшей скорости и создание современной инфраструктуры в соответствии с последними требованиями безопасности, комфорта пассажиров и затрат на эксплуатацию. К основным недостаткам относятся высокие стоимость и сроки реализации проекта, а также необходимость дополнительного землеотвода.
Основные принципы проектирования ВСМ. В мировой практике сложились два основных принципа проектирования и строительства выделенных высокоскоростных магистралей. Первый принцип нашел применение в европейских странах, для него характерны низкие насыпи и балластное верхнее строение пути, лишь относительно небольшой процент трассы имеет эстакадные участки. Все решения направлены на сокращение капитальных затрат в строительство. Высокоскоростные линии с балластным верхним строением эксплуатируются преимущественно со скоростями до 300 км/ч на ВСМ Италии (Турин—Милан, Флоренция—Рим), Испании (Мадрид—Барселона), Франции [2].


Второй принцип создания ВСМ применяется, в основном, в Японии, Китае и Корее, для него характерны эстакады (до 80 % трассы) и безбалластное верхнее строение пути с высоким сроком службы. Объекты инфраструктуры рассчитаны на долгосрочную перспективу и сокращение затрат на текущее содержание. ВСМ с безбалластным верхним строением эксплуатируются со скоростями до 350 км/ч на 90 % ВСМ в Китае, на линиях Сеул—Пусан и Тэгу—Пусан в Южной Корее, а также на европейских магистралях Нюрнберг—Эрфурт и Эрфурт—Лейпциг в Германии со скоростями до 300 км/ч.
В условиях Российской Федерации железнодорожному транспорту для конкуренции с авиацией на относительно больших расстояниях (до 1000 км) требуется реализация высоких скоростей — до 400 км/ч на отдельных участках. Мировой опыт показывает, что для достижения таких скоростей целесообразнее применять безбалластную конструкцию верхнего строения пути. По результатам исследований стоимость жизненного цикла безбалластного полотна уже через 20 лет эксплуатации оказывается ниже, чем аналогичный показатель для традиционной конструкции пути на балласте.
Обеспечение безопасности при реализации высоких скоростей движения требует инновационных подходов и технических решений по всем подсистемам инфраструктуры будущей ВСМ.
Трассирование ВСМ. Обеспечение перевозок расчетного пассажиропотока является обязательным условием окупаемости высокоскоростных магистралей. Однако при расчете числа поездов на ВСМ необходимо учитывать неравномерность пассажиропотока, помня о том, что он в основном формируется представителями бизнеса и туристами, имеет сезонный характер, существенную неравномерность в будние, выходные и предпраздничные дни, а также в периоды летних отпусков.
При выборе перспективного направления трасса ВСМ должна назначаться между конечными городами с населением более 1 млн чел. с развитой экономикой, промышленностью или перспективными туристическими объектами с соответствующей инфраструктурой. С целью увеличения пригородного пассажиропотока трассу следует проектировать преимущественно по участкам с большой плотностью населения, в крупных городах желательно предусматривать промежуточные станции.
Решение о размещении станции ВСМ в центре города или на окраине должно приниматься на основании технико-экономического сравнения вариантов. Мировой опыт показывает, что строительство станций ВСМ на окраинах городских агломераций имеет ряд преимуществ: вокруг них происходит образование новых жилых кварталов, торговых и бизнес-центров, формируются новые точки притяжения занятости населения. Однако в Российской Федерации расположение вокзалов в центре таких крупнейших городов, как Москва и Санкт-Петербург, позволяет реализовать основное преимущество ВСМ над другими видами транспорта — доставку пассажиров из одного мегаполиса в другой за минимальное время без пересадок на
другой вид транспорта. Трасса ВСЖМ-1 Москва— Санкт-Петербург, представленная на рис. 1, как раз запроектирована по вышеописанному принципу.
Выбор максимальной скорости ВСМ должен осуществляться с учетом следующих основополагающих факторов:

• наибольшее время в пути для ВСМ подлежит сравнению с совокупным временем, затрачиваемым пассажирами других видов транспорта (автомобильного и воздушного) на рассматриваемом расстоянии;
• расстояние между городами тяготения ВСМ: чем оно больше, тем выше экономически целесообразная средняя участковая скорость на магистрали;
• срок окупаемости в зависимости от расчетного пассажиропотока и прогнозируемой цены билета: повышение скорости ведет к росту эксплуатационных расходов по пробегу поездов, на линиях с относительно небольшим пассажиропотоком следует рассматривать возможности снижения скоростей для достижения меньших сроков окупаемости;
• стоимость строительства: в сложных топографических и геологических условиях, например, в горных, проектирование ВСМ с параметрами плана и профиля для скоростей движения 350 км/ч и более может вызывать значительное увеличение объемов строительно-монтажных работ, в первую очередь по тоннелям и эстакадам.

Неоспоримо стремление приблизить коэффициент развития трассы ВСМ между станциями с крупным пассажиропотоком к единице, так как помимо сокращения времени хода такое решение зачастую является более экономичным вследствие сокращения длины линии. Имея в качестве исходных данных минимальный радиус круговой кривой 10000 м для скорости 400 км/ч, обход локальных ситуационных препятствий неизбежно ухудшает топографические условия прохождения трассы, и наоборот. Ограничение скорости на определенном участке зачастую не дает должного экономического эффекта. Так, при скорости 300 км/ч минимальный радиус кривой составляет 5000 м, что, в свою очередь, также не позволяет без существенного развития трассы преодолеть барьерное место в традиционно принятом понимании.
Проектирование ВСЖМ-1 Москва—Санкт-Петербург изначально предполагалось на кратчайшему направлению между двумя столицами. Однако при детальном изучении трассы оказалось, что проход магистрали через Великий Новгород позволяет не только существенно увеличить пассажиропоток на данном участке, но и качественно улучшить транспортную доступность города и Новгородской области в целом при незначительном увеличении длины линии — менее 20 км. При этом в будущем данный участок может выступать в роли полигона для отработки технологий строительства и проведения сертификационных испытаний на необходимых скоростях, а в последующем эксплуатироваться как в составе всей магистрали, так и автономно.
Отсюда следует вывод — трассирование ВСМ принципиально отличается от классических представлений о проектировании плана и продольного профиля грузопассажирских железных дорог. При проектировании плана ВСМ помимо канонических принципов сокращения длины линии, капитальных и эксплуатационных затрат необходимо учитывать возможность движения с максимальными расчетными скоростями, а также экологические, геологические и экономические ограничения регионов прохождения трассы [3].
Земляное полотно. К земляному полотну ВСМ для безбалластного верхнего строения пути предъявляются повышенные требования по прочности, устойчивости и деформативности с учетом вибродинамиче-ского воздействия поездов: ограничивается максимальная величина остаточной деформации основной площадки в период эксплуатации — не более 15 мм, разность в осадках земляного полотна и искусственных сооружений не должна превышать 5 мм, деформации морозного пучения недопустимы.


Для соблюдения перечисленных требований конструкция земляного полотна должна иметь два защитных слоя. Первый слой толщиной 0,4 м, состоящий из щебеночно-песчано-гравийной смеси специального гранулометрического состава, воспринимает нагрузку от подвижного состава и верхнего строения пути, распределяя ее на второй защитный слой и тело насыпи. Коэффициент уплотнения верхнего защитного слоя должен быть не менее 1, модуль деформации, определяемый по результатам штамповых испытаний, — не менее 120 МПа. Второй защитный слой (морозоустойчивый), состоящий из песчано-гравийной смеси с модулем крупности не менее 6, устраивается на полную глубину промерзания земляного полотна. Другими словами, его толщина определяется из условия полного выведения грунтов защитного слоя из зоны промерзания. Цель — исключить возможность пучения ВСП. Коэффициент уплотнения второго слоя должен быть не менее 1, модуль деформации, также определяемый по результатам штамповых испытаний, — не менее 80 МПа. Выполняется проверка по распределению 80 % напряжений от подвижной нагрузки в теле защитных слоев [4]. Принципиальная конструкция земляного полотна для ВСМ представлена на рис. 2.
Исходя из мирового опыта, основную площадку земляного полотна должен предохранять слой асфальтобетона. Толщина его (см) на ВСМ мира следующая: Германия — 15, Япония — 15—20, Франция — 14, Италия — 12, США — 12—15, в проекте ВСМ-2 Москва—Казань толщина асфальтобетона принималась 12 см. В конструкции земляного полотна асфальтобетон выполняет двоякую функцию — равномерно распределяет нагрузку от поездов и безбалластного ВСП на верхний защитный слой, а также предотвращает проникновение воды в грунты основной площадки.
Для прокладки электрических сетей нетяговых потребителей, а также слаботочных сетей СЦБ, связи и комплексной системы обеспечения безопасности на основной площадке земляного полотна и у подошвы откосов предусмотрены кабельные железобетонные лотки.
Помимо вышесказанного, земляное полотно ВСМ в отличие от обычных железных дорог проектируется с укреплением оснований для создания практически безусадочных насыпей. Объем укрепления земляного полотна в проекте ВСМ-2 Москва—Казань составлял до 60 % от общей протяженности. Результат геологических изысканий по проекту ВСЖМ-1 Москва—Санкт-Петербург позволяют сделать предварительный вывод о сопоставимых цифрах необходимости укрепления слабых и недостаточно прочных оснований.
Верхнее строение пути. Для строительства ВСМ в условиях Российской Федерации проектируют индивидуальные конструкции безбалластного верхнего строения пути, которые учитывают специфические требования отечественных реалий. Так, конструкция должна отвечать следующим требованиям:

• обеспечивать возможность движения поездов со скоростями до 400 км/ч;
  
• иметь высокое качество исполнения, что достигается изготовлением несущей подрельсовой плиты в заводских условиях;
• нуждаться в минимальном техническом обслуживании с технологическими операциями небольшой трудоемкости;
• быть адаптирована под высокий диапазон перепада температур воздуха и годиться для эксплуатации при морозах зимой;
• иметь идентичное исполнение для применения на земляном полотне и искусственных сооружениях;
• обеспечивать высокую скорость строительства за счет применения плит заводского изготовления;
• предоставлять возможность регулирования жесткости конструкции за счет дополнительного упругого слоя;
• обладать высокой надежностью даже в случае деформации земляного полотна на слабых основаниях.

Исходя из перечисленных требований, сформированных на основании мировой практики проектирования, строительства и эксплуатации безбалластного ВСП на ВСМ, в проекте ВСМ-2 Москва—Казань была предложена китайская конструкция CRTS III RUS, адаптированная для условий эксплуатации Российской Федерации. В проекте ВСЖМ-1 Москва—Санкт-Петербург разработаны «Унифицированные решения безбалластного верхнего строения пути», не привязанные к конкретному производителю.
Принятая при разработке проектной документации конструкция, представленная на рис. 3, состоит из следующих элементов:

• рельсов Р65 ВС;
• упругих промежуточных рельсовых скреплений; подрельсовых опор;
• несущей железобетонной подрельсовой плиты; дополнительного упругого слоя;
• самоуплотняющегося бетона;
• плиты фундамента.

Предлагаемая конструкция безбалластного ВСП имеет существенные отличия от мировых аналогов. Во-первых, из-за высокой амплитуды температур в Российской Федерации принята стандартная для
опор — 1840 шт/км, а не используемая на Западе — 1660 шт/км. Оптимизированы геометрические размеры конструкции, уменьшена ширина подрельсовой плиты до 2500 мм для возможности ее транспортировки по дорогам общего пользования. Кроме этого добавлен дополнительный промежуточный упругий слой для уменьшения общей жесткости конструкции и ее деформативности при неравномерном нагреве и изгибе. Дополнительные упругие элементы также укладываются в отверстия в подрельсовой плите (окна) для компенсации ее продольных и поперечных перемещений от воздействия температурного градиента и поездной нагрузки. Суммарная толщина безбалластного ВСП уменьшена на 40 мм, что сокращает затраты на строительство ориентировочно на 5 % без изменения эксплуатационной надежности конструкции.

Искусственные сооружения. Значительная часть ВСМ проектируется на искусственных сооружениях — мостах и эстакадах. Для проекта ВСМ-2 Москва— Казань этот показатель составлял до 20 % от длины трассы или 154 км искусственных сооружений. Для проекта ВСЖМ-1 по предварительным данным длина эстакад достигнет 113 км, что составит 17 % от протяженности трассы.
Эстакады запроектированы при прохождении магистрали по районам со сложными геологическими условиями, например, на болотах и в поймах рек, в пределах населенных пунктов, т. е. там, где невозможно или нецелесообразно изъятие больших земельных площадей, а также на участках, где высота насыпи по условиям проектирования продольного профиля превышает 8—10 м. При этом 10 м принято при расположении в основании насыпи прочных грунтов, 8м — при недостаточно прочных и слабых основаниях с необходимостью их укрепления. В зависимости от геологических условий сооружение эстакад вместо относительно невысоких насыпей 4—6 м оказывается экономически выгоднее, чем строительство земляного полотна на сваях. Например, для ВСМ в Китае переход с земляного полотна на эстакады осуществляется уже с высоты 4 м.
Искусственные сооружения на ВСМ отличаются не только своей протяженностью, но и применяемыми конструктивными решениями. Причем для каждой страны характерны свои подходы к проектированию ИССО, однако их всех объединяет необходимость учета динамического взаимодействия пути и подвижного состава в диапазоне скоростей 200— 440 км/ч.


Эстакадные участки ВСМ в Китае проектируют и строят с применением коробчатых балок длиной 33,6 м. В Италии преимущественно используют пролетные строения, состоящие из нескольких балок с продольным членением длиной 30 м. В Германии применяют монолитные коробчатые балки длиной по 44—50 м, объединенные в неразрезные системы. В Японии распространены рамные неразрезные пролетные строения длиной 10—13 м.
Для проектов ВСМ в России специально разрабатывают унифицированные пролетные строения и опоры. В качестве основных рекомендовано применение пролетных строений длиной 23,6, 27,6, 30,0, 34,2 и 50 м под два пути. В проекте ВСЖМ-1 они представлены в нескольких вариантах: железобетонные предварительно напряженные коробчатые пролетные строения (рис. 4), пролетные строения с продольным членением на две и четыре балки с монолитной плитой проезжей части (рис. 5) и сталебетонные пролетные строения (рис. 6). Выбор типа пролетного строения производится с учетом технологии строительства в соответствии с технико-экономическим сравнением вариантов. Например, для эстакад относительно небольшой длины могут быть рекомендованы цельные коробчатые пролетные строения, сооружаемые на месте в монолитном исполнении. Для протяженных эстакад — пролетные строения, состоящие из нескольких главных балок заводского изготовления, что позволяет значительно увеличить темпы выполнения строительно-монтажных работ. На участках пересечения трассой ВСМ транспортных коммуникаций найдут применение сталебетонные пролетные строения за счет преимуществ в технологии монтажа.
Бесстыковые рельсовые плети должны укладываться на мостах и эстакадах с унифицированными пролетными строениями без разрывов вне зависимости от длины искусственного сооружения.
При пересечении трассой ВСЖМ-1 особенно крупных водотоков, таких как реки Волга, Шоша и Волхов, будут применяться индивидуальные русловые пролетные строения большой длины, которые на сегодняшний день находятся в стадии проектирования. Для таких пролетов предусмотрена установка уравнительных приборов на бесстыковом пути.

Заключение. Все объекты инфраструктуры, созда-ваеваемые для ВСМ, проектируются индивидуально и будут использованы в Российской Федерации впервые. В связи с отсутствием опыта реализации подобных проектов разрабатываются Специальные технические условия для объектов ВСМ, которые опираются в первую очередь на международный опыт.
На сегодняшний день основной задачей, которая стоит перед научным сообществом по проектам ВСМ, является верификация норм и методик, применяемых при проектировании, натурными испытаниями в условиях Российской Федерации. Испытания всех объектов инфраструктуры ВСМ должны производиться комплексно на скорости движения от 350 до 440 км/ч с обращающимся подвижным составом. Необходимо исследовать совместную работу пути и подвижного состава, рельсовых плетей и безбалластной конструкции ВСП, взаимодействие элементов системы «мост—путь-экипаж», надежность тональных рельсовых цепей на больших скоростях, контактной подвески и т. д.
Мировой опыт показывает, что до внедрения каких-либо технологий на ВСМ в постоянную эксплуатацию должны быть проведены соответствующие испытания на специально оборудованных полигонах.

Список источников

1. Высокоскоростной наземный транспорт [Электронный ресурс]: Материал из Википедии — свободной энциклопедии: Версия 120216059, сохраненная в 23:40 UTC 21 февраля 2022 / Авторы Википедии // Википедия, свободная энциклопедия. — Электрон, дан. — Сан-Франциско: Фонд Викимедиа, 2022. — Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/? curid=1661131&oldid=120216059
2. Уланов И.С. Особенности проектирования высокоскоростной магистрали Москва—Казань // Путь и путевое хозяйство. 2017. № 1. С. 15—17.
3. Булычев Д.Г., Уланов И.С. Особенности проектирования плана и продольного профиля ВСМ Москва—Казань // Транспортное строительство. 2017. № 6. С. 10—13.
4. Уланов И.С., Филиппов Ю.И. Земляное полотно высокоскоростных магистралей (начало) // Транспортное строительство. 2017. № 10. С. 8—11.