Tính toán tà vẹt sắt và ứng dụng tà vẹt sắt trong hầm đang khai thác để đảm bảo an toàn kết cấu hầm

Bài viết Tính toán tà vẹt sắt và ứng dụng tà vẹt sắt trong hầm đang khai thác để đảm bảo an toàn kết cấu hầm đưa ra phương pháp thực nghiệm để tính toán tà vẹt sắt và làm cơ sở lựa chọn loại tà vẹt sắt phù hợp với điều kiện khai thác, đồng thời ứng dụng tà vẹt sắt trong hầm đường sắt đang khai thác để đảm bảo an toàn kết cấu hầm.

TÍNH TỐN TÀ VẸT SẮT VÀ ỨNG DỤNG TÀ VẸT SẮT TRONG HẦM ĐANG KHAI THÁC ĐỂ ĐẢM BẢO AN TOÀN KẾT CẤU HẦM CALCULATION OF STEEL SLEEPERS AND APPLICATION OF STEEL SLEEPERS IN TUNNELS BEING EXPLOITED TO ENSURE THE SAFETY OF TUNNEL STRUCTURES ThS Nguyễn Đức Tâm Trường Đại học Giao thông vận tải - Phân hiệu TP Hồ Chí Minh TĨM TẮT: Ở Việt Nam, chưa có tính tốn phù hợp cho tà vẹt sắt dẫn đến việc lựa chọn tà vẹt sắt chưa phù hợp với điều kiện khai thác Đồng thời hầm đường sắt có nhiều hầm sử dụng tà vẹt gỗ tà vẹt bê tông, nhiên chiều dày lớp đá ba lát không đảm bảo theo yêu cầu Việc bổ sung đá ba lát trình tu, bảo dưỡng làm thay đổi chiều cao kiến trúc đường ray vi phạm khổ giới hạn tiếp giáp kiến trúc hầm, dẫn đến ảnh hưởng an tồn chạy tàu Vì cần phải có giải pháp phù hợp để q trình tu, bảo dưỡng mà đảm bảo khổ giới hạn tiếp giáp kiến trúc hầm mà không cần phải cải tạo kết cấu hầm Trong báo tác giả xin đưa phương pháp thực nghiệm để tính toán tà vẹt sắt làm sở lựa chọn loại tà vẹt sắt phù hợp với điều kiện khai thác, đồng thời ứng dụng tà vẹt sắt hầm đường sắt khai thác để đảm bảo an toàn kết cấu hầm Từ khóa: Tà vẹt sắt, hầm đường sắt, khổ giới hạn ABSTRACT: In Vietnam, there is no suitable calculation method for steel sleepers, leading to the selection of steel sleepers that have been not suitable for exploitation conditions At the same time, in the current railway tunnels, there are many tunnels using wooden sleepers and concrete sleepers, but the thickness of the ballast layer is not as required The addition of ballast during maintenance will change the construction height of the track and may violate the structure clearance gauge in the tunnel, leading to affecting train safety Therefore, it is necessary to have a suitable solution so that in the process of maintenance and repair, it still ensures the structure clearance gauge without having to renovate the tunnel structure The author would like to propose an empirical method to calculate steel sleepers and serve as a basis for selecting iron sleepers suitable for exploitation conditions; at the same time, apply steel sleepers in railway tunnels being exploited to ensure the safety of the tunnel structure Keywords: Steel sleepers, railway tunnels, track gauge ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện đường sắt Việt Nam sử dụng loại tà vẹt chính: tà vẹt gỗ, tà vẹt sắt tà vẹt bê tơng Tà vẹt sắt có số ưu điểm sau: - Tuổi thọ lớn tà vẹt gỗ (tuổi thọ tà vẹt sắt khoảng 35 năm) 377 - Vận chuyển, xếp dỡ dễ dàng tà vẹt bê tơng (nhẹ hơn, tà vẹt bê tơng có nguy bị nứt trình vận chuyển xếp dỡ) - Đối với hầm đường sắt sử dụng tà vẹt sắt cho kích thước hầm nhỏ dùng tà vẹt bê tông hay tà vẹt gỗ giảm chiều cao kiến trúc - Có khả tái chế Ở Việt Nam, chưa có tính toán phù hợp cho tà vẹt sắt dẫn đến việc lựa chọn tà vẹt sắt chưa phù hợp với điều kiện khai thác Đổng thời hầm đường sắt có nhiều hầm sử dụng tà vẹt gỗ tà vẹt bê tông, nhiên chiều dày lớp đá ba lát không đảm bảo theo yêu cầu Việc bổ sung đá ba lát trình tu, bảo dưỡng làm thay đổi chiều cao kiến trúc đường ray vi phạm khổ giới hạn tiếp giáp kiến trúc hầm, dẫn đến ảnh hưởng an tồn chạy tàu Vì cần phải có giải pháp phù hợp để trình tu, bảo dưỡng mà đảm bảo khổ giới hạn tiếp giáp kiến trúc hầm mà không cần phải cải tạo kết cấu hầm Trong báo tác giả xin đưa phương pháp thực nghiệm để tính tốn tà vẹt sắt làm sở lựa chọn loại tà vẹt sắt phù hợp với điều kiện khai thác, đồng thời ứng dụng tà vẹt sắt hầm đường sắt khai thác để đảm bảo an toàn kết cấu hầm Có nhiều phương pháp phân tích xác định mômen uốn tà vẹt (Md), ứng suất uốn áp lực tiếp xúc đáy tà vẹt đỉnh lớp đá ba lát Trong phạm vi báo tác giả xin giới thiệu phương pháp thực nghiệm đường sắt Australia TÍNH TỐN TÀ VẸT SẮT BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1 Tải trọng bánh xe thẳng đứng tương đương Tải trọng bánh xe thẳng đứng tương đương tính theo cơng thức sau: PdV = ϕ.Q (1) Trong đó: PdV - tải trọng bánh xe thẳng đứng tương đương, kN ϕ - hệ số tác động Q - tải trọng tĩnh lớn bánh xe, kN 2.2 Hệ số tác động Hệ số tác động lý thuyết (ϕ) thiết kế tà vẹt thép tính phân bố tải trọng Eisenmann sau: ϕ = + (δ.η.tc) Trong đó: δ - hệ số điều kiện tuyến đường, δ = 0,1 ÷ 0,4 η - hệ số phụ thuộc vận tốc 378 (2) + Đối với vận tốc 60 km/h: η = l,0 + Đối với vận tốc 60 km/h: η = l,0 + (v-60)/l40 v - vận tốc tính tốn, km/h tc - giới hạn tin cậy, tc = 2.3 Tải trọng thẳng đứng tương đương vị trí đặt ray Tải trọng thiết kế đế ray tính theo cơng thức sau: RV = s.U.ymax (3) ymax = ∑yi (4) Trong đó: RV - tải trọng thẳng đứng tương đương vị trí đặt ray, kN s - khoảng cách tà vẹt, m U - mô đun ray, MPa ymax - độ võng lớn nhiều bánh xe gây ra, m yi - độ võng thẳng đứng tải trọng bánh xe khoảng cách “xi” so với điểm xét, m = yi PdV β −β.x  e (cos βx  + sin βx  ) 2U (5) xi - khoảng cách từ vị trí đặt tải đến điểm xét, m β - thông số độ cứng đường ray, m-1, β = (U/(4EIxx))0,25×103 E - mơ đun đàn hồi Young thép ray, MPa Ixx - mô men quán tính mặt cắt ray trục trung hịa x nằm ngang, mm4 Nếu khơng tính tương tác bánh xe, tải trọng thiết kế đế ray tính theo cơng thức sau: RV = 0,5.F1.PdV.s.β Trong đó: F1 - nhân tố xét đến tương tác bánh xe, F1 = 1,25 Ứng suất uốn thiết kế Ứng suất lớn tà vẹt uốn thường xuất chân tà vẹt Độ lớn ứng suất tính theo công thức sau: σd = Md/Ztoe (6) 379 Trong đó: σd - ứng suất uốn lớn tà vẹt thiết kế, MPa Md - mô men uốn tà vẹt thiết kế, kN.m Ztoe - mô men chống uốn chân tà vẹt, mm3 Áp lực tiếp xúc đáy tà vẹt đỉnh lớp đá ba lát Áp lực tiếp xúc đáy tà vẹt đỉnh lớp đá ba lát tính kPa, tính theo công thức sau: Đối với khổ tiêu chuẩn: pab = R −3 w.10 (l − g) F2 (7) Đối với khổ hẹp: pab = R −3 w.10 (l − g).0,8 F2 (8) Trong đó: pab - áp lực tiếp xúc trung bình mặt lớp đá ba lát, kPa R - tải trọng thiết kế đế ray, kN w - chiều rộng lớn tà vẹt, mm l - chiều dài tà vẹt, m g - khoảng cách tim hai ray, m F2 - yếu tố phụ thuộc vào tiêu chuẩn bảo trì đường ray, thường lấy F2 = Tính tốn mơ men uốn Md Mômen uốn thiết kế (Md) lấy giá trị lớn MR, MC + MC- sau: Mô men uốn vị trí đặt ray: Đối với khổ tiêu chuẩn: a=l-g MR = R.(l-g)/8 Trong đó: a - chiều dài đỡ lớp đá ba lát, m l - chiều dài tà vẹt, m g - khoảng cách tim hai ray, m 380 (9) (10) Đối với khổ hẹp: a = 0,8.(l-g) (11) MR = R.(l - g)/6,4 (12) Mô men uốn dương tâm tà vẹt MC+: Mômen uốn dương lớn tâm tà vẹt (MC +) dựa phân bố áp lực bên vị trí đặt ray (Hình 1a) tính sau: Đối với khổ tiêu chuẩn: a = 0.9 (l-g) (13) MC+ = 0,05R (l-g) (14) Đối với khổ hẹp: a = 0.8 (l- g) (15) MC+ = 0,1R(l-g) (16) a) Phân bố áp lực mơ men uốn dương lớn vị trí đặt ray mô men tà vẹt b) Phân bố áp lực mô men uốn âm lớn tà vẹt Hình Sơ đồ phân bố áp lực Mô men âm tâm tà vẹt MC-: Mômen uốn âm lớn tâm tà vẹt (MC-) dựa phân bố áp suất bên tà vẹt Hình 1.b tính sau: 381 + Đối với khổ tiêu chuẩn: MC- = R.(2g-l)/4 (17) + Đối với khổ hẹp: MC- = MR (18) ỨNG DỤNG TÀ VẸT SẮT TRONG HẦM ĐỂ ĐẢM BẢO KHỔ GIỚI HẠN KIẾN TRÚC Việc tính tốn tà vẹt sắt theo phương pháp thực nghiệm đảm bảo yêu cầu khả chịu lực (ứng suất lớn nhất, áp lực tiếp xúc đáy tà vẹt đỉnh lớp đá ba lát), đồng thời tà vẹt sắt thay tà vẹt gỗ tà vẹt bê tông hầm khai thác để giảm chiều cao kiến trúc, đáp ứng kỹ thuật theo tiêu chuẩn hành Hiện Việt Nam, có nhiều hầm đường sắt sử dụng tà vẹt gỗ tà vẹt bê tông, nhiên chiều dày lớp đá ba lát không đảm bảo theo yêu cầu (chiều dày lớp đá hữu từ 15 ÷ 20cm) Nhằm đảm bảo trì kết cấu đường sắt đảm bảo theo quy định hành trình tu, bảo dưỡng cần phải bổ sung đá ba lát Việc bổ sung đá ba lát làm thay đổi chiều cao kiến trúc đường ray vi phạm khổ giới hạn tiếp giáp kiến trúc hầm, dẫn đến ảnh hưởng an toàn chạy tàu Vì cần phải có giải pháp đảm bảo khổ giới hạn tiếp giáp kiến trúc hầm mà không cần phải cải tạo kết cấu hầm trình tu, bảo dưỡng đường ray 1/2 Mặt cắt ngang hầm trạng 1/2 Mặt cắt ngang hầm sau bổ sung đá ba lát Hình Mặt cắt ngang hầm sử dụng tà vẹt bê tông trước sau bổ sung đá ba lát 382 Hình thể mặt cắt ngang hầm sử dụng tà vẹt bê tông trước sau bổ sung đá ba lát, từ hình ta thấy sau bổ sung đá ba lát chiều cao kiến trúc hầm tăng lên, để đảm bảo khổ giới hạn kiến trúc tĩnh không hầm lúc cần phải cải tạo kết cấu hầm Tà vẹt sắt có chiều cao nhỏ tà vẹt gỗ tà vẹt bê tông, sử dụng tà vẹt sắt giảm chiều cao kiến trúc lượng Δh so với sử dụng tà vẹt gỗ tà vẹt bê tơng Hình Chênh lệch chiều cao kiến trúc sử dụng tà vẹt sắt tà vẹt bê tông Lượng chênh lệch chiều cao kiến trúc Δh xác định theo công thức: Δh = ĐR2 - ĐR1 = (htv2 + hr2) - (htv1 + hr1) Trong đó: ĐR1 - cao độ đỉnh ray sử dụng tà vẹt sắt, m ĐR2 - cao độ đỉnh ray sử dụng tà vẹt gỗ tà vẹt bê tông, m htv1 - chiều dày tà vẹt sắt vị trí đặt ray, m htv2 - chiều cao tà vẹt gỗ tà vẹt bê tông vị trí đặt ray, m hr1 - chiều cao ray bao gồm đếm dung tà vẹt sắt, m hr2 - chiều cao ray bao gồm đếm dung tà vẹt gỗ tà vẹt bê tông, m Trong hầm đường sắt sử dụng tà vẹt sắt chiều cao kiến trúc thấp dùng tà vẹt gỗ 12÷13cm, với tà vẹt bê tơng 15÷16cm Nếu lượng bổ sung đá Δhđá ≤ Δh giải pháp thay tà vẹt gỗ tà vẹt bê tông tà vẹt sắt giải pháp tốt đảm bảo yêu cầu mặt kỹ thuật KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Tính tốn tà vẹt sắt theo phương pháp thực nghiệm tương đối đơn giản, cho kết nhanh độ tin cậy tương đối cao Phương pháp thực nghiệm tính tốn tà vẹt sắt làm sở lựa chọn loại tà vẹt sắt phù hợp với điều kiện khai thác 383 Qua phân tích trên, việc sử dụng tà vẹt sắt hầm giảm chiều cao kiến trúc so với sử dụng tà vẹt gỗ tà vẹt bê tơng Tác giả kiến nghị q trình tu, bảo dưỡng, để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật hầm đường sắt khai thác (chiều dày lớp đá ba lát, khổ giới hạn tiếp giáp kiến trúc, ) tránh phải cải tạo kết cấu hầm sử dụng tà vẹt sắt thay tà vẹt gỗ tà vẹt bê tông Đảm bảo yêu cầu mặt kỹ thuật theo tiêu chuẩn hành, nhằm đảm bảo an toàn hầm đường sắt khai thác TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Coenraad Esveld, Model Railway Track [2] AREMA (2000), Manual for Railway Engineering [3] AS 1085.17-2003, Australian Standard, Railway track material, Part 17: Steel sleepers [4] AS 1085.17-2003, Australian Standard, Railway track material, Part 19: Resilient fastening assemblies [5] BS 500:2000, British standard, Steel sleepers [6] PGS.TS Nguyễn Thanh Tùng, ThS Bùi Thị Trí, KS Lê Văn Cử, Kết cấu tầng đường sắt (2009) [7] TCVN 11793:2017, Tiêu chuẩn quốc gia, Đường sắt khổ 1000mm - Yêu cầu thiết kế tuyến [8] TCCS 04:2014/VNRA, Tiêu chuẩn sở, Tiêu chuẩn vật tư, vật liệu, phụ kiện sử dụng công tác bảo trì cơng trình đường sắt 384 ... loại tà vẹt sắt phù hợp với điều kiện khai thác, đồng thời ứng dụng tà vẹt sắt hầm đường sắt khai thác để đảm bảo an toàn kết cấu hầm Có nhiều phương pháp phân tích xác định mơmen uốn tà vẹt (Md),... ỨNG DỤNG TÀ VẸT SẮT TRONG HẦM ĐỂ ĐẢM BẢO KHỔ GIỚI HẠN KIẾN TRÚC Việc tính tốn tà vẹt sắt theo phương pháp thực nghiệm đảm bảo yêu cầu khả chịu lực (ứng suất lớn nhất, áp lực tiếp xúc đáy tà vẹt. .. thời tà vẹt sắt thay tà vẹt gỗ tà vẹt bê tông hầm khai thác để giảm chiều cao kiến trúc, đáp ứng kỹ thuật theo tiêu chuẩn hành Hiện Việt Nam, có nhiều hầm đường sắt sử dụng tà vẹt gỗ tà vẹt bê