CC BY
18
Четвертнова В. В. УДК 625.1.033
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ НА РАБОТУ ПРОТЯЖЕННЫХ ТРАНСПОРТНЫХ ОБЪЕКТОВ С ПОЗИЦИИ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА
Железнодорожный путь, являясь протяженным транспортным объектом, пересекает территории с резко отличающимися инженерно-геологическими условиями. Рассматривая в качестве примера Транссибирскую железнодорожную магистраль в пределах Восточной Сибири, можно отметить чередования зон различной тектонической активности. Современные подвижки в этих зонах фиксируются инструментальными методами, гидрогеохимическими аномалиями, методами спутниковой геодезии и т.п. [1] Вполне закономерно встает вопрос о взаимосвязи надежности железнодорожного пути с состоянием земляного полотна и его основания в зонах активных движений земной коры.
Взгляд на протяженный транспортный объект с позиции системного подхода позволяет проецировать открытия последний десятилетий в области геодинамики на его функционирование. Участки таких объектов, проходящие по зонам тектонических нарушений, определяются, как участки активных движений земной коры, а подвижки земной поверхности по отношению к работе протяженных транспортных объектов могут быть названы геодеформационными воздействиями.
Геологические исследования последних десятилетий показывают, что процессы, происходящие в земной коре и передающиеся на поверхность, значительно влияют на работу протяженных транспортных сооружений. В результате чего, наблюдаются смещения и повреждения конструкций трубопроводов, опор мостов, тоннелей, деформации земляного полотна железнодорожного пути, расстройства рельсовой колеи. Статистика показывает, что аварии на нефтегазовых объектах, оказавшихся в пределах геодинамических аномалий, часто повторяемы [2]. Исследования статистических рядов отказов железнодорожного пути
Транссибирской магистрали за 100 лет эксплуатации подтверждают влияние современных подвижек в зонах активных движений земной коры на работу инженерных сооружений частотой деформаций земляного полотна, неисправностей верхнего строения пути и повреждений мостов и труб [3].
Земляное полотно, воспринимает статическую нагрузку от верхнего строения пути и динамическую - от подвижного состава, упруго передает ее на своё основание. Являясь фундаментом верхнего строения пути, земляное полотно служит для выравнивания земной поверхности в пределах железнодорожной трассы и придания пути необходимого плана и продольного профиля [4]. Основные требования к земляному полотну, особенности его расчетов и содержания сформулированы и приводятся в технической литературе [5, 6]. Проблемам земляного полотна посвящены работы Г.М. Шахунянца, В.П. Титова, Т.Г. Яковлевой, В.В. Виноградова, В.И. Грицыка и др. ученых. При этом «основание пути» представляется стабильным, а прохождение железнодорожного пути по слабым грунтам, в сложных инженерно-геологических условиях предусматривает дополнительную защиту. Современная транспортная наука теоретически позволяет добиться устойчивого земляного полотна и его основания при строгом соблюдении разработанных нормативов проектирования и эксплуатации. В тоже время в современных расчетах стабильность и устойчивость железнодорожного пути не связывается с геодеформационными воздействиями (за исключением сейсмически активных районов). Такой подход основан на представлении о Земле, как о статической среде горного производства, подземных сооружений и основания наземных инженерных сооружений. В действительности, тектонические нарушения -
иркутским государственный университет путей сообщения
разломы и другие границы блоков земной коры обладают определенной подвижностью даже на территориях, спокойных с точки зрения сейсмичности. Эта подвижность проявляется в виде смещений блоков земной коры и их приповерхностных слоев и не учитывается в современных расчетах железнодорожного пути и нормах его проектирования [5,6].
Проблема эксплуатационной надежности протяженных транспортных объектов не может быть решена с позиции узкой специализации, которая, при всей глубине знаний в отдельных отраслях не позволяет создать целостную картину объекта исследования. Рассматривая любой транспортный объект в виде сложной многоуровневой открытой системы, можно констатировать, что ее «непредсказуемость» в ряде случаев (аварии трубопроводов, сходы подвижного состава и так далее) может найти объяснения лишь с позиции системного подхода.
Системный подход в решении задачи эксплуатационной надежности железнодорожного пути требует, прежде всего, учета ряда дополнительных факторов, влияющих в реальных условиях на его работу. К таким факторам, учитывая значительную протяженность рассматриваемого объекта, можно отнести, фактор неоднородности геологической среды, фактор, отражающий сложность инженерно-геологических условий прохождения железной дороги. Выделение фактора «геодеформационного воздействия» и оценка его влияния на устойчивость основания пути и в целом на устойчивость и предсказуемость системы транспортного объекта в зонах активных движений земной коры, в полной мере отвечает принципам системного подхода.
На рис.1 представлена система железнодорожного пути, сформированная по результатам проведенной декомпозиции объекта исследования. В данном случае из области неуправляемых факторов предлагается выделить фактор «геодеформационные воздействия», который на определенных участках железнодорожного пути оказывает влияние на выходные параметры, и прежде всего, на уровень его надежности.
Рис. 1. Система железнодорожного пути.
Системный подход позволяет в рамках подсистемы «основание пути» выделить системообразующий фактор, который, являясь относительно самостоятельной ступенью в структуре объекта, несет в себе информацию
0 ее целостности.
Связывая геодеформационные воздействия с надежностью, следует отметить, что надежность железнодорожного пути формируется непрерывно на всех этапах его существования.
На рис.2 представлена условная схема формирования и изменения надежности транспортной системы (на примере железнодорожного пути). При этом периодичность выполнения ремонтов исчисляется нормативной наработкой по тоннажу с учетом фактического состояния пути и грузонапряженности участка линии [7]. В эту схему не вписываются «всплески» неисправностей пути, приуроченные к участкам незначительной протяженности (100-500 м), несоразмеримой с длиной перегона. Для примера приведена таблица
1 «Неисправности пути на участке ст. Зима- ст. Ангарск ВСЖД», характеризующая частоту повторяемости отказов на отдельных пикетах выбранного направления Транссибирской магистрали. Отказы по причине неисправностей пути фиксируются в журналах предупреждений об ограничении скоростей. В таблице отражены отказы за период 1985-1996г.г. и выделены пикеты с повторяемостью отказов более трех раз.
МЕХАНИКА. ТРАНСПОРТ. МАШИНОСТРОЕНИЕ
[ЩЩ оо оо
1
Табл. 1.
Неисправности пути на участке ст. Зима- ст. Ангарск ВСЖД.
Станция Грузонапряженость, млн. ткм/км в год I путь/П путь Отказы (неисправности пути) местоположение / дата
Ст. Зима КМ4934
37.9/75.6 ПК49597 1путь /1992;1993; 1993; ПК49597 2путь/ 1992; ПК49669 1путь/ 1993; 1993; 1995; ПК49669 2 путь /1992; ПК68688 1путь/ 1992; 1993; 1994; ПК68688 2 путь/1991; 1993; 1993,1994.
Ст. Черемхово КМ 5054
36.8/55.4
Ст. Касьяновка КМ 5066
38.7/59.1 ПК50965 1 путь /1995; 1995; ПК 50965 2 путь /1985; 1988; 1995 ПК 50985 1 путь / 1994; 1994; ПК 50985 2 путь / 1985; 1996; ПК 51250 1 путь/ 1986; 1994 ПК 51250 2 путь/1986; 1993; 1994; ПК51375 1 путь/1985; 1992; 1995; 1996 ПК51375 2путь / 1987; 1988; 1994; 1994; 1994; 1996; ПК51395 1 путь/1996 ПК51395 2путь / 1986; 1988; 1988; 1992; 1994
Ст. Ангарск КМ 5143.7
Резкое снижение надежности на фиксированных пикетах при регулярном проведении комплекса ремонтных работ, при отсутствии колебаний размеров пропущенного тоннажа на этих участках требует совершенствования информационной базы о районе прохождения железнодорожной линии. Характерно, что все участки с повторяющимися неисправностями железнодорожного пути
проходят по зонам с неустоичивои геодинамикой, согласно проведенного районирования железнодорожных трасс по признакам активного неотектогенеза [8]. Это подтверждает взаимосвязь надежности железнодорожного пути и состояния его «теоретически устойчивого» основания в зонах активных движений земной коры.
_С1 ни
0
1 1=1 га X
1 \ 1 к 1
! х
Л ; ' 1 ———1 5 1 ......... ...........
Условные обозначения:
1з
г, годы
изменение надежности объекта в результате старения и износа;
2 - допустимый уровень надежности; г, сроки проведения ремонтов
Рис. 2. Условная схема формирования и изменения надежности транспортной системы.
иркутский государственный университет путей сообщения
Преимущество взгляда на объект исследования с позиций системного подхода позволяет расширить и углубить представления о взаимодействии элементов в системе. Совершенствование системы протяженного объекта на примере железнодорожного пути сводится не просто к расширению перечня входных факторов, а к созданию доказательной базы, позволяющей подтвердить их значимость.
В общем случае математическая модель изучаемого объекта исследования может быть представлена следующими отношениями, характеризующими взаимосвязь внешних, внутренних и выходных параметров
у = ^х,д), xeRk, geRm yeRn где х,д,у- внешние, внутренние и выходные параметры, соответственно; f - векторная функция векторного аргумента; Rk,Rm,Rn - области внешних, внутренних и выходных параметров.
Для исследуемого объекта могут быть выделены следующие параметры:
• внешние - силовые воздействия от веса конструкций и поездов с учетом динамики и геодеформационных воздействий со стороны основания земляного полотна;
• внутренние - свойства материалов земляного полотна и его основания, представленные плотностью (р), модулем упругости (Е) и коэффициентом Пуассона (у) (приняты для изотропных материалов); геометрия объекта, отражающая варианты различных сочетаний параметров плана и продольного профиля железнодорожного пути;
• выходные данные - нормальные и касательные напряжения, а также перемещения, характеризующие напряженно- деформированное состояние участка железнодорожного пути под воздействием внешних и внутренних факторов.
Оценка влияния выделенного внешнего фактора может быть проведена путем решения задачи установления закономерностей снижения устойчивости железнодорожного пути в зонах тектонических нарушений и выявления связей этих закономерностей с нор-
мами проектирования продольного профиля
[9].
Решение данной задачи может осуществляться только на этапе синтеза системы. Созданная модель системы и база выходных данных многовариантных ее поведений при варьировании входными параметрами позволит решить проблему надежности железнодорожного пути через этап совершенствования нормативной базы, заложенной в проект железнодорожного пути.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Касьянова Н.А., Кузьмин Ю.О. Современная аномальная геодинамика недр и ее влияние на объекты нефтегазового комплекса. М: Геоинформмарк, 1996.-54с.
2. Кострюкова Н.К., Кострюков О.М.. О повторяющейся аварийности и других негативных явлениях в связи с фактором природного риска - современно-активными разломами земной коры. - Горные науки на рубеже XXI века. Материалы международной конференции 1997 г., Екатеринбург, 1998г., С.439-444.
3. Быкова Н.М. Неотектонические движения земной коры и деформации дорожных сооружений. - Иркутск: ИрИИТ, 1998. - 136с.
4. Яковлева Т.Г. Железнодорожный путь / Т.Г. Яковлева, Н.И. Карпущенко, СИ. Кли-нов, Н.Н. Путря, М.П. Смирнов. -М.Тран-спорт, 1999. - 405с.
5. Строительно-технические нормы МПС РФ / Железные дороги колеи 1520 мм. СТНЦ-01-95//М: МПС РФ, 1995.
6. Проектирование земляного полотна железных дорог колеи 1520мм /СП-32-104-98. Свод правил по проектированию и строительству /Госстрой России. - М.: ГУПЦПП, 1999. - 90 с.
7. Положение о системе ведения путевого хозяйства на железных дорогах Российской федерации. МПС РФ. - М., 2002.
8. Быкова Н.М., Дзюба А.А. Районирование железнодорожных трасс по признакам активности неотектогенеза / Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. №4. - 2001. - С. 50 - 54.
9. Четвертнова В.В. К вопросу совершенствования норм проектирования железных дорог /В.В. Четвертнова // Научное обозрение. -2006.-№1.- С. 5-7.
