Измерительные работы при текущем содержании пути
Железнодорожный путь, его земляное полотно — сложная геотехническая система, представляющая собой комплекс объектов, характеризующихся определенной структурой, геометрическими формами, размерными параметрами всех элементов в продольном и поперечном профилях, стабильностью их во времени, как необходимого условия обеспечения надежности движения поездов.
При эксплуатации все объекты подвергаются интенсивному воздействию поездной нагрузки, природно-климатических факторов, которые приводят к расстройствам пути, ухудшению свойств балласта, нарушению грунтовой среды, возможным деформациям объектов земляного полотна (ОЗП). Поэтому необходим постоянный надзор и систематические контрольные измерения параметров железнодорожного пути для оценки его состояния. Измерительные работы необходимы при техническом обслуживании — ремонтах и текущем содержании пути, при наблюдениях за положением рельсошпальной решетки, балластной призмы, за состоянием объектов земляного полотна и его обустройств.
Первостепенное внимание всегда уделяется измерениям положения рельсовой колеи, которые выполняют путеизмерительными вагонами и тележками для получения количественных размерных показателей, позволяющих достоверно оценивать состояние пути на перегонах, станциях, в том числе на стрелочных переводах и улицах. Вместе с тем при текущем содержании необходим оперативный контроль; ведь положение колеи по уровню, в плане, упругие осадки зависят от качества выправки, рихтовки, исправления пути на пучинах, от просадок, состояния грунтов основной площадки, основания насыпи, устойчивости откосов, от состояния элементов искусственных сооружений.
В «Правилах и технологии выполнения основных работ по текущему содержанию пути» рихтовку и выправку рекомендуется выполнять «на глаз» , с использованием визирок , бинокля, прибора ПРП. Но визирки, применяемые с XIX в., не обеспечивают нужную точность. Положение бинокля не фиксируется, для измерительных работ он не приспособлен, а главное, — нет ни вертикальной, ни горизонтальной нитей.
Прибор ПРП - аналог аппарата фирмы «Матиза» (Швейцария) более полувековой давности — имеет обратное (перевернутое) изображение, малое поле зрения 1°25', небольшой диапазон поворота трубы 5°—7°, ограниченное применение — только на рельсовых нитях, неудобен в работе. Многие дистанции пути прибор утратили.
Почему бы путейцам не дать простой портативный оптический прибор на облегченной телескопической треноге, обязательно с сеткой: вертикальная нить для контроля рихтовки, горизонтальная - для выправки пути. Говорят, мол, у нас теперь есть машина «Дуоматик», сама снимает координаты кривой, сама выправляет. Все верно. А для текущего содержания каждый день на пути, на стрелочных переводах необходим простой (проще нивелира и теодолита) оптический визирный прибор.
Если оглядываться на Запад, то каких только гам нет простых контрольных приборов! Например, на австрийских железных дорогах: для измерения подъемки, выправки пути, отметок с репера, измерения смещений, рихтовки (рис. 1). Только для измерения стрел изгиба в кривых фирма Plasser und Thcurcr предлагает специальную измерительную систему (нивелир, штатив, измерительная и нивелировочная рейки), комплект массой 17,6 кг и т.п.
Различные измерительные работы выполняют при реконструкции балластной призмы, ремонтах земляного полотна с устройством противодеформационных конструкций, дренажей, водоотводов, защитных, удерживающих, улавливающих, габионных и других сооружений. При этом применяют высокоточные нивелиры, теодолиты, цифровые тахеометры. Однако при съемке поперечных профилей (ПП) высоких насыпей, глубоких выемок, например, необходима многократная перестановка высокоточного нивелира и т.п.
Технология измерительных работ существенно упрощается при использовании метода проективных координат (МПК) и способа наклонного луча визирования (НЛВ), основанных на теории проективных подвижных косоугольных координат (ТПК). Каждый элемент ПП (отрезок), ограниченный точками Оi, и Oi+1, на плоскости, как известно, в декартовой системе координат равен Oi Oi+1 = Ö (Xi+1 – Xi)2 + (Yi+1 – Yi) 2 (рис 2).
Для ОЗП в двумерном координатном пространстве известны высота насыпи НH глубина выемки НB ширина основной плошадки Воп, крутизна откосов mот, уклон местности nм. Описание ОЗП упрощается, если начало координат переместить в осевую точку его основания. Однако для реализации на местности необходимо многократно определить превышения Pi и проложения li точек на ПП косогорных участков до соблюдения условий Bоп/2 + m(HH + Pi) - lо. Применяя трудоемкую ватерпасовку и др.
В ТПК для оптимизации определения положения точек ПП разработаны аналитические и векторные решения, позволяющие раскрыть неопределенность ситуаций, исключая неизвестные параметры Pi, и крутизну mi приемами преобразований и трансформации координатной системы, перемещением с поворотами координатных осей и формированием афинной системой косоугольных координат на плоскости, задаваемой начальной точкой О0 и парой неколлинеарных векторов. Использование концепции подвижной косоугольной системы координат и проективного принципа позволяет оптимизировать (минимизировать) число неизвестных размерных параметров и определять элементы ОЗП в условиях любой косогорности (рельефа местности).
Практическая реализация МПК основана на модификации способа наклонного луча визирования с применением оптических и других приборов и приспособлений. Для ОЗП используется принцип параллельности линий визирования проектному направлению откоса крутизной 1: mот.
Например, если установить визирный прибор (рис. 3) в некоторой точке (проекция произвольной точки М на местности), то исключив вычисления рм, 1М и др., достаточно взять горизонтальный отсчет
00 и направив НЛВ параллельно откосу переместить рейку до отсчета Оа = 00 + Нi.
Причем Оa = 00 + НB при 1 = 0,5Воп + Вк;
Оа = 00 при 1 = (0,5ВОП + Вк) + mНB.
Аналогично для насыпи (рис. 4), где в косоугольных системах координат X1OY1 и X2OY2 расстояние ОА равно
XA = ОА1 0 = ОА2° = 0,5ВОП + mНн.
Метод проективных координат, разработанный одним из авторов, положил начало новому направлению измерительных работ на железных и автомобильных дорогах и составлению на этой основе нормативных документов. По методическим указаниям к этому методу был издан комплект цветных плакатов. Он лег в основу Указаний по разбивочным работам при строительстве, реконструкции автодорог и искусственных сооружений (ВСН 5-70), позже Инструкции по разбивочным работам при строительстве, реконструкции и капитальном ремонте автодорог и искусственных сооружений (ВСН 5-81). ЦНИИС, используя метод, разработал Руководство по топографо-геодезическим работам на транспортном строительстве. МПК вошел в учебники, пособия и др.
Рассматриваемая технология измерений эффективна для эксплуатируемого железнодорожного пути, его земляного полотна в системе наблюдений и диагностики ОЗП, состояние которых во времени существенно нарушается проявлением деформативности. Измерительные работы на железнодорожном пути, определение геометрических форм, размерных параметров ОЗП по технологии МПК можно выполнять, используя простые оптические инструменты при достаточной точности и полноте информации.
Таким инструментом является визирный оптический прибор ВОГ-1 (рис. 5), который на основе модельных и патентных материалов кафедры «Путь и путевое хозяйстпо» РГУПСа создало ЦКБ ПО УОМЗ (г. Екатеринбург).
Прибор ВОГ-1 — портативный, многофункциональный, оригинальной конструкции. Зрительная труба имеет цилиндрический уровень, прямое изображение и увеличение 12х, что позволило увеличить угловое поле зрения до 3° и уменьшить длину зрительной трубы, которая вращается на 360° в горизонтальной (на опоре с круглым уровнем) и в вертикальной плоскостях на одной вертикальной стойке. Зрительная труба имеет сетку с вертикальной и горизонтальной нитями и штрихи дальномера (коэффициент 100); пределы фокусирования от 1,2 м до бесконечности.
Горизонтальная опора и вертикальная стойка дополнены кругами (цена деления лимбов 10) для измерения углов (в качестве дополнительной функции). ВОГ-1 не конкурент геодезическим теодолитам, нивелирам. Вместе с тем он совмещает функции этих приборов и предназначен для оперативных измерительных работ на одном поперечнике с привязкой к реперной сети, в пределах одного искусственного сооружения, стрелочного перевода, пикета.
Прибор устанавливают на облегченной телескопической треноге, на стойке с опорным башмаком (на головке рельса). Он прост в обращении и доступен для пользования. Применим ВОГ-1 при рихтовке, выправке, подъемке пути, съемке ПП, контроле водоотводов и других работах. Эффективен при пользовании метода МПК и способа НЛВ.
Например, для определения высоты пучинного горба визирную ось ВОГ-1 направляют параллельно уклону пути, измеряют высоту инструмента Vn; рейку переставляют вдоль пучины до минимального отсчета Оi min высота горба равна hr = VH - Оi min (рис. 6).
Для определения толщины пучинных подкладок прибор устанавливают на вершине горба, визирный луч направляют параллельно уклону i1 = i5 на 5-метровом участке (дельта O 5 = 5000i5 мм); толщина каждой подкладки равна pi5 = Oi5 - VH.
Затем визирный луч направляют параллельно уклону i2 = iД (дельтаОi = li iД, мм) на остальном участке; толщина пучинных подкладок равна Pi = 0i - (VH + дельта5), где дельта5 = 5000(i2 - i1) — постоянная поправка на разницу уклонов i2 и i|.
Опытные образцы прибора прошли продолжительные испытания на Северо-Кавказской дороге, в результате получен ряд предложений по некоторой его доработке. Однако путейцы в целом отмечают доступность ВОГ-1, его необходимость. Он позволит повысить точность контрольно-измерительных работ, что, несомненно, отразится на качестве текущего содержания и ремонтов пути.
Уже получены заявки на визирные приборы от Юго-Восточной, Северо-Кавказской, Приволжской и Эстонской железных дорог.
Журнал "Путь и путевое хозяйство" № 11, 2006 г.