Рельсы устанавливают на рельсовые опоры. Главное назначение опор - обеспечивать постоянство ширины колеи и передавать давление от рельсов на балластный слой.
Рельсовые опоры могут быть сделаны в виде шпал, полушпал, (например, на путях метрополитенов), продольных лежней, железобетонных плит, рам и других конструкций. Основным типом рельсовых опор на дорогах России и всего мира являются шпалы. Шпалы могут быть деревянными, железобетонными, металлическими. Металлические шпалы сейчас почти не применяются, хотя в ряде стран появилась тенденция к расширению сферы их применения. Велись опыты по созданию пескобетонных шпал, асбосиликальцитных, бетонных со стеклопластиковой арматурой и пластмассовых.
Деревянные шпалы имеют очень много достоинств: они упруги, их легко подвергать любой механической обработке, они обеспечивают хорошую электроизоляцию между рельсами, устойчиво лежат в балласте.
В то же время деревянные шпалы становятся очень дефицитными. Чтобы заготовить шпалы, нужен лес в возрасте 80 - 100 лет, а служат шпалы в пути в среднем 16 лет. Ежегодно для заготовки шпал рубится лес на площади около 400 км². Нередко шпалы перевозят от мест заготовки до мест укладки на расстояния, достигающие 3000 км. Это обходится очень дорого. По этим причинам следует уделять большое внимание содержанию шпал для того, чтобы продлить срок их службы на возможно большее время.
Деревянные шпалы в нашей стране изготавливают из сосны, ели, пихты, лиственницы, кедра, бука, березы. Государственным стандартом на шпалы предусматривается поставка трех типов обрезных (опиленных с четырех сторон) и необрезных¹ (опиленных с двух сторон) шпал (рис. 2.18), которые предназначены для путей: шпалы типов 1А и 1Б - для главных, 2А и 2Б - для станционных и подъездных, 3А и 3Б - для малодеятельных подъездных путей промышленных предприятий. По типам шпалы отличаются друг от друга толщиной и шириной верхней и нижней постелей.
Длина шпалы 2750 мм, хотя стандарт предусматривает возможность изготовления шпал 2800 мм для особо грузонапряженных участков с повышенными скоростями движения и 3000 мм - для участков совмещенного движения с разной шириной колеи (например, вблизи границ с европейскими государствами).
На торце шпал клеймением или краской отмечают тип и сорт шпал. Сорт шпал (имеются два сорта) определяют по порокам древесины (трещины, червоточины, сучки и т. д.) и допустимой кривизне шпал. Масса шпал 1 типа обрезных 71 кг, необрезных - 77 кг, а 3 типа - соответственно 54 и 58 кг.
Схема размещения шпал на пути называется эпюрой шпал. В современных условиях на путях любой категории в прямых укладывают 1840 шпал на 1 км, а в кривых при радиусе менее 1200 м - 2000 шт/км. Эти числа кратны числу рельсовых звеньев на 1 км, т. е. они делятся без остатка на 80 или 40 соответственно при длине рельсов 12,5 и 25 м. Получается, что число шпал на рельсовом звене в прямых составляет 23 и 46 шт., в кривых же при радиусе менее 1200 м - 25 и 50 шт. соответственно при длине рельсов 12,5 и 25 м. На станционных и подъездных путях применяется эпюра шпал 1600 шт. на 1 км.
Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути разрешает отклонение в расстояниях между осями шпал не более 8 см.
Как указывалось выше, деревянные шпалы служат в пути в среднем 16 лет. Они выходят из строя по двум причинам: из-за механических разрушений и гниения. Два этих врага шпал «дружат» между собой и способствуют друг другу.
По существующему стандарту в сравнении со старым (до 1967 г.) шпалы изготавливают большей толщины, ширины и длины. В процессе текущего содержания шпалы стягивают винтами или обвязывают стальной проволокой, что увеличивает их прочность. Внедрение рельсов тяжелых типов означает, что нагрузка от колес передается на большее число шпал. Площадь современных подкладок увеличена, что уменьшает напряжение шпал под подкладками. Все это облегчает работу шпал и уменьшает их механический износ. Однако многое зависит от путейцев в деле продления срока службы шпал.
Чтобы подкладки не врезались в древесину вследствие перетирания или смятия ее волокон, укладывают между подкладкой и шпалой прокладки. При этом наилучшие результаты получаются, если прокладка сделана из материала, обладающего меньшей жесткостью, чем шпала.
Хорошим резервом упрочнения шпал в зоне размещения промежуточных скреплений является превращение этой зоны древесины в деревопластик. Это достигается при специальной пропитке древесины синтетической смолой (например, фенолформальдегидной) с ее последующим подогревом.
Для предотвращения гниения шпалы пропитывают антисептиками. Качество пропитки значительно улучшается, если ее производят после предварительного высушивания шпал до влажности не более 25%. Для пропитки шпал применяют масляные антисептики (каменноугольное и сланцевое масла).
В прежнее время применялись водорастворимые антисептики (фтористый натрий и хлористый цинк), но сейчас от них отказались полностью. Масляные антисептики намного лучше. Они лучше убивают гнилостные грибки, не вызывают коррозии подкладок и костылей, не повышают электропроводимости шпал. Для повышения эффекта пропитки проводится опытная предварительная наколка шпал плоскими клиновидными ножами. Той же цели служит специальный станок, который всего за несколько секунд делает 200 отверстий малого диаметра, позволяющих не только быстрее подсушить шпалу, но и пропитать ее на всю глубину.
При укладке шпал в путь их концы выравнивают по шнуру: с внешних сторон - на двухпутном участке, с правой стороны по счету километров - на однопутном участке и со стороны пассажирского здания - на станции. На шпалах должны быть забиты клейма гвоздевого типа, на шляпке которых указывается год укладки.
Так как деревянные шпалы дефицитны и сроки их службы сравнительно невелики, начиная с 1956 г. в нашей стране началось массовое внедрение железобетонных шпал. Были созданы железобетонные конструкции с предварительным натяжением арматуры. Эти конструкции намного лучше, чем сделанные из обычного железобетона (т. е. без указанного натяжения арматуры), так как в них меньше возникает трещин. Высокое качество железобетонных шпал стало возможным в связи с получением цементов (а значит, и бетона) высоких марок. Бетон в таких шпалах имеет марку не ниже 500. Качество шпал обеспечивается применением электровибрации бетона в формах и проведением ряда других важных мероприятий в технологии производства железобетонных шпал.
Какими положительными характеристиками обладают железобетонные шпалы в сравнении с деревянными? Прежде всего предполагаемый срок их службы с учетом многоразовой перекладки 40 - 60 лет. Укладка железобетонных шпал очень выгодна. В самом деле, стоимость одной железобетонной шпалы для 4-го пояса составляет 9,90 руб., а деревянной - 9,85 руб. При сроке службы железобетонной шпалы примерно 50 лет, а деревянной 20 лет стоимость шпалы, отнесенная к одному году работы, составит: железобетонной 9,90:50 = 0,198 руб., деревянной - 9,85:20=0,49 руб.
Железобетонные шпалы имеют практически одинаковые размеры², не боятся воды, солнца, мороза, не подвержены гниению. Их производство возможно на заводах, построенных близко от мест укладки. Железобетонные шпалы допускают напряжения до 20 МПа, что позволяет применять промежуточные скрепления без металлических подкладок. Железобетонным шпалам можно придавать любую форму, которая окажется наиболее рациональной. С другой стороны, эти шпалы обладают большой массой (265 кг), что является их недостатком при транспортировании, укладке или смене, но и одновременно достоинством при службе шпал в пути, ибо большая масса позволяет получить очень устойчивую конструкцию, с трудом поддающуюся сдвижке в поперечном и продольном направлениях.
Железобетонные шпалы имеют такие недостатки, как большая жесткость и повышенная электропроводимость. Эти недостатки исключаются при правильном выборе конструкций скреплений, имеющих электроизолирующие и амортизирующие детали (резиновые прокладки).
Перед массовым внедрением железобетонных шпал было изучено несколько вариантов формы шпал и способов их армирования. В частности, были испытаны составные шпалы, в том числе двухшарнирные. Арматура принималась пучковой, стержневой и струнной. В итоге были приняты современные типы железобетонных шпал: ШС-1, ШС-2, ШС-1у, ШС-2у. По конструкции это цельнобрусковые струнобетонные шпалы.
Каждый тип шпал может быть использован с рельсами Р75, Р65 и Р50. Меняются лишь размеры некоторых деталей скреплений. Шпалы с цифрой «1» в обозначении типа применяются со скреплениями КБ, а с цифрой «2» - со скреплениями ЖБ, ЖБР и БП (рис. 2.19).
Шпалы представляют собой единый брус, утолщенный в подрельсовых сечениях. В плане шпалы уширяются к концам, образуя как бы «ласточкины хвосты». Это увеличивает сопротивление боковому сдвигу шпал в балласте. При укладке шпал под средней их частью делают канавку в щебне, а при текущем содержании пути в средней части шпал щебень не подбивают. Это позволяет избежать трещин в верхнем поясе шпал, возникновение которых возможно, если шпалы будут иметь центральное опирание. Кроме того, нижняя постель шпал в средней части делается выше, чем в подрельсовых зонах, что также способствует уменьшению давления балласта снизу на эту часть.
В шпалах оставлены пустоты для закладных болтов. В этих пустотах вмонтированы закладные шайбы, в которые вводят закладные болты.
В поперечном разрезе шпалы имеют форму трапеции, что затрудняет выпирание их вверх. Подрельсовые площадки на шпале сделаны с подуклонкой 1/20, что позволяет применять плоские, а не клинчатые подкладки.
Буква «у» в обозначении типа шпал указывает на усовершенствование их конструкции, позволяющее использовать резиновые нашпальные прокладки с буртиками большей толщины, увеличить толщину предохранительного слоя бетона над арматурой и более рационально распределить арматуру по поперечному сечению шпалы.
Применение нашпальных прокладок большей толщины позволяет увеличить сопротивление боковым силам.
Арматурой шпал служат четыре ряда стальной проволоки периодического профиля диаметром 3 мм. Общее число проволок 44 шт.
Железобетонные шпалы укладывают только на щебеночный или асбестовый балласт. Недопустимость их укладки при других балластах связана с опасностью возникновения трещин из-за их большого изгиба при просадках.
Переход от железобетонных шпал к деревянным делают не в стыке, а на середине звена. Это нужно для того, чтобы отрицательный эффект повышения жесткости подрельсового основания не совпадал с большими ударными силами, действующими от колес на путь в стыках.
Эпюра укладки железобетонных шпал принята такой же, как и для деревянных шпал. Однако отклонение от расположения шпал на эпюре допускается лишь на 4 см.
Маркировка шпал делается вдавленными в бетон буквами (товарный знак завода) и числами (год изготовления), а также краской (номер партии и клеймо ОТК предприятия-изготовителя). На обоих концах шпалы 2-го сорта наносят краской поперечную полосу шириной около 20 мм, а на концах некондиционной шпалы - по две черные поперечные полосы той же шириной.
В России в широком масштабе проводятся опыты по применению блочного железобетонного основания вместо шпал. На рис. 2.20 показан один из вариантов опытной конструкции такого основания.
-------------------
¹ Прежде они назывались брусковыми.
² Допуски по шпалам 1-го сорта: по длине +-10 мм, по высоте +5 мм; - 3 мм, по ширине +8 мм; - 5 мм. Для шпал 2-го сорта предусмотрены несколько большие допуски; такие шпалы рекомендованы к использованию на малодеятельных станционных подъездных путях и на путях промышленного транспорта.
