Xem mẫu
- ĐÁNH GIÁ TRẠNG THÁI LÀM VIỆC
KẾT CẤU ĐƯỜNG SẮT BẰNG THIẾT BỊ ĐO ĐỘNG
NHẰM ĐẢM BẢO AN TOÀN CHẠY TÀU
ThS. Lê Quang Hưng
TS. Trương Trọng Vương
Trường ĐH Giao thông vận tải
KS. Trần Quốc Đoàn
Công ty CP Đầu tư và XD CT3
KS. Mai Minh Việt
Ban Quản lý dự án Đường sắt - Bộ GTVT
TÓM TẮT:
Bài báo phân tích sự cần thiết phải sử dụng phương pháp đo động để kiểm tra đánh giá
chất lượng kết cấu tầng trên đường sắt. Phân tích những ưu điểm quan trọng của phương
pháp đo động so với công tác đo đạc tĩnh trong công tác quản lý hạ tầng kết cấu, nâng cao
tốc độ, tải trọng trục, tính an toàn và tiện nghi cho hành khách đi tàu. Thông qua việc kiểm
tra dao động, ứng suất, biến dạng (chuyển vị động và gia tốc của chuyển vị), lực động của
kết cấu tầng trên đường sắt, từ đó cung cấp một hệ kết quả đáng tin cậy của hệ thống theo
thời gian thực để tiến hành phân tích các đặc tính động lực học và trạng thái làm việc của
kết cấu đường dưới tác dụng của hoạt tải khai thác. Từ đó, đưa ra các giải pháp kỹ thuật
cho công tác vận hành đảm bảo an toàn chạy tàu; quyết định chu kỳ và các biện pháp duy
tu bảo dưỡng, sửa chữa thay thế hợp lý kết cấu tầng trên đường sắt.
Từ khóa: Phương pháp kiểm tra động, thiết bị đo động, đánh giá chất lượng kết cấu
tầng trên, chuyển vị động, gia tốc động
ABSTRACT:
The article analyzes the need to use dynamic measurement method to check and
evaluate the quality of railway superstructure. Analyze the important advantages of dynamic
measurement method over static measurement in the management of railway infrastructure,
improve speed, axle load, safety and comfort for passengers. Through testing vibration,
stress, deformation (dynamic displacement and displacement acceleration), dynamic force
of railway superstructure, thereby providing a reliable result system of the system according
to real-time analysis to analyze the dynamic characteristics and working state of the track
structure under the action of operating live loads. Thence, provide technical solutions for
the operation to ensure safe train operation; decide the cycle and measures to maintain,
repair, and reasonably replace the railway superstructure.
Keywords: dynamic test method, dynamic measuring equipment, evaluate the quality
of superstructure
431
- 1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Đường sắt Việt Nam với hơn 130 năm phát triển, hiện quản lý 7 tuyến đường sắt quốc
gia và một số tuyến nhánh với tổng chiều dài khoảng 2440km. Trải qua những thăng trầm
của lịch sử, bom đạn chiến tranh...thì hiện nay rất nhiều đoạn tuyến, công trình, hạng mục
đường sắt đã quá niên hạn, bị xuống cấp nặng nề, không phù hợp tiêu chuẩn quy chuẩn,
không đảm bảo chất lượng và có dấu hiệu nguy hiểm, không đảm bảo an toàn chạy tàu.
Ngành đường sắt hiện theo dõi trạng thái kỹ thuật thường xuyên theo từng công trình cụ
thể, thể hiện các yếu tố kỹ thuật chủ yếu, tình trạng kỹ thuật hiện tại như các dấu hiệu nguy
hiểm, không đảm bảo an toàn, các tính chất, yếu tố không phù hợp tiêu chuẩn, quy chuẩn...
ví dụ như:
- Trên tuyến đường sắt Yên Viên - Lào Cai, từ Km 14 đến Km 28 có hiện tượng ray
P38, P43 khuyết tật, tật mặt lăn lẻ tẻ, bẹp đầu, lượn sóng, mối ray dập bẹp, đế ray han gỉ
nhiều; Km283+200 đến Km295+600 ray bị mòn, khuyết tật, nhiều chủng loại tà vẹt hư
hỏng (tà vẹt sắt, BTK1 - 5 lỗ, BTLK-3R,TN1), ray (P38 -P43 - P50) đặt xen kẽ.
- Trên tuyến đường sắt Hà Nội-TP.Hồ Chí Minh, từ Km490 - Km499+050 ray P43
mòn, khuyết tật nặng; tà vẹt K1, K2, K3A gẫy, vỡ, tụt thanh giằng, vỡ vai chắn, mặt đặt
ray nứt vỡ; nền đá thiếu, cốt cứng. Từ Km724+900 - Km751+733 ray P43 mòn, khuyết tật
quá tiêu chuẩn; tà vẹt sắt bị rỉ, nứt, lõm; phụ kiện mòn, rỉ thắt cổ chai, liên kết kém; nền đá
thiếu, cốt cứng.
Trong công tác quản lý chất lượng cơ sở hạ tầng đường sắt xuất hiện một số khó khăn
sau đây:
+ Theo hồ sơ trạng thái kỹ thuật công trình, các công trình đường sắt thường đồng thời
có dấu hiệu nguy hiểm, không đảm bảo an toàn cho khai thác sử dụng; hết thời hạn sử
dụng; không phù hợp quy chuẩn, tiêu chuẩn nên việc phân nhóm trong công tác quản lý
gặp khó khăn.
+ Nhiều công trình đường chính tuyến cần đầu tư cải tạo các đường cong bán kính nhỏ;
tà vẹt 2 khối bị hư hỏng, nứt vỡ, phụ kiện lỏng, hỏng nhiều; ray, ghi bị mòn, khuyết tật; cầu
yếu, cống, hầm có niên hạn lâu năm cần sửa chữa, thay thế để nâng cao chất lượng kết cấu
hạ tầng đường sắt, tốc độ chạy tàu, năng lực vận tải, đảm bảo an toàn công trình đường sắt.
Nhu cầu vốn đầu tư cho các công trình này là rất lớn. Tuy nhiên, ngân sách nhà nước chỉ
đáp ứng được một phần nên công tác sửa chữa, khắc phục hư hỏng này hiện chỉ mang tính
chất nhỏ lẻ, tạm thời. Vấn đề đó đòi hỏi công tác đánh giá, kiểm định chất lượng công trình
để có cơ sở phân loại, ưu tiên vốn đầu tư cho những công trình cấp bách trong bối cảnh hạn
hẹp về nguồn vốn.
Trong công tác vận hành khai thác đường sắt, một khâu rất quan trọng và mang tính
chất đặc thù chuyên ngành là công tác kiểm tra, kiểm định, đánh giá trạng thái, chất lượng
của kết cấu hạ tầng đường sắt. Đây là công tác then chốt để đảm bảo vận hành tuyến đường
sắt an toàn, phải được thực hiện thường xuyên liên tục một cách chặt chẽ, xuyên suốt. Tuy
nhiên, từ trước tới nay thì các tiêu chuẩn, quy trình hay phương pháp kiểm tra, kiểm định
còn sơ sài, lạc hậu, nặng về thủ công, không theo kịp sự phát triển về khoa học công nghệ
nói chung và yêu cầu về công nghệ kỹ thuật đường sắt tiên tiến trong thời điểm hiện tại và
tương lai. Hiện chúng ta vẫn chỉ có Quy định tạm thời số 277/KTCB-ĐS về việc thử tải
432
- trọng các công trình do Tổng cục đường sắt ban hành năm 1975, chưa có tiêu chuẩn khác
nào thay thế đến nay.
Từ những phân tích nêu trên có thể thấy, nhu cầu đặt ra trước mắt là cần tìm hiểu sâu
hơn về cơ sở lý thuyết của phương pháp kiểm tra trạng thái động, phương pháp mô phỏng
số, các mô hình động lực của toa xe, kết cấu đường ray...từ đó tiến tới xây dựng quy chuẩn,
tiêu chuẩn kiểm tra đánh giá kết cấu tầng trên đường sắt ở trạng thái động, đáp ứng nhu cầu
thực tiễn của ngành đường sắt trong việc nâng cao tốc độ, tải trọng trục, đảm bảo an toàn
trong khai thác vận hành các tuyến đường sắt.
2. CÔNG TÁC KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG KẾT CẤU TẦNG TRÊN
ĐƯỜNG SẮT Ở TRẠNG THÁI ĐỘNG
Ở Việt Nam hiện nay, công tác kiểm tra đánh giá trạng thái hình học, chất lượng các bộ
phận kết cấu tầng trên đều cơ bản thực hiện theo phương pháp tĩnh, tức là khi đoàn tàu đã
chạy qua thì tiến hành đo đạc các thông số hình học như cự ly, phương hướng, thủy bình,
cao thấp...Phương pháp này tồn tại một số nhược điểm sau đây:
- Không xác định được chuyển vị thực của các bộ phận kết cấu tầng trên khi có hoạt tải
như: chuyển vị thẳng đứng của ray, tà vẹt, lớp đá ba lát...
- Không xác định được chuyển vị ngang của đường ray khi tàu chạy qua: theo quy trình
quy định với khổ đường 1000mm là +4, -2mm mà chỉ xác định được khi ray đã đàn hồi
trở lại.
- Không xác định được lực động thực tế tác dụng lên các bộ phận kết cấu tầng trên cũng
như không thu thập được giá trị gia tốc của các bộ phận kết cấu, do đó sẽ không phân tích
được lực tác dụng và không kiểm toán được cường độ kết cấu đường thực tế.
Hiện nay trên thế giới, các nước có ngành đường sắt phát triển như Đức, Pháp...đều
đã có nhiều nghiên cứu đánh giá chất lượng kết cấu tầng trên đường sắt ở trạng thái động.
Với sự tích lũy về kinh nghiệm sử dụng, sự phát triển của khoa học công nghệ nên đã đạt
được nhiều thành tựu trong nghiên cứu, thử nghiệm và phân tích mô phỏng trạng thái động
của kết cấu đường. Những quốc gia này đã có phương pháp đánh giá an toàn hệ thống cho
ngành đường sắt mà trong đó, công tác kiểm định trạng thái động kết cấu tầng trên để đánh
giá, kiểm tra, theo dõi đã hình thành nên kỹ thuật đánh giá chất lượng đường sắt thông qua
các thiết bị đo động chuyên dụng. Tại khu vực châu Á, các quốc gia như Singapore, Nhật
Bản, Malayxia cũng có những nghiên cứu sâu về công tác mô phỏng trạng thái động của
kết cấu đường. Từ đó đưa ra các phương pháp kiểm tra, đánh giá chất lượng kết cấu tầng
trên đường sắt. Trung Quốc cũng có các tiêu chuẩn quốc gia đánh giá kiểm định động đầu
máy, toa xe, kết cấu đường ray như tiêu chuẩn TB2390-1993, GB5599-1985...để tạo nên
một hệ thống đánh giá, kiểm tra chất lượng kết cấu tầng trên đường sắt.
Phương pháp kiểm tra đánh giá chất lượng động có những ưu thế sau đây:
- Kết quả nghiên cứu ở nhiều nước đã cho thấy sự phù hợp của kết quả của phương
pháp mô phỏng số với kết quả thực tiễn đo đạc hiện trường. Vì vậy, có thể khẳng định, với
sự phát triển của khoa học công nghệ, với các máy móc đo đạc chuyên dụng, chính xác,
hiện đại, hiệu quả thì đây là một phương pháp có độ tin cậy rất cao.
433
- - Kết quả đo đạc cung cấp đầy đủ các thông tin về trạng thái làm việc thực tế của các
bộ phận kết cấu riêng lẻ cũng như vai trò của chúng trong tổng thể các mối liên hệ với các
bộ phận kết cấu khác. Từ đó cho phép chúng ta đánh giá khách quan, chính xác trạng thái
chất lượng của từng bộ phận và của cả hệ thống kết cấu tầng trên đường sắt
- Giúp cơ quan quản lý đưa ra các giải pháp kỹ thuật cho công tác vận hành đảm bảo
an toàn chạy tàu; quyết định chu kỳ và các biện pháp duy tu bảo dưỡng, sửa chữa thay thế
hợp lý kết cấu tầng trên đường sắt.
Hình ảnh đo động ở hiện trường:
Hình 1. Đo chuyển vị tấm bản bê tông đường sắt không đá
Hình 2. Đo gia tốc thẳng đứng của ray Hình 3. Đo gia tốc thẳng đứng của tà vẹt
Hình 4. Đo chuyển vị thẳng đứng của nền đá Hình 5. Đo gia tốc ray theo hai phương
434
- Một số kết quả đo đạc thực tế ở hiện trường:
1.0 0.5
Chuyen vi thang dung cua ray ngoai cung - mm
Chuyen vi thang dung cua ray ngoai cung - mm
0.5
0.0 0.0
-0.5
-0.5
-1.0
-1.5
-1.0
-2.0
-2.5 -1.5
-3.0
-3.5 -2.0
-4.0
-4.5 -2.5
Thoi gian Thoi gian
V=40km/h V=60km/h
Hình 6. Chuyển vị thẳng đứng của ray
Vị trí mối nối, V=60km/h Vị trí giữa cầu ray, V=60km/h
Hình 7. Gia tốc thẳng đứng của ray
Vị trí mối nối, V = 60km/h Vị trí gần mối nối, V = 60km/h
Hình 8. Gia tốc thẳng đứng của tà vẹt
435
- 3. MỘT SỐ MÁY MÓC ĐO ĐẠC KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ KẾT CẤU TẦNG
TRÊN Ở TRẠNG THÁI ĐỘNG PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM
Hiện nay, các nước như Đức, Trung Quốc đều sản xuất rất nhiều loại máy đo động tiên
tiến, hiện đại, có độ chính xác cao, giao diện và phần mềm dễ sử dụng phù hợp với điều
kiện thực tế của đường sắt Việt Nam. Các máy này có tính năng đo đạc gia tốc động, đo
ứng suất, biến dạng động, lực động, áp lực đất trong nền đường...
Hệ thống đo và phân tích tín hiệu động và tĩnh TZT3828EN
Hình 9. Máy đo và phân tích tín hiệu động và tĩnh TZT3828EN
Máy có kích thước gọn nhẹ 314mm x 311mm x 140mm (DxRxC), trọng lượng 4.98kg.
Máy có thể kết nối có dây / wifi tốc độ cao với máy tính, có thể ghi lại tín hiệu đa kênh
trong thời gian thực và không bị gián đoạn trong thời gian dài, thời gian hoạt động không
ít hơn 8h với pin Lithium tích hợp. Mỗi máy có 8 (16) điểm đo. Phạm vi dải nhiệt độ hoạt
động phù hợp là từ -10 +50oC. Máy hỗ trợ đầu vào dữ liệu định dạng txt, excel, matlab;
có chức năng phân tích phổ công suất, chức năng phân tích tần số phản hồi FRF, phân tích
tương quan, hàm mật độ xác suất và hàm phân phối, quang phổ, ghi dữ liệu liên tục và phân
tích phát lại. Hệ điều hành song ngữ tiếng Trung và tiếng Anh.
Các thiết bị có thể kết nối với máy
Hình 10. Máy đo và bộ các cảm biến kết nối với máy
436
- - Cảm biến gia tốc điện từ TST126V
Hình 11. Cảm biến gia tốc điện từ TST126V
Cảm biến gia tốc điện từ là một cảm biến được sử dụng để đo độ rung ở tần số cực thấp
hoặc tần số thấp. Nó được sử dụng chủ yếu để đo độ rung của mặt đất và kết cấu công trình,
đo độ rung của các cấu trúc nói chung trong công nghiệp, đo tần số cực thấp và biên độ lớn
của cấu trúc có độ linh hoạt cao và đo độ rung yếu. Cảm biến sử dụng công nghệ vòng kín
thụ động để thu được các đặc tính tần số cực thấp tốt. Cảm biến này có đặc điểm là kích
thước nhỏ, trọng lượng nhẹ (800g), sử dụng thuận tiện, độ phân giải cao, dải động lớn, v.v.
- Cảm biến chuyển vị laser LDS-S-20
Hình 12. Cảm biến chuyển vị laser LDS-S-20
Thực hiện phép đo khoảng cách tuyệt đối không tiếp xúc dựa trên nguyên tắc của phép
đo khoảng cách tam giác bằng laser. Cảm biến có kích thước 75mm*60mm*28mm, trọng
lượng 200g.
- Cảm biến áp lực nền đất TZT-123A
Hình 13. Cảm biến áp lực nền đất TZT-123A
437
- Phần tử nhạy cảm với áp lực là chip áp lực silicon. Thiết kế cấu trúc của nó dựa trên
nguyên tắc phù hợp của cảm biến áp lực trong môi trường đất đá. Nó thích hợp cho thử
nghiệm mô hình quy mô nhỏ cát, môi trường đất, trường tự do và bề mặt kết cấu đo áp suất
động và tĩnh. Cảm biến có trọng lượng 230g.
4. KẾT LUẬN
Biện pháp đo đạc kiểm tra đánh giá chất lượng của kết cấu tầng trên đường sắt bằng
phương pháp đo tĩnh hiện đã không còn phù hợp do không phản ánh chính xác trạng thái
làm việc và chất lượng của các bộ phận kết cấu. Để đáp ứng nhu cầu của công tác quản lý
kết cấu hạ tầng đường sắt, nâng cao tốc độ, tải trọng trục, tính tiện nghi cho hành khách,
nâng đảm bảo an toàn trong vận hành khai thác các tuyến đường, giúp cho cơ quan quản
lý nhà nước một trong những căn cứ quan trọng để ra quyết định đầu tư cải tạo, nâng cấp,
sửa chữa thay thế các bộ phận của kết cấu tầng trên, quyết định chu kỳ duy tu bảo dưỡng
hợp lý...thì nhu cầu trước mắt và trong thời gian tới là cần tiếp tục tìm hiểu, xây dựng bộ
quy trình kiểm tra đánh giá trạng thái kết cấu đường bằng phương pháp đo động do những
ưu điểm như đã phân tích. Cùng với đó là đặt hàng các máy móc thiết bị đo động phù hợp
với điều kiện của đường sắt Việt Nam.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Liu Xue yi, Wang ping (2010), “Cheliang-guidao-luji xitong dong li xue” , NXB
Đại học Giao thông Tây Nam Trung Quốc (bản tiếng trung).
[2]. Trương Trọng Vương (2015), Một số đặc tính động lực học của ĐS cao tốc kiểu
tấm bản loại I và các bệnh hại của nó, Luận án tiến sỹ (bản tiếng Trung).
[3]. Trương Trọng Vương, Liu Xue yi (2014), Phân tích đường không bằng phẳng của
kết cấu ĐS cao tốc kiểu tấm bản, bài báo quốc tế EI (bản tiếng Trung+ tiếng Anh).
[4]. Vương Kỳ Xương (1999), Công trình đường Sắt cao tốc, NXB Đại học Giao thông
Tây Nam Trung Quốc (bản tiếng Trung Quốc).
[5]. Quảng Trung Thạch và Cao Tuệ An (2001), Đường Sắt không khe nối, NXB đường
Sắt Trung Quốc - Bắc Kinh (Tiếng Trung Quốc).
[6]. Dịch Tư Dung (2009), Công trình đường Sắt tập II, NXB đường Sắt Trung Quốc -
Bắc Kinh (Tiếng Trung Quốc).
[7]. Đặng Sỹ Mạnh (2017), Nghiên cứu kiểm toán mật độ tà vẹt bê tông dự ứng lực cho
cầu ray 50kg/m L=25m đường sắt khổ 1000mm và 1435mm. Đề tài khoa học công nghệ
cấp bộ, mã số DT164046.
[8]. GB5599-1985. Quy phạm đánh giá thử nghiệm kiểm định động kết cấu đường-toa
xe đường sắt. Tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc (bản tiếng Trung).
438
nguon tai.lieu . vn
