Bước đầu nghiên cứu loại hình ghi đường sắt tốc độ cao

PGS. TS. LÊ HẢI HÀ Trường Đại học Giao thông vận tải

TÓM TẮT: Các dự án đường sắt tốc độ cao tại Việt Nam thời gian tới sẽ được triển khai với sự hỗ trợ kỹ thuật của các đối tác có kinh nghiệm trong lĩnh vực này như Nhật Bản, Hàn Quốc... Tìm hiểu các loại hình ghi tốc độ cao của các nước và dự kiến thông số hình học ghi tốc độ cao góp thêm thông tin cho ngành Đường sắt Việt Nam trong lĩnh vực này.

TỪ KHÓA: Đường sắt tốc độ cao, loại hình ghi.

Abstract: High-speed railway projects in Vietnam will be implemented with the technical assistance of experienced partners in this field such as Japan, Korea... Researching about high speed railway turnouts and expecting high speed railway turnouts geometry parameters of other countries contribute more information to the Vietnam railway in this field.

Keywords: High speed railway, turnouts.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Thế giới ngày nay, cao tốc hóa các phương tiện giao thông đã trở thành xu hướng phát triển. Nhìn từ lĩnh vực đường sắt, đứng trước yêu cầu cần tăng chất lượng dịch vụ vận tải hành khách cũng như sự cạnh tranh của đường hàng không và đường bộ cao tốc nhiều nước đã và đang phát triển đường sắt cao tốc.

Với các thông tin định hướng ở [1,2,3] thì việc triển khai xây dựng mới tuyến đường sắt tốc độ cao được phân kỳ như sau:

- Trước mắt, xây dựng mới tuyến đường sắt tốc độ cao 160 - 200 km/h, đường đôi khổ 1435mm với hạ tầng tuyến có thể đáp ứng khai thác cao tốc 350 km/h trong tương lai, ưu tiên xây dựng trước những đoạn tuyến có nhu cầu vận tải lớn trên trục Bắc - Nam theo khả năng huy động vốn.

- Phấn đấu hoàn thành tuyến đường đôi khổ 1435mm trên trục Bắc - Nam, sau năm 2050 triển khai tốc độ cao tốc 350 km/h.

Hiện nay tại Việt Nam, liên danh tư vấn Việt Nam - Nhật Bản (VJC) đang tiến hành lập Báo cáo đầu tư xây dựng công trình đường sắt tốc độ cao Hà Nội - TP. Hồ Chí Minh. Việc nghiên cứu loại hình ghi đường sắt tốc độ cao của các nước và dự kiến thông số hình học của ghi đường sắt tốc độ cao cho Việt Nam giúp cho các nhà quản lý và chuyên môn nắm bắt các thông tin cơ bản nhất để lựa chọn loại ghi hợp lý phục vụ đường sắt tốc độ cao sau này.

2. CÁC LOẠI HÌNH GHI ĐƯỜNG SẮT TỐC ĐỘ CAO CỦA CÁC NƯỚC

Ghi là bộ phận rất quan trọng của đường sắt. Về nguyên tắc ghi đường sắt cao tốc cần đảm bảo các yêu cầu sau: Tốc độ cao, an toàn cao, thoải mái cao, tin cậy cao, thuận lợi cao, chính xác cao, ổn định cao, ít tu sửa và dễ sửa chữa.

Khi chạy tàu với tốc độ 200 km/h trở lên trong ghi xuất hiện lực ngang lớn, vì vậy ghi đường sắt tốc độ cao cần được chế tạo từ ray có khối lượng không nhỏ hơn 60 kg/m và đặt trên gối đỡ bê tông cốt thép.

Bộ phận tâm ghi với mục đích hạn chế lực xung kích của ray khi qua vị trí giao hai đường (khoảng trống có hại) cần có kết cấu đảm bảo mặt lăn liên tục (Hình 2.1), thông thường với mục đích này người ta sử dụng tâm ghi di động.

Hình 2.1: Tâm ghi

a) - Tâm ghi cố định (các mũi tên chỉ ra khoảng trống có hại, qua đoạn này bánh xe mất điểm đỡ khi chuyển từ đường ray này sang đường ray khác) thường dùng cho đường sắt tốc độ bình thường

b) - Tâm ghi di động (đảm bảo mặt lăn liên tục của bánh xe) thường dùng cho đường sắt tốc độ cao

Hiệp hội Đường sắt quốc tế đã đề xuất một loạt các bộ ghi từ ray 60 kg/m cho phép chạy tàu với vận tốc 160 km/h, 200 km/h và hơn nữa. Các thông số chính của chúng nêu ở Bảng 2.1.

Bảng 2.1. Các loại ghi chạy tàu tốc độ cao

Loại ghi	Số hiệu ghi	Chiều dài ghi (m)	Vận tốc chạy tàu V (km/h)
EW 60 - 500	1/12	45,361	65
EW 60 - 700	1/14	54,216	80
EW 60 - 1200	1/18	66,615	100
EW 60 - 2500	1/26,5	94,306	130
EW 60 - 7000	1/42	154,266	200

Trên thế giới đang áp dụng hai cách tiếp cận lựa chọn loại ghi cho đường sắt tốc độ cao phụ thuộc vào vận tốc qua ghi theo hướng rẽ. Ở Nhật Bản, trên đường sắt cao tốc rất ít sử dụng ghi có số hiệu nhỏ hơn 1/32 vì người ta cho rằng ghi số hiệu nhỏ hơn nữa là thừa không cần thiết. Ở đây xu hướng khai thác đường sắt cao tốc được xác định là ghi cần đảm bảo chạy tàu theo hướng thẳng với vận tốc lớn nhất áp dụng cho tuyến, ví dụ là 270 km/h, còn khi chạy sang hướng rẽ vận tốc cho phép không vượt quá 70 - 90 km/h, bởi vì trên đường rẽ chỉ có các đoàn tàu cần dừng ở ga và vì thế cần giảm vận tốc. Khi đặt các bộ ghi này trên đường nối hai đường (độ tuyến) cũng không cần thiết chạy với vận tốc lớn vào hướng rẽ vì người ta chỉ sử dụng chúng trong các trường hợp đặc biệt.

Ở Pháp, khi xây dựng tuyến đường sắt cao tốc đầu tiên của châu Âu đã chọn xu hướng đặt các ghi với số hiệu nhỏ hơn, thậm chí đến số hiệu 1/65 (Bảng 2.1) đảm bảo vận tốc chạy tàu trên hướng rẽ là 220 km/h và 350 km/h trên hướng thẳng. Tại nước này vào năm 2007 đã đạt kỷ lục vận tốc là 560 km/h qua ghi (được sản xuất bởi hãng Vossloh Cogifer) theo hướng thẳng.

Bảng 2.2. Vận tốc chạy tàu qua ghi trên đường sắt cao tốc Paris - Lyon

Loại ghi	Bán kính đường cong dẫn (m)	Vận tốc cho phép trên hướng rẽ (km/h)	Số lượng ghi đặt trên đường
1/65	4000	220	27
1/46	3000	160	60
1/29,74	3000	160	9
1/26,55	2500	130	9
1/21	1540	100	5

Khi thiết kế ghi số hiệu 1/65 (Hình 2.1) với vận tốc hướng rẽ là 220 km/h thì siêu cao thiếu trên đường cong được chọn là 85mm, có giá trị lớn hơn giá trị cho phép của bán kính cong dẫn là 6720m. Xuất phát từ điều kiện này, lưỡi ghi bao gồm 3 phần: Thẳng - cong với góc ban đầu j= 004’23,9’’ trên chiều dài 4,299m, đoạn dài 13,854m có bán kính không đổi 6720m; đoạn chuyển tiếp parabon có bán kính đến vô cùng ở tim giữa hai đường (có khoảng cách 4,2m).

Hình 2.2: Bố trí lưỡi ghi số hiệu 1/65 trên mặt bằng

`phi` -0⁰4’23,9’’- Góc ban đầu của lưỡi ghi;

K - Liên kết cuối;

R_kn- Đường parabol bậc 3.

Trên tuyến đường sắt cao tốc Paris - Lyon trong số 136 bộ ghi có 87 bộ ghi 1/65 và 1/46 dùng tâm ghi di động (Bảng 2.2). Thông số cơ bản của hai loại ghi này nêu trong Bảng 2.3.

Bảng 2.3. Các thông số ghi số hiệu 1/65 và 1/46

Thông số	Số hiệu ghi
	1/65	1/46
Chiều dài toàn bộ (m)	151,78	107,43
Bán kính đường cong dẫn (m)	4000	3000
Chiều dài lưỡi ghi (m)	57,65	41,15
Chiều dài ray cơ bản (m)	59,95	46,54

Tây Ban Nha cũng cùng cách tiếp cận với Pháp trong việc lựa chọn loại ghi số hiệu nhỏ khi xây dựng đường sắt cao tốc.

Tại Đức sử dụng một số loại ghi cho đường sắt tốc độ cao và đường sắt cao tốc, trong đó có loại ghi không lưỡi có hai ray dịch chuyển cho phép chạy tàu đến 350 km/h trên hướng rẽ.

Theo [4], tại Nga vào năm 2013 trên đường sắt tốc độ cao người ta đặt ghi và đường giao có số hiệu 1/11 ray P65. Loại ghi này cho phép chạy tàu trên hướng thẳng với vận tốc 200 km/h và hướng rẽ 50 km/h.

Các bộ ghi mới đã trải qua quá trình kiểm tra và khai thác trên tuyến Matxcơva - Xanh Pêterbua tại đoạn chạy với vận tốc đến 250km/h. Thời gian thử nghiệm về ổn định động lực học năm 2009 các bộ ghi loại này đảm bảo vận tốc chạy tàu đến 290 km/h. Trong Bảng 2.4 đưa ra các thông số kỹ thuật bộ ghi ray P65 số hiệu 1/11 của dự án 2726 và 2956 đang sử dụng trên tuyến đường sắt Matxcơva - Xanh Pêterbua.

Bảng 2.4. Các đặc tính kỹ thuật của bộ ghi

Các thông số	Dự án 2726	Dự án 2956
Loại ghi	Ghi đơn phổ thông	Ghi đơn phổ thông
Khổ đường (mm)	1520	1520
Chiều dài bộ ghi (m)	39,063	40,543
Bán kính đường cong dẫn (m)	300	300
Vận tốc chạy tàu tối đa (km/h)
+ Hướng thẳng	250	250
+ Hướng rẽ	50	50

Hiện nay, tại Nga đang tiến hành nghiên cứu loại ghi với vận tốc chạy tàu đến 400 km/h, cụ thể là xác định thông số hình học của ghi số hiệu 1/46 đảm bảo chạy tàu hướng rẽ với vận tốc 170 - 180 km/h.

Tại Trung Quốc, những năm 2005 trở về trước, kỹ thuật ghi cao tốc ở Trung Quốc không được quan tâm, đường sắt Trung Quốc có khoảng cách lớn so với các nước phát triển. Qua vài năm tự chủ nghiên cứu kỹ thuật thiết kế và chế tạo ghi cao tốc đến nay Trung Quốc về cơ bản đã đạt tới trình độ của các nước phát triển.

Theo [5], hiện nay Trung Quốc đang sử dụng các loại ghi cao tốc của Pháp (tuyến Hợp Phì - Nam Kinh, Hợp Phì - Vũ Hán, Trịnh Châu - Tây An), của Trung Quốc kết hợp với Đức chế tạo (tuyến Bắc Kinh - Thiên Tân, Vũ Hán - Quảng Châu, Bắc Kinh - Thượng Hải) và do Trung Quốc tự nghiên cứu chế tạo (tuyến Thạch Gia Trang - Thái Nguyên, Ôn Châu - Phúc Châu, Quảng Châu - Chu Hải, Thượng Hải - Nam Kinh, Cáp Nhĩ Tân - Đại Liên…).

Theo kinh nghiệm của các nước có đường sắt cao tốc, để đảm bảo an toàn chạy tàu và tuân thủ biểu đồ chạy tàu khi sử dụng ghi cao tốc thì các khu gian cần có chiều dài không nhỏ hơn 40 km.

3. LỰA CHỌN LOẠI HÌNH HỌC GHI VÀ SỐ HIỆU GHI PHÙ HỢP VỚI ĐƯỜNG SẮT TỐC ĐỘ CAO Ở VIỆT NAM

Từ việc nghiên cứu các loại hình học ghi đường sắt tốc độ cao trên thế giới với các loại ghi cùng số hiệu nhận thấy rằng:

- Ghi tiếp tuyến với đường cong tròn đơn từ lưỡi ghi kéo dài đến tận cuối tâm ghi, loại này cấu tạo hình học đơn giản, chiều dài lưỡi ghi lớn và cho vận tốc qua ghi trên hướng rẽ nhỏ (loại 1).

- Ghi cát tuyến, loại này có chiều dài lưỡi ghi ngắn hơn kiểu tiếp tuyến nhưng lực đẩy ngang xuất hiện ở lưỡi ghi lớn do góc lưỡi ghi lớn, do vậy sẽ ảnh hưởng đến điều kiện tiện nghi cho hành khách và duy tu bảo dưỡng sau này (loại 2).

- Ghi xoắn ốc (chuyển tiếp), lưỡi ghi cong tròn với đường cong chuyển tiếp kéo dài từ gót lưỡi ghi đến cuối tâm ghi, loại này cho tốc độ đoàn tàu qua ghi cao nhưng không làm giảm sự thay đổi đột ngột của lực ngang ở lưỡi ghi khi tàu vào ghi theo hướng rẽ, đồng thời đường ray hướng rẽ ở tâm ghi có dạng đường cong chuyển tiếp nên cấu tạo tâm ghi phức tạp và tương đối dài (loại 3).

- Ghi với lưỡi ghi xoắn ốc (chuyển tiếp) có đường cong tròn đơn kéo dài từ gót lưỡi ghi đến cuối tâm ghi, loại này cho tốc độ tương đối cao và làm cho lực ngang thay đổi một cách từ từ ở lưỡi ghi, đồng thời đường ray ở tâm ghi theo hướng rẽ dạng cong tròn nên cấu tạo tâm ghi đơn giản hơn. Tuy nhiên, loại này có lưỡi ghi tương đối dài và mảnh (loại 4).

- Ghi với hai đường xoắn ốc (chuyển tiếp) ở lưỡi ghi và tâm ghi. Loại ghi này cũng cho tốc độ đoàn tàu qua ghi cao, lực ngang được thay đổi từ từ khi tàu vào và ra khỏi ghi. Tuy nhiên, loại này có lưỡi ghi và tâm ghi dài và phức tạp (loại 5).

Qua việc phân tích các loại hình học ghi kết hợp kinh nghiệm một số nước kiến nghị chọn loại ghi với lưỡi ghi xoắn ốc hay chuyển tiếp có đường cong tròn đơn kéo dài từ gót lưỡi ghi đến cuối tâm ghi (loại 4) cho đường sắt tốc độ cao ở Việt Nam (Hình 3.1).

Hình 3.1: Sơ đồ tính toán hình học ghi kiến nghị

Theo [6] và định hướng phân kỳ đầu tư đường sắt cao tốc tại Việt Nam như đã nêu ở trên với sự giúp đỡ của người viết trong [7,8], các tác giả đã tính toán và tổng hợp các thông số hình học cơ bản của ghi dùng cho đường sắt cận cao tốc và cao tốc tại Việt Nam (Bảng 3.1).

Bảng 3.1. Bảng tổng hợp các yếu tố, kích thước hình học cơ bản và các thông số của các ghi số hiệu 32, 40

4. KẾT LUẬN

Các dự án về đường sắt tốc độ cao do Nhật Bản, Hàn Quốc… hỗ trợ kỹ thuật mới chỉ đề xuất các thông số kỹ thuật cơ bản dựa trên tiêu chuẩn của nước ngoài mà chưa có thông tin cụ thể về loại hình và số hiệu ghi dự kiến sử dụng.

Thông qua việc tìm hiểu các loại hình ghi đường sắt tốc độ cao của các nước trên thế giới và điều kiện thực tế tại Việt Nam đã bước đầu lựa chọn ghi số hiệu 1/32 cho đường sắt cận cao tốc và 1/40 cho đường sắt cao tốc dùng loại ghi với lưỡi ghi chuyển tiếp không đầy đủ có đường cong tròn đơn kéo dài từ gót lưỡi ghi đến cuối tâm ghi cho đường sắt tốc độ cao ở Việt Nam.

Tuy mới chỉ là bước đầu tính toán các kích thước hình học cơ bản của bộ ghi đường sắt tốc độ cao nhưng là cơ sở thiết kế chi tiết cho bộ ghi như: Kết cấu đường ray trong ghi, tà vẹt ghi, ray cơ bản, ray chuyển tiếp…

Tài liệu tham khảo

[1]. Chiến lược phát triển GTVT đường sắt đến năm 2020 và tầm nhìn đến năm 2050 (Quyết định số 1686/QĐ-TTg ngày 20/11/2008 của Thủ tướng Chính phủ).

[2]. Điều chỉnh Chiến lược phát triển GTVT đường sắt Việt Nam đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2050 (Quyết định 2014/QĐ-TTg ngày 10/02/2015 của Thủ tướng Chính phủ).

[3]. Điều chỉnh Quy hoạch tổng thể phát triển GTVT đường sắt đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030 (Quyết định 1468/QĐ-TTg ngày 24/08/2015 của Thủ tướng Chính phủ).

[4]. Mátxcơva (2014), Đường sắt cao tốc, I.P.Kixelev (Bản tiếng Nga).

[5]. Vương Bình (Bản tiếng Anh), Thiết kế ghi đường sắt cao tốc - lý thuyết và ứng dụng, Trường Đại học Giao thông Đường sắt Tây Nam Trung Quốc 2015.

[6]. Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 8893.2011 - Cấp kỹ thuật đường sắt.

[7]. Nguyễn Ngọc Phương (2012), Nghiên cứu thông số hình học cơ bản của ghi đường sắt cận cao tốc, Luận văn Thạc sĩ, trang 79-88.

[8]. Nguyễn Đức Tâm (2012), Nghiên cứu thông số hình học cơ bản của ghi đường sắt cao tốc, Luận văn Thạc sĩ, trang 59-63.