Железнодорожные мосты Северной Америки

На североамериканских железных дорогах первого класса срок службы многих крупных мостов превышает 100 лет. Некоторые из них требуют ремонта, в ряде случаев необходимо сооружение новых. Эта ситуация находит соответствующее отражение в инвестиционных планах железнодорожных компаний.

Осенью 2015 г. железная дорога Norfolk Southern (NS) приступила к реализации крупного проекта по замене моста в Портеджвилле (штат Нью-Йорк). Завершение проекта стоимостью 70 млн долл. США запланировано на 2018 г. Новый мост высотой 75 м и длиной 295 м (рис. 1) заменит построенный в 1875 г. компанией Erie Railroad арочный мост длиной 250 м, который не удовлетворяет современным требованиям. Вследствие интенсивной коррозии и усталостных явлений в конструкциях устаревший мост стал узким местом в коридоре Southern Tire, соединяющем штаты Нью-Йорк и Пенсильвания. Здесь действует ограничение максимальной скорости движения 15 км/ч, а допустимая масса вагонов ниже на 6 т действующего на дорогах первого класса нормативного значения. Старый мост (рис. 2) будет находиться в эксплуатации до завершения строительства нового, после чего его планируется демонтировать. Данный проект не является уникальным. Крупные железные дороги Северной Америки выделили в 2016 г. значительные средства на ремонт, реконструкцию или замену многих устаревших мостов. 

Нормативная база 

Внимание железных дорог к текущему содержанию, ремонту и замене мостов объясняется прежде всего требованиями безопасности и стремлением исключить происшествия на мостах или чрезмерный износ элементов их конструкций. Немногочисленные сходы подвижного состава с рельсов на мостах обычно являются следствием излома рельсов или изменения проектного положения пролетных строений, вызванных различными факторами. Аварии, связанные с износом и старением мостовых конструкций на железных дорогах первого класса, до настоящего времени практически не отмечены. На сегодняшний день на сети железных дорог Северной Америки насчитывается около 80 тыс. мостов — от железобетонного моста длиной 9,3 км через озеро Понтшартрен (около Нового Орлеана на железной дороге Norfolk Southern, рис. 3) до малых, которые имеются в большом числе на каждой магистрали. В это число входят мосты разнообразных конструкций — от разводных и поворотных до балочных со сквозными фермами, ферменных, стальных из ортотропных плитных пролетных строений, арочных, каменных и даже деревянных. 

Визуализация нового моста в Портеджвилле

Рис. 1. Визуализация нового моста в Портеджвилле

Старый мост в Портеджвилле

Рис. 2. Старый мост в Портеджвилле

Все они требуют регулярных инспекций с целью оценки технического состояния и мероприятий по текущему содержанию для поддержания соответствия требованиям нормативов по безопасности мостов Федеральной железнодорожной администрации США (FRA) или соответствующей службы Канады. Регламент FRA требует наличия на каждой железной дороге исчерпывающей программы обеспечения безопасности мостов, включающей соответствующие меры по инспекциям, анализу технического состояния и проведению профилактических работ. Во многих штатах действуют дополнительные нормативы по надзору за мостами. Силами своих инспекторов FRA контролирует техническое состояние мостов на железных дорогах, проводит экспертизу программ по контролю технического состояния и текущему содержанию этих сооружений, выдавая в случае необходимости соответствующие рекомендации, а также директивы по безопасности рабочих, обслуживающих мостовые конструкции. Кроме того, специалисты FRA участвуют в расследовании всех происшествий на мостах. В действительности многие железнодорожные мосты построены в соответствии с более жесткими техническими условиями в сравнении с предъявляемыми FRA, и их владельцы — железнодорожные компании имеют многолетний опыт эксплуатации мостовых сооружений. Многие мосты построены еще в эпоху паровой тяги и вагонов небольшой массы, но оказались способными выдерживать нагрузки от современного подвижного состава, поскольку были рассчитаны на высокие ударные вертикальные нагрузки от возвратно-поступательного механизма привода паровозов. Первую систему стандартов
для строительства безопасных железнодорожных мостов разработал в США инженер Теодор Купер (1839 – 1919 гг.). Стандарт Е-10 касался расчета мостов для пропуска составов из двух паровозов и неограниченного числа вагонов, характерных по массе и габаритам для того времени. В настоящее время расчет проектов мостов регламентируется нормативами Американской железнодорожной ассоциации инженеров-механиков (AREMA). В частности, для осевой нагрузки 36 т разработан современный стандарт Е-80. AREMA подготовила также методику анализа усталостных напряжений под высокой осевой нагрузкой на мостах с короткими пролетными строениями. 

Контроль технического состояния

Для гарантированного поддержания мостов в исправном техническом состоянии используются программы регулярных инспекций. Каждая железная дорога обязана соблюдать жесткие нормативные требования, хотя существует множество различных методов проведения таких инспекций. Основными контролируемыми показателями являются напряжения в элементах конструкций и их монолитность. По мнению многих специалистов, появление ржавчины на металлоконструкциях мостов не является критическим, хотя выглядят они неэстетично в сравнении с современными автомобильными мостами. При диагностировании в процессе обязательных ежегодных инспекций, направленных на выявление признаков возможных в будущем проблем, не требующих устранения на момент планового обследования, возникает необходимость повторного контроля через короткий промежуток времени (иногда даже через каждый месяц) с целью сопоставления изменений технического состояния элементов,например их размеров. Большинство инспекций мостов проводится в настоящее время традиционными методами: обходы с визуальными осмотрами и обмером отдельных элементов конструкций. Однако технологии контроля постоянно совершенствуются, в частности за счет использования специальных самоходных инспекторских агрегатов на комбинированном ходу, оснащенных чувствительными и точными электронными измерительными системами, способными выявлять скрытые трещины. Железная дорога BNSF запустила экспериментальную инновационную программу использования 

Мост через озеро Понтшартрен около Нового Орлеана

Рис. 3. Мост через озеро Понтшартрен около Нового Орлеана

Применение дронов для инспекций мостовых сооружений

Рис. 4. Применение дронов для инспекций мостовых сооружений

беспилотных летательных аппаратов — дронов для инспекций мостов в качестве дополнения к наземным технологиям. Применение дронов особенно перспективно для контроля за объектами в отдаленных районах или расположенных в труднодоступных местах, потенциально опасных для инспекторского персонала. BNSF стала первой железной дорогой, использующей законодательное разрешение Федеральной авиационной администрации США на широкое использование дронов (рис. 4). Для инспекций мостов был выбран многовинтовой дрон, оснащенный рядом видеокамер, датчиков и т. д., что позволяет осуществлять с высокой четкостью видеои фотосъемку и получать изображения в инфракрасных лучах при перемещении над мостовыми конструкциями, вдоль и под ними. В дополнение к визуальным обследованиям некоторые железные дороги устанавливают на мостах удаленные сенсорные устройства для замеров параметров мостов под нагрузкой. Некоторые из них функционируют в непрерывном режиме (для фиксации, например, землетрясений), другие включаются в определенные периоды времени. На одной из дорог отслеживание параметров крупного моста проводится через заданные периоды времени или поездной наработки, обычно через 48 ч или после прохождения 100 поездов с тем, чтобы отслеживать происходящие изменения в конструктивных элементах и в случае необходимости принимать соответствующие меры.

Новое строительство

Помимо замены изношенных и устаревших мостов, многие железные дороги планируют строительство новых взамен сооружений, допускающих продолжение эксплуатации, но морально устаревших со сроком службы 100 лет и более. Необходимость в таких мероприятиях часто обусловлена модернизацией путевого хозяйства, включая строительство вторых путей на однопутных линиях или пересечений с автомобильными дорогами в разных уровнях. В настоящее время стандартная конструкция новых мостов чаще всего включает элементы из предварительно напряженного железобетона, что, по мнению специалистов, рациональнее в сравнении с широко распространенными ранее цельнометаллическими мостами. Современные железобетонные конструкции значительно усовершенствованы — в частности, для пролетных строений широкое применение нашли двойные балки коробчатого сечения длиной до 25 м. Основанием для укладки путей и боковыми элементами мостов служат железобетонные плиты. Используются также унифицированные двутавровые железобетонные балки. Верхнее строение мостов обычно опирается на свайные опоры и береговые устои, включающие буронабивные или забиваемые сваи, заглубляемые на 7,5 – 35 м. Конструкции и технологии строительства железнодорожных мостов аналогичны автомобильным, различие заключается только в длине пролетных строений, которые у первых короче из‑за более высоких динамических нагрузок. 

Инвестиционные приоритеты

В настоящее время железнодорожные компании Северной Америки реализуют ряд проектов строительства или планирования мостовых сооружений. Инвестиционный бюджет железной дороги Canadian National (CN) на 2016 г. составляет 2,9 млрд канад. долл., из которых 110 млн выделяются на работы, необходимые для продления сроков службы эксплуатируемых мостов, поддержания усталостной прочности их элементов в допустимых пределах и повышения износостойкости. Финансируемые работы будут включать комплекс мер по текущему содержанию, упрочнению или замене отдельных элементов, намеченных по результатам проводимых железной дорогой CN инспекций, испытаний и аналитических оценок. В восточной части сети CN планируется проведение замены пролетных строений и настилов некоторых мостов, а также строительство новых взамен устаревших деревянных. В западной части сети проводятся технические исследования по определению остаточного срока службы и допустимых нагрузок крупного моста через реку Фрейзер (штат Британская Колумбия). Предполагаемые здесь и рассчитанные на несколько лет работы будут включать замену нескольких мостовых ферм с ездой поверху, прослуживших более 112 лет. За период с 2010 г. железная дорога Canadian Pacific (CP) инвестировала 363,7 млн канад. долл. (из общей суммы инфраструктурного бюджета, равного 1,1 млрд канад. долл.) на различные работы на мостах длиной от 3 до 1615 м, в том числе на виадуке Летбридж в штате Альберта (рис. 5). В апреле 2015 г. начаты работы по замене нескольких водопропускных труб близ города Канморе новым мостом. BNSF c 2006 г. вложила в мостовое хозяйство около 1 млрд долл. США. В 2013 г. поблизости от города Платтсмут (штат Небраска) завершено строительство однопутного 11‑пролетного моста через реку Миссури стоимостью 46 млн долл. США и длиной 512 м, который стал дополнением к эксплуатируемому здесь мосту, построенному в 1879 г., реконструированному в 1903 г. и используемому до настоящего времени в качестве обгонного пути и для пропуска порожних составов. Частью реализуемой в настоящее время железной дорогой CSX программы по текущему содержанию и модернизации мостов стала замена устаревших деревянных сооружений на всей сети, имеющей протяженность 34 тыс. км. Общее число мостов достигает здесь 14 тыс., а суммарная протяженность — 450 км; до недавнего времени примерно 11 % из них были деревянными. За период, прошедший с 2008 г., число деревянных мостов уменьшено на 20 %. В соответствии с реализуемой программой суммарная протяженность ежегодно заменяемых деревянных мостов составляет 1,6 км. Помимо этого, проводится замена устаревшего стального моста со сквозной фермой через реку Потомак (около Камберленда, штат Мэриленд). Новая конструкция длиной 137 м включает три стальных балочных пролета, опирающихся на промежуточные свайные опоры и железобетонные береговые устои.

Виадук Летбридж в штате Альберта Мэриленд

Рис. 5. Виадук Летбридж в штате Альберта

Мост через реку Коннектикут между городами Олд-Сейбрук и Олд-Лайм

Рис. 6. Мост через реку Коннектикут между городами Олд-Сейбрук и Олд-Лайм

В ближайшее время железная дорога CSX планирует заменить самый старый из металлических мостов, построенный в 1885 г. в штате Мэриленд, новым длиной 61 м со сквозной фермой и ездой поверху. Северо-восточный коридор Одним из направлений, на котором предстоит решить масштабные, связанные с мостами задачи, является Северо-восточный коридор, соединяющий Вашингтон (административный округ Колумбия) и Бостон (штат Массачусетс). Здесь имеется множество мостов, включая перекрывающие крупные реки мосты с подвижными пролетными строениями, необходимыми для пропуска судов. Хотя большинство мостов допускает дальнейшую длительную эксплуатацию, корпорация Amtrak планирует в ближайшие 5 – 15 лет замену ряда сооружений. Наиболее срочным является проект замены железнодорожного моста через реку Коннектикут между городами Олд-Сейбрук и Олд-Лайм (рис. 6), обслуживаемого департаментом транспорта штата Коннектикут. По этому мосту следуют как поезда корпорации Amtrak сообщением Нью-Йорк — Бостон, так и пригородные маршрута Shore Line East. Разводной многопролетный мост, построенный в 1907 г., является самым старым в регионе; его центральный пролет поднимается ежегодно более 3000 раз для пропуска больших судов. Жесткие условия окружающей морской среды обуславливают необходимость постоянных и интенсивных работ по поддержанию моста в технически исправном состоянии. Скорость движения поездов здесь ограничена 75 км/ч.

Мост Portal Bridge через реку Хакенсак

Рис. 7. Мост Portal Bridge через реку Хакенсак

В 2014 г. после изучения 21 варианта реконструкции этого моста корпорация Amtrak опубликовала экспертное заключение с учетом специфики окружающей среды о целесообразности замены двухпутной разводной секции на аналогичную разводную или поднимающуюся вертикально с обеспечением ширины канала для прохода судов величиной 45 м. Стоимость работ по такой замене оценена в 300 млн долл. США. В регионе Большого Нью-Йорка наибольшую сложность представляет реконструкция двухпутного моста, известного как Portal Bridge (рис. 7), через реку Хакенсак (штат Нью-Джерси). По этому мосту в сутки проходят до 450 поездов корпорации Amtrak и оператора NJ Transit, отправляющихся с Пенсильванского вокзала (Пеннстейшн). Мост, по оценке Amtrak, является узким местом и причиной многочисленных опозданий поездов. Угрожающе растет число механических неисправностей при открытии разводного пролета для пропуска судов. Планируется заменить разводной мост новым Portal Bridge North с увеличенной высотой пролетов над уровнем воды, а в отдаленной перспективе — построить поблизости второй двухпутный мост Portal Bridge South в рамках программы развития провозной способности Северо-восточного коридора. В 2013 г. стоимость строительства первого моста с необходимой для  пропуска судов высотой пролетов была оценена в 940 млн долл. США, однако вопрос финансирования до настоящего времени не решен.

Мост через реку Саскуэханна

Рис. 8. Мост через реку Саскуэханна

В начале 2016 г. Комиссия Северо-восточного коридора официально признала железнодорожные мосты с разводными пролетными строениями основными слабыми местами железнодорожной инфраструктуры, представляющими серьезные угрозы для экономики региона. Кроме того, комиссия рекомендовала реализовать ряд инвестиционных проектов, которые позволят повысить провозную способность железнодорожных сообщений между Ньюарком (штат Нью-Джерси) и Нью-Йорком, включая строительство второго тоннеля под рекой Гудзон, реконструкцию станции Пенн-стейшн и замену ряда устаревших мостов. К югу от Нью-Йорка исчерпал свой срок службы и требует замены мост длиной 1266 м через реку Саскуэханна (штат Мэриленд, рис. 8). Этот мост построен в 1907 – 1910 гг. компанией Baltimore and Ohio Railroad. Помимо корпорации Amtrak, его используют для местных пассажирских перевозок компания MARC и для грузовых перевозок — железная дорога Norfolk Southern. К концу 2016 г. планируется завершить проектирование нового моста с обязательным учетом требований по защите окружающей среды. После инженерной проработки технических решений и получения необходимых разрешений будет возможна подача заявки в FRА на выделение финансирования (2017 г.). 

Материалы портала Bridgehunter; Railway Gazette International, 2016.