حمل و نقل ریلی و بررسی روسازی های بتنی در آنها

مقدمه:
با توجه به گسترش روز افزون حمل و نقل ریلی در سطح كشور و تغییر جهت به سمت سیستم های حمل و نقل عمومی و بویژه سیستم های حمل و نقل ریلی و به صورت ویژه حمل و نقل ریلی درون شهری بررسی و جایگزینی سیستم های روسازی بالاستی با سیتمهای جدیدتر و كاراآتر غیر قابل اجتناب می باشد با توجه به رویكرد دولت مبنی بر ساخت و افتتاح حداقل چهارصد كیلومتر شبكه حمل و نقل ریلی داخل شهری و همچنین سیستم های سرسیع السیر ریلی برون شهری ضرورت مطالعه و ترویج روسازی های بتنی در حمل و نقل ریلی اجتناب ناپذیر می باشد با توجه به نوپاوجوان بودن روسازی در حمل و نقل ریلی در جوامع علمی و بویژه در كشور ایران به نوعی خلاء و فقدان اطلاعات علمی و مدرن درباره این موضوع كاملاً مشهود می باشد. با توجه به سابقه طولانی مدت روسازی بالاستی در سیستم راه آهن كشور و همچنین عدم اطلاع كافی و در دسترس نبودن اسناد و مستندات علمی درباره روسازی بتنی باعث عدم استفاده گسترده از این سیستم در سطح كشور گردیده است نگارنده تلاش نموده با توجه به رویكرد فوق الذكر و احساس فقر شدید علمی در این زمینه نسبت به كاوش و تحقیق در این مورد بمنظور استقبال بیشتر از این نوع روسازی قدم بردارد. امید است این پایان نامه موفق به گشایش و باز نمودن گوشه ای از مشكلات این صنعت عظیم گردد. اهمیت استفاده از روسازی های بتنی هنگامی مشهود می گردد كه مواد زیر مورد توجه قرار گیرد و 1- پایداری و استحكام فوق العاده خط در برابر نیروی استاتیكی و دینامیكی وارده از طرف قطار 2- هزینه های تعمیر و نگهداری بسیار پائین در مقایسه با روسازی بالاستی 3- عدم انحرااف روسازی های بتنی از شرایط ابده آل بهره برداری در مقایسه با روسازی های بالاستی و بسیاری از مزایای دیگر كه در طول پایان نامه بدان اشاره خواهد شد البته پاره ای از معایب نیز بدین سیستم وارد می باشد كه به موقع بیان خواهد گردید. در حدود 30 سال پیش مهندسان راه‌آهن اروپا در كشورهایی با راه‌آهن پیشرفته اقدام به بررسی سیستم واگن‌ها و خطوط راه‌آهن برای حركت قطارها با سرعت بالاتر از  200 km/h نمودند.
تمركز اصلی آنها بر این موضوع بود كه آیا امكان تعمیر و نگهداری خطوط با بالاست به اندازه كافی قبل از اینكه توسط اثرات شدید عملكرد قطارهای سریع‌السیر سست شوند وجود دارد یا نه ؟ در همان زمان ژاپن تصمیم گرفت از خطوط با بالاست بر پایه تئوری جدید ( بهینه سازی خطوط با بالاست با توجه به نیازهای تعمیرات و نگهداری) استفاده نماید. متصدیان راه‌آهن فرانسه و آلمان نقطه نظرات متفاوتی در این زمینه داشتند. در فرانسه تصور می‌شد كه بهره‌برداری در سرعت بالاتر از 200 km/h روی خطوط با بالاست نیز امكان پذیر است ، ولی آلمانی‌ها بر این عقیده بودند كه اگر چه خطوط با بالاست تا سرعت 200km/h را جواب میدهد ولی برای سرعت‌های بالاتر از آن باید از خطوط با دال بتنی استفاده شود .
در سال1988 ، ICE  آلمان به سرعت 407 km/h دست یافت و در 1990 ، TGV فرانسه به ركورد 515km/h  دست یافت . هر دو ركورد برروی خطوط با بالاست بود . ضمنا در ژاپن بالاترین سرعت در آن زمان 425km/h  بود كه در سال 1993 روی خطوط با دال بتنی به دست آمده بود. سیستم رهدا 2000 برای اولین بار در July 2000 به عنوان قسمتی از خط سریع السیر بن Leipzig و Halle بكار رفت .
روسازه سیستم رهدا 2000نیازمند به یك بستر بدون نشست می باشد چرا كه میله های تقویتی آن كه در مركز دال بتنی قرار داده شده اند بیشتر به منظور مرتب كرده و منظم كردن برخی تركها و انتقال نیروی جانی ایفای نقش می كند كه تابه منظور ایجاد یك دال سخت (مقاوم در برای خمش)
در ژاپن تجربیات تلخ خط 516 كیلومتری توكایدو  كه در سال 1964 افتتاح گردید این خط در ابتدا دارای خط بالاستی بود و مشكلات عدیده‌این سیستم منجر به ابداع و توسعه خط با دالهای پیش ساخته گشت.
خط شینكانسن ژاپنی ها یك خط با دال بتنی است كه از یك لایه زیرین تثبیت شده با سیمان (بستر بتنی) تشكیل شده است. میله‌های استوانه‌ای بتنی  برای جلوگیری از حـركت طـولی و عـرضی ، و بتن های مسلح پیش تنیده با ابعاد 19/0*34/2*93/4 (متر) در خطوط عادی و با ضخامت تنها 16/0 متر در تونلها
 راه‌ها به منزله‌ی رگ‌های حیاتی یك كشور می‌باشند و تپش منظم قلب یك سرزمین در اثر عبور بدون وقفه خون در شریان‌های آن است. فقط زمانی یك كشور به پویایی و تكامل می‌رسد كه انسان، كالا و مواد تولیدی منظم و تحت برنامه‌ای صحیح جابجا شوند. یك سیستم حمل و نقل كارآ به‌عنوان یكی از مهم‌ترین پیش‌نیازهای اساسی توسعه همه‌جانبه شناخته شده است. و به همین منظور منابع مالی و انسانی قابل توجهی برای ساخت و ارتقای شبكه‌ی حمل و نقل اختصاص می‌یابد. شبكه‌ی ریلی به دلیل امتیازهایی مانند سرعت، نظم درساعات رفت و آمد، حجم بالای جابجایی مسافر و كالا، راحتی و ایمنی از سوی برنامه‌ریزان و مدیریت كلان كشورها مورد توجه ویژه قرار دارد. به منظور ارتقاء كیفیت خطوط راه‌آهن در سال‌های اخیر استفاده از مسیر دالی شكل (Slab Track) در روسازی راه‌آهن به دلایل زیر گسترش فراوانی یافته است:

1)     ارتقاء ایمنی در مسیر حركت قطارها
2)     كاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری
3)     افزایش سرعت قطار
4)     كاهش آلودگی صوتی
5)     از بین بردن خط پرتاب مصالح بالاست.
روسازی بدن بالاست به دو روش پیش‌ساخته و در جا  اجراء می‌شوند. با توجه به بررسی نتایج هزینه‌های مربوط به احداث خطوط راه‌آهن با شیوه فاقد بالاست و خطی كه بر بالاست احداث می‌شود، انجام شده است. به این نتیجه می‌رسیم كه شیوه بدون بالاست اقتصادی‌تر می‌باشد. بنابراین منطقی است كه با استفاده از تكنولوژی اجرای سیستم بدون بالاست هم هزینه عملیات اجرایی را كاهش دهیم و هم از مزایای ذكر شده در بالا بهره‌مند گردیم.
ابتدا به كلیاتی راجع به تاریخچه‌ای از راه‌آهن و سپس به روش سنتی استفاده از بالاست در روسازی راه آهن پرداخته می‌شود و سپس چند روش رایج در روسازی بدون بالاست مورد بررسی قرار می‌گیرد و در پایان مقایسه‌ای بین این روش‌ها انجام خواهد گرفت.

از ابتدای فعالیت‌های بشری تا به امروز، حمل و نقل ایمن و سریع انسان و كالا هدف همیشگی هر جامعه‌ی سازمان یافته‌ای بوده است. تحولات اساسی شناخته شده در توسعه حمل و نقل عبارت بوده‌اند از: اختراع چرخ، راه‌آهن و هواپیما. راه‌آهن به شكل امروزی برای اولین بار دراوایل قرن نوزدهم و در معادن انگلیس ظاهر شد. خصوصیت اصلی آن تأمین حركت هدایت شده چرخ توسط خط و با تماس فلز به فلز است. به طوری‌كه تنها یك درجه آزادی را برای وسیله نقلیه ریلی فراهم می‌آورد.
به‌هرحال پیشتازان راه‌آهن امروزی خیلی زودتر از قرن نوزدهم ظاهر شدند. حركت گاری‌ها و واگن‌ها بر روی ریل‌های فلزی در یك نقاشی مربوط به سال 1550 میلادی كه در شهر باسل سوئیس پیدا شده و روش‌های حمل و نقل در معادن آلسس را نشان می‌دهد، به تصویر كشیده شده است. حركت هدایت شده گاری‌ها به طور كلی، آن‌گونه كه از شیارهای ایجاد شده روی سنگ‌فرشها برای تسهیل و تسریع حركت گاری‌ها برمی‌آید، درزمان رمی‌ها نیز شناخته شده بود.
در مونت پنتلی نزدیك آتن، كه سنگ های مرمر سفید برای پارتنن و سایر بناهای تاریخی از آن‌جا تأمین شده است، شیارهای عمیق موجود در زمین‌های صخره‌ای روش‌های مورد استفاده توسط یونانی‌های باستان برای انتقال تخته سنگ‌های مرمرین به محل‌های ساخت را آشكار می‌كند علاوه بر این، آن‌گونه كه بعضی از نویسندگان گفته‌اند، حركت هدایت شده با قراردادن ناودانی‌های چوبی بر روی راه‌های لجن‌زار و هدایت كالسكه‌ها در یونان باستان مورد استفاده قرار گرفته است. در آن زمان دو عدد ناودانی برای عبور یك كالسكه كافی به نظر می‌رسید و زمانی كه دو كالسكه از روبه‌رو به یكدیگر می‌رسیدند، راننده‌جوان‌تر به رانندهی پیرتر راه می‌داد. نقل شده است كه در یك چنین حالتی اودیپ از راه دادن به راننده پیرتر كه از جهت مقابل می‌آمد، سرباز زد و او را كشت، غافل از این كه او پدرش لئوس بود.
خصوصیات راه‌آهن
راه‌آهن دارای ویژگی‌های زیر است:
-    چرخش چرخ‌های با طوقه فلزی روی دو راه باریك فلزی كه ریل نامیده می‌شوند، تماس دو فلز به علت مقاومت كمی كه در برابر چرخش ایجاد می‌كند (كم‌تر از 3 كیلوگرم برای هر تن) موجب می‌شود كه می‌توان برای هر واحد توان مفروض بارهای به مراتب زیادتری با راه‌آهن در مقایسه با جاده حمل كرد. تنها چیزی كه ظرفیت قطارها را محدود می‌كند، مقاومت بست‌های بین واگن‌ها توزیع شده‌اند قطارهای به وزن تا 4000 تن در راه‌آهنهای اروپا و آمریكا رفت و آمد می‌كنند، و حتی می‌توان قطارهای به گنجایش 15000 تن برای حمل سنگ‌های معدنی به راه انداخت كه بیش از دو راننده لوكوموتیو لازم نداشته باشند.
-    هدایت دقیق لوكوموتیو و واگن‌ها كه به وسیله شكل خاص قارچ ریل و شكل طوقه چرخ صورت می‌گیرد و این امكان را می‌دهد كه از تمام عرض زیربنای راه یا دهانه تونل‌ها و عرض پل‌ها استفاده كامل گردد، زیرا فاصله عرضی دو قطار سریع را كه در جهت‌های مختلف حركت می‌كنند می‌توان به حداقل كاهش داد (مثلاً به 20 سانتی‌متر برای قطارهایی كه 15/3 متر عرض دارند و هریك با سرعت 140 كیلومتر در ساعت حركت می‌كنند)
-    رفت و آمد قطارها به علت وجود ریل‌ها فقط یك درجه آزادی بیشتر ندارد (حركت طولی) و بنابراین راه‌آهن از هر وسیله دیگری برای بهره‌برداری خودكار (اتوماتیك) مناسب‌تر است. در عوض راه‌آهن به فراز و نشیب خیلی حساسیت دارد و ساختمان آن خاك‌ریزی و خاك‌برداری و پل و تونل‌های زیاد و پرخرجی را ایجاب می‌كند. ولی این مخارج زیاد فقط خاص راه‌آهن نیست. تجربه نشان می‌دهد كه در شرایط مساوی یك بزرگراه چهارخطه (2×2خطه) در حدود 50 درصد گران‌تر از راه‌آهن تمام می‌شود.
امتیازهای راه‌آهن
خصوصیات ذكر شده در بالا به راه‌آهن امتیازهایی می‌دهند كه عبارتنداز:
سرعت، ایمنی، نظم در ساعات رفت و آمد، دبی و راحتی
سرعت:
بررسی سرعت حركت قطارها در اروپای غربی نشان می‌دهد كه بیشتر شهرهای آن با سرعت متوسطی بیش از 120 كیلومتر در ساعت با یكدیگر در ارتباطند. در فرانسه علاوه بر قطارهای بسیار سریع T.G.V قطارهای سریع معمولی با سرعت‌های متوسطی در حدود 140 تا 160 كیلومتر در ساعت بین شهرهای مختلف آن رفت و آمد می‌كنند زمان پیمودن هر مسیر برای قطارهای معمولی (غیرسریع) حدود 5 تا 15% بیشتر از زمان‌های حساب شده برای قطارهای سریع است. سرعت حداكثر برای قطارهای باری سنگین برحسب مورد برابر 90 تا 120 كیلومتر در ساعت است.
-         ایمنی
راه‌آهن مطمئن‌ترین وسیله‌ی ترابری است. آمار نشان می‌دهد كه به طور متوسط تلفات در راه‌آهن از یك كشته برای هر میلیارد مسافر كیلومتر هم كم‌تر است. در صورتی كه این رقم برای جاده بیش از 100 و برای هواپیما در حدود 25 است.
نظم
راه‌آهن بدون شك منظم ترین وسیله حمل و نقل است. درواقع جز در موراد بسیار استثنایی تغییرات شرایط جوی بر آن بی‌اثر است و قطارها مجبور نیستند كه به علت بدی هوا یا كمی دید مسیرشان را در طول راه عوض كنند. آمار مربوط به كشورهای اروپای غربی نشان می‌دهند كه نسبت درصد قطارهای خطوط بین شهری كه بیش از 15 دقیقه تأخیر دارند از 2% كم‌تر است. برای قطارهای حومه تأخیرهای بیش از 5 دقیقه از 1% هم كم‌ترند.
ظرفیت
راه‌آهن مناسب‌ترین وسیله برای انتقال تعداد زیادی مسافر یا حمل مقدار قابل ملاحظه‌ای بار است. دبی یا ظرفیت حمل در ساعت یك راه‌آهن تابع ظرفیت و فركانس (تعداد در ساعت) قطارهایی است كه در روی آن حركت می‌كنند. برای یك قطار بین شهری اگر فقط جاهای نشسته را به حساب آوریم، و قطارها دارای واگن‌های درجه 1 و 2 اروپایی یعنی كوپه‌های 6 نفره و 8 نفره باشند، ظرفیت هر قطار با 13 یا 14 واگن مسافری درحدود 1000 تا 1100 نفر است و دبی حاصل از آن اگر هر 3 دقیقه یك قطار حركت كند، 20000 تا 22000 نفر در ساعت و در هر جهت است.
برای قطارهای حومه ظرفیت با توجه به جاهای ایستاده می‌تواند به 1800 تا 2000 نفر و حتی به 2400 تا 2500 نفر هم همان‌طور كه در خطوط حومه جنوب شرقی پاریس و خط سریع ناحیه‌ای  (R.E.R.) این شهر متداول است، برسد و چون فركانس قطارهای حومه را می‌توان به آسانی به 24 قطار در ساعت یعنی یك قطار هر دو دقیقه و نیم افزایش داد. از این اعداد دبیی برابر 60000 مسافر در ساعت حاصل می‌شود. مطالعاتی كه در سال‌های اخیر صورت گرفته است، نشان می‌دهند كه می‌توان به كمك دستگاه‌های خودكار و اطاق فرمان مركزی فركانس را به 30 قطار درساعت و حتی بیشتر افزایش داد. به این ترتیب توجه می‌كنیم كه وقتی تعداد مسافرینی كه باید جابجا شوند، زیاد است، دبی نقش مهمی را به نفع راه‌آهن ایفا می‌كند. به عنوان مثال ایستگاه حومه شین ژوكو (Shinjuku) توكیو یا ایستگاه حومه سن‌لازار (Saint-Lazard) پاریس هریك در دو ساعت ازدحام ترافیكی در حدود سیصد هزار مسافر را تحمل می‌كنند.
مساله رفت و آمد مسافرین بین شهرهای بزرگ و حومه آن‌ها را نمی‌توان به آسانی جز به وسیله قطار شهری موجود است و در حدود 40 شهر دیگر هم از جمله تهران طرح‌های احداث مترو در دست اجرا یا در مرحله مطالعه‌اند.
درخطوط بین شهری هم راه‌آهن توكایدو و در طول 513 كیلومتر از مناطقی با جمعیت كل 60 میلیون نفر می‌گذرد و ترافیك ساعتی آن در حدود 5000 نفر در هر جهت است.
در مورد كالا هم راه‌آهن بعد از راه‌های آبی مناسب‌ترین وسیله برای حمل و نقل بار به مقدار زیاد است و به این دلیل است كه از نیمه دوم قرن بیستم به بعد در بسیاری از كشورهای در حال توسعه آفریقا، آسیا و آمریكای جنوبی خطوط راه‌آهنی برای حمل مواد معدنی ساخته یا بازسازی شده‌اند.
راحتی
آمار و تجربیات متفاوت نشان می‌دهند كه در زمان مساوی كم‌ترین خستگی در مسافرت یا راه‌آهن به وجود می‌آید، زیرا وجود امكانات رفاهی بسیاری از نیازهای مسافرین رابرآورده می‌كند.
-عصر طلایی راه‌آهن
توسعه راه‌آهن به نحو شگفت‌انگیزی تحت تأثیر انقلاب صنعتی، كشف قوه بخار و بهره‌برداری وسیع از معادن زغال سنگ و سنگ‌آهن قرار گرفت. اولین خطوط راه‌آهن در كشورهای اروپایی حدود سالهای 1830 به كار افتاد و شبكه‌های راه‌آهن در اوایل قرن بیستم به حداكثر تراكم خود رسید. عاملی كه باعث رشد سریع راه‌آهن گردید، سرعت زیاد (با استانداردهای آن زمان) بود كه ارتباطات سریع را باعث می‌شد. موتورهای بخار در مراحل آزمایشی عملكردهای شگفتی را نشان می‌دادند. سال 1835 سرعت 100 كیلومتر در ساعت در انگلستان، سال 1890 سرعت 144 كیلومتر در ساعت در فرانسه، سال 1930 سرعت 213 كیلومتر در ساعت در آلمان. اگرچه حداكثر سرعت در عمل بسیار كمتر بود (  تا  سرعت آزمایشی)، ولی به رشد سریع حمل و نقل ریلی كمك زیادی نمود.
به‌كارگیری توان كشش برقی در اوایل قرن بیستم توسعه بیشتر راه‌آهن را مسیر ساخت، در حالی‌كه توسعه ارسال علایم و كنترل از راه دور به صورت مركزی قبل از جنگ جهانی دوم چهره امروزی راه‌آهن را در سال‌های 1950 ترسیم نمود.
-راه‌آهن و سایر سیستم‌های حمل و نقل رقیب
به‌هرحال زمان تغییر كرده است و آن چیزی كه در اوایل قرن بیستم بسیار جذاب بود، به زودی از مطلوبیت كم‌تر و كم‌تری برخوردار گردید. هواپیماها و اتومبیل‌های شخصی در حال ارائه خدمات حمل و نقلی در مقیاس‌های مختلف بودند. تحت تأثیر فشار ناشی از رقابت، راه‌آهن نیز به اجبار باید راه توسعه و نوگرایی را در رابطه با سرعت،‌كاهش هزینه‌های حمل و نقل، سازمان‌دهی بهتر و بهبود خدمات ارائه شده انتخاب می‌نمود. بنابراین به دوران راه‌آهن‌های سریع‌السیر حركت با سرعت‌های 250 تا 300 كیلومتر در ساعت (سرعت 515 كیلومتر در ساعت در سال 1990 توسط راه‌آهن فرانسه در مراحل آزمایشی تجربه شد)، حمل و نقل تركیبی (تركیب حمل و نقل جاده‌ای و راه‌آهن) جابجایی حجم زیاد مسافر و كالا (خدمات ترددی و بار (بارهای فله) می‌رسیم.
با این وجود، همگام با راه‌آهنهای سنتی (كه براساس تماس فلز و فلز قرار دارد)، از اواسط سال‌های 1970 تجارب مختلف برای توسعه تكنیك‌هایی كه با حفظ حركت هدایت شده (مانند راه‌آهن) بتوان از هرگونه تماس مستقیم وسیله در حال حركت و زیرسازه نگه‌دارنده اجتناب نمود، شروع گردید. این كوشش‌های شامل قطار هوارو می‌شود، كه در مراحل آزمایشی سرعت‌هایی در حدود 422 كیلومتر در ساعت را برای قطار هوارودر سال 1969 و 600 كیلومتر در ساعت را برای قطار مغناطیسی در سال 1991 به ارمغان آورد.
-تحول در سازمان راه‌آهن‌ها
تشكیلات شركت‌های راه‌آهن در اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم به صورت فعالیت‌های كوچك تجاری خصوصی شروع گردید. اهمیت استراتژیك راه‌آهن كشورهای مختلف از نظر اقتصادی و امنیتی، و هم‌چنین كسری‌های اقتصادی به وجود آمده، بین سال‌های 1935 تا 1960 بسیاری از دولت‌ها را به سمت ملی كردن راه‌آهنهای خود سوق داد. بنابراین، بعد از سالهای 1950 بسیاری از راه‌آهنها جزئی از تشكیلات مدیریتی دولتی شدند. این مساله از یك طرف توسعه سازمان یافته حمل و نقل ریلی را در مقیاس ملی، و از طرف دیگر عدم تمایل و بی‌تفاوتی نسبت به نوگرایی و در نتیجه افزایش زیان‌های اقتصادی را به دنبال داشت (سال‌های 1960 تا 1980)
توسعه بازار حمل و نقل در اواخر سالهای 1980 (یعنی آزادسازی تدریجی فعالیت‌های حمل و نقلی از چهارچوب قانونی كه بیش از سه دهه در محدوده آن عمل می‌شد)، سازمان‌های راه‌آهن را وادار ساخت تا در سازمان‌دهی خدمات حمل و نقلی خود كاهش هزینه‌های حمل و نقلی، استفاده از فن‌آوری جدید، به‌كارگیری بهتر برتری‌های خود و نوگرایی  به منظور داشتن توان رقابت در بازار حمل و نقل، انعطاف‌پذیری بیشتری نشان دهد. از همان سال‌ها بعضی از كشورها مانند ژاپن، انگلستان، سوئد و … خصوصی‌سازی راه‌آهنهای ملی خود را شروع كرده بودند از نقطه نظر بازار حمل و نقل، هرگونه فن‌آوری و نوسازی تنها به دلیل رقابت و كارآیی اقتصادی، در مقایسه با خدمات ارائه شده توسط سایر سیستم‌های حمل و نقلی (جاده‌ای، هوایی) قابل توجیه است

معرفی موضوع به منظور تحقیقات بعدی
-    مقایسه سیستم های مختلف پابند(fastening) و بررسی پارامتر های موثر بر ان
-    بررسی  انتخاب نوع روسازی وتاثیر ان در هزینه های تمام شده در سیستم های حمل و نقل ریلی درون و برون شهری