Bài giảng Cơ sở tính toán đường sắt hiện đại - Trường ĐH Giao thông Vận tải

Chia sẻ: Caphesuadathemmatong | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:87

Thêm vào BST

Báo xấu

37
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Cơ sở tính toán đường sắt hiện đại cung cấp cho người học những kiến thức như: Khái quát chung về đường sắt hiện đại; Kết cấu đường không đá; Đường sắt không khe nối vượt khu gian;...Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Cơ sở tính toán đường sắt hiện đại - Trường ĐH Giao thông Vận tải

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI KHOA CÔNG TRÌNH BỘ MÔN: ĐƯỜNG SẮT *****oOo***** BÀI GIẢNG CƠ SỞ TÍNH TOÁN ĐƯỜNG SẮT HIỆN ĐẠI Tp. Hồ Chí Minh - 2018
CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ĐƯỜNG SẮT HIỆN ĐẠI Tốc độ là một trong các tiêu chí quan trọng của việc hiện đại hóa giao thông vận tải, có ảnh hưởng đối với sự hưng suy của một loại công cụ vận tải, hoặc một phương thức vận tải nào đó. Đường sắt ngay từ khi ra đời đã có ưu thế rất lớn về tốc độ và năng lực vận tải, nên đã trở thành xương sống của sự nghiệp giao thông vận tải các quốc gia trên thế giới trong một thời gian lịch sử rất dài, thúc đẩy tiến bộ xã hội phát triển và tiến trình lịch sử. Đường sắt hiện đại bao gồm: đường sắt tốc độ cao (v=120km/h đến 200km/h), đường sắt đô thị, đường sắt cao tốc (v >200km/h đến 350km/h), đường sắt tải trọng nặng…v..v. Nhưng chương trình học chủ yếu nghiên cứu về đường sắt cao tốc và nó gần như bao hàm các loại hình kết cấu của các loại đường sắt đã nói trên vã lại tốc độ là một trong các yếu tố quan trọng nhất để phát triển nghành đường sắt nói chung. 1.1. ƯU THẾ KINH TẾ KỸ THUẬT CỦA ĐƯỜNG SẮT CAO TỐC So với vận tải đường bộ cao tốc và hàng không, vận tải đường sắt có các ưu thế sau: 1.1.1. Tiện lợi, kinh tế, tiết kiệm thời gian và tiền bạc, hấp dẫn mạnh đối với hành khách Cuối thế kỉ XX, tốc độ thử nghiệm cao nhất của đoàn tàu cao tốc đã đạt 515,3 km/h, tốc độ chạy tàu nói chung đạt khoảng 300km/h. Một số đoàn tàu thí nghiệm mới của Pháp và Nhật, khi đưa vào vận hành thương nghiệp đạt tốc độ 350 km/h – 360 km /h. Việc vận dụng đoàn tàu đường sắt cao tốc, đã làm thay đổi khái niệm về khỏang cách của mọi người. Khi người ta xuất hành, đã thay đổi khái niệm đối với khoảng cách tuyệt đối bằng khái niệm khoảng cách thời gian. Do đó người ta khi chọn công cụ vận chuyển, thường so sánh tổng thời gian lữ hành giữa các công cụ giao thông. Trong đó đoàn tàu đường sắt cao tốc đạt tổng thời gian lữ hành giữa các công cụ giao thông. Trong đó đoàn tàu đường sắt cao tốc đạt tổng thời gian lữ hành ngắn nhất, bảng 1.1 là hiệu quả hành khách tiết kiệm được thời gian đi tàu TGV. Bảng 1.1 - Hiệu quả tiết kiệm thời gian của tàu TGV Thời gian vận hành của tàu Thời gian vận hành của tàu Khu đoạn truyền thống cao tốc TGV Paris – Lion 4h00 min 2h00 min Paris – Lille 2h30 min 1h00 min Paris – Nante 2h55 min 2h00 min Paris – Bruxel 2h35 min 1h20 min Paris – London 5h15 min 2h30 min Phân tích tổng hợp thời gian lữ hành của 3 phương thức vận tải, đường bộ, hàng không và đường sắt cao tốc thấy rằng: khoảng cách 300 km trở xuống, đường bộ cao tốc có sức -1-
cạnh tranh mạnh, 1000km trở lên, hàng không có sức hút lớn, 150 km -1300 km là khu vực cạnh tranh của đường sắt cao tốc. So với vận tải hàng không dân dụng, đường sắt cao tốc còn có ưu thế về giá vé. Bảng 1.2 so sánh giữa giá vé máy bay dân dụng và đường sắt cao tốc cuả Pháp do công ty Alstom cung cấp năm 2000. Bảng 1.2 - So sánh giá vé (Franc) giữa máy bay và tàu cao tốc Điểm đến Nante Lion Marseil London Máy bay ( khoang thương mại) 920 910 950 1170 Tàu TGV ( toa hạng hai) 272 292 442 328 Một đặc điểm khác của đoàn tàu đường sắt cao tốc là có thể vận hành đoàn tàu chạy đêm đến sáng, còn gọi là tàu nhà trọ, hành khách có thể ngủ đêm, như thế sẽ tiết kiệm được cả thời gian lẫn tiền trọ, do đó trong phạm vi khoảng cách 300 km – 2000 km, đường sắt cao tốc đã có hiệu quả kép, đây là ưu thế rất rõ ràng. Do đường sắt cao tốc có hiệu quả kép như trên, nên rất được hành khách hưởng ứng lựa chọn, lượng chu chuyển khách tăng lên hàng năm, bảng 1.3 biểu thị sự biến đổi lượng chu chuyển khách của đường sắt Châu Âu từ năm 1981 đến năm 1996 do UIC cung cấp. Bảng 1.3 - Biến đổi lượng chu chuyển khách của đường sắt châu Âu Lượng vận Tăng Lượng vận Tăng trưởng chuyển trưởng chuyển Năm Năm cộng dồn 109 khách 109 cộng dồn khách 109 ng.km ng.km 109 ng.km ng.km 1981 7 0 1989 124 117 1982 36 29 1990 163 156 1983 57 50 1991 217 210 1984 83 76 1992 266 259 1985 93 86 1993 290 283 1986 94 87 1994 321 314 1987 104 97 1995 329 322 1988 112 105 1996 374 367 Vận lượng hành khách tăng trưởng của đường sắt cao tốc là kết quả cạnh tranh với đường bộ và hàng không; Theo thống kê của đường sắt Đức, trong 3 năm đầu đoàn cao tốc ICE đưa vào sử dụng, số khách tăng mới chiếm tỉ lệ trên tổng số khách khoảng 18-22%, trong số tăng 22% khách mới năm 1993, có 8% là khách chuyển từ máy bay chuyển sang, 14% là khách từ xe nhà chuyển sang, trong số khách đi tàu cao tốc ICE của Đức điều tra năm 1996, có 2/3 lựa chọn đi tàu này là do tốc độ của nó, phần lớn hành khách đều cho rằng môi trường thoải mái của toa xe và giá vé đã tạo ra sức hút mạnh. Theo đường sắt Tây Ban Nha thống kê, trong số hành khách đi tàu đường sắt cao tốc AVE, có 26% vốn là khách của hàng không, 3% vốn là khách của ô tô công cộng, 24% khách vốn dùng xe riêng, 13% là khách vốn đi tàu đường sắt phổ thông, 34% là khách vốn -2-
không có nhu cầu lữ hành bị thu hút. Theo thông báo chung, sau khi thực hiện mạng đường sắt châu Âu, suất chiếm hữu thị trường khách vận châu Âu từ 14% tăng lên 23%, còn đường bộ giảm 6%, hàng không giảm 3%. 1.1.2. Tốc độ kinh tế của đường sắt cao tốc Đường sắt các nước Tây Âu, khi khởi đầu trù tính xây dựng đường sắt cao tốc đều tiến hành nghiên cứu tốc độ kinh tế của đường sắt cao tốc. Tốc độ kinh tế là tốc độ mà đường sắt cao tốc mang lại doanh thu cao nhất. Nâng cao tốc độ có thể tiết kiệm được thời gian lữ hành nhưng thời gian gia giảm tốc độ tăng thêm cũng dài thêm nên thời gian lữ hành tiết kiệm được bị giảm tương đối. Hình 1.1 là kết quả nghiên cứu của Pháp trên tuyến Đông Nam, t là thời gian lữ hành tiết kiệm được mỗi khi tốc độ cao nhất nâng lên 50 km/h. Nâng cao tốc độ có thể giảm bớt thời gian chạy nhưng tốc độ càng cao thì mỗi khi dừng tàu, thời gian phụ thêm lại càng dài. Vì thế, mỗi lần dừng tàu thì thời gian phụ thêm cho việc tăng, giảm tốc lại càng nhiều nên các khả năng tiết kiệm thời gian cũng giảm đi. Thời gian chạy (phút) t = 27’ 120 t = 18’ 100 t = 12’ t =9’ 80 t =6’ t =3’ 60 Tốc độ 200 250 300 350 400 450 500 (Km/h) Hình 1.1 - Đường cong quan hệ giữa tốc độ tối đa và thời gian chạy tàu Trong hình, t là thời gian chạy tàu tiết kiệm được mỗi khi tăng tốc độ tối đa thêm 50 km/h. Khi tốc độ cao nhất nâng lên, giá trị do rút ngắn thời gian lữ hành mang lại có thể tính bằng cách lấy số giờ hành khách nhân với giá trị bình quân của giờ công; đồng thời do rút ngắn thời gian đi lại, có thể thu hút được nhiều hơn số lượng khách đi tàu, nhờ đó mà tăng doanh thu và lợi nhuận của đường sắt. Nhưng tốc độ cao nhất nâng lên, tất nhiên phải tăng thêm đầu tư cho đường sắt do các tiêu chuẩn xây dựng phải cao hơn, trang bị kỹ thuật phải tiên tiến hơn. Mặt khác, yêu cầu chất lượng duy tu sửa chữa đường, đầu máy toa xe cũng phải cao hơn, tiêu hao năng lượng để khắc phục lực cản không khí tăng lên, làm cho chi phí vận doanh tăng thêm, giá thành vận tải phải đội lên. -3-
Trước và sau thập kỷ 70 của thế kỷ trước, các nước Tây Âu căn cứ tình hình cụ thể đã nghiên cứu tốc độ kinh tế của nước mình. Ở Anh là 230 km/h, Pháp là 280 km/h -300 km/h, Đức là 270 km/h, liên minh đường sắt quốc tế (International Union of Railways) là 300 km/h. Tốc độ kinh tế có tác dụng chỉ đạo tốc độ cao nhất của đường sắt cao tốc. Nói chung, tốc độ cao nhất phải hơi cao hơn tốc độ kinh tế. 1.1.3. Vận chuyển khối lượng lớn, hiệu quả mở rộng tốt Lấy Shinkansen đông hải đạo của Nhật làm ví dụ: năm 1996 lượng khách vận đạt 1,3.107 lượt người; Bình quân lượng khách vận ngày là 37 vạn lượt người; Mỗi giờ một chiều phát đi 11 đoàn tàu, mỗi ngày vận hành 283 đôi tàu. Hoàn thành vận lượng khách lớn như vậy thì máy bay và ô tô đều không thể thực hiện được. Đường sắt cao tốc chuyên vận tải hành khách đều men theo đường sắt đã có trước đó, do đó đã thực hiện được việc phân khai tuyến vận tải khách và hàng. Như thế vừ có thể nâng cao hiệu quả mở rộng khách vận, vừa có thể nâng cao năng lực vận tải hàng của đường sắt vốn có. 1.1.4. An toàn tin cậy Shinkansen Nhật Bản bắt đầu vận doanh từ năm 1964, tới năm 1999, sau 35 năm chưa hề có tai nạn chết người. Năm 1996, cho dù có thiên tai nghiêm trọng, đoàn tàu Shinkansen đông hải đạo chậm giờ bình quân cũng chỉ là 0,6 min. Tàu TGV của Pháp vận doanh từ năm 1981, sau 18 năm tới năm 1999, đã chuyên chở được hơn 500.000.000 lượt người, hoàn thành lượng chu chuyển hành khách khoảng 2.1011 người.km, nhưng chưa bao giờ xảy ra tai nạn chết người; Tuy nhiên, cũng cần nhắc đến một số tai nạn xảy ra trên tàu TGV mà nguyên nhân không phải do lỗi kĩ thuật của đoàn tàu và tuyến đường, đó là 3 vụ nổ ngẫu nhiên: Do đoàn tàu được làm bằng vật liệu chống cháy, nên đã không gây thành hỏa hoạn. Ngoài ra, tàu TGV có một lần chạy với tốc độ 294 km/h trên khu gian hay xảy ra động đất, do đường ray bị lún đột biến, khiến tàu trật bánh, nhưng không bị lật, toa không bị tuột móc, chỉ bị thương nhẹ một số ít người. Trường hợp khác là, khi Tàu TGV chạy trên đọan đường cũ, có giao cắt phẳng nên đã gặp sự cố va chạm, nhưng không gây chết người vì có thiết bị chống va đập tốt. Tính đến năm 1999, đoàn tàu đường sắt cao tốc trên thế giới đã xảy ra một vụ tai nạn chết người nghiêm trọng vào ngày 3 tháng 6 năm 1998, đó là đoàn tàu ICE của Đức bị trật bánh bị lật do băng đa bánh xe bị bong ra, làm chết hơn 100 người. Sau tai nạn này, đường sắt Đức đã thay toàn bộ bánh xe thép cán liền. So với đường sắt cao tốc, đường bộ và hàng không dân dụng, tai nạn còn xảy ra nghiêm trọng hơn nhiều.Theo thống kê, đường bộ chuyên chở 10.108 người.km, suất tử vong là 140 người, toàn thế giới bình quân năm có 25 vạn đến 30 vạn người chết vì tai nạn đường bộ. Năm 1989 toàn thế giới có 1764 người chết vì tai nạn máy bay, năm 1994 có 47 chiếc máy bay bị nạn, làm chết 1385 người. -4-
1.1.5. Chiếm dụng đất ít, giá thành xây dựng thấp Theo tính toán của Pháp, thì diện tích chiếm đất của 1km đường sắt cao tốc xây dựng mới chiếm khoảng từ 50.000m2 đến 70.000m2, trong đó bao gồm đất dốc và đất thiết bị chiếm dụng. Diện tích chiếm đất của một tuyến TGV, chỉ bằng ½ diện tích chiếm đất của một tuyến đường bộ cao tốc hai chiều 4 làn xe, Đường sắt cao tốc từ Paris đến Lion chiếm diện tích đất là 420 km 2 nhỏ hơn diện tích sân bay Degaule pử Paris. Tiền đầu tư thiết bị cơ sở của một tuyến đường sắt cao tốc thấp hơn khoảng 17% so với đầu tư một tuyến đường bộ cao tốc. Giá thành chế tạo bình quân mỗi chỗ ngồi của tàu TGV chỉ bằng 1/10 giá thành chế tạo bình quân mỗi chỗ ngồi của máy bay dân dụng đường ngắn. 1.1.6. Tiết kiệm năng lượng, có lợi cho việc bảo vệ môi trường Đường sắt Đức năm 1992 đã tiến hành việc so sánh mức tiêu hao năng lượng giữa 3 loại công cụ giao thông: tàu ICE, ô tô và máy bay; Nếu tính mức tiêu thụ xăng (đơn vị là Lít) cho 100 người.km, theo thứ tự trên là : ICE là 2,5; Ô tô cá nhân là 5,9; Máy bay là 8,5. Nhật Bản, tiến hành so sánh mức tiêu hao năng lượng theo “kJ/người.km”, kết quả là : Shinkansen là 569,4; Ô tô cá nhân là 2641,8; máy bay là 2989,4. Liên minh châu Âu, đã nghiên cứu mức tiêu hao năng lượng đối với các công cụ giao thông, và kết luận: năng lượng tiêu hao 1 kW.h cho một người thì khoảng cách di chuyển được sẽ là: đường sắt cao tốc đi được 5km; Ô tô cá nhân là 1,7 km; Máy bay là 1,1 km. Mức tiêu thụ của các công cụ giao thông khác nhau, thì ảnh hưởng của chúng đối với môi trường cũng khác nhau. Trung Quốc đã cử một đoàn cán bộ đến 4 nước châu Âu: Đức, Pháp, Ý, Tây Ban Nha, tiến hành khảo sát đường cao tốc, các số liệu hữu quan trong báo cáo khảo sát, xem bảng 1.4 liệt kê: Bảng 1.4 Mức độ ô nhiễm môi trường của mấy loại phương thức vận tải (người/km) Khí thải Ô tô Máy bay Tàu cao tốc CO 1,26 0,51 0,003 NOx 0,25 0,70 0,10 HC 0,10 0,24 0,001 CO2 111 158 28 SO2 0,03 0,05 0,01 PM 0,01 0,01 0,02 Báo cáo khảo sát còn đưa ra số liệu về đầu tư kinh phí để xử lý môi trường theo đơn vị tiền châu Âu (ECU), đối với các phương thức vận tải khác nhau, của 17 nước châu Âu năm 1991, trong đó, đường sắt cao tốc là 28, chiếm 1,7% tổng phí dụng; Hàng không là 124, chiếm 6%; Ô tô là 1942, chiếm 92,3%. -5-
1.1.7. Có tác dụng thúc đẩy kinh tế khu vực phát triển Xây dựng đường sắt cao tốc là một loại đầu tư có lợi cho sự phát triển kinh tế khu vực. Nghiên cứu của đường sắt Pháp cho thấy, đầu tư cho một hạng mục đường sắt cao tốc 1 tỉ Franc, mỗi năm có thể tạo ra 3.500 cơ hội việc làm, khi xây dựng đường sắt cao tốc địa trung hải, giữa khu Marseil – Monpelier đã tạo ra 20.000 cơ hội việc làm. Sau khi đường sắt cao tốc đưa vào vận doanh, lượng khách tăng lên rõ rệt, tăng cường giao lưu giữa các đô thị, thúc đẩy việc xây dựng các khu công nghiệp và thương nghiệp trên dọc toàn tuyến đường sắt, thúc đẩy sự phát triển du lịch. Theo tính toán của Nhật Bản, hiệu ích kinh tế gián tiếp của Shinkansen đông hải đạo tạo ra trong phạm vi cả nước, thì chỉ trong 2 năm đã thu hồi được toàn bộ vốn đầu tư xây dựng tuyến đường sắt cao tốc này. Chính vì đường sắt cao tốc so với đường bộ và hàng không, có những ưu thế nói trên, nên ngay khi nó xuất hiện trên trái đất, đã có ngay sự phát triển mạnh mẽ, thể hiện một sức sống đầy tiềm năng. 1.2. KHÁI QUÁT VỀ ĐSCT CỦA MỘT SỐ NƯỚC TRÊN THẾ GIỚI 1.2.1. Đường săt cao tốc của Nhật Nhật Bản là nước xây dựng đường sắt cao tốc sớm nhất thế giới. Tuyến đường sắt cao tốc đầu tiên trên thế giới là The Tokaido Shinkasen từ Tokyo đến New Oshaka, khởi công tháng 4 năm 1959, ngày 1 tháng 10 năm 1964 chính thức thông xe vận doanh, cho đến nay vẫn gọi đường sắt cao tốc là Shinkansen. Chiều dài đường sắt cao tốc quy hoạch của Nhật Bản là 7.000km, cuối thế kỷ XX đã có hơn 2.000km vận doanh và hơn 500km đang xây dựng. Đặc điểm của Shinkansen Nhật Bản là tốc độ cao, vận lượng lớn, khoảng cách ga ngắn, an toàn cao, suất đúng giờ cao, dùng tổ hợp toa tự chạy điện động. 1.2.2. Đường sắt cao tốc Pháp Đường sắt cao tốc Pháp gọi là TGV, hàm nghĩa Pháp ngữ là đoàn tàu cao tốc. TGV của Pháp vừa có thể chạy trên tuyến mới xây dựng, cũng có thể chạy trên tuyến đường cũ. Cuối thế kỷ XX, chuyên tuyến vận doanh TGV có khoảng 1.300km, chiều dài đường cũ mà TGV vận doanh có khoảng 6.300km, số đoàn tàu TGV vận dụng là 357 đoàn, trong đó đoàn tàu 2 tầng thế hệ 3 là 30 đoàn. Tổng vận lượng mà TGV thời điểm này đã hoàn thành tới 5.108 lượt người, hoàn thành tổng lượng chu chuyển khách khoảng 2000.108 người/km chiếm 55% tổng lượng khách vận chuyển của đường sắt chính tuyến Pháp. Nước Pháp ngoài việc phát triển đường sắt cao tốc trong nước ra, còn xuất khẩu kĩ thuật này ra nước ngoài từ cuối thế kỷ XX, tham gia các hạng mục đường sắt cao tốc của Tây Ban Nha, Hàn Quốc, Đài Loan, Mỹ, Australia, ... thông qua phương thức đấu thầu quốc tế, hoặc chuyển nhượng kĩ thuật. -6-
1.2.3. Đường sắt cao tốc Đức Đức cũng là một trong các nước phát triển đường sắt cao tốc có thành tựu xuất sắc vào loại hàng đầu thế giới. ICE là tên gọi của đường sắt cao tốc Đức. Tới năm 2000, nước Đức đã xây dựng được 3 tuyến đường sắt cao tốc, có chiều dài tổng cộng là 697km. Đặc điểm của đường sắt cao tốc Đức là: vận dụng chung tuyến cũ và tuyến mới, tàu khách và tàu hàng chạy chung trên cùng một tuyến đường, tới năm 2000, tổng lý trình vận doanh kết hợp tuyến cũ tuyến mới là 2.280km. Trên tuyến cao tốc mới, đoàn tàu ICE chở khách thường chạy từ 6 giờ sáng đến 0 giờ đêm với tốc độ vận doanh khoảng 280km/h, còn đoàn tàu hàng chạy chung thì hoạt đọng từ 21 giờ đêm đến 6 giờ sáng, với tốc độ vận doanh khoảng 160km/h. Đoàn tàu cao tốc ICE đầu tiên của Đức được chế tạo thành công năm 1995, tới năm 2000 đã phát triển tới 5 loại: ICE - V, ICE1, ICE2, ICE3 (hoặc ICE2.2) và ICT, đồng thời đang chế thử ICE4( ICE-S thử nghiệm). 1.2.4. Đường sắt cao tốc Ý Ý cũng là nước phát triển đường sắt cao tốc tương đối sớm trên thế giới, đã thiết kế thi công 262km đường sắt cao tốc từ năm 1970. Đường sắt cao tốc trong quy hoạch của Ý, chủ yếu có 2 tuyến: một tuyến hướng nam bắc, Milan đến Napoli (qua Roma đến Foronce); Một tuyến khác là hướng đông tây, Milan đến Venise; 2 tuyến đường này hình thành chữ “T” tổng chiều dài là 1.300km. Đoàn tàu cao tốc Ý gọi là “ETR”. Đưa vào vận dụng sớm nhất là tàu ETR450, còn tàu ETR500 là thiết kế để vận dụng trên tuyến cao tốc mới. 1.2.5. Đường sắt cao tốc các quốc gia và khu vực khác trên thế giới Tới năm 2000 các dự án đường sắt cao tốc Seoul đến pushan Hàn Quốc; Tanpo – Olando – Miami của Mỹ; Đài Bắc – Cao Hùng cảu Đài Loan đều đã ở giai đoạn thực thi. Đặc điểm chung của chúng là sử dụng kết hợp kĩ thuật TGV và ICE. Ngoài ra, Thổ Nhĩ Kỳ cũng đã có kế hoạch thực hiện chạy tàu cao tốc 300km/h giữa Ancara và Ixtambun, sau khi hoàn thành công trình đường sắt ngằm eo biển Bosipulusi. Cùng thời gian này, Trung Quốc đã trù bị cho xây dựng đường sắt đôi điện khí hóa cao tốc Bắc Kinh – Thượng Hải, chuyên tuyến chở khách chiều dài khoảng 1300km, gần như song song với đường sắt phổ thông hiện có; Lúc đó dự định thời gian đầu dùng mô hình vận hành tuyến chung đoàn tàu cao-trung tốc qua tuyến dẫn vào tuyến cao tốc. đường sắt cũ chủ yếu vận tải hàng, cho chạy một lượng nhỏ xe khách nội quản; Đoàn tàu cao tốc thiết kế tốc độ vận doanh là 300km/h, tốc độ vận doanh trung tốc là 160km/h đến 200km/h, thiết bị cơ sở dựa vào sức mình, tích cự nhập kĩ thuật tiên tiến, đạt mức tiên tiến của thế giới. -7-
CHƯƠNG 2: KẾT CẤU ĐƯỜNG KHÔNG ĐÁ Kết cấu đường sắt không đá kiểu tấm bản bê tông khắc phục nhược điểm đường sắt có đá: tích luỹ biến dạng dư nhanh và phân bố biến dạng dư không đều trên chiều dọc đường dẫn đến đường cao thấp, không phẳng thuận (> 0,5mm/10m), xóc lắc, hành khách không thoải mái và khối lượng bảo dưỡng đường tăng. Nó phát huy các ưu điểm là: Kết cấu đường ray đủ cường độ, ổn định, đàn hồi, biến dạng dư tích luỹ nhỏ, chiều cao kết cấu giảm, giảm thiểu duy tu và độ thích nghi của hành khách đi tàu tốt. Vì vậy cần phải tính toán kết cấu mặt đường bản bê tông không đá balat để lựa chọn loại hình kết cấu phù hợp cho đường sắt cao tốc. 2.1. ĐƯỜNG KIỂU TẤM BẢN TRÊN CÁC TUYẾN TRỤC MỚI CỦA NHẬT BẢN Đường sắt Nhật Bản là quốc gia phát triển đường không đá tương đối sớm và tương đối nhanh. Năm 1923, Nhật Bản đã từng đặt đệm đường liền khối bê tông trong hầm Ycubia trên chính tuyến Ulan. Từ đó cho đến đầu những năm 60 chủ yếu là đặt đường không đá đệm đường bê tông kiểu tà vẹt gỗ ngắn và đệm đường bê tông kiểu khối đỡ bê tông. Nhưng chi phí công trình cao, tốc độ thi công chậm, khi nền dưới ray biến dạng, việc chỉnh sửa hết sức khó khăn. Để đáp ứng nhu cầu chạy tàu tốc độ cao, giải quyết khó khăn duy tu đường, các kết cấu cầu hầm trên các tuyến mới Sơn Dương, Đông Bắc, Thượng Việt vv… Chiếm một tỷ lệ rất lớn của toàn tuyến, nên từ giữa những năm 60 trở lại đây, Nhật Bản đã nghiên cứu, phát triển thành công đường kiểu tấm bản, không đá. Đường kiểu tấm bản lần lượt chiếm 90% và 91% trên chiều dài toàn tuyến Đông Bắc và Thượng Việt. Hiện nay đường tấm bản kiểu A đã được tiêu chuẩn định hình và lấy làm kết cấu đường cơ bản để ứng dụng rộng rãi. Đường tấm bản kiểu A gồm ray, phụ kiện giữ ray, tấm bản đường, lớp đệm vữa cát xi măng nhựa đường, đệm đường bê tông và ụ chặn bê tông hợp thành (xem hình 2.1 (a),(b),(c)). Đặc điểm của đường tấm bản kiểu A là giữa đệm đường bê tông và tấm bản đường có một lớp vữa cát xi măng, nhũ tương nhựa đường dày 50mm làm lớp đệm đỡ tấm bản đường bê tông cốt thép đúc sẵn, để đường có đủ cường độ và đàn hồi nhất định. 1. Ray và phụ kiện giữ ray: Đường kiểu tấm bản trên tuyến trục của Nhật dùng ray 60kg/m hàn nối thành ray dài. Tác dụng của phụ kiện giữ ray là truyền lực ngang của đoàn tàu và tạo đàn hồi cho tấm bản đường. Phụ kiện giữ dùng trên đường tấm bản các tuyến mới của Nhật chủ yếu có hai loại: Trực kết 4 (hình 2.2) và trực kết 5 (hình 2.3). Trực kết 4 dùng trên đường thẳng trong hầm, còn trực kết 5 dùng trên đường thẳng, đường cong của khu gian lộ thiên và đoạn đường cong trong hầm. -8-
a. Đường kiểu tấm bản trên cầu b. Đường kiểu tấm bản trong hầm c. Kết cấu đường không đá của đường sắt Shinkansen Nhật Bản Hình 2.1 - Đường kiểu tấm bản trên các tuyến trục mới của Nhật Phụ kiện giữ trực kết 4 là loại phụ kiện có vai chặn, tải trọng thiết kế lấy trọng tải trục 160 kN, lực ngang 59 kN, kích thước mặt cắt miếng đệm đàn hồi 5 mm x 75 mm, lực nén giữ ban đầu ray 3 kN, mômen xoắn bulông 100 N.m. Lực cản chống xô ray của mỗi bộ phụ kiện giữ ray là 3,5 kN ( khi chuyển vị 2 mm). Điều chỉnh cự ly đường dùng đế sắt hình chêm, lượng điều chỉnh  3 mm, điều chỉnh cao thấp dùng đệm lót điều chỉnh, lượng điều chỉnh  10 mm. Đệm cao su dưới ray là miếng đệm cao su lưu hoá dày 10 mm, độ cứng tĩnh của nó là 58,8 MN/m. Phụ kiện giữ ray trực kết 5 là loại phụ kiện kiểu đệm đường sắt không có vai chặn tải trọng bánh thiết kế cao nhất là 95,6 kN, lực ngang là 58,8 kN. -9-
1. Lá thép đàn hồi; 2. Đế sắt hình nêm; 1. Bulông; 2. Vòng đệm phẳng (A) ; 3. Bulông; 4. Vòng đệm phẳng (A); 3. Miếng đàn hồi chủ; 4. Bulông; 5. Bọc cách điện; 6. Vòng đệm phẳng 5. Vòng đệm lò xo; 6. Vòng đệm phẳng (B); (B); 7. Ray P60; 8. Miếng đệm sắt; 7. Bọc cách điện; 8. Tấm nắp đậy; 9. Ray P60; 10. Miếng đệm sắt; 9. Đệm cao su dưới ray; 10. Đệm phụ 11. Đệm cao su dưới ray; 12. Đệm phụ điều điều chỉnh được; 11. Bulông chìm. chỉnh được; 13. Tấm sắt đệm chữ A; 14. Tấm đệm cách điện. Hình 2.2 - Cấu kiện giữ ray kiểu trực kết 4 Hình 2.3 - Cấu kiện giữ ray kiểu trực kết 5 Kích thước mặt cắt miếng đệm đàn hồi 5 mm x 75 mm. Trên tấm bản đường trước hết lắp miếng đệm cách điện khít với tấm đệm sắt. Sau đó đặt tấm đệm lót điều chỉnh và đệm cao su dưới ray vào dưới ray, tiếp đó dùng thanh đàn hồi ép giữ chặt ray. Lực ép giữ ban đầu ray là 3,43 kN mômen xiết bulông 70 N.m, mômen xiết bulông chữ T là 350 N.m. Lực cản chống xô là 3 kN khi chuyển vị 2 mm. Lượng điều chỉnh cự ly đường  10 mm. Lượng điều chỉnh cao thấp là 30 mm. Đệm cao su dưới ray là cao su lưu hoá. Độ cứng tĩnh của nó 68,6 MN/m. Chiều dày đệm lót có hai loại 5 mm và 10 mm. Có thể điều chỉnh tùy theo yêu cầu. Đặc điểm lớn nhất của phụ kiện giữ ray đường tấm bản là: Ngoài lớp đệm cao su dưới ray, còn có đệm lót điều chỉnh, đệm này dùng túi nhựa bơm một lượng thích đáng chất ôxy hoá vào đó, sau 2-3 giờ đông cứng lại, có tác dụng chèn khe hở giữa tấm bản đường và đế ray. 2. Tấm bản đường: Tấm bản đường có tác dụng truyền tải trọng đứng bánh xe trên diện tích rộng từ phụ kiện giữ ray xuống lớp đệm vữa xi măng nhựa đường. Đồng thời truyền tải trọng ngang và tải trọng dọc lên các ụ chặn. -10-
Thiết kế kết cấu tấm bản đường, lấy lớp vữa xi măng nhựa đường làm lớp đệm đàn hồi; xem ray và tấm bản đường là dầm hợp, hoặc xem ray là dầm, tấm bản đường là bản phẳng. Dùng phương pháp phần tử hữu hạn để giải bài toán. Tấm bản đường chia hai loại: Kiểu máng đỡ ray và kiểu tấm đệm sắt. Kiểu máng đỡ ray dùng ở đoạn đường thẳng trong hầm, còn kiểu tấm đệm sắt dùng ở đoạn đường cong và kết cấu trên cao. Bảng 2.1 - Kích thước chủ yếu và sai số cho phép của tấm bản đường Kích thước Sai số Đơn Tấm bản Tấm bản Mục cho vị có rãnh không có phép đỡ ray rãnh đỡ ray Dài mm 4950 3 Rộng mm 2340 3 Mặt cắt giữa mm 200 200 Cao 3 Mặt cắt dưới ray mm 160 200 Cự ly giữa tim 2 ray mm 1510 1511 1 Khoảng cách từ tâm bulông chìm đến mm 109 1 tâm ray Từ đầu tấm bản Vị trí lỗ bulông mm 287,5 3 đến lỗ thứ nhất chờ sẵn của cấu kiện Cự ly giữa các lỗ mm 625 3 Chiều rộng phần trên rãnh đỡ ray mm 336,2  1,5 Chiều rộng đáy rãnh đỡ mm 328  1,5 Cự ly từ tim lỗ bulông rãnh đỡ ray đến mm 55  1,5 mép ray Độ không phẳng mặt rãnh đỡ ray theo mm - 1,0 chiều dọc Độ bằng phẳng của tấm bản mm - 3,0 Trọng lượng kg 5300 5600 - Trên các tuyến mới tấm bản đường dài 4950mm theo chiều dọc ray, rộng 2340mm. Mặt cắt ở chỗ dưới ray 160mm, mặt cắt ở hai đầu và ở giữa là 200mm. Trong tấm bản có chứa sẵn các ống để lắp bulông của phụ kiện giữ ray. Vị trí phải hết sức chuẩn xác. Kích thước chủ yếu của tấm bản đường xem bảng 2.1. 3. Lớp vữa cát xi măng nhựa đường: Lớp vữa cát xi măng nhựa đường nhũ hoá nằm ở giữa tấm bản đường và đệm đường bê tông (sau đây gọi tắt là vữa cát CA hoặc CAM), tương đương như lớp đá ở đường có đá. Có tác dụng đàn hồi như lớp đá ở dưới tà vẹt. Nguyên tắc chọn vữa cát CA là nó chịu được -11-
ảnh hưởng phá hoại do chạy tàu, bền vững, giá thành hạ. Vữa xi măng tuy có ưu điểm là cường độ cao, bền chắc nhưng hiệu quả đàn hồi kém, còn nhũ tương nhựa đường trung tính bền vững kém nhưng có độ dính và đàn hồi tốt. Vì vậy vữa cát CA kết hợp hai thứ trên lại với nhau. Nó là vật liệu nửa cứng gồm nhũ tương nhựa đường đặc biệt, nước, xi măng và cốt liệu mịn. Như vậy nó không những tạo cho đường có độ đàn hồi thích hợp, lấp đầy khe hở giữa tấm bản đường và đệm đường bê tông mà còn có thể điều chỉnh cao thấp cùng với phụ kiện giữ ray. Chiều dày vữa cát CA lớn nhất là 100 mm, nhỏ nhất là 40 mm. Khi thi công chiều dày là 50 mm  10 mm. Dưới tác dụng của tải trọng bánh xe, độ võng phần giữa tấm bản đường là 0,061 mm. Trị số này là biến dạng chịu nén của lớp đệm vữa cát CA. Hệ số đàn hồi của vữa cát CA dùng cho thiết kế lấy là kp = 1225 N/cm3. Do đó ứng suất nén của vữa cát CA:  C = 9,8 N/cm2. Cường độ chịu nén thiết kế ca28 = 9,8 N/cm2. Ngoài ra yêu cầu hệ số ma sát giữa tấm bản đường và vữa CA ít nhất phải là 0,35. 4. Ụ chặn bê tông: Ở giữa hai đầu tấm bản có ụ chặn bê tông. Bán kính 200 mm, cao 200 mm, đổ liền khối với đệm đường. Giữa tấm bản đường và ụ chặn chèn vữa CA. Bố trí các ụ chặn có lợi cho việc cố định ngang, dọc của tấm bản đường, đồng thời dùng làm điểm chuẩn khi đặt đường và chỉnh đường (xem hình 2.4). 5. Đệm đường bê tông: Đệm đường bê tông tính toán theo dầm hoặc bản trên nền đàn hồi và đổ bê tông tại chỗ ở hiện trường. Đệm đường bê tông chỉ được xây dựng ở đoạn đường cong lộ thiên để điều chỉnh và bố trí siêu cao. Còn ở đoạn đường thẳng không có. Thế nhưng xét nguyên nhân như hầm, nền đào sâu, đất lu lèn không đủ độ chặt thì đệm đường lại càng không thể thiếu. Về kết cấu phía dưới đệm đường bê tông, ở chỗ địa chất không tốt cần xây vòm ngửa còn chỗ địa chất tốt có thể đặt trực tiếp đệm đường bê tông trên nền bê tông rải đều. 1. Tấm bản đường; 2. Đệm đường bê tông; 3. Ụ chặn bê tông. Hình 2.4 - Ụ chặn bê tông (đơn vị: mm) -12-
Ngoài việc xây dựng đường không đá kiểu tấm bản trên cầu và trong hầm cho đường sắt cao tốc, Nhật Bản còn xây dựng đường không đá kiểu tấm bản trên nền đất (xem hình 2.5). Tấm bản đường Lớp bê tông bổ sung Lớp trải trên Lớp trải dưới K30≥11kg/cm3, K ≥95% Lớp đệm cơ sở K30≥11kg/cm3, K ≥90% Phần đất đắp phía trên K ≥90% Phần đất đắp phía dưới Lớp lọc ngược Hình 2.5 - Mặt cắt ngang nền đường kiểu tấm bản trên nền đất đường sắt Nhật Bản Trên cùng là tấm bản đường, tiếp đến là lớp bê tông bổ sung. Dưới lớp bê tông bổ sung là lớp trải trên và trải dưới. Phía trên cùng của nền đường là lớp đệm cơ sở dày 30cm để bảo vệ nền đường. Bề mặt của nó là bê tông nhựa đường dày 5cm. Phía dưới lớp đệm cơ sở là đá cấp phối (hoặc xỉ lò cao) thành phần hạt như bảng 2.2. Bảng 2.2 - Yêu cầu cấp phối đá mỏ, cát tầng đệm cơ sở của đường sắt kiểu tấm bản trên nền đất của Nhật Bản Số Tỷ lệ % về trọng lượng thông qua lỗ sàng (mm) hiệu cấp 0,07 50 40 30 25 20 13 5 2,5 0,4 phối 5 1 100 95-100 60-90 30-65 20-50 10-30 2-10 2 100 95-100 60-90 30-65 20-50 10-30 2-10 3 95-100 65-85 30-65 20-50 10-30 2-10 2.2. ĐƯỜNG KHÔNG ĐÁ CỦA ĐƯỜNG SẮT ĐỨC 2.2.1. Đường không đá kiểu tấm bản Để đáp ứng nhu cầu chạy tàu cao tốc ngành đường sắt Tây Đức cũ đã nghiên cứu, sáng tạo đường không đá để thay thế một phần đường có đá. Năm 1959, lần đầu tiên đặt đường không đá ở hầm Xiânstan và hầm Hanstơbao. Đặc điểm chủ yếu của nó là đổ một lớp đệm dày 5 cm trên vòm ngửa hoặc nền đá. Trên đó đặt các tấm bản đường bê tông cốt thép (hình 2.6). Tấm bản đường có rãnh vuông, mục đích là đặt vào đó các khối đỡ bê tông cốt thép chế tạo sẵn. Đợi sau khi vị trí ray đã được điều chỉnh chuẩn xác đổ vữa xi măng cát vào xung quanh các khối đỡ bê tông. Trên khối đỡ bê tông đúc sẵn có cắm sẵn 4 đinh gỗ răng cưa để đóng các đinh đường gai ốc cố định ray. -13-
Hình 2.6 - Kết cấu tấm bản đường hầm Henstanbao Vào 1967, lại đặt thử hai loại đường không đá kiểu tấm bản ở giữa Panpaofuhai. Hình thức và kích thước chủ yếu (xem hình 2.7). Kết cấu đường không đá kiểu tấm bản đặt trên nền đường đất (xem hình 2.8). Tấm bản đường loại thứ nhất dài 5,17 m, rộng 2,4 m, dày 0,18 m và nặng khoảng 5t thuộc loại tấm bản bê tông cốt thép ứng suất trước. Đặt trên lớp bảo ôn bê tông bọt dày 0,15 m. Cường độ chịu nén 2 MPa. Việc liên kết giữa hai tấm bản đường là nhờ cốt thép nhô dài ra của đầu tấm bản này cắm vào đầu tấm bản kia. Tấm bản đường loại thứ hai có chiều dài, rộng, dày vẫn giống như loại thứ nhất. Nhưng thuộc loại tấm bản bê tông cốt thép ứng suất trước hai hướng. Điểm khác biệt của nó với loại thứ nhất là được đặt trên lớp đá được xử lý bằng vật liệu dính kết dày 0,30 m. Dùng biện pháp hàn nhiệt nhôm để liên kết các tấm bản. Mục đích là có thể chịu mômen uốn và lực ngang. -14-
Phương án 1: Tấm bản dự ứng lực theo Phương án 2: Tấm bản dự ứng lực hai hướng chiều dọc 1. Tấm bản; 2. Lớp đá cuội; 3. Lớp hỗn hợp 1. Tấm bản; 2. Lớp bê tông bọt; cát đá có bề mặt qua xử lý đặc biệt. 3. Cốt thép thò ra ở đầu. Hình 2.7 - Đường không đá kiểu tấm bản dự ứng lực của đường sắt Đức Hai loại đường kiểu tấm bản này đều dùng phụ kiện giữ ray đàn hồi có tấm đệm sắt. Phía dưới ray đặt các đệm gỗ có chiều dày khác nhau để điều chỉnh độ cao, thấp của ray. Phía dưới đệm cao su có lớp đệm chất dẻo mỏng. Loại đường không đá kiểu tấm bản này sau khi lượng vận chuyển thông qua 45 triệu tấn, lượng lún bình quân 6 mm, trạng thái lớp bê tông bọt tốt khi nhiệt độ ngoài trời xuống dưới -230C thì nhiệt độ thấp nhất của lớp đệm là -10C. Dưới tác dụng của tải trọng động đầu máy điện tốc độ 180  200 km/h chuyển vị dao động của đường không quá 0,6mm, ứng suất nền đường 0,04 MPa. Các chuyên gia đường sắt Đức cho biết mặc dù giá thành đặt đường cao hơn 50%  60% so với đường phổ thông nhưng chi phí duy tu giảm đi một nửa, là một hình thức kết cấu đường có nhiều triển vọng. -15-
1. Tấm bản đường; 2. Vữa xi măng; 3. Lớp bê tông bọt; 4. Ống thoát nước; 5. Sơn chống thấm nước; 6. Nền đường; 7. Lớp gia cố bằng xi măng; 8. Lớp chống băng; 9. Chốt vít; 10. Lỗ rót xi măng. Hình 2.8 - Kết cấu đường kiểu tấm bản trên nền đất của đường sắt Đức -16-
1. Lớp bê tông bọt; 2. Lớp bê tông mác thấp; 3. Lớp bê tông xỉ quặng; 4. Tường lót; 5. Ray UIC60; 6. Tấm bản đường bê tông cốt thép; 7. Đá đường đệm thêm; 8. Quét sơn nhựa đường; 9. Cống thoát nước ngầm; 10. Móng tường; 11. Đá thấm nhập nhựa đường; 12. Kega. Hình 2.9 - Đường không đá kiểu tấm bản ở ga Lata của Đức Ngoài ra năm 1967, đường sắt Tây Đức cũ còn đặt một đoạn thí nghiệm đường kiểu tấm bản ở ga Lata (hình 2.9). Loại kết cấu đường kiểu tấm bản này có thể thích hợp với tàu cao tốc trên 250 km/h, nó có 4 lớp chịu tải trọng. Đầu tiên trên nền đường rải một lớp đất hỗn hợp xi măng dày 15 cm, trên đó là lớp bê tông mác 80 dày 20 cm, tiếp đến là lớp bê tông bọt dày 20 cm, cuối cùng là lớp tấm bản bê tông kiểu phối cốt liên tục mác 350 dày 22 cm. Để đề phòng đường dịch chuyển theo hướng đường ray. Ở cuối tấm bản có tường chắn ngắn. Để khống chế vết nứt phát triển trên tấm bê tông phối cốt liên tục cứ cách 3 m lại có một khe co giãn rộng 4 mm sâu 40 mm. Để giảm ứng suất kéo cần quét sơn nhựa đường lên cốt thép dọc đi qua khe co giãn giả để phòng rỉ. Loại đường kiểu tấm bản này, sau khi thông qua lượng vận chuyển 38 triệu tấn đường chỉ lún bình quân 4-5 mm hiệu quả tốt. 2.2.2. Đường không đá kiểu tà vẹt của đường sắt Đức Năm 1972 đường sắt Tây Đức cũ đã đặt thử đường không đá kiểu tà vẹt ở ga Rheda. Cơ sở dưới ray gồm có tà vẹt bê tông và tấm bản bê tông cốt thép đổ tại hiện trường (xem hình 2.10). -17-
1. Bê tông mác 250 dùng san phẳng và bổ sung; 2. Tà vẹt bê tông B70S, cự ly 60mm; 3. Ray UIC60; 4. Tấm bản bê tông kiểu phối cốt liên tục mác 350; 5. Bê tông bọt; 6. Lớp đất hỗn hợp xi măng; 7. Tường cọc đất; 8. Thanh dọc; 9. Sơn nhựa đường (2kg/m2); 10. Cống ngầm thoát nước; 11. Tầng đá bổ sung; 12. Máng tường; 13. Cốt thép đai; 14. Ke ga; 15. Lớp đá xâm nhập nhựa đường. Hình 2.10 - Đường không đá kiểu tà vẹt ở ga Rheda của Đức Trên mặt nền đường đầu tiên rải một lớp hỗn hợp đất xi măng dày 15 cm, trên đó là lớp bê tông bọt dày 20 cm chủ yếu là tác dụng bảo ôn nhưng cũng có thể chịu tải. Trên lớp này đổ trực tiếp tà vẹt bê tông kiểu phối cốt liên tục dày 14 cm. Trên đó lại đặt tà vẹt bê tông kiểu B70S. Giữa tà vẹt bê tông liền khối và tấm bản đổ tại chỗ có chứa khe hở 3cm để điều chỉnh độ phẳng. Giữa các tà vẹt bê tông và phía đuôi tà vẹt đổ bê tông mác 250. Trong hộp tà vẹt có chôn sẵn 3 vòng đai ở trong tấm bản bê tông để luồn các thanh sắt dọc để đổ bê tông liền khối. Thực tiễn vận doanh đường không đá kiểu tà vẹt ở ga Rheda cho thấy ngoài tác nghiệp điều chỉnh giữa ray ra, hầu như không phải làm các tác nghiệp gì khác, lượng công tác duy tu ít. Loại đường không đá này không ngừng được cải tiến và hoàn thiện. Đến nay đã định hình là đường không đá kiểu Rheda và ứng dụng rộng rãi trên nền đường đất (hình 2.11), trong hầm (hình 2.12) và trên cầu cao (hình 2.13). -18-
Hình 2.11 - Đường không đá kiểu Rheda trên nền đất của đường sắt Đức Hình 2.12 - Đường không đá kiểu Rheda trong hầm đường sắt Đức Hình 2.13 - Đường không đá kiểu Rheda trên cầu của đường sắt Đức Đường không đá kiểu Rheda gồm tà vẹt bê tông liền khối dài 2,6 m và tấm đệm đường bê tông đổ tại chỗ. Tấm đệm đường lại do tấm bản lòng máng và lớp bê tông tạo thành. -19-