I. WSTĘP
Podstawa opracowania
Podstawę opracowania stanowią informacje zawarte w temacie zadania projektowego wydanego przez prowadzącego, dra inż. Radosława Mazurkiewicza, mapa sytuacyjno-wysokościowa w skali 1:25000 z zaznaczonym przebiegiem w planie istniejącej linii kolejowej, profil podłużny istniejącej linii kolejowej w skali 1:25000/500, obowiązujące przepisy i normy budowlane.
Cel i zakres opracowania
Opracowanie ma na celu zaprojektowanie nowej linii kolejowej o wyższych parametrach łączącej stacje końcowe istniejącej linii. Przewidziano możliwość wykorzystania elementów istniejącej trasy poza układem torowym stacji. Dodatkowo opracowanie ma na celu sprawdzenie możliwości prowadzenia ruchu z podniesionymi parametrami po istniejącej linii kolejowej i projekt modernizacji elementów istniejącej linii.
Zakres opracowania obejmuje wykonanie rysunków i obliczeń geometryczno – kinematycznych dla nowo projektowanej linii, wykonanie obliczeń dla linii istniejącej w przypadku przyjęcia podwyższonych parametrów oraz projekt modernizacji elementu trasy istniejącej.
II. CZĘŚĆ PROJEKTOWA
Stan istniejący
Projektowana linia kolejowa ma połączyć istniejące stacje kolejowe Postolice i Karnice linią kolejową kategorii magistralnej.
Na terenie obejmującym przebieg projektowanej linii istnieje linia kategorii drugorzędnej łącząca stacje w miejscowościach Postolice oraz Karnice. Istniejąca linia ma długość 4.880km i obejmuje poza stacją początkową i końcowa obsługę przystanku osobowego w miejscowości Budziszów Mały. Istniejąca linia może zostać częściowo włączona w przebieg linii nowo projektowanej pod warunkiem spełnienia warunków geometrycznych i kinematycznych dla projektowanej kategorii.
Cel i zakres projektu
Celem projektu jest wykonanie dla celów dydaktycznych projektu linii kolejowej alternatywnej dla istniejącej linii, o wyższych parametrach. Dodatkowym celem projektu jest porównanie geometrii istniejącej linii z wymaganiami dla linii wyższej kategorii i opracowanie planu wymaganych modernizacji.
Zakres projektu obejmuje wykonanie opracowania projektowego dla linii nowo projektowanej, wykonanie obliczeń dla linii nowo projektowanej oraz istniejącej oraz wykonanie projektu modernizacji wybranego elementu linii istniejącej.
Przyjęte założenia i dane techniczne
Założenia i dane techniczne oparto na rozporządzeniu Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej, Dz. U. Nr 151, poz. 987 z dnia 15.12.1998 z późniejszymi zmanami.
Nową linię zaprojektowano jako dwutorową linię zelektryfikowaną kategorii magistralnej, dane techniczne dotyczące wybranej kategorii linii:
Prędkość maksymalna pociągów pasażerskich – vmaxP =160 km/h;
Prędkość maksymalna pociągów towarowych - vmaxT = 100km/h;
Minimalny promień łuku poziomego – 1400 m;
Maksymalne pochylenie podłużne – 12,5 ‰;
Minimalny promień łuku pionowego – 10 000 m
Dopuszczalna wartość niezrównoważonego przyspieszenia bocznego:
- dla pociągów pasażerskich – aP = 0,85 [m/s2];
- dla pociągów towarowych – aT = 0,72 [m/s2];
Zalecana dopuszczalna prędkość podnoszenia koła na rampie przechyłkowej
fdop = 28 mm/s
Dopuszczalny przyrost niezrównoważonego przyspieszenia bocznego dla 10<=T<15
Ψdop = 0,52 m/s3;
Minimalna długość odcinka prostego pomiędzy łukami i kolistej części łuku
$L = \frac{v_{\max}}{2,5} = \frac{160}{2,5} = 64m$.
Wariant I – Budowa nowej linii
Geometria trasy w planie
Trasowanie przeprowadzono z założeniem zminimalizowania długości trasy i ilości kolizji z drogami kołowymi oraz innymi przeszkodami pojawiającymi się na trasie. Geometrię trasy zaprojektowano tak, by odpowiadała wymaganiom dla linii kategorii magistralnej z zastrzeżeniem wyjątków przewidujących projektowanie w trudnych warunkach terenowych (duża ilość przeszkód ograniczających swobodę projektowania).
Obliczenia elementów geometrycznych torów w łukach
- Łuk nr 1 (km 0+304,42 do km 1+10,57)
a). Obliczenia przechyłki
Przechyłka minimalna ze względu na ruch pasażerski
$h_{\min}^{\text{pas}} = \frac{11,8v_{\max}^{2}}{R} - 153a_{\text{dop}} = \frac{11,8*160^{2}}{1000} - 153*0,85 = 176,62\ mm$,
Przechyłka minimalna ze względu na ruch pasażerski z założeniem adop=1,0 dla taboru spełniającego wymagania TSI
$h_{\min}^{\text{pas}} = \frac{11,8v_{\max}^{2}}{R} - 153a_{\text{dop}} = \frac{11,8*160^{2}}{1000} - 153*1,0 = 149,08\ mm$,
gdzie:
vmax − maksymalna predkosc pociagow pasazerskich;
adop – dopuszczalna wartość niezrównoważonego przyspieszenia bocznego dla pociągów pasażerskich;
Przechyłka maksymalna ze względu na ruch towarowy
$h_{\max}^{\text{tow}} = \frac{11,8v_{\max}^{t\ 2}}{R} + 153a_{t} = \frac{11,8*100^{2}}{1000} + 153*0,72 = 191,92\ mm$,
gdzie:
vmaxt − maksymalna predkosc pociagow towarowych;
at – dopuszczalna wartość niezrównoważonego przyspieszenia bocznego dla pociągów towarowych;
Przyjęto maksymalną przechyłkę dopuszczalną h = 150 mm dla łuków o promieniu R=1000 m.
b). Obliczenia rampy przechyłkowej
Długość rampy $L = \frac{h*v_{\max}}{100} = \frac{150*160}{100} = 240\ m$;
Przyjęto długość rampy L = 240 m;
Pochylenie rampy $i_{v} = \frac{h}{L} = \frac{150}{240} = 0,625\frac{\text{mm}}{m} < i_{\max} = 2,0\frac{\text{mm}}{m}\ $.
imax – maksymalne dopuszczalne pochylenie rampy przechyłkowej.
c). Obliczenia krzywych przejściowych
- Łuk nr 1 (km 0+304,42 do km 1+10,57)
Przyjęto długość krzywej przejściowej równa długości rampy przechyłkowej
L = 240m.
Łuk pierwotny:
α = 40 o
R=1000 m
T=363,97 m
Ł=706,15 m
Parabola:
$n = \frac{L^{2}}{24R} = \frac{240^{2}}{24*1000} = 2,4m$;
$\tau = \arcsin\left( \frac{L}{2R} \right) = \arcsin\left( \frac{240}{2*1000} \right) = {6,8921\ }^{o}$;
Łuk przesunięty i skrócony:
α′ = α − 2τ = 40 − 2 * 6, 8921 = 26, 2158 o;
$T^{'} = Rtg\left( \frac{\alpha^{'}}{2} \right) = 1000tg\left( \frac{26,2158}{2} \right) = 232,85\ m$;
$L^{'} = \frac{\pi R\alpha'}{180} = \frac{3,14*1000*26,2158}{180} = 457,55\ m$,
gdzie:
α – kąt zwrotu łuku pierwotnego;
R – promień łuku;
T – długość stycznej łuku pierwotnego;
Ł – długość łuku pierwotnego;
α’ – kąt zwrotu łuku przesuniętego i skróconego;
T’ – długość stycznej łuku przesuniętego i skróconego;
Ł’ – długość łuku przesuniętego i skróconego.
d). Sprawdzenie maksymalnych wartości parametrów kinematycznych:
- na łuku – niezrównoważone przyspieszenie boczne
$a_{\text{pas}} = \frac{v^{2}}{R*{3,6}^{2}} - \frac{h}{153} = 0,990\ \frac{m}{s^{2}} < a_{\text{dop}} = 1,0\frac{m}{s^{2}}$;
${|a}_{\text{tow}}| = |\frac{v_{t}^{2}}{R*{3,6}^{2}} - \frac{h}{153}| = 0,49\frac{m}{s^{2}} < a_{t} = 0,72\frac{m}{s^{2}}$;
- na rampie przechyłkowej – prędkość podnoszenia koła:
$f = \frac{v*h}{3,6L} = \frac{150*160}{3,6*240} = 27,78\frac{m}{s^{2}} < f_{\text{dop}} = 28\frac{m}{s^{2}}\ $;
- na krzywej przejściowej – przyrost przyspieszenia bocznego:
$\psi_{\text{pas}} = \frac{v_{\text{pas}}a_{\text{pas}}}{3,6L} = \frac{160*1,0}{3,6*240} = 0,185\frac{m}{s^{3}} < \psi_{\text{dop}} = 0,52\frac{m}{s^{3}}$;
$\psi_{\text{tow}} = \frac{v_{\text{tow}}a_{\text{tow}}}{3,6L} = \frac{100*0,49}{3,6*240} = 0,091\frac{m}{s^{3}} < \psi_{\text{dop}} = 0,52\frac{m}{s^{3}}$;
gdzie:
apas – niezrównoważone przyspieszenie boczne pociągów pasażerskich;
atow – niezrównoważone przyspieszenie boczne pociągów towarowych;
f – prędkość podnoszenia koła na rampie przechyłkowej;
fdop – największa dopuszczalna wartość prędkości podnoszenia koła;
Ψpas – przyrost przyspieszenia bocznego dla pociągów pasażerskich;
Ψpas – przyrost przyspieszenia bocznego dla pociągów towarowych;
Ψdop – dopuszczalna wartość przyrostu przyspieszenia bocznego.
- Łuk nr 2 (od km 1+596,72 do km 2+281,56) – promień łuku R=1400 m.
a). Obliczenia przechyłki
Przechyłka minimalna ze względu na ruch pasażerski
$h_{\min}^{\text{pas}} = \frac{11,8v_{\max}^{2}}{R} - 153a_{\text{pas}} = \frac{11,8*160^{2}}{1400} - 153*0,85 = 85,72\ mm$;
Przechyłka maksymalna ze względu na ruch towarowy
$h_{\max}^{\text{tow}} = \frac{11,8v_{\max}^{t\ 2}}{R} + 153a_{\text{tow}} = \frac{11,8*100^{2}}{1400} + 153*0,72 = 164,10\ mm$;
Optymalizacja przechyłki:
- optymalizację przeprowadzono w zakresie 90-150 mm. Zakres przyjęto na podstawie obliczonych wartości maksymalnej i minimalnej przechyłki;
- celem optymalizacji było znalezienie wartości przechyłki, dla której wartości przyspieszenia odśrodkowego dla pociągów pasażerskich i dośrodkowego dla pociągów towarowych osiągną zbliżony poziom wykorzystania wartości dopuszczalnych.
Tab.1: Optymalizacja przechyłki dla łuku R=1500 m.
| h [mm] | apas [m/s2] | atow [m/s2] | apas/adopP | atow/adopT | Różnica | Wartość minimalna |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 90 | 0,822 | 0,037 | 0,822 | 0,052 | 0,7701 | |
| 95 | 0,789 | 0,070 | 0,789 | 0,097 | 0,6921 | |
| 100 | 0,757 | 0,103 | 0,757 | 0,143 | 0,6140 | |
| 105 | 0,724 | 0,135 | 0,724 | 0,188 | 0,5359 | |
| 110 | 0,691 | 0,168 | 0,691 | 0,233 | 0,4579 | |
| 115 | 0,659 | 0,201 | 0,659 | 0,279 | 0,3798 | |
| 120 | 0,626 | 0,233 | 0,626 | 0,324 | 0,3017 | |
| 125 | 0,593 | 0,266 | 0,593 | 0,369 | 0,2237 | |
| 130 | 0,560 | 0,299 | 0,560 | 0,415 | 0,1456 | |
| 135 | 0,528 | 0,331 | 0,528 | 0,460 | 0,0675 | |
| 140 | 0,495 | 0,364 | 0,495 | 0,506 | 0,0105 | 0,0105 |
| 145 | 0,462 | 0,397 | 0,462 | 0,551 | 0,0886 | |
| 150 | 0,430 | 0,429 | 0,430 | 0,596 | 0,167 |
Przyjęto przechyłkę h = 140 mm dla łuków o promieniu R=1400 m.
b). Obliczenia rampy przechyłkowej
Długość rampy $L = \frac{h*v_{\max}}{100} = \frac{140*160}{100} = 224\ m$;
Przyjęto długość rampy L = 230 m;
Pochylenie rampy $i_{v} = \frac{h}{L} = \frac{140}{230} = 0,609\frac{\text{mm}}{m} < i_{\max} = 2\frac{\text{mm}}{m}$.
c). Obliczenia krzywych przejściowych
Przyjęto długość krzywej przejściowej równa długości rampy przechyłkowej
L = 230m.
Łuk pierwotny:
α = 28 o
R=1400 m
T=349,06 m
Ł=448,49 m
Parabola:
$n = \frac{L^{2}}{24R} = \frac{230^{2}}{24*1400} = 1,57\ m$;
$\tau = \arcsin\left( \frac{L}{2R} \right) = \arcsin\left( \frac{230}{2*1400} \right) = {4,7117}^{o}$;
Łuk przesunięty i skrócony:
α′ = α − 2τ = 28 − 2 * 4, 7117 = 18, 5766;
$T^{'} = Rtg\left( \frac{\alpha^{'}}{2} \right) = 1400tg\left( \frac{18,5766}{2} \right) = 228,96\ m$;
$L^{'} = \frac{\pi R\alpha'}{180} = \frac{3,14*1400*18,5766}{180} = 453,68\ m$.
d). Sprawdzenie maksymalnych wartości parametrów kinematycznych
- na łuku – niezrównoważone przyspieszenie boczne
$a_{\text{pas}} = \frac{v^{2}}{R*{3,6}^{2}} - \frac{h}{153} = 0,495\ \frac{m}{s^{2}} < a_{\text{dop}} = 0,85\frac{m}{s^{2}}$;
${|a}_{\text{tow}}| = |\frac{v_{t}^{2}}{R*{3,6}^{2}} - \frac{h}{153}| = 0,364\frac{m}{s^{2}} < a_{t} = 0,72\frac{m}{s^{2}}$;
- na rampie przechyłkowej – prędkość podnoszenia koła:
$f = \frac{v*h}{3,6L} = \frac{140*160}{3,6*230} = 25,92\frac{m}{s^{2}} < f_{\text{dop}} = 28\frac{m}{s^{2}}\ $;
- na krzywej przejściowej – przyrost przyspieszenia bocznego:
$\psi_{\text{pas}} = \frac{v_{\text{pas}}a_{\text{pas}}}{3,6L} = \frac{160*0,495}{3,6*230} = 0,092\frac{m}{s^{3}} < \psi_{\text{dop}} = 0,52\frac{m}{s^{3}}$;
$\psi_{\text{tow}} = \frac{v_{\text{tow}}a_{\text{tow}}}{3,6L} = \frac{100*0,364}{3,6*230} = 0,042\frac{m}{s^{3}} < \psi_{\text{dop}} = 0,52\frac{m}{s^{3}}$;
- Łuk nr 3 (km 3+584,29 do km 4+32,78) – promień łuku R=2000 m.
a). Obliczenia przechyłki
Przechyłka minimalna ze względu na ruch pasażerski
$h_{\min}^{\text{pas}} = \frac{11,8v_{\max}^{2}}{R} - 153a_{\text{pas}} = \frac{11,8*160^{2}}{2000} - 153*0,85 = 20,99\ mm$;
Przechyłka maksymalna ze względu na ruch towarowy
$h_{\max}^{\text{tow}} = \frac{11,8v_{\max}^{t\ 2}}{R} + 153a_{\text{tow}} = \frac{11,8*100^{2}}{2000} + 153*0,72 = 147,92\ mm$;
Optymalizacja przechyłki:
- optymalizację przeprowadzono w zakresie 25-145 mm. Zakres przyjęto na podstawie obliczonych wartości maksymalnej i minimalnej przechyłki;
- celem optymalizacji było znalezienie wartości przechyłki, dla której wartości przyspieszenia odśrodkowego dla pociągów pasażerskich i dośrodkowego dla pociągów towarowych osiągną zbliżony poziom wykorzystania wartości dopuszczalnych.
Tab.1: Optymalizacja przechyłki dla łuku R=2000 m.
| h [mm] | apas [m/s2] | atow [m/s2] | apas/adopP | atow/adopT | Różnica | Wartość minimalna |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 25 | 0,8234 | -0,222 | 0,824 | -0,309 | 1,132 | |
| 30 | 0,791 | -0,189 | 0,791 | -0,263 | 1,054 | |
| 35 | 0,758 | -0,157 | 0,758 | -0,218 | 0,976 | |
| 40 | 0,726 | -0,124 | 0,726 | -0,172 | 0,898 | |
| 45 | 0,693 | -0,092 | 0,693 | -0,127 | 0,820 | |
| 50 | 0,660 | -0,059 | 0,660 | -0,082 | 0,742 | |
| 55 | 0,628 | -0,026 | 0,628 | -0,035 | 0,664 | |
| 60 | 0,595 | 0,006 | 0,595 | 0,009 | 0,586 | |
| 65 | 0,562 | 0,039 | 0,562 | 0,054 | 0,508 | |
| 70 | 0,530 | 0,072 | 0,530 | 0,100 | 0,430 | |
| 75 | 0,497 | 0,104 | 0,497 | 0,145 | 0,352 | |
| 80 | 0,464 | 0,137 | 0,464 | 0,191 | 0,274 | |
| 85 | 0,432 | 0,170 | 0,432 | 0,236 | 0,196 | |
| 90 | 0,399 | 0,203 | 0,399 | 0,281 | 0,118 | |
| 95 | 0,366 | 0,235 | 0,366 | 0,327 | 0,039 | 0,039 |
| 100 | 0,334 | 0,268 | 0,334 | 0,372 | 0,039 | 0,039 |
| 105 | 0,301 | 0,300 | 0,301 | 0,418 | 0,116 | |
| 110 | 0,268 | 0,333 | 0,268 | 0,463 | 0,195 | |
| 115 | 0,235 | 0,366 | 0,235 | 0,508 | 0,273 | |
| 120 | 0,203 | 0,399 | 0,203 | 0,553 | 0,351 | |
| 125 | 0,170 | 0,431 | 0,170 | 0,599 | 0,429 | |
| 130 | 0,138 | 0,464 | 0,138 | 0,644 | 0,507 | |
| 135 | 0,105 | 0,497 | 0,105 | 0,690 | 0,585 | |
| 140 | 0,072 | 0,529 | 0,072 | 0,735 | 0,663 | |
| 145 | 0,039 | 0,562 | 0,039 | 0,781 | 0,741 |
Przyjęto przechyłkę h = 95 mm dla łuków o promieniu R=2000 m.
b). Obliczenia rampy przechyłkowej
Długość rampy $L = \frac{h*v_{\max}}{100} = \frac{95*160}{100} = 152\ m$;
Przyjęto długość rampy L = 160 m;
Pochylenie rampy $i_{v} = \frac{h}{L} = \frac{95}{160} = 0,594\frac{\text{mm}}{m} < i_{\max} = 2\frac{\text{mm}}{m}$.
c). Obliczenia krzywych przejściowych
Przyjęto długość krzywej przejściowej równa długości rampy przechyłkowej
L = 160m.
Łuk pierwotny:
α = 13 o
R=2000 m
T=227,87 m
Ł=448,49 m
Parabola:
$n = \frac{L^{2}}{24R} = \frac{160^{2}}{24*2000} = 0,53\ m$;
$\tau = \arcsin\left( \frac{L}{2R} \right) = \arcsin\left( \frac{160}{2*2000} \right) = {2,2924}^{o}$;
Łuk przesunięty i skrócony:
α′ = α − 2τ = 13 − 2 * 2, 2924 = 8, 4152;
$T^{'} = Rtg\left( \frac{\alpha^{'}}{2} \right) = 2000tg\left( \frac{8,4152}{2} \right) = 147,14\ m$;
$L^{'} = \frac{\pi R\alpha'}{180} = \frac{3,14*2000*8,4152}{180} = 293,74\ m$.
d). Sprawdzenie maksymalnych wartości parametrów kinematycznych
- na łuku – niezrównoważone przyspieszenie boczne
$a_{\text{pas}} = \frac{v^{2}}{R*{3,6}^{2}} - \frac{h}{153} = 0,366\ \frac{m}{s^{2}} < a_{\text{dop}} = 0,85\frac{m}{s^{2}}$;
${|a}_{\text{tow}}| = |\frac{v_{t}^{2}}{R*{3,6}^{2}} - \frac{h}{153}| = 0,235\frac{m}{s^{2}} < a_{t} = 0,72\frac{m}{s^{2}}$;
- na rampie przechyłkowej – prędkość podnoszenia koła:
$f = \frac{v*h}{3,6L} = \frac{95*160}{3,6*160} = 26,39\frac{m}{s^{2}} < f_{\text{dop}} = 28\frac{m}{s^{2}}\ $;
- na krzywej przejściowej – przyrost przyspieszenia bocznego:
$\psi_{\text{pas}} = \frac{v_{\text{pas}}a_{\text{pas}}}{3,6L} = \frac{160*0,366}{3,6*160} = 0,103\frac{m}{s^{3}} < \psi_{\text{dop}} = 0,52\frac{m}{s^{3}}$;
$\psi_{\text{tow}} = \frac{v_{\text{tow}}a_{\text{tow}}}{3,6L} = \frac{100*0,235}{3,6*160} = 0,103\frac{m}{s^{3}} < \psi_{\text{dop}} = 0,52\frac{m}{s^{3}}$;
Geometria linii w profilu
Projektowany wariant przewiduje 4 załamania niwelety, o wartości zmiany pochylenia podłużnego od Δi = 3,0 ‰ do Δi = 14,2 ‰. Maksymalne przewidywane pochylenie podłużne toru wynosi 9,22 ‰.Minimalna odległość pomiędzy załamaniami niwelety wynosi 519,66 m.
Przewidziano zastosowanie łuków pionowych o promieniu R = 10 000 m tylko w załomach niwelety, dla których odległość teoretycznego punktu załomu niwelety od krzywizny łuku zaokrąglającego, mierzona wzdłuż promienia wynosi z ≥ 8 mm, gdzie:
$$z = \frac{R\left( i_{1} - i_{2} \right)^{2}}{8000}$$
Odległość początku łuku od punktu załomu niwelety wyznaczono za pomocą wzoru:
$$t = \frac{R(i_{1} - i_{2})}{2000}$$
Tab.2: Zestawienie obliczeń dla kolejnych załomów niwelety – Wariant 1.
| Lp. | km+Hm | i1 [‰] | i2 [‰] | z [mm] | t [m] | Łuk |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0+519,66 | 0,50 | 9,22 | 95,05 | 43,6 | Tak |
| 2 | 1+337,98 | 9,22 | -6,05 | 291,47 | 76,35 | Tak |
| 3 | 2+532,37 | -6,05 | 2,50 | 91,38 | 42,75 | Tak |
| 4 | 3+94,14 | 2,50 | -0,50 | 11,25 | 15,00 | Tak |
Wariant II – Modernizacja
Przeprowadzono sprawdzenie warunków w celu sprawdzenia dopuszczalności ruchu z prędkościami vp2=160km/h i vt2=100km/h
Łuki kołowe
a). Warunek zgodności promienia łuku z wartościami minimalnymi wg przepisów:
Minimalna wartość promienia łuku dla kategorii magistralnej w terenie nizinnym wynosi 1400m. Ze względu na trudne warunki terenowe (modernizacja linii) można zmniejszyć wymaganą wartość promienia łuku do wartości 600m. Łuki występujące w istniejącej linii (R1=R2=600m) spełniają wymagania dla trudnych warunków terenowych.
b). Warunek minimalnej długości promienia łuku
Warunek sprawdzono z wykorzystaniem zależności:
$R \geq \frac{v_{p2}}{12,96\left( a_{\max} + 0,00654h_{\max} \right)} = \frac{160^{2}}{12,96*\left( 0,85 + 0,00654*150 \right)} = 1096,78m$.
Warunek nie został spełniony, należy zwiększyć wartość promienia łuku lub zmniejszyć prędkość pociągów do wartości v=115km/h.
$R \geq \frac{v_{p2}}{12,96\left( a_{\max} + 0,00654h_{\max} \right)} = \frac{115^{2}}{12,96*\left( 0,85 + 0,00654*150 \right)} = 557,32m$.
c). Warunek minimalnej długości kolistej części łuku
Lmin=64m.
Długości łuków (Łuk1 – 665m, Łuk2 – 398m) spełniają warunek minimalnej długości.
Tab.3: Zestawienie parametrów łuków:
| Łuk | Promień | Długość łuku |
|---|---|---|
| Od km. | Do km. | istniejący |
| 1+770 | 2+440 | 600 |
| 2+760 | 3+150 | 600 |
Uwagi:
Ze względu na istniejący układ łuków i sąsiedztwo dróg kołowych przebudowa łuków jest znacznie utrudniona (zmiana kąta przecięcia z drogą kołową do wartości poniżej 60o, potrzeba wpłynięcia na układ torowy poza łukami, budowa łuku koszowego odwrotnego). Uzasadnione jest zmniejszenie dopuszczalnej prędkości na łukach do wartości v=115km/h.
Istnieje możliwość przebudowy łuku nr1 i zmianę układu łuków w łuk koszowy odwrotny bez znaczącej ingerencji w cały istniejący układ torowy i przekraczania wartości dopuszczalnych dla wszystkich wymaganych parametrów (w łuku nr1).
Prechyłki
a). Warunek możliwości doboru przechyłki przy nieprzekroczeniu adop:
Dla R=600m:
hpas,min=378,01mm
htow,max=306,83mm
$v_{p2,\max} \leq \sqrt{v_{t2}^{2} + 12,96R\left( a_{\max} + a_{t} \right)} = 148,24\frac{\text{km}}{h}$.
hpas,min(145km/h)=288,03mm<htow,max
Zestawienie prędkości:
| Łuk | Prędkość |
|---|---|
| Od km. | Do km. |
| 1+770 | 2+440 |
| 2+760 | 3+150 |
Uwagi:
Dla zakładanych wartości prędkości dopuszczalnych nie ma możliwości doboru przechyłki, konieczna redukcja Vp2 do poziomu 145km/h.
b). Warunek nieprzekroczenia amax dla stanu istniejącego
h ≥ hpas,min = 288,03mm
| Łuk | Przechyłka dla vp2, vt2 | Przechyłka istn | Przechyłka przyjęta |
|---|---|---|---|
| Od km. | Do km. | hpas,min | htow,max |
| 1+770 | 2+440 | 288,03 | 306,83 |
| 2+760 | 3+150 | 288,03 | 306,83 |
Uwagi:
Dla przyjętych warunków nie ma możliwości przyjęcia przechyłki w granicach wymaganych rozporządzeniem. Należy ograniczyć prędkość pociągów pasażerskich do poziomu vp=115km/h dla osiągnięcia hpas,min=135 mm.
Krzywe przejściowe
Warunek nieprzekroczenia Ψ na długości krzywej przejściowej (dla h=150, v=115)
$L \geq \frac{a*v}{3,6\ \Psi} = \frac{0,72*115}{3,6*0,52} = 44,25m$.
| Łuk | Długość krzywej przejściowej |
|---|---|
| Od km. | Do km. |
| 1+770 | 2+440 |
| 2+760 | 3+150 |
Uwagi: Należy zwiększyć długość krzywych przejściowych do L=45m.
Rampa przechyłkowa
a). Warunek nieprzekroczenia dopuszczalnej prędkości podnoszenia koła
$f = \frac{v*h}{3,6L} = \frac{115*150}{3,6*45} = 106,48$,
$L \geq \frac{v*h}{3,6f_{\text{dop}}}^{'} = \frac{115*150}{3,6*28} = 171,13m$,
W celu spełnienia warunku f należy zwiększyć długość rampy przechyłkowej do L=175m.
b). Warunek nieprzekroczenia pochylenia i
$L \geq \frac{h}{i}*1000 = \frac{150}{2}*1000 = 75m$.
| Łuk | Długość rampy |
|---|---|
| Od km. | Od km. |
| 1+770 | 1+770 |
| 2+760 | 2+760 |
Uwagi:
W celu spełnienia warunków dla rampy należy zwiększyć jej długość do L=175m.
Proste
Wymagana długość wstawki prostej wynosi 64m dla parametrów docelowych. Najkrótszy odcinek prosty istniejącej linii przed zmianami wynosi 316m.
Sprawdzenie wymagań dotyczących profilu podłużnego.
Pochylenia dopuszczalne
Dopuszczalne pochylenia dla ruchu mieszanego wynoszą 12,5‰. Maksymalne pochylenie istniejącego odcinka wynosi 4,5‰.
Sprawdzenie minimalnej długości odcinków o pochyleniu jednostajnym
Minimalna długość odcinka o pochyleniu jednostajnym dla kategorii magistralnej wynosi 750m. Ze względu na trudne warunki terenowe można tą długość ograniczyć do L=250m.
Najkrótszy odcinek o jednostajnym pochyleniu ma długość 380m, drugi w kolejności ma 811m. Tylko dla odcinka o długości 380m jest potrzeba skorzystania z wyjątku przepisów dla warunków tudnych.
Załomy profilu podłużnego
Zestawienie wartości załomów profilu podłużnego i łuków pionowych:
| Załom | Promień | z | Łuk |
|---|---|---|---|
| km | Istn. | Wymagany | Istn. |
| 1+12,50 | 5000 | 10000 | 15,625 |
| 1+849 | 5000 | 10000 | 12,656 |
| 2+242 | - | 10000 | 6,006 |
| 3+880 | - | 10000 | 8,100 |
Uwagi:
Na każdym załomie niwelety należy zastosować łuk pionowy po modernizacji.
Wstępne obliczenie robót ziemnych
Roboty ziemne obliczono w sposób uproszczony dla przebiegu alternatywnego i przebiegu odcinka po modernizacji istniejącej linii
Wariant alternatywny:
| km | Nasyp | Przekop | Odl. | Pow. śr | Objętość | Nadmiar obj. | Suma |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| H | F | H | F | L | Fśr | Fśr | |
| [m] | [m2] | [m] | [m2] | [m] | [m2] | [m2] | |
| 0 | 0.5 | 5.625 | |||||
| 520 | 0.5 | 5.625 | 520 | 6 | |||
| 1340 | 6 | 117 | 820 | 61 | |||
| 2530 | 0.4 | 4.44 | 1190 | 61 | |||
| 2530 | 0 | 0 | 0 | 2 | |||
| 3820 | 0 | 0 | 1290 | 0 | |||
| 4320 | 1.7 | 22.185 | 500 | 11 | |||
| 4320 | 2 | 27 | 0 | 25 | |||
| 4820 | 1.2 | 14.76 | 500 | 21 | |||
| 5320 | 3.6 | 57.24 | 500 | 36 | |||
Wariant modernizacji:
| km | Nasyp | Przekop | Odl. | Pow. śr | Objętość | Nadmiar obj. | Suma |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| H | F | H | F | L | Fśr | Fśr | |
| [m] | [m2] | [m] | [m2] | [m] | [m2] | [m2] | |
| 0 | 1.0 | 12.0 | |||||
| 700 | 1.5 | 19.1 | 700 | 16 | |||
| 1560 | 0.0 | 0.0 | 860 | 10 | |||
| 2440 | 1.5 | 19.1 | 880 | 10 | |||
| 2440 | 0.9 | 10.1 | 0 | 15 | |||
| 2940 | 0.0 | 0.0 | 500 | 5 | |||
| 2940 | 0.6 | 11.0 | 0 | ||||
| 3210 | 0.6 | 11.0 | 270 | 11 | |||
| 3210 | 0.0 | 0.0 | 0 | 0 | |||
| 4060 | 1.6 | 20.6 | 850 | 10 | |||
| 5060 | 2.3 | 32.1 | 1000 | 26 | |||
Zestawienie ilości materiałów nawierzchni na 1 km toru
Zestawienie nawierzchni na 1 km toru przedstawia planowaną nawierzchnię dla obu wariantów.
| Nazwa | Typ/ozn. | Masa 1szt./1mb | Nakład na 1km toru |
|---|---|---|---|
| [kg] | [szt.] | ||
| Szyny | 60E1 | 60 | - |
| Podkłady strunobetonowe | PS-93 | 286 | 1667 |
| Łapki sprężyste | SB-7 | 0,75 | 6668 |
| Wkładki dociskowe | WKW60 | - | 6668 |
| Podkładki kształtowe | PKW60 | - | 3334 |
| Podsypka tłuczniowa | 31,5/50 | ≈10000 | - |
Analiza porównawcza wariantów
Analizę przeprowadzono na podstawie wybranych parametrów porównawczych.
| L.p. | Kryterium | Wielkość | Wybór |
|---|---|---|---|
| Nowa linia | Modernizacja | ||
| 1 | Długość linii | ||
| - całkowita | 4688m | 4800m | |
| - dł. odc. nowych/modernizowanych | 3729m | 3500m | |
| - wsp. wydłużenia linii | 0,96 | 0,98 | |
| 2 | Przebieg w planie | ||
| - promienie łuków | 1400m | 1100m | |
| - promień średni | 1400m | 1256m | |
| - suma kątów zwrotu | 93o | 73o | |
| 3 | Przebieg w profilu | ||
| - pochylenia maksymalne | 9,22‰ | 8,10‰ | |
| - suma zmian wysokości (wzniesienia/spadki) | 10,9m/10,1m | 5,8m/4,5m | |
| 4 | Inwestycje związane z drogą kolejową | ||
| - przystanki osobowe | 0 | 1 (przebudowa) | |
| 5 | Inne | ||
| - nowe wiadukty | 1 | 0 | |
| - suma robót ziemnych (nasypy) | 159444 m3 | 62234 m3 |
Na podstawie analizy ze względu na znaczna różnicę w robotach ziemnych i brak potrzeby budowania nowych obiektów inżynieryjnych wybrano wariant modernizacji istniejącej linii.
III. CZĘŚĆ WYKONAWCZA
Podstawa opracowania
Podstawę opracowania stanowią informacje zawarte w temacie zadania projektowego wydanego przez prowadzącego, dra inż. Radosława Mazurkiewicza, mapa sytuacyjno-wysokościowa w skali 1:25000 z zaznaczonym przebiegiem w planie istniejącej linii kolejowej, profil podłużny istniejącej linii kolejowej w skali 1:25000/500, obowiązujące przepisy i normy budowlane.
Cel i zakres opracowania
Opracowanie ma na celu zaprojektowanie modernizacji istniejącej linii kolejowej w celu podniesienia jej parametrów użytkowych.
Zakres opracowania obejmuje wykonanie rysunków i obliczeń geometryczno – kinematycznych dla modernizowanych elementów linii.
Geometria trasy w planie
Trasowanie przeprowadzono z założeniem zwiększenia promienia łuków poziomych na podstawie obliczeń przedstawionych w poprzedniej części opracowania. Zdecydowano się na modernizację obu łuków istniejącej linii, przy czym promień łuku pierwszego zwiększono do 1100m, a drugiego do 1600m. Ze względu na trudne warunki terenowe i gęstą zabudowę w pobliżu projektowanego odcinka zdecydowano o przekroczeniu przepisów w zakresie dopuszczalnego kąta skrzyżowania z drogą kołową kosztem widoczności na przejeździe. Powoduje to potrzebę ograniczenia prędkości pojazdów drogowych na przejeździe.
Obliczenia elementów geometrycznych torów w łukach
- Łuk nr 1 (km 1+461,00 do km 2+401,00) R=1100m
a). Obliczenia przechyłki
Przechyłka minimalna ze względu na ruch pasażerski
$h_{\min}^{\text{pas}} = \frac{11,8v_{\max}^{2}}{R} - 153a_{\text{dop}} = \frac{11,8*160^{2}}{1100} - 153*0,85 = 144,56\text{\ mm}$,
gdzie:
vmax − maksymalna predkosc pociagow pasazerskich;
adop – dopuszczalna wartość niezrównoważonego przyspieszenia bocznego dla pociągów pasażerskich;
Przechyłka maksymalna ze względu na ruch towarowy
$h_{\max}^{\text{tow}} = \frac{11,8v_{\max}^{t\ 2}}{R} + 153a_{t} = \frac{11,8*100^{2}}{1100} + 153*0,72 = 217,43\text{\ mm}$,
gdzie:
vmaxt − maksymalna predkosc pociagow towarowych;
at – dopuszczalna wartość niezrównoważonego przyspieszenia bocznego dla pociągów towarowych;
Przyjęto maksymalną przechyłkę dopuszczalną h = 150 mm dla łuków o promieniu R=1100 m.
b). Obliczenia rampy przechyłkowej
Długość rampy $L = \frac{h*v_{\max}}{100} = \frac{150*160}{100} = 240\ m$;
Przyjęto długość rampy L = 250 m;
Pochylenie rampy $i_{v} = \frac{h}{L} = \frac{150}{250} = 0,6\frac{\text{mm}}{m} < i_{\max} = 2,0\frac{\text{mm}}{m}\ $.
imax – maksymalne dopuszczalne pochylenie rampy przechyłkowej.
c). Obliczenia krzywych przejściowych
- Łuk nr 1 (km 0+304,42 do km 1+10,57)
Przyjęto długość krzywej przejściowej równa długości rampy przechyłkowej
L = 250m.
Łuk pierwotny:
α = 49 o
R=1100 m
T=501,00 m
Ł=939,70 m
Parabola:
$n = \frac{L^{2}}{24R} = \frac{{250}^{2}}{24*1100} = 2,37m$;
$\tau = \arcsin\left( \frac{L}{2R} \right) = \arcsin\left( \frac{250}{2*1100} \right) = {6,5250\ }^{o}$;
Łuk przesunięty i skrócony:
α′ = α − 2τ = 49 − 2 * 6, 5250 = 35, 95 o;
$T^{'} = Rtg\left( \frac{\alpha^{'}}{2} \right) = 1100tg\left( \frac{35,95}{2} \right) = 356,88\text{\ m}$;
$L^{'} = \frac{\pi R\alpha'}{180} = \frac{3,14*1100*35,95}{180}690,19\text{\ m}$,
gdzie:
α – kąt zwrotu łuku pierwotnego;
R – promień łuku;
T – długość stycznej łuku pierwotnego;
Ł – długość łuku pierwotnego;
α’ – kąt zwrotu łuku przesuniętego i skróconego;
T’ – długość stycznej łuku przesuniętego i skróconego;
Ł’ – długość łuku przesuniętego i skróconego.
d). Sprawdzenie maksymalnych wartości parametrów kinematycznych:
- na łuku – niezrównoważone przyspieszenie boczne
$a_{\text{pas}} = \frac{v^{2}}{R*{3,6}^{2}} - \frac{h}{153} = 0,815\ \frac{m}{s^{2}} < a_{\text{dop}} = 0,85\frac{m}{s^{2}}$;
${|a}_{\text{tow}}| = |\frac{v_{t}^{2}}{R*{3,6}^{2}} - \frac{h}{153}| = 0,279\frac{m}{s^{2}} < a_{t} = 0,72\frac{m}{s^{2}}$;
- na rampie przechyłkowej – prędkość podnoszenia koła:
$f = \frac{v*h}{3,6L} = \frac{150*160}{3,6*250} = 26,67\frac{m}{s^{2}} < f_{\text{dop}} = 28\frac{m}{s^{2}}\ $;
- na krzywej przejściowej – przyrost przyspieszenia bocznego:
$\psi_{\text{pas}} = \frac{v_{\text{pas}}a_{\text{pas}}}{3,6L} = \frac{160*0,82}{3,6*250} = 0,151\frac{m}{s^{3}} < \psi_{\text{dop}} = 0,52\frac{m}{s^{3}}$;
$\psi_{\text{tow}} = \frac{v_{\text{tow}}a_{\text{tow}}}{3,6L} = \frac{100*0,49}{3,6*240} = 0,054\frac{m}{s^{3}} < \psi_{\text{dop}} = 0,52\frac{m}{s^{3}}$;
gdzie:
apas – niezrównoważone przyspieszenie boczne pociągów pasażerskich;
atow – niezrównoważone przyspieszenie boczne pociągów towarowych;
f – prędkość podnoszenia koła na rampie przechyłkowej;
fdop – największa dopuszczalna wartość prędkości podnoszenia koła;
Ψpas – przyrost przyspieszenia bocznego dla pociągów pasażerskich;
Ψpas – przyrost przyspieszenia bocznego dla pociągów towarowych;
Ψdop – dopuszczalna wartość przyrostu przyspieszenia bocznego.
- Łuk nr 2 (od km 2,843,00 do km 3+297,00) R=1600 m.
a). Obliczenia przechyłki
Przechyłka minimalna ze względu na ruch pasażerski
$h_{\min}^{\text{pas}} = \frac{11,8v_{\max}^{2}}{R} - 153a_{\text{pas}} = \frac{11,8*160^{2}}{1600} - 153*0,85 = 58,75\text{\ mm}$;
Przechyłka maksymalna ze względu na ruch towarowy
$h_{\max}^{\text{tow}} = \frac{11,8v_{\max}^{t\ 2}}{R} + 153a_{\text{tow}} = \frac{11,8*100^{2}}{1600} + 153*0,72 = 183,91\text{\ mm}$;
Przyjęto przechyłkę h=100mm ze względu na przystanek osobowy znajdujący się na łuku.
b). Obliczenia rampy przechyłkowej
Długość rampy $L = \frac{h*v_{\max}}{100} = \frac{100*160}{100} = 160\text{\ m}$;
Przyjęto długość rampy L = 160 m;
Pochylenie rampy $i_{v} = \frac{h}{L} = \frac{100}{160} = 0,625\frac{\text{mm}}{m} < i_{\max} = 2\frac{\text{mm}}{m}$.
c). Obliczenia krzywych przejściowych
Przyjęto długość krzywej przejściowej równa długości rampy przechyłkowej
L = 160m.
Łuk pierwotny:
α = 24 o
R=1600 m
T=335,00 m
Ł=661,00 m
Parabola:
$n = \frac{L^{2}}{24R} = \frac{{160}^{2}}{24*1600} = 0,67\text{\ m}$;
$\tau = \arcsin\left( \frac{L}{2R} \right) = \arcsin\left( \frac{160}{2*1600} \right) = {2,8656}^{o}$;
Łuk przesunięty i skrócony:
α′ = α − 2τ = 24 − 2 * 2, 8656 = 18, 2680;
$T^{'} = Rtg\left( \frac{\alpha^{'}}{2} \right) = 1600tg\left( \frac{18,2680}{2} \right) = 257,25\text{\ m}$;
$L^{'} = \frac{\pi R\alpha'}{180} = \frac{3,14*1600*18,2680}{180} = 510,14\text{\ m}$.
d). Sprawdzenie maksymalnych wartości parametrów kinematycznych
- na łuku – niezrównoważone przyspieszenie boczne
$a_{\text{pas}} = \frac{v^{2}}{R*{3,6}^{2}} - \frac{h}{153} = 0,581\ \frac{m}{s^{2}} < a_{\text{dop}} = 0,85\frac{m}{s^{2}}$;
${|a}_{\text{tow}}| = |\frac{v_{t}^{2}}{R*{3,6}^{2}} - \frac{h}{153}| = 0,171\frac{m}{s^{2}} < a_{t} = 0,72\frac{m}{s^{2}}$;
- na rampie przechyłkowej – prędkość podnoszenia koła:
$f = \frac{v*h}{3,6L} = \frac{100*160}{3,6*160} = 27,78\frac{m}{s^{2}} < f_{\text{dop}} = 28\frac{m}{s^{2}}\ $;
- na krzywej przejściowej – przyrost przyspieszenia bocznego:
$\psi_{\text{pas}} = \frac{v_{\text{pas}}a_{\text{pas}}}{3,6L} = \frac{160*0,581}{3,6*160} = 0,161\frac{m}{s^{3}} < \psi_{\text{dop}} = 0,52\frac{m}{s^{3}}$;
$\psi_{\text{tow}} = \frac{v_{\text{tow}}a_{\text{tow}}}{3,6L} = \frac{100*0,171}{3,6*160} = 0,030\frac{m}{s^{3}} < \psi_{\text{dop}} = 0,52\frac{m}{s^{3}}$;
Geometria linii w profilu
Projektowany wariant przewiduje 6 załamań niwelety, o wartości zmiany pochylenia podłużnego od Δi = 1,56 ‰ do Δi = 10,87 ‰. Maksymalne przewidywane pochylenie podłużne toru wynosi 8,10 ‰.Minimalna odległość pomiędzy załamaniami niwelety wynosi 200 m. Taka odległość pomiędzy załamaniami niwelety została warunkowo dopuszczona w obrębie zakończenia torów stacyjnych ze względu na trudność w osiągnięciu wymaganej wysokości nasypów nad przepustami. Powodem przebudowy są również błędy projektowe istniejącej linii.
Przewidziano zastosowanie łuków pionowych o promieniu R = 10 000 m tylko w załomach niwelety, dla których odległość teoretycznego punktu załomu niwelety od krzywizny łuku zaokrąglającego, mierzona wzdłuż promienia wynosi z ≥ 8 mm, gdzie:
$$z = \frac{R\left( i_{1} - i_{2} \right)^{2}}{8000}$$
Odległość początku łuku od punktu załomu niwelety wyznaczono za pomocą wzoru:
$$t = \frac{R(i_{1} - i_{2})}{2000}$$
| Lp. | km+Hm | i1 [‰] | i2 [‰] | z [mm] | t [m] | Łuk |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0+500,00 | 0,50 | 5,00 | 37,81 | 27,50 | Tak |
| 2 | 0+700,00 | 5,00 | -0,40 | 36,45 | 27,00 | Tak |
| 3 | 1+370,00 | -0,40 | -2,04 | 3,36 | 8,20 | Nie |
| 4 | 2+440,00 | -2,04 | 2,77 | 28,92 | 24,05 | Tak |
| 5 | 4+0,00 | 2,77 | -8,10 | 147,70 | 54,35 | Tak |
| 6 | 4+200,00 | -8,10 | -0,5 | 72,20 | 38,00 | Tak |
Dodatkowe uwagi dotyczące projektowanego przebiegu odcinka
Ze względu na ukształtowanie terenu w punkcie załomu trasy w km 1+935,00 zdecydowano nie wykonywać przepustu poprzecznego. Niewielkie rozmiary zlewni i pochylenia poprzeczne terenu wskazują, że ekonomicznie uzasadnione jest wykonanie basenu retencyjnego w tym przekroju. Obliczenia zlewni i wymiary basenu znajdą się w osobnym opracowaniu.
Istniejące przepusty w zasięgu stacji początkowej i końcowej spowodowały potrzebę wykorzystania zmniejszonych długości torów o jednolitym pochyleniu. W celu zminimalizowania robót prowadzonych w głównych częściach stacji podniesienie niwelety przed przepustami wykonano na odcinkach około 200m przed przepustem.
Przystanek osobowy Budziszów Mały znajduje się w obrębie zmian projektowych dotyczących zmiany odcinka prostego na łuk o promieniu 1600m. Przewidziano przeniesienie infrastruktury przystankowej wraz z osią torowiska. Przechyłka zastosowana na łuku (100mm) mieści się w wartościach dopuszczalnych przechyłki torowiska w obrębie przystanku.