Определение состояния балласта и земляного полотна железнодорожного пути георадиолокационным методом в режиме скоростного мониторинга

Экономическое и социальное развитие нашей страны, рост объемов грузовых и пассажирских перевозок ставят на первый план задачи дальнейшего развития железнодорожной инфраструктуры, увеличения пропускной способности железных дорог, повышения скорости перевозок. Эти задачи как концептуальные нашли свое отражение в документе «Стратегические направления научно-технического развития ОАО „Российские железные дороги“ на период до 2015 г.» [1].

На решение этих задач ежегодно компания затрачивает большие финансовые средства, исчисляемые сотнями миллиардов рублей. Только на ремонт и содержание железнодорожного пути ежегодно выделяется более 40 млрд. рублей.

Однако в настоящее время качественного улучшения путевой инфраструктуры в полной мере достичь не удается. Так, протяженность главных путей, просроченных капитальным ремонтом за пять лет (2007 год по сравнению с 2003 г.), увеличилась в 1,3 раза, в то время как финансирование ремонтов увеличилось в 2,3 раза.

Решение проблемы принципиального улучшения качества железнодорожного пути в настоящее время связывается с дополнительным финансированием ремонтов и реконструкций.

Вместе с этим для преодоления дисбаланса между затраченными средствами и достигнутым качеством пути необходимо внедрять инновационные методы ремонтов и реконструкций, повышать качество проектов, развивать систему дистанционных методов мониторинга, способных выявлять деформации на ранних стадиях их зарождения и контролировать качество выполненных работ.

Примером инновационного пути развития может служить реконструкция железнодорожного пути, выполненная на перегоне Торбино — Боровенка (217,9 -230,69 км) на участке Москва — Санкт-Петербург. Основой технологии стало оборудование разделительных слоев в земляном полотне с применением геотекстиля и георешеток, защитного слоя из балласта разных фракций с добавлением неорганических связующих, послойного уплотнения балласта при организации балластной призмы.

Для построения системы эксплуатации железнодорожной инфраструктуры, обеспечивающую безопасность движения поездов на должном уровне, необходима информация о состоянии железнодорожного пути [2−5].

Вместе с тем высокая стоимость реконструкционных и ремонтных работ делает актуальной научную задачу создания методов неразрушающей диагностики состояния элементов инфраструктуры, которые можно успешно применять на главных путях с повышенной скоростью движения [6].

Для решения этой задачи предполагается использование комплексных диагностических поездов, обеспечивающих получение в едином масштабе координат и времени информации по максимально большому количеству параметров, влияющих на безопасность движения поездов [7−11].

В перечень этих параметров сегодня необходимо дополнительно включать степень загрязнения балласта, качество земляного полотна, оцененное интегрально по числу балластных углублений, влажность земляного полотна и др. [53]. Созданию соответствующих методик и применению их на железнодорожном транспорте и посвящена данная работа. В результате исследований появляется инструментальная возможность назначать ремонты и реконструкции инфраструктуры железнодорожного пути по его реальному состоянию.

Таким образом, актуальность темы исследований определяется тем, что в работе созданы и апробированы программно-аппаратные методики систематического скоростного контроля состояния железнодорожного пути. Технологии скоростного мониторинга инфраструктуры железнодорожного пути, построенные на основе этих и аналогичных методик, являются неотъемлемой частью перспективного направления развития железных дорог, снижающего затраты на текущее содержание балласта и земляного полотна.

Целью работы является совершенствование современного метода георадиолокационной диагностики в системе мониторинга железнодорожного пути, разработка новых методов скоростного обследования балластного слоя и земляного полотна и создание методик обработки результатов измерений.

Для достижения указанной цели в работе решены следующие научные задачи:

1. Созданы теоретические методы количественного описания характеристик балласта по скорости распространения электромагнитных волн и по затуханию электромагнитного излучения. Выполнена экспериментальная проверка теоретических методов количественного описания характеристик балласта по скорости распространения электромагнитных волн и по затуханию электромагнитного излучения в лабораторных условиях. Установлен характер влияния фракционного состава загрязнителя и его влажности на электрофизические характеристики балласта.

2. Апробированы аппаратно-программные методы качественного и количественного анализа радарограмм при скоростном и детальном обследовании земляного полотна, позволяющие определять дефекты и деформации основной площадки земляного полотна и дать интегральную оценку его технического состояния.

3. Экспериментально обосновано применение: спектрального анализа радарограмм для определения переувлажненных областей земляного полотна;

— отражательной способности грунтов для определения областей земляного полотна, аномальных по плотности.

В процессе решения поставленных научных задач впервые:

— теоретически получен и экспериментально подтвержден характер зависимости отражательной способности от коэффициента затухания электромагнитного излучения в балластном слое;

— экспериментально установлена степень влияния фракционного состава загрязнителя и его влажности на отражательную способность балласта;

— создан метод количественного описания загрязненности балласта железнодорожного пути по характеру затухания электромагнитного излучения;

— создан скоростной георадиолокационный метод определения загрязненности балласта и определения числа дефектов и деформаций основной площадки;

— предложены методики определения технического состояния земляного полотна, основанные на подсчете числа балластных дефектов и деформаций, спектральном анализе радарограмм и их локальной оптической плотности.

Обобщение полученных результатов позволило сформулировать следующие положения, выносимые на защиту:

1. Зависимость между относительной отражательной способностью балласта и степенью его загрязнения.

2. Метод определения степени загрязнения балласта железнодорожного пути в режиме скоростного мониторинга.

3. Метод интегральный оценки степени деформативности земляного полотна для протяженных участков железных дорог.

4. Метод оценки влажности подстилающих железнодорожный путь грунтов, основанный на спектральном анализе радарограмм.

Достоверность полученных результатов определяется использованием в теоретических исследованиях современных апробированных представлений волновой теории электромагнитного излучения [12], современных методов вычислений и обработки данных [13−16], библиотек компьютерных алгоритмов [15−19]. Все теоретические выводы и созданные методики подтверждались лабораторными и натурными проверками и испытаниями в соответствии с утвержденными в ОАО «РЖД» методиками.

Использование разработанных георадиолокационных технологий в скоростном режиме в системе мониторинга железнодорожного пути позволит получить достаточно полную и достоверную информацию о состоянии балластаналичии балластных углубленийоднородности материала балластной призмывозможных разуплотнениях грунтовзонах наибольших деформаций земляного полотна в межреконструкционный период. Эта информация наиболее эффективно реализует систему технического обслуживания, позволяет дать рекомендации по усилению земляного полотна и искусственных сооружений, предупредить аварийные ситуации, повысить качество ремонтов и увеличить межремонтные сроки железнодорожного пути, экономить материальные и технические ресурсы. Результаты исследований нашли практическое применение на объектах.

Северо-Кавказской и Горьковской железных дорогах в процессе текущего содержания, при проектировании противодеформационных мероприятий, капитальных ремонтов и реконструкций железнодорожного пути.

Основные положения и результаты работы доложены на:

— Научно-практической конференции «Безопасность движения поездов», Москва, 2003 г.;

— Международной научно-технической конференции (посвящена 100-летию со дня рождения Г. М. Шахунянца) «Современные проблемы путевого комплекса. Повышение качества подготовки специалистов и уровня научных исследований», Москва, 2004 г;

— Третьей Международной научно-практическая конференции «Инженерная и рудная геофизика — 2007», Геленджик, 2007 г;

— Четвертой Международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика — 2008», Геленджик, 2008 г.

9. Основные результаты работы апробированы на Северо-Кавказской и Горьковской железных дорогах — филиалах ОАО «РЖД».

Заключение

.

В заключении считаю своим долгом выразить искреннюю благодарность научному руководителю академику РАН В. И. Колесникову и сотрудникам Ростовского государственного университета путей сообщения, Северо-Кавказской железной дороги и Горьковской железной дороги, оказавшим содействие в выполнении научных исследований.