با توجه به گسترش روز افزون حمل و نقل ریلي در سطح كشور و تغيير جهت به سمت سيستم هاي حمل و نقل عمومي و بويژه سيستم هاي حمل و نقل ريلي و به صورت ويژه حمل و نقل ريلي درون شهري بررسي و جايگزيني سيستم هاي روسازي بالاستي با سيتمهاي جديدتر و كاراآتر غير قابل اجتناب مي باشد با توجه به رويكرد دولت مبني بر ساخت و افتتاح حداقل چهارصد كيلومتر شبكه حمل و نقل ريلي داخل شهري و همچنين سيستم هاي سرسيع السير ريلي برون شهري ضرورت مطالعه و ترويج روسازي هاي بتني در حمل و نقل ريلي اجتناب ناپذير مي باشد با توجه به نوپاوجوان بودن روسازي در حمل و نقل ريلي در جوامع علمي و بويژه در كشور ايران به نوعي خلاء و فقدان اطلاعات علمي و مدرن درباره اين موضوع كاملاً مشهود مي باشد. با توجه به سابقه طولاني مدت روسازي بالاستي در سيستم راه آهن كشور و همچنين عدم اطلاع كافي و در دسترس نبودن اسناد و مستندات علمي درباره روسازي بتني باعث عدم استفاده گسترده از اين سيستم در سطح كشور گرديده است نگارنده تلاش نموده با توجه به رویكرد فوق الذكر و احساس فقر شديد علمي در اين زمينه نسبت به كاوش و تحقيق در اين مورد بمنظور استقبال بيشتر از اين نوع روسازي قدم بردارد. اميد است اين پايان نامه موفق به گشايش و باز نمودن گوشه اي از مشكلات اين صنعت عظيم گردد. اهميت استفاده از روسازي هاي بتني هنگامي مشهود مي گردد كه مواد زير مورد توجه قرار گيرد و 1- پايداري و استحكام فوق العاده خط در برابر نيروي استاتيكي و ديناميكي وارده از طرف قطار 2- هزينه هاي تعمير و نگهداري بسيار پائين در مقايسه با روسازي بالاستي 3- عدم انحرااف روسازي هاي بتني از شرايط ابده آل بهره برداري در مقايسه با روسازي هاي بالاستي و بسياري از مزاياي ديگر كه در طول پايان نامه بدان اشاره خواهد شد البته پاره اي از معايب نيز بدين سيستم وارد مي باشد كه به موقع بیان خواهد گرديد. در حدود 30 سال پيش مهندسان راهآهن اروپا در كشورهايي با راهآهن پيشرفته اقدام به بررسي سيستم واگنها و خطوط راهآهن براي حركت قطارها با سرعت بالاتر از 200 km/h نمودند.
تمركز اصلي آنها بر اين موضوع بود كه آيا امكان تعمير و نگهداري خطوط با بالاست به اندازه كافي قبل از اينكه توسط اثرات شديد عملكرد قطارهاي سريعالسير سست شوند وجود دارد يا نه ؟ در همان زمان ژاپن تصميم گرفت از خطوط با بالاست بر پايه تئوري جديد ( بهينه سازي خطوط با بالاست با توجه به نيازهاي تعميرات و نگهداري) استفاده نمايد. متصديان راهآهن فرانسه و آلمان نقطه نظرات متفاوتي در اين زمينه داشتند. در فرانسه تصور ميشد كه بهرهبرداري در سرعت بالاتر از 200 km/h روي خطوط با بالاست نيز امكان پذير است ، ولي آلمانيها بر اين عقيده بودند كه اگر چه خطوط با بالاست تا سرعت 200km/h را جواب ميدهد ولي براي سرعتهاي بالاتر از آن بايد از خطوط با دال بتني استفاده شود .
در سال1988 ، ICE آلمان به سرعت 407 km/h دست يافت و در 1990 ، TGV فرانسه به ركورد 515km/h دست يافت . هر دو ركورد برروي خطوط با بالاست بود . ضمنا در ژاپن بالاترين سرعت در آن زمان 425km/h بود كه در سال 1993 روي خطوط با دال بتني به دست آمده بود. سيستم رهدا 2000 براي اولين بار در July 2000 به عنوان قسمتي از خط سريع السير بن Leipzig و Halle بكار رفت .
روسازه سيستم رهدا 2000نيازمند به يك بستر بدون نشست مي باشد چرا كه ميله هاي تقويتي آن كه در مركز دال بتني قرار داده شده اند بيشتر به منظور مرتب كرده و منظم كردن برخي تركها و انتقال نيروي جاني ايفاي نقش مي كند كه تابه منظور ايجاد يك دال سخت (مقاوم در براي خمش)
در ژاپن تجربيات تلخ خط 516 كيلومتري توكايدو[1] كه در سال 1964 افتتاح گرديد اين خط در ابتدا داراي خط بالاستي بود و مشكلات عديده اين سيستم منجر به ابداع و توسعه خط با دالهاي پيش ساخته گشت.
خط شينكانسن ژاپني ها يك خط با دال بتني است كه از يك لايه زيرين تثبيت شده با سيمان (بستر بتني) تشكيل شده است. ميلههاي استوانهاي بتني[2] براي جلوگيري از حـركت طـولي و عـرضي ، و بتن هاي مسلح پيش تنيده با ابعاد 19/0*34/2*93/4 (متر) در خطوط عادي و با ضخامت تنها 16/0 متر در تونلها
راهها به منزلهي رگهاي حياتي يك كشور ميباشند و تپش منظم قلب يك سرزمين در اثر عبور بدون وقفه خون در شريانهاي آن است. فقط زماني يك كشور به پويايي و تكامل ميرسد كه انسان، كالا و مواد توليدي منظم و تحت برنامهاي صحيح جابجا شوند. يك سيستم حمل و نقل كارآ بهعنوان يكي از مهمترين پيشنيازهاي اساسي توسعه همهجانبه شناخته شده است. و به همين منظور منابع مالي و انساني قابل توجهي براي ساخت و ارتقاي شبكهي حمل و نقل اختصاص مييابد. شبكهي ريلي به دليل امتيازهايي مانند سرعت، نظم درساعات رفت و آمد، حجم بالاي جابجايي مسافر و كالا، راحتي و ايمني از سوي برنامهريزان و مديريت كلان كشورها مورد توجه ويژه قرار دارد. به منظور ارتقاء كيفيت خطوط راهآهن در سالهاي اخير استفاده از مسير دالي شكل (Slab Track) در روسازي راهآهن به دلايل زير گسترش فراواني يافته است:
1) ارتقاء ايمني در مسير حركت قطارها
2) كاهش هزينههاي تعمير و نگهداري
3) افزايش سرعت قطار
4) كاهش آلودگي صوتي
5) از بين بردن خط پرتاب مصالح بالاست.
روسازي بدن بالاست به دو روش پيشساخته و در جا اجراء ميشوند. با توجه به بررسي نتايج هزينههاي مربوط به احداث خطوط راهآهن با شيوه فاقد بالاست و خطي كه بر بالاست احداث ميشود، انجام شده است. به اين نتيجه ميرسيم كه شيوه بدون بالاست اقتصاديتر ميباشد. بنابراين منطقي است كه با استفاده از تكنولوژي اجراي سيستم بدون بالاست هم هزينه عمليات اجرايي را كاهش دهيم و هم از مزاياي ذكر شده در بالا بهرهمند گرديم.
ابتدا به كلياتي راجع به تاريخچهاي از راهآهن و سپس به روش سنتي استفاده از بالاست در روسازي راه آهن پرداخته ميشود و سپس چند روش رايج در روسازي بدون بالاست مورد بررسي قرار ميگيرد و در پايان مقايسهاي بين اين روشها انجام خواهد گرفت.
از ابتداي فعاليتهاي بشري تا به امروز، حمل و نقل ايمن و سريع انسان و كالا هدف هميشگي هر جامعهي سازمان يافتهاي بوده است. تحولات اساسي شناخته شده در توسعه حمل و نقل عبارت بودهاند از: اختراع چرخ، راهآهن و هواپيما. راهآهن به شكل امروزي براي اولين بار دراوايل قرن نوزدهم و در معادن انگليس ظاهر شد. خصوصيت اصلي آن تأمين حركت هدايت شده چرخ توسط خط و با تماس فلز به فلز است. به طوريكه تنها يك درجه آزادي را براي وسيله نقليه ريلي فراهم ميآورد.
بههرحال پيشتازان راهآهن امروزي خيلي زودتر از قرن نوزدهم ظاهر شدند. حركت گاريها و واگنها بر روي ريلهاي فلزي در يك نقاشي مربوط به سال 1550 ميلادي كه در شهر باسل سوئيس پيدا شده و روشهاي حمل و نقل در معادن آلسس را نشان ميدهد، به تصوير كشيده شده است. حركت هدايت شده گاريها به طور كلي، آنگونه كه از شيارهاي ايجاد شده روي سنگفرشها براي تسهيل و تسريع حركت گاريها برميآيد، درزمان رميها نيز شناخته شده بود.
در مونت پنتلي نزديك آتن، كه سنگ هاي مرمر سفيد براي پارتنن و ساير بناهاي تاريخي از آنجا تأمين شده است، شيارهاي عميق موجود در زمينهاي صخرهاي روشهاي مورد استفاده توسط يونانيهاي باستان براي انتقال تخته سنگهاي مرمرين به محلهاي ساخت را آشكار ميكند علاوه بر اين، آنگونه كه بعضي از نويسندگان گفتهاند، حركت هدايت شده با قراردادن ناودانيهاي چوبي بر روي راههاي لجنزار و هدايت كالسكهها در يونان باستان مورد استفاده قرار گرفته است. در آن زمان دو عدد ناوداني براي عبور يك كالسكه كافي به نظر ميرسيد و زماني كه دو كالسكه از روبهرو به يكديگر ميرسيدند، راننده جوانتر به رانندهي پيرتر راه ميداد. نقل شده است كه در يك چنين حالتي اوديپ از راه دادن به راننده پيرتر كه از جهت مقابل ميآمد، سرباز زد و او را كشت، غافل از اين كه او پدرش لئوس بود.
خصوصيات راهآهن
راهآهن داراي ويژگيهاي زير است:
- چرخش چرخهاي با طوقه فلزي روي دو راه باريك فلزي كه ريل ناميده ميشوند، تماس دو فلز به علت مقاومت كمي كه در برابر چرخش ايجاد ميكند (كمتر از 3 كيلوگرم براي هر تن) موجب ميشود كه ميتوان براي هر واحد توان مفروض بارهاي به مراتب زيادتري با راهآهن در مقايسه با جاده حمل كرد. تنها چيزي كه ظرفيت قطارها را محدود ميكند، مقاومت بستهاي بين واگنها توزيع شدهاند قطارهاي به وزن تا 4000 تن در راهآهنهاي اروپا و آمريكا رفت و آمد ميكنند، و حتي ميتوان قطارهاي به گنجايش 15000 تن براي حمل سنگهاي معدني به راه انداخت كه بيش از دو راننده لوكوموتيو لازم نداشته باشند.
- هدايت دقيق لوكوموتيو و واگنها كه به وسيله شكل خاص قارچ ريل و شكل طوقه چرخ صورت ميگيرد و اين امكان را ميدهد كه از تمام عرض زيربناي راه يا دهانه تونلها و عرض پلها استفاده كامل گردد، زيرا فاصله عرضي دو قطار سريع را كه در جهتهاي مختلف حركت ميكنند ميتوان به حداقل كاهش داد (مثلاً به 20 سانتيمتر براي قطارهايي كه 15/3 متر عرض دارند و هريك با سرعت 140 كيلومتر در ساعت حركت ميكنند)
- رفت و آمد قطارها به علت وجود ريلها فقط يك درجه آزادي بيشتر ندارد (حركت طولي) و بنابراين راهآهن از هر وسيله ديگري براي بهرهبرداري خودكار (اتوماتيك) مناسبتر است. در عوض راهآهن به فراز و نشيب خيلي حساسيت دارد و ساختمان آن خاكريزي و خاكبرداري و پل و تونلهاي زياد و پرخرجي را ايجاب ميكند. ولي اين مخارج زياد فقط خاص راهآهن نيست. تجربه نشان ميدهد كه در شرايط مساوي يك بزرگراه چهارخطه (2×2خطه) در حدود 50 درصد گرانتر از راهآهن تمام ميشود.
امتيازهاي راهآهن
خصوصيات ذكر شده در بالا به راهآهن امتيازهايي ميدهند كه عبارتنداز:
سرعت، ايمني، نظم در ساعات رفت و آمد، دبي و راحتي
سرعت:
بررسي سرعت حركت قطارها در اروپاي غربي نشان ميدهد كه بيشتر شهرهاي آن با سرعت متوسطي بيش از 120 كيلومتر در ساعت با يكديگر در ارتباطند. در فرانسه علاوه بر قطارهاي بسيار سريع T.G.V قطارهاي سريع معمولي با سرعتهاي متوسطي در حدود 140 تا 160 كيلومتر در ساعت بين شهرهاي مختلف آن رفت و آمد ميكنند زمان پيمودن هر مسير براي قطارهاي معمولي (غيرسريع) حدود 5 تا 15% بيشتر از زمانهاي حساب شده براي قطارهاي سريع است. سرعت حداكثر براي قطارهاي باري سنگين برحسب مورد برابر 90 تا 120 كيلومتر در ساعت است.
- ايمني
راهآهن مطمئنترين وسيلهي ترابري است. آمار نشان ميدهد كه به طور متوسط تلفات در راهآهن از يك كشته براي هر ميليارد مسافر كيلومتر هم كمتر است. در صورتي كه اين رقم براي جاده بيش از 100 و براي هواپيما در حدود 25 است.
نظم
راهآهن بدون شك منظم ترين وسيله حمل و نقل است. درواقع جز در موراد بسيار استثنايي تغييرات شرايط جوي بر آن بياثر است و قطارها مجبور نيستند كه به علت بدي هوا يا كمي ديد مسيرشان را در طول راه عوض كنند. آمار مربوط به كشورهاي اروپاي غربي نشان ميدهند كه نسبت درصد قطارهاي خطوط بين شهري كه بيش از 15 دقيقه تأخير دارند از 2% كمتر است. براي قطارهاي حومه تأخيرهاي بيش از 5 دقيقه از 1% هم كمترند.
ظرفيت
راهآهن مناسبترين وسيله براي انتقال تعداد زيادي مسافر يا حمل مقدار قابل ملاحظهاي بار است. دبي يا ظرفيت حمل در ساعت يك راهآهن تابع ظرفيت و فركانس (تعداد در ساعت) قطارهايي است كه در روي آن حركت ميكنند. براي يك قطار بين شهري اگر فقط جاهاي نشسته را به حساب آوريم، و قطارها داراي واگنهاي درجه 1 و 2 اروپايي يعني كوپههاي 6 نفره و 8 نفره باشند، ظرفيت هر قطار با 13 يا 14 واگن مسافري درحدود 1000 تا 1100 نفر است و دبي حاصل از آن اگر هر 3 دقيقه يك قطار حركت كند، 20000 تا 22000 نفر در ساعت و در هر جهت است.
براي قطارهاي حومه ظرفيت با توجه به جاهاي ايستاده ميتواند به 1800 تا 2000 نفر و حتي به 2400 تا 2500 نفر هم همانطور كه در خطوط حومه جنوب شرقي پاريس و خط سريع ناحيهاي (R.E.R.) اين شهر متداول است، برسد و چون فركانس قطارهاي حومه را ميتوان به آساني به 24 قطار در ساعت يعني يك قطار هر دو دقيقه و نيم افزايش داد. از اين اعداد دبيي برابر 60000 مسافر در ساعت حاصل ميشود. مطالعاتي كه در سالهاي اخير صورت گرفته است، نشان ميدهند كه ميتوان به كمك دستگاههاي خودكار و اطاق فرمان مركزي فركانس را به 30 قطار درساعت و حتي بيشتر افزايش داد. به اين ترتيب توجه ميكنيم كه وقتي تعداد مسافريني كه بايد جابجا شوند، زياد است، دبي نقش مهمي را به نفع راهآهن ايفا ميكند. به عنوان مثال ايستگاه حومه شين ژوكو (Shinjuku) توكيو يا ايستگاه حومه سنلازار (Saint-Lazard) پاريس هريك در دو ساعت ازدحام ترافيكي در حدود سيصد هزار مسافر را تحمل ميكنند.
مساله رفت و آمد مسافرين بين شهرهاي بزرگ و حومه آنها را نميتوان به آساني جز به وسيله قطار شهري موجود است و در حدود 40 شهر ديگر هم از جمله تهران طرحهاي احداث مترو در دست اجرا يا در مرحله مطالعهاند.
درخطوط بين شهري هم راهآهن توكايدو و در طول 513 كيلومتر از مناطقي با جمعيت كل 60 ميليون نفر ميگذرد و ترافيك ساعتي آن در حدود 5000 نفر در هر جهت است.
در مورد كالا هم راهآهن بعد از راههاي آبي مناسبترين وسيله براي حمل و نقل بار به مقدار زياد است و به اين دليل است كه از نيمه دوم قرن بيستم به بعد در بسياري از كشورهاي در حال توسعه آفريقا، آسيا و آمريكاي جنوبي خطوط راهآهني براي حمل مواد معدني ساخته يا بازسازي شدهاند.
راحتي
آمار و تجربيات متفاوت نشان ميدهند كه در زمان مساوي كمترين خستگي در مسافرت يا راهآهن به وجود ميآيد، زيرا وجود امكانات رفاهي بسياري از نيازهاي مسافرين رابرآورده ميكند.
-عصر طلايي راهآهن
توسعه راهآهن به نحو شگفتانگيزي تحت تأثير انقلاب صنعتي، كشف قوه بخار و بهرهبرداري وسيع از معادن زغال سنگ و سنگآهن قرار گرفت. اولين خطوط راهآهن در كشورهاي اروپايي حدود سالهاي 1830 به كار افتاد و شبكههاي راهآهن در اوايل قرن بيستم به حداكثر تراكم خود رسيد. عاملي كه باعث رشد سريع راهآهن گرديد، سرعت زياد (با استانداردهاي آن زمان) بود كه ارتباطات سريع را باعث ميشد. موتورهاي بخار در مراحل آزمايشي عملكردهاي شگفتي را نشان ميدادند. سال 1835 سرعت 100 كيلومتر در ساعت در انگلستان، سال 1890 سرعت 144 كيلومتر در ساعت در فرانسه، سال 1930 سرعت 213 كيلومتر در ساعت در آلمان. اگرچه حداكثر سرعت در عمل بسيار كمتر بود ( تا سرعت آزمايشي)، ولي به رشد سريع حمل و نقل ريلي كمك زيادي نمود.
بهكارگيري توان كشش برقي در اوايل قرن بيستم توسعه بيشتر راهآهن را مسير ساخت، در حاليكه توسعه ارسال علايم و كنترل از راه دور به صورت مركزي قبل از جنگ جهاني دوم چهره امروزي راهآهن را در سالهاي 1950 ترسيم نمود.
-راهآهن و ساير سيستمهاي حمل و نقل رقيب
بههرحال زمان تغيير كرده است و آن چيزي كه در اوايل قرن بيستم بسيار جذاب بود، به زودي از مطلوبيت كمتر و كمتري برخوردار گرديد. هواپيماها و اتومبيلهاي شخصي در حال ارائه خدمات حمل و نقلي در مقياسهاي مختلف بودند. تحت تأثير فشار ناشي از رقابت، راهآهن نيز به اجبار بايد راه توسعه و نوگرايي را در رابطه با سرعت،كاهش هزينههاي حمل و نقل، سازماندهي بهتر و بهبود خدمات ارائه شده انتخاب مينمود. بنابراين به دوران راهآهنهاي سريعالسير حركت با سرعتهاي 250 تا 300 كيلومتر در ساعت (سرعت 515 كيلومتر در ساعت در سال 1990 توسط راهآهن فرانسه در مراحل آزمايشي تجربه شد)، حمل و نقل تركيبي (تركيب حمل و نقل جادهاي و راهآهن) جابجايي حجم زياد مسافر و كالا (خدمات ترددي و بار (بارهاي فله) ميرسيم.
با اين وجود، همگام با راهآهنهاي سنتي (كه براساس تماس فلز و فلز قرار دارد)، از اواسط سالهاي 1970 تجارب مختلف براي توسعه تكنيكهايي كه با حفظ حركت هدايت شده (مانند راهآهن) بتوان از هرگونه تماس مستقيم وسيله در حال حركت و زيرسازه نگهدارنده اجتناب نمود، شروع گرديد. اين كوششهاي شامل قطار هوارو ميشود، كه در مراحل آزمايشي سرعتهايي در حدود 422 كيلومتر در ساعت را براي قطار هوارودر سال 1969 و 600 كيلومتر در ساعت را براي قطار مغناطيسي در سال 1991 به ارمغان آورد.
-تحول در سازمان راهآهنها
تشكيلات شركتهاي راهآهن در اواخر قرن نوزدهم و اوايل قرن بيستم به صورت فعاليتهاي كوچك تجاري خصوصي شروع گرديد. اهميت استراتژيك راهآهن كشورهاي مختلف از نظر اقتصادي و امنيتي، و همچنين كسريهاي اقتصادي به وجود آمده، بين سالهاي 1935 تا 1960 بسياري از دولتها را به سمت ملي كردن راهآهنهاي خود سوق داد. بنابراين، بعد از سالهاي 1950 بسياري از راهآهنها جزئي از تشكيلات مديريتي دولتي شدند. اين مساله از يك طرف توسعه سازمان يافته حمل و نقل ريلي را در مقياس ملي، و از طرف ديگر عدم تمايل و بيتفاوتي نسبت به نوگرايي و در نتيجه افزايش زيانهاي اقتصادي را به دنبال داشت (سالهاي 1960 تا 1980)
توسعه بازار حمل و نقل در اواخر سالهاي 1980 (يعني آزادسازي تدريجي فعاليتهاي حمل و نقلي از چهارچوب قانوني كه بيش از سه دهه در محدوده آن عمل ميشد)، سازمانهاي راهآهن را وادار ساخت تا در سازماندهي خدمات حمل و نقلي خود كاهش هزينههاي حمل و نقلي، استفاده از فنآوري جديد، بهكارگيري بهتر برتريهاي خود و نوگرايي به منظور داشتن توان رقابت در بازار حمل و نقل، انعطافپذيري بيشتري نشان دهد. از همان سالها بعضي از كشورها مانند ژاپن، انگلستان، سوئد و … خصوصيسازي راهآهنهاي ملي خود را شروع كرده بودند از نقطه نظر بازار حمل و نقل، هرگونه فنآوري و نوسازي تنها به دليل رقابت و كارآيي اقتصادي، در مقايسه با خدمات ارائه شده توسط ساير سيستمهاي حمل و نقلي (جادهاي، هوايي) قابل توجيه است
2-2 بررسي مقالات
با توجه به نوپا بودن بحث روسازي بتني و به ويژه روسازي هاي مورد استفاده در خطوط مترو بالطبع ميزان مقالات در اين مورد بسيار اندك بوده و عموما كار هاي پژوهشي چنداني در اين زمينه صورت نگرفته است. خوشبختانه درسالهاي اخير با توجه به افتتاح و راه اندازي برخي از خطوط متروي تهران و همچنين پيشرفت قابل ملاحظه قطار شهري ساير كلان شهر هاي كشور، لزوم مطالعه و بررسي هاي بيشتر در این رابطه كاملا مشهود مي باشد خوشبختانه در چند سال اخير با بر گزاري چندين همايش با موضوع حمل و نقل ريلي گامي بلند در اين زمينه برداشته شده اما متاسفانه در اين همايش ها نيز بسيار كم به موضوع هاي روسازي بتني برداخته مي شود در زير نمونه اي از مقالات ارائه شده در اين سمينار ارائه مي گردد.