[02-2020] Мониторинг высоких насыпей при введении тяжеловесного движения
 

Мониторинг высоких насыпей при введении тяжеловесного движения

АШПИЗ Е.С., Российский университет транспорта (МИИТ), докт. техн, наук, ШМАКОВ А.П., МИИТ, инженер

В стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 г. для обеспечения возрастающих объемов перевозок грузов и повышения эффективности работы железных дорог предусматривается повышение весовых норм грузовых поездов как одно из приоритетных направлений.


Этого можно достигнуть за счет повышения вагонных осевых или погонных нагрузок либо за счет увеличения количества вагонов в поезде при неизменной нагрузке. Так как второе решение влечет за собой увеличение длины приемоотправочных путей, в первую очередь рассматривается вопрос повышения осевых нагрузок подвижного состава. Естественно, это приведет к усилению динамического воздействия на земляное полотно, большая часть которого построена по старым техническим нормам, рассчитанным на значительно меньшие нагрузки (современными нормами [1] предусмотрена расчетная нагрузка четырехосного вагона 30 тс/ось).
В настоящее время на отдельных участках земляное полотно работает, находясь в предельном состоянии, и не соответствует современным техническим нормам. Как результат — большое количество дефектных и деформирующихся мест. Суммарная протяженность неисправных участков земляного полотна, согласно данным Управления пути и сооружений Центральной дирекции инфраструктуры ОАО «РЖД» [2] на 01.01.2018, составила 7804 км, или 9,0 % протяженности сети.
Одним из барьерных мест земляного полотна при повышении подвижной нагрузки являются высокие насыпи [3]. Возникает опасность потери общей или местной устойчивости откосных частей, особенно при завышенной крутизне откосов и наличии балластных шлейфов.


Согласно отчетным данным [2], протяженность участков с завышенной крутизной и сплывами откосов составляет 1551 км, или примерно пятую часть всего неисправного земляного полотна.
Учитывая дефицит финансирования, в настоящее время актуальна организация (в рамках подконтрольной эксплуатации при вводе повышенных осевых нагрузок) мониторинга состояния земляного полотна в целях своевременного обнаружения его перехода в предотказное состояние.
Показатели устойчивости насыпей всех выбранных объектов, согласно «Классификатору норм и пороговых значений критических параметров, характеризующих предотказное состояние земляного полотна» [4], оказались ниже пороговых значений.
Программа мониторинга опытных высоких насыпей включала в себя:
проведение вибродиагностики в соответствии с Инструкцией [5];
инструментальные наблюдения по глубинным грунтовым реперам в соответствии с технологическим регламентом [6];
анализ стабильности геометрии рельсовой колеи по предельным значениям скользящего среднеквадратического отклонения (ССКО) и приращениям ССКО просадок, также в соответствии с [6].
При этом с помощью вибродиагностики высоких насыпей планировалось оценить влияние повышения поездной нагрузки, а с помощью мониторинга по глубинным грунтовым реперам и стабильности рельсовой колеи — выявить переход в неустойчивое или нестабильное состояние насыпи (без разделения доли от поездов с повышенной осевой нагрузкой).
Вибродиагностика высоких насыпей
Все измерения проводились под поездами с нагрузками 23,5 и 27 тс/ось дважды: осенью 2017 г. и весной 2018 г.


Оценка устойчивости высоких насыпей по вибродиагностике выполнена по трем критериям, регламентированным Инструкцией [5]:
действующей амплитуде полного вектора виброскорости на бровке насыпи v0;
коэффициенту затухания колебаний по откосу насыпи Р;
интенсивности колебаний I в полосе частот от 0,1 до 10 Гц.
Измеренные параметры представлены в табл. 2. В соответствии с Инструкцией [5] состояниям насыпей выставлены оценки: устойчивая, относительно устойчивая, неустойчивая.
Анализ результатов вибродиагностики показывает, что по критерию действующей амплитуды полного вектора виброскорости на бровке насыпи в осенний и весенний периоды измерений все высокие насыпи находились в относительно устойчивом состоянии (4 < v0 < 30) при проходе поездов с нагрузкой и 23,5, и 27 тс/ось.
Коэффициент затухания на 11 и 12 км осенью и весной при нагрузках 23,5 и 27 т/ось был менее 0,1; по данному критерию (р < 1) эти насыпи отнесли к неустойчивому состоянию, вероятнее всего, связанному с мощными балластными шлейфами на их откосах.
По критерию интенсивности колебаний в полосе частот от 0,1 до 10 Гц при нагрузке 27 тс/ось все насыпи из относительно устойчивого состояния при нагрузке 23,5 тс/ось переходили в неустойчивое состояние, а весной интенсивность колебаний возрастала и при нагрузке 23,5 тс/ось.
Стоит также отметить, что критерии вибродиагностики отразили изменение эксплуатационных характеристик. Так, весной на 11 км коэффициент затухания при проходе подвижного состава с нагрузкой 23,5 тс/ось составлял 0,103, т.е. насыпь была в относительно устойчивом состоянии, а при проходе подвижного состава с нагрузкой 27 тс/ось насыпь уже переходила в неустойчивое состояние. Более явно переход насыпи из относительно устойчивого в неустойчивое состояние прослеживается по критерию интенсивности колебаний в полосе частот от 0,1 до 10 Гц. На 11 и 12 км разница между интенсивностями колебаний в полосе низких частот между осевыми нагрузками 23,5 и 27 тс/ось составила примерно 43 и 78 % соответственно, а на 327 км — 34 % (рис. 1).
При сравнении виброграмм прохода поездов на первый взгляд тяжело уловить разницу, но отфильтровав высокие частоты, связанные, скорее всего, с наличием дефектов на поверхности катания колесных пар и рельсов, сразу можно заметить различие. Это свидетельствует о том, что уровень колебания грунта при проходе составов с нагрузкой 27 тс/ось выше, чем при проходе составов с нагрузкой 23,5 тс/ось (рис. 2).

Мониторинг по глубинным грунтовым реперам
По результатам осеннего мониторинга глубинными грунтовыми реперами три насыпи из четырех были признаны относительно устойчивыми (11, 34 и 327 км), а насыпь на 12 км — устойчивой. Весной, при выходе из зимы, насыпь на 11 км из относительно устойчивого состояния перешла в неустойчивое: на обочине были зафиксированы трещины (рис. 3)

Организация мониторинга на опытном полигоне

Методика мониторинга высоких насыпей отработана специалистами МИИТа в 2017—2018 гг. на опытном полигоне Качканар—Смычка в период подконтрольной эксплуатации вагонов с нагрузкой 27 тс/ось.
Из 20 высоких насыпей для мониторинга было выбрано четыре. По результатам обследования, выполненного специалистами Центра ИССО ОАО «РЖД», при нагрузке 27 тс/ось расчетный коэффициент устойчивости этих насыпей был близок к единице (табл. 1), а также в ряде случаев зафиксирован дефект крутизны откоса.


Сравнение данных, полученных по результатам вибродиагностики, с режимными наблюдениями по глубинным грунтовым реперам показало их высокую сходимость при оценке устойчивости насыпи, что позволяет судить о правильном выборе метода вибродиагностики высоких насыпей и рекомендовать его для оценки изменения эксплуатационных параметров на участках высоких насыпей.
Выводы
1. Повышение нагрузок вагонов до 27 тс/ось приводит к снижению запасов устойчивости высоких насыпей. Особенно это заметно для объектов, находящихся в состоянии, близком к предельному.
2. Расчетные показатели устойчивости насыпей
позволяют выявить предельные состояния и пригодны для назначения мероприятий по усилению насыпей при новом строительстве и реконструкции.
3. В эксплуатации целесообразно определять устойчивость насыпей на основе мониторинга их состояния при режимных наблюдениях за деформациями по глубинным грунтовым реперам, по изменению геометрии рельсовой колеи при проходах путеизмерительных вагонов и показаний средств вибродиагностики под проходящими поездами.
4. Существующая нормативная база ОАО «РЖД» по мониторингу и диагностике земляного полотна, разработанная в последние годы, позволяет объективно оценивать состояние высоких насыпей.
5. Необходимо актуализировать требования к земляному полотну для линий, где организуется движение вагонов с нагрузкой 27 тс/ось, в следующих нормативных документах:
Положение о проведении реконструкции (модернизации) железнодорожного пути, утвержден-
ное ОАО «РЖД» 22.05.2009;
Технические требования к конструкции пути и его элементов для осевых нагрузок 25, 27 и 30 тс от 15.09.2009.
6. В дополнение к существующей нормативной базе необходимо разработать документ по определению показателей надежности по устойчивости для эксплуатируемых высоких насыпей в зависимости от параметров движения и определить допускаемые величины этих показателей и уровней риска для железнодорожных линий разных категорий.
Список источников
1. СП 119.13330.2017. Железные дороги колеи 1520 мм. Актулизированная редакция СНиП 32-01-95. Введ. 13.06.2018. М.: Стандартинформ, 2018.
2. Терновенко Д.А. Состояние земляного полотна по итогам его эксплуатации в 2017 году // Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути: XV Международная научно-техническая конференция. Чтения, посвященные памяти профессора Г.М. Шахунянца. М.: МИИТ, 2018. С. 13-18.