مقاله در مورد طراحی مسیر راه‌آهن

بخشی از مقاله

مقدمه
نخستين قطارها پيش از انقلاب صنعتي با نيروي اسب جابجا مي‌گرديد. ريل‌هاي اين مسيرها ابتدا از چوب و سپس از چدند بودند. در هفتم سپتامبر 1825، نخستين خط آهن جهان بين Darlington و Stockton در انگلستان به طول 39 كيلومتر توسط ژرژ استفنسون ساخته شد. پس از آن ساخت راه‌آهن در ديگر كشورهاي جهان بويژه در اروپا آغاز گشته و در كمترين زمان گسترش يافت. خط

آهن بروكسل به مالين (Malines) به طول 20 كيلومتر در سال 1835، خط آهن نورنبرگ به فورت به طور 7 كيلومتر در سال 1836، مسير پاريس به پك به طول 19 كيلومتر در سال 1838 نمونه‌هايي از پيروي از كشور انگلستان مي‌باشند. پس از جنگ جهاني اول، راه‌آهن‌سازي شاخص پيشرفته هر كشور مي‌باشند. خط pacific بين Montreal-Vancouver و سپس شهرهاي Bunes Aires Valparaiso شبكه خطوط راه‌آهن را بر روي كره زمين فرا گيرد، به گونه‌اي كه دورترين شهرهاي گيتي به شبه خطوط راه‌آهن پيوست.

اين گستردگي در سال 1917 تا بندر Vladivostock نيز رسيد. امريكا با اينكه در سال 1830 ساخت راه‌آهن را آغاز نمود، با اين حال از ابتدا گسترش زيادي يافت. در سال 1840، طول خطوط راه‌آهن با 4500 كيلومتر، در سال 1852 به 2000 كيلومتر، در سال 1857 به 4000 كيلومتر و در سال 1875 به 12000 كيلومتر رسيد. در سال 1869، مسير خط آهن پاسيفيك بين دو اقيانوس از Missouri به طول 4500 كيلومتر آغاز و در سال 1872 به پايان رسيد. ساخت راه‌آهن در آن سال‌ها براي هر كشوري نمادي از قهرماني و عزم ملي به حساب مي‌آمد. در سال 1938، طول خطوط راه‌آهن كشورهاي پيشرفته برابر:

فرانسه 42000 ، سوييس 3000، نروژ 3100، هلند 3000، بلژيك 5000، سوئد 8000، اسپانيا 11000، ايتاليا 16500، انگلستان 31000، آلمات 61600، كانادا 66000، شوروي 110000 و امريكا 375000 كيلومتر بود.

مسيريابي
1. گام‌هاي طراحي
نخستين گام در ساخت مسير راه‌آهن، شناخت نياز و انگيزه ساخت مي‌باشد. اين نياز بستگي به اهداف دولت در زمينه گسترش صنعت و توانمندي ترابري كشور دارد. از اين رو، مسير را در چندين گام (مرحله) بررسي، طراحي و محاسبه مي‌نمايند. در ابتدا ارگان‌هاي دولتي و دست‌اندركاران برنامه‌ريز كشور پس از مشاوره نياز به ساخت مسير راه‌آهن بين دو شهر را مورد بررسي قرار مي‌دهند. سپس طرح پيشنهادي را به مشاورين و برنامه‌ريزان كلان كشور سپرده مي‌شود تا مسير پيشنهادي از ديدگاه‌هاي گوناگون (اجتماعي، صنعتي، سياسي و به ويژه اقتصادي) نيز بررسي گردد.
چون پروژه‌هاي ساخت مسير راه‌آهن و سرمايه‌گذاري در اين زمينه براي زمان‌هاي

بلندمدت انجام مي‌گيرد (پاره‌اي از پروژ‌ه‌ها به 100 سال مي‌رسد) و يكي از مهمترين طرح‌هاي ملي و زيربنايي هر كشور است، پيش‌بيني‌ها و بررسي‌هاي اين مشاورين و برنامه‌ريزان مي‌تواند نقش بارزي در چگونگي مسير داشته باشد. در حالت كلان اين برنامه‌ريزان پارامترهايي را بايد درنظر داشته باشند كه پار‌ه‌اي از آنها در زير آمده است:
• حجم سرمايه‌گذاري (نسبت بين حجم كل سرمايه به ترافيك آينده) و مدت زمان برگشت سرمايه؛
• ترافيك سالانه و رشد آن در آينده؛
• تعداد ايستگاه‌هاي مياني و تاسيسات آنها و سطح زمين مورد نياز؛

• مدت زمان ساخت، نيروي كار مورد نياز براي ساخت و ماشين‌آلات مكانيزه مورد نياز؛
• چگونگي بهره‌برداري و نگهداري مسير راه‌آهن؛
• توجيه اقتصادي سرمايه‌گذاري و مقايسه آن با ديگر روش‌هاي ترابري (جاده‌اي، هوايي و ...)؛
• چگونگي ناوگان ريلي (تعداد و ويژگي‌هاي لوكوموتيوها، واگن‌ها) و تامي سوخت آنها.
گام نخست و دوم توسط برنامه‌ريزان كشور و مهندسي مشتاور ارشد و ديگر گام‌هاي طراحي توسط مهندسين مسيرياب تهيه مي‌گردد. ارزيابي‌هاي نخستين چند مسير پيشنهاد مي‌گردد.

داده‌هاي طراحي مسيرهاي پيشنهادي جم

ع‌بندي مي‌گردد. سپس با كمك مهندسين مشاور ارشد، يك مسير بين چند مسير پيشنهادي با توجه به ويژگي‌هاي هر كدام براي ساخت برگزيده مي‌گردد.
2. ابزارهاي مسيريابي
كار مسيريابي (تعيين نقاط اجباري مسير و بهبود فرم مهندسي مسير) با كمك پاره‌اي داده‌هاي فني آغاز مي‌گردد. براي دسترسي به اين داده‌ها نيازمند ابزار (نقشه‌ها) مي‌باشيم كه در زير كاربرد و روش دستيابي به اين داده‌ها بيان شده است.

• نقشه‌هاي توپوگرافي:
در ايران اين نقشه‌ها با مقياس گوناگون توسط سازمان نقشه‌برداري كشور تهيه مي‌شود. براي بررسي مسيرها و برداشت‌هاي نخستين مسير و اطراف آن، نقشه‌هاي ناهمواري‌هاي زمين با منحني ترازهاي 10 متر بكار گرفته مي‌شود تا دريابيم پستي و بلندي‌هاي زمين در حالت كلي بين ابتدا و انتهاي مسير چگونه است؟ روش كار با اين نقشه‌ها در زير آمده است:
شناسايي زمين‌هاي نامناسب براي مسير (مانند مرداب، باتلاق، صخره، زمين‌هاي سيل‌خيز و بهمن‌ريز)؛

برآورد پتانسيل مسير (آزمايش‌هاي منحني‌هاي تراز در رابطه با شيب طولي پيش‌بيني شده در نواحي كوهستاني بر حسب فاصله با مقياس نقشه و تعداد منحني‌هاي تراز)؛
شناسايي رودخانه‌ها، نهرها و ديگر فرورفتگي‌ها كه نياز به ساخت پل يا ديگر ابنيه فني باشد.
يافتن جنس زمين و چگونگي خاك در نزديكي مسيرهاي قابل دسترسي.
پس از انجام چهار گام بالا، چكيده بررسي‌ها و ديگر داده‌هاي گردآوري شده از كساني كه ناحيه را خوب مي‌شناسند، را نيز در نقشه‌ها آورده تا بتوان مسيرها را از ديدگاه هندسي نيز سنجيده (امكان‌سنجي).
• عكس‌هاي هوايي:

اين عكس‌ها كه به روش فتوگرامتري تهيه مي‌شود، به دو گونه است: عكس‌هاي استروگرافي (Stereographic) و عكس‌هاي اريب (Oblique). عكس‌هاي استروگرافي با همان مقياس نقشه‌هاي توپوگرافي تهيه مي‌شوند و براي شناسايي زمين‌شناسي، آب و هوا، زمين‌هاي كشاورزي بكار برده مي‌شود. در طراحي مسير با نرم‌افزارهاي رايانه‌اي مي‌توان از اين عكس‌ها نيز استفاده نمود. عكس‌هاي اريب، ابزار كمكي روش‌ استروگرافي هستند. با عكس‌هاي هوايي بررسي زير در مسيريابي انجام مي‌گيرد.
با دستگاه استروسكوپ، عكس‌‌هاي هوايي مورد بررسي قرار مي‌گيرد، به ويژه جاهايي كه در نقشه توپوگرافي پرسش برانگيز و ناشناخته بوده است. در اين عكس‌ها، شايد يك‌سري

فعاليت‌هاي كشاورزي، دامداري و صنعتي يا وجود باتلاق ديده شود كه در نقشه‌هاي توپوگرافي ديده نشده باشد و يا زماني كه نقشه‌هاي توپوگرافي را تهيه مي‌كرده‌اند، اين موارد نبوده است. در پاره‌اي موارد در اينگونه عكس‌ها ديده مي‌شود كه جانوران يا پرندگان در منطقه‌اي زيست مي‌كند كه گذراندن راه از آنجا، زندگي و آشيانه آنها را دگرگون مي‌نمايد.
با كمك عكس‌هاي اريب نيز مي‌توان چهره ديگري از بافت زمين را نيز ديد و مورد بررسي قرار داد،‌ به ويژه در رابطه با شيب طولي مسيرهاي پيشنهادي اين عكس‌ها كارآمد هستند.

اندازه سرسبزي ناحيه (درختان، نهال و بوته‌ها)، فشردگي يا پراكندگي درختكاري ناحيه از ديدگاه محيط زيستي مهم مي‌باشد.
• نقشه‌هاي زمين‌شناسي و جنس خاك:
در اين گام بايد جنس خاك را در چند متري زير زمين شناخت. كاربرد ديگر آن، هنگام بررسي‌هاي جابجايي خاك (منحني بروكنر) مي‌باشد.
• نقشه‌هاي منحني‌هاي همباران:

با كمك اين نقشه‌ها ميزان بارندگي سالانه و دبي رودخانه‌هاي فصلي پس از بارندگي را مي‌توان پيش‌بيني نمود. گذراندن پل از روي رودخانه در محل مناسبي و ايجاد خاكريز بلند كه احتمال داده مي‌شود هنگام بارندگي همانند سدي در برابر جابجايي آنها عمل نمايد، از مواردي هستند كه با دسترسي به اين گونه نقشه‌ها مي‌توان روي آنها مطالعه نمود.
• پيمايش زميني:
در پاره‌اي موارد مهندسين براي شناسايي بهتر بايد از نزديك زمين را ببيند (زمين‌هاي صخره‌اي، زمين‌هاي باتلاقي و شوره‌زار و گستردگي آنها).
3. مسير شكسته
پروژه طراحي مسير راه‌آهن با تعيين نقاط اجباري به مهندسين مشاور مسيرياب داده مي‌شود. بي

ن نقاط اجباري كه ممكن است مسير به چند صد كيلومتر برسد، بايد فرم هندسي مسير را طراحي نمود. نخستين كار رسم مسير شكسته بين دو نقطه اجباري مي‌باشد. رسم مسير شكسته از مهمترين بخش‌هاي مسيريابي مي‌باشد كه آن را در دفتر كار و بر روي نقشه‌هاي توپوگرافي انجام مي‌دهند. مقياس نقشه‌ها در اين گام مي‌تواند 1:20000 تا 1:2000 باشد.
نحوه رسم مسير شكسته بر روي نقشه‌هاي توپوگرافي با منحني ميزان‌هاي 10-5 متر، بدين گونه

است كه دهانه يك پرگار را به اندازه d باز نموده و از ابتدا (يكي از نقاط اجباري مسير پرش) براي نمونه از o به سمت نقطه اجباري ديگر پيشروي مي‌نماييم. ابتدا دهانه پرگار را به اندار d (اين اندازه نسبت به شيب طولي مجاز طراحي، اختلاف ارتفاع منحني‌هاي تراز نقشه و مقياس نقشه بدست مي‌آيد)، ‌باز نموده و نوك سوزني پرگار را روي منحني ميزان نقطه o مي‌گذاريم و سپس نوك مدادي پرگار را به طرف منحني ميزان كناري مي‌چرخانيم.

همانگونه كه در شكل ديده مي‌شود، پرگار در دو نقطه مي‌توان منحني ميزان كناري را قطع نمايد. نوك پرگار را دوباره بر روي 11 يا 21 گذاشته و آنرا مي‌چرخانيم تا نقطه 12 و 13 بر روي منحني ميزان كناري بدست آيد. به همين ترتيب بين منحني ميزان‌ها با روش پرگار پيشروي مي‌نماييم تا به انتها برسيم. بديهي است كه بين دو نقطه اجباري مي‌توان صدها مسير شكسته بدست آورد. با توجه به پارامترهاي طراحي و بهره‌برداري، بهترين آنها گزيده مي‌شود.
4. ايستگاه‌هاي مياني راه‌آهن

در مسيرهاي يك‌خطه راه‌آهن به غير از ايستگاه‌هاي ابتدا، انتها و ايستگاه‌هاي شهرستان‌هايي كه مسير از آنها بايد بگذرد، يكسرس ايستگاه‌ در فاصله‌هاي 25-7 كيلومتري ساخته مي‌شود. هدف از طراحي اين ايستگاه‌ها، آسانتر شدن آمد و شد قطارها از دو سمت روبرو مي‌باشد. كاربرد ديگر اين ايستگاه‌‌ها، پيشي گرفتن (سبقت) قطار تندرو از قطار كندروست. اين استگاه‌ها را ايستگاه مياني مي‌ناميم. در اين گام از طراحي با در دست داشتن پارامترهاي فني ايستگاه مياني بايد محل آنها را در نقشه منظور نمود تا بتوان مسير شكسته و راستاها را رسم نمود. در اين گام بايد پارامترهاي زير ر منظور نمود:

• گنجايش خط براي بيشترين ترافيك احتمالي آينده (فاصله بين ايستگاه‌هاي مياني بدست مي آيد)؛
• دگاژ درازترين قطار ممكن است در آينده بهره‌برداري (درازاي ايستگاه مياني بدست مي‌آيد)؛
• امكان ساخت انبار، خطوط تخليه، بارگيري و باسكول قطارهاي باري (پهناي ايستگاه مياني)؛
• مانور، دريافت، جداسازي واگن، تعميرات، سرويس، ساختمان مسافر و ديگر ساختمان‌هاي مورد نياز (تعداد خطوط ايستگاه مياني بدست مي‌آيد)؛
• نزديك بودن محل ايستگاه مياني به روستا، واحد توليدي و ...؛

• شيب طول ايستگاه مياني بهتر است 0 o/oo باشد (به ويژه در بخش دوراهي‌ها و سوزن‌ها)؛
• ايستگاه مياني در قوس قرار نگيرد؛
• شيب طولي (قوس‌هاي قائم) و قوس‌هاي افقي كه در كنار ايستگاه طراحي مي‌گردد، به گونه‌اي باشند كه فاصله تا درز اولين دو راهي (سوزن) همانند شكل زير درنظر گرفته شده باشد؛
• در صورتي كه شيب طولي كناري ايستگاه بيش از 4 o/oo باشد، بهتر است تكه پروفيل طولي به درازاي بيش از 200 متر در ميان‌ آنها قرار گيريد،
• بدست آوردن تعداد خطوط فرعي ايستگاه (2 تا 3 خط فرعي مي‌تواند روزانه 30 قطار را بپذيرد)؛
• اگر احتمال گسترش ايستگاه در آينده باشد، ايستگاه در كنار پل، دره و صخره طراحي نشود.
5. پروفيل‌هاي عرضي
از ديدگاه مهندسي در كنار نقشه پلان و پروفيل طولي و ديگر نقشه‌هاي اجرايي، بايد نقشه‌هاي پروفيل‌هاي عرضي از مسير تهيه گردد. پروفيل عرضي را مي‌توان برشي بر بدنه مسير (زيرسازي و روسازي) پنداشت. با در دست داشتن پروفيل‌هاي عرضي مي‌توان حجم خاكبرداري و خاكريز را بدست آورد و چگونگي زيرسازي (شيب شيرواني، بلندي خاكريز، كف مسير و پهناي بستر مسير) و روسازي و ديگر اجزاي ابنيه فني را شناخت.

6. قوس‌هاي قائم
پس از طراحي پروفيل طولي و بهبود خط پروژه با توجه به ويژگي‌هاي حركت قطارها، بايد در محل برخورد شيب‌هاي طولي قوس قائم طراحي نمود. هدف از اجراي قوس قائم در مسير راه‌آهن، جلوگيري از كاهش سرعت قطار هنگام گذر از يك شيب به شيب ديگر و جلوگيري از خارج شدن قطار (لبه بانداژ چرخ‌هاي جلويي بوژي از ريل بالاتر برود)، مي‌باشد. قوس‌هاي قائم دو دسته مي‌باشند:
• قوس قائم كوژ (Crest)
• قوس قائم كاس (Sag)

نيمي از درازاي قوس قائم (Lv/2) در يك شيب و نيمه ديگر در شيب كناري قرار مي‌گيرد.
7. جايگاه پل‌ها
در طراحي مسير راه‌آهن، به علت اينكه شيب طولي بسيار كم است و از طرفي بلندي خاكريزها نمي‌تواند بيش از 10 متر باشد، بكارگيري پل‌ها در طرح مسير چشمگير است. پس براي هدايت آب باران بايد پل يا آبرو طراحي گردد. پهناي دهانه آبرو كمتر از 6 متر را كانال و پهناي دهانه آبرو بيشتر از 6 متر را پل مي‌ناميم. اندازه دهانه پل (L) را با دو روش ساده بدست مي‌توان بدست آورد:
1. با در دست داشتن نقشه‌هاي توپوگرافي؛
2. بر پايه درازاي رودخانه يا نهر؛
تماس چرخ با ريل

پهناي خط
قطارها بر روي مسيري حركت مي‌كنند كه از دو ريل موازي قرار گرفته بر روي يكسري تراورس تشكيل يافته است. فاصله دو ريل از يكديگر را پهناي خط يا عرض خط مي‌نامند اين فاصله بين دو نقطه از كناره دروني كلاهك ريل‌هاست.
اندازه پهناي خط در تمامي خطوط راه‌آهن‌هاي كشورهاي جهان يكسان نمي‌باشد. بيشتر كشورهاي جهان داراي پهناي خط نرمال (استاندارد) مي‌باشند. بر روي خطوطي كه داراي پهناي خط نرمال هستند، فقط قطارهايي مي‌توانند حركت كنند كه فاصله چرخ‌هاي بوژي آنها هماهنگ با پهناي خط نرمال باشد. تعداد پهناي خط‌ها در راه‌آهن‌هاي جهان زياد است. پهناي خط نرمال برابر e=1435mm مي‌باشد. 75درصد از كشورهاي جهان داراي خطوط راه‌آهن با پهناي خط نرمال و حدود 11درصد با پهناي خط e=1524mm هستند.

حركت چرخ بر روي ريل
بيشتر خودروهاي ريلي (لوكوكموتيو و واگن) بر روي دو بوژي قرار مي‌گيرند. يك بوژي تشكيل يافته است از يك كارد فلزي كه بر روي آن دو آسه (محور)، چفت، بست و فنرها نصب شده است. يك آسه (محور) تشكيل يافته است از يك ميله توپر كه در طرفين آن دو چرخ فولاي نصب شده است. دو چرخ و ميله توپر با يكديگر يكپارچه و صلب مي‌باشند.
يك چرخ بوژي به تنهايي داراي لبه بانداژ، بانداژ و قطعات ديگر مي‌باشد. نيروهاي عمودي از طريق تماس بانداژ چرخ با كلاهك ريل، به روسازي راه‌آهن رسيده و سپس بطور همگن پخش مي‌گردند. لبه بانداژ در تماس با كناره كلاهك ريل نيروهاي جانبي را به روسازي مي‌رسانند و هم مسير قوسي شكل را به قطار ديكته مي‌كند.
چرهش چرخ‌هاي بوژي بر روي كلاهك ريل‌ها داراي يك مكانيسم حركتي ويژه و ناهمانند مي‌باشد كه نياز به بررسي ويژه دارد. هرچه ابعاد هندسي كلاهك ريل و چرخ‌هاي بوژي سالمتر باشد (كمتر فرسوده شده باشد)، حركت بوژي بر روي ريل‌ها به بهترين گونه‌ صورت خواهد گرفت و تكان‌هاي جانبي در حركت پديدار نمي‌گردد. از طرفي مقاومت و نيروهاي بازندارنده حركت كاهش يافته و امكان دستيابي به سرعت بيشتر فراهم مي‌گردد. با اين حال هنگام بهره‌برداري، كلاهك ريل و چرخ‌هاي بوژي (به ويژه لبه بانداژ) نسبت به زمان فرسوده مي‌گردند.

نتيجه‌گيري:
بررسي نياز به سخت مسير راه‌آهن و آناليز اقتصادي در راستاي توجيه سرمايه‌گذري ساخت مسير توسط برنامه‌ريزان كشور و مهندسي مشاور ارشد و ديگر گام‌هاي طراحي توسط مهندسين مسيرياب تهيه مي‌گردد. در ارزيابي‌هاي نخستين چند مسير پيشنهاد مي‌گردد. داده‌هاي طراحي مسيرهاي پيشنهادي جمع‌بندي مي‌گردد. سپس با كمك مهندسين مشاور ارشد يك مسير بين چند مسير پيشنهادي با توجه به ويژگي‌هاي هر كدام براي ساخت برگزيده مي‌گردد.

مراجع:
طراحي مسير راه‌آهن، دكتر سعيد منجم.