Bài mới

Friday, November 11, 2016

Kết cấu tầng trên trên đường sắt Nhật Bản (Phần I)

Lịch sử đường sắt Nhật Bản được bắt đầu vào năm 1872, khi đưa vào khai thác tuyến đường sắt dài 29km giữa Simbashi (Tokyo) và Yokohama. Trong 125 năm sau đó, Nhật Bản đã đạt được những thành tựu kinh tế, xã hội khổng lồ và ngành đường sắt cũng có những bước phát triển vượt bực. Mạng lưới đường sắt đã phát triển vượt bực với mạng lưới 27.000 km, chuyên chở 2,2 triệu lượt hành khách mỗi ngày. 5 tuyến đường sắt Shinkansen với tổng chiều dài 2200 km, vận tốc khai thác từ 260 – 300 km/h. Với Shinkansen, thời gian đi lại giữa 2 thành phố Tokyo – Osaka với khoảng cách 515 km chỉ còn 2,5 h. Đường sắt đã trở thành hình thức vận tải hành khách có ưu thế vượt trội so với vận tải hàng không.

1. Khai thác đường sắt ở Nhật
Lịch sử đường sắt Nhật Bản được bắt đầu vào năm 1872, khi đưa vào khai thác tuyến đường sắt dài 29km giữa Simbashi (Tokyo) và Yokohama. Trong 125 năm sau đó, Nhật Bản đã đạt được những thành tựu kinh tế, xã hội khổng lồ và ngành đường sắt cũng có những bước phát triển vượt bực. Mạng lưới đường sắt đã phát triển vượt bực với mạng lưới 27.000 km, chuyên chở 2,2 triệu lượt hành khách mỗi ngày. 5 tuyến đường sắt Shinkansen với tổng chiều dài 2200 km, vận tốc khai thác từ 260 – 300 km/h. Với Shinkansen, thời gian đi lại giữa 2 thành phố Tokyo – Osaka với khoảng cách 515 km chỉ còn 2,5 h. Đường sắt đã trở thành hình thức vận tải hành khách có ưu thế vượt trội so với vận tải hàng không.
Sự phát triển của ngành đường sắt và vai trò của nó trong xã hội có phần đóng góp không nhỏ của các thành tựu khoa học – công nghệ trên nhiều lĩnh vực. An toàn, tốc độ và êm thuận luôn là mối quan tâm hàng đầu của các công ty đường sắt.
Ngoài ra, người ta còn đặc biệt quan tâm tới việc giảm ô nhiễm tiếng ồn cho người dân sống gần đường sắt và vấn đề bảo vệ môi trường tự nhiên. Gần đây, việc tìm kiếm lựa chọn những công nghệ dễ dàng duy tu bảo dưỡng cũng được chú ý do vấn đề thiếu hụt lao động cũng như yêu cầu ngày càng cao về tính hiệu quả.
Kết cấu đường sắt là một trong những yếu tố kỹ thuật quan trọng nhất trong khai thác đường sắt, kết cấu đường sắt luôn song hành phát triển cùng ngành. Và những vấn đề đang được quan tâm của đường sắt hiện nay đều liên quan tới vấn đề kỹ thuật kết cấu đường
2. Phân tích kết cấu đường sắt của Nhật Bản 
a. Kết cấu cơ bản 
Nhật bản là một quần đảo có địa hình đồi núi với bờ biển hẹp. Do vậy đường sắt Nhật có rất nhiều đường cong bán kính nhỏ, hầm, độ dốc cao. Tuyến đường sắt đầu tiên của Nhật được xây dựng theo khổ hẹp 1067mm để phù hợp với điều kiện địa hình như trên và nhu cầu phát triển kinh tế. Đường sắt khổ hẹp 1067mm đã trở thành tiêu chuẩn cho mọi tuyến đường sắt do nhà nước quản lý tới tận năm 1964, khi tuyến Shinkansen đầu tiên ra đời.
Hình vẽ dưới đây thể hiện kết cấu cơ bản của đường sắt: gồm ray và tà vẹt đặt cố định trên lớp đá balast trên nền đường. Kết cấu được thiết kế dựa trên cơ sở kinh nghiệm này rất kinh tế và hầu như không bị thay đổi bất chấp các tiến bộ về mặt khoa học công nghệ. Ngoài yếu tố kinh tế, kết cấu này cự kỳ hợp lý, cho phép đoàn tàu tải trọng lớn chạy với tốc độ cao trên vùng nền đất mềm, dễ duy tu bảo dưỡng, các chỉ tiêu độ rung và độ ồn vừa phải. Trong hơn 100 năm qua, đã có rất nhiều nỗ lực để phát triển một kết cấu đường sắt khác nhưng chưa có thiết kế nào vượt trội hoàn toàn so với kết cấu đường sắt thông thường này.
Mặc dù gần đây, kết cấu đường dạng bản đang ngày càng được ưa chuộng trên các tuyến đường sắt cao tốc , 90% hệ thống đường sắt Nhật Bản vẫn sử dụng kết cấu đường sắt thông thường này. 
b. Ray 
Khởi đầu, Đường sắt Nhật sử dụng ray bằng sắt rèn 2 đầu, đối xứng dọc. Từ 1880 chúng được thay thế bằng ray thép đế phẳng phi đối xứng. Những thanh ray đầu tiên nạng 29,8 kg/m và dài 7,3m. Sau đó trọng lượng và chiều dài ray tăng dần để chuyên chở được nhiều tàu hơn với tốc độ lớn hơn.
Ngày nay, Nhật Bản sử dụng ray 50 hoặc 60 kg/m. Ray 60kg/m có diện tích mặt cắt lớn nhất, được sử dụng trên tất cả cá tuyến Shinkansen và các khu gian chính. Chiều dài tiêu chuẩn của ray là 25m, nhưng trên các tuyến chính người ta sử dụng ray hàn liên tục – tức ray dài – để nâng cao độ êm thuận, giảm ồn, giảm rung lắc. Ray hàn dài thường chịu thêm lực nén gây ra do thay đổi nhiệt độ, có thể dẫn đến bung , vồng đường. Hiện tượng này được khăc phục bằng các phụ kiện liên kết tăng cường, tà vẹt, đá ba lát.
c. Hàn ray 
Ray hàn dài được sử dụng phổ biến để giảm tiếng ồn, giảm rung lắc và giảm chi phí bảo dưỡng. Ray được hàn nối với nhau bằng 4 phương pháp: Hàn nhiệt nhôm, hàn ga nén ép, hàn điện trở tiếp xúc nóng chảy, hàn hồ quang bao bọc. Nhật Bản là nước duy nhât sử dụng phương pháp hàn ga nén ép trên thế giới, các phương pháp còn lại được sử dụng rộng rãi trên đường sắt các nước.
Năm 1996, đường sắt Nhật Bản đã tiến hành 79.000 mối hàn ray trong đó 40% hàng bằng phương pháp nhiệt nhôm, 26 % bằng phương pháp hàn ga nén ép, 25% bằng phương pháp hàn điện trở tiếp xúc nóng chảy và 9% bằng phương pháp hàn hồ quang bao bọc. Phương pháp hàn ga nén ép mặc dù kém hiệu quả hơn hàn hàn điện trở tiếp xúc nóng chảy nhưng lại được sử dụng rộng rãi trong xưởng cũng như ngoài hiện trường vì có ưu điểm là thiết bị gọn nhẹ và chất lượng mối hàn tương đương với phương pháp hàn điện trở tiếp xúc nóng chảy.
d. Tà vẹt 
Trước kia, đường sắt Nhật sử dụng chủ yếu là tà vẹt gỗ. Tà vẹt bê tông cốt thép, được đưa vào sử dụng từ đầu những năm 1950, hiện được sử dụng trên toàn bộ các tuyến chính do các ưu điểm về tuổi thọ và độ ổn định. Mặc dầu tà vẹt gỗ có tính đàn hồi tốt và dễ thi công hơn tà vẹt bê tông nhưng nó có nhược điểm là tuổi thọ ngắn, dễ bị hư hại. Gần đây đường sắt Nhật Bản đã phát triển loại tà vẹt bằng vật liệu tổng hợp, làm từ bọt polyurethan cứng và sợi thủy tinh. Loại tà vẹt này có đặc điểm cơ lý giống tà vẹt gỗ nhưng có độ bền tới 60 năm. Tà vẹt này đang được sử dụng rộng rãi trên các cầu dàn thép, các vị trí ghi hoặc các khu vực gặp khó khăn trong công tác thay thế và bảo dưỡng.
Tà vẹt kiểu thang là một dạng tà vẹt khác đang được nghiên cứu phát triển, loại tà vẹt này gồm các gối đỡ bê tông cốt thép dự ứng lực có chiều dài đọc theo đường sắt là 12m, liên kết với nhau bằng các ống ngang như hình thức của 1 cái thang. Ray được đặt liên tục trên tà vẹt này, cho phép phân bố đều tải trọng trên suốt chiều dài ray và giảm thiểu yêu cầu về bảo dưỡng lớp ballast.
e. Phụ kiện liên kết  
Trước kia, Đinh Campong và các phụ kiện đơn giản khác được sử dụng rộng rãi để liên kết ray với tà vẹt gỗ. Cùng với việc ra đời của ta vẹt bê tông, các phụ kiện liên kết đơn giản kiểu này được thay thế bằng bằng phụ kiện đàn hồi kép, trong đó ray được liên kết bằng các kẹp ray dạng lò xo trên bản đệm cao su (hoặc các vật liệu đệm khác giữa ray và ta vẹt ). Các phụ kiện liên kết phân bố tải trọng và giảm chấn động là thành phần cốt yêu trong khai thác chạy tàu tốc độ cao.
Trước đây kẹp ray đàn hồi kiểu lò xo lá được sử dụng phổ biến trên đường sắt Nhật do tính dễ điều chỉnh và chi phí vừa phải, ở Pháp loại phụ kiện này cũng được sử dụng nhiều do có lực kẹp và khả năng chịu lực phù hợp. Đường sắt Đức ưa chuộng loại kẹp ray đàn hồi kiểu dây hơn vì loại này đáp ứng các yêu cầu về lực kẹp và tính dễ điều chỉnh.
g. Kết cấu đường Shinkansen 
Tuyến Shinkansen Tokaido bắt đầu hoạt động từ 1964 nối liền Tokyo và Osaka với tốc độ tối đa hơn 200km/h (kỷ lục thế giới vào thời điểm đó). Có 2 phương án về khổ đường khi lập dự án xây dựng tuyến đường này. Một là tăng cường năng lực vận tải bằng cách xây thêm 1 tuyến đường đôi đường khổ hẹp trên tuyến Tokaido hiện hữu. Phương án 2 là tăng cường năng lực vận tải và giảm một nửa thời gian chạy tàu bằng việc xây dựng mới tuyến đường đôi khổ tiêu chuẩn. Phương án 2 đã được lựa chọn và người ta đã xây dựng một tuyến mới tách biệt với tuyến Tokaido hiện hữu với rất nhiều hầm, nền đắp cao, cầu cạn và không có giao cắt đồng mức. Một hệ thống ray, tà vẹt, phụ kiện mới được thiết kế riêng cho tuyến đường sắt cao tốc trên. Tuyến Shinkansen Tokaido có các đặc điểm sau:
- Khổ tiêu chuẩn 1435mm;
- Ray hàn liền đặt trên tà vẹt bê tông;
- Tâm ghi , mũi ghi di động triệt tiêu khe hở;
- Ray hàn dài được liên kết bằng mối nối co giãn để giảm thiểu biến đổi cự ly đường do biến dạng co – giãn vì nhiệt;
- Ray 53kg/m thiết kế mới (loại 50T, sau đó đã được thay thế hoàn toàn bằng ray 60kg/m).
Tiếp theo tuyến Shinkansen Tokaido, các tuyến Shinkansen mới như Sanyo,Tohoku, Joetsu và Hokuriku dần dần được xây dựng trong các năm từ 1972 – 1997. Tốc độ tối đa được nâng từ tốc độ 210km/h ban đầu tới 260 – 300km/h gần đây. Khoảng năm 1967, người ta đã nghiên cứu phát triển kết cấu đường trên đường dạng bản (tấm) để đáp ứng cho mức tăng trưởng mạnh dự kiến về nhu cầu vận tải và chạy tàu tốc độ cao. Kết cấu dạng bản được sử dụng thử lần đầu trên đoạn Shin Osaka tới Okayama , tuyến Shinkansen Sanyo (khai thác từ năm 1972).
Ngày nay loại kết cấu này là kết cấu tiêu chuẩn cho đường sắt Shinkansen. Bảng dưới đây cho thấy tỷ lệ sử dụng của kết cấu tà vẹt bản và kết cấu đường balat trên một số tuyến: 
(Còn tiếp)
Tác giả: Nguyễn Quý DươngNguồn: http://www.rcic.vn

Bấm Youtube để đăng ký xem video nhé!

Bài viết liên quan:



No comments:

Post a Comment

Designed By