Инфраструктура в экстремальных погодных условиях

В начале 2014 г. персоналу Network Rail и внешних подрядчиков соответствующего профиля пришлось заниматься ликвидацией последствий оползней и обвалов, повреждения укрепленных насыпей и наводнений, а также решением подобных проблем в общесетевом масштабе.
Так, 2 апреля 2014 г. были установлены последние железобетонные элементы в поврежденную штормом за 2 мес до того волноотбойную стену в Долише (рис. 1), на железнодорожной магистрали, обслуживающей юго‑западные территории Англии. Работы проводились с использованием плавучей буровой установки.
Многие участки стареющей инфраструктуры британской железнодорожной сети весьма чувствительны к воздействиям экстремальных погодных условий. Число случаев вызванных такими условиями повреждений инфра‑ структурных объектов постепенно увеличивается. В связи с этим компании Network Rail приходится уделять большое внимание выяснению характера разрушительного воздействия погодных условий на состоя‑ ние железнодорожной сети и выработке мер по снижению риска возможного ущерба.
 
Погодные катаклизмы
 
Зимой 2013/14 года погода в Великобритании била все рекорды. Таких ураганных ветров, как в декабре 2013 г., страна не знала с 1969 г.,а таких интенсивных осадков, как в январе 2014 г., не фиксировали с .1766 г., не говоря уже о том, что высота штормовых волн оказалась рекордной не только для береговой линии Великобритании, но и континентальной Европы в целом (рис. 2). Уровень воды в Темзе поднимался выше и держался дольше, чем в наводнениях, произошедших после 1883 г.
Несомненно, что столь продолжительный период экстремальных погодных условий не мог не оказать заметного отрицательного воздействия на инфраструктуру британских железных дорог. Штормы обрушились на прибрежные линии в Англии, Уэльсе и Шотландии, а продолжительные дожди явились причиной затопления около 300 инфраструктурных объектов и 100 случаев разрушения земляного полотна. Сочетание ослабленного водой грунта и сильных порывов ветра послужило причиной падения на рельсовый путь более 1500 деревьев или крупных ветвей.
Многочисленные пассажиры железных дорог в течение нескольких недель испытывали неудобства, вызванные сбоями движения. А все перечисленные события, спропогодными условиями, оказали значительное влияние на точность и надежность железнодорожных пассажирских сообщений в стране, вызвав снижение среднегодового значения показателя в 2013/14 году на 0,8%.
 
image
Рис. 1. Разрушенная волноотбойная стена в Долише
воцированные экстремальными
 
 
 
Работоспособность и надежность инфраструктуры
 
Правительство страны в начале 2014 г. инициировало обследование, чтобы оценить возможности национальных транспортных сетей в плане приспособления к экстремальным погодным условиям, прогнозируемым в перспективе. Применительно к задачам Network Rail это означает гарантированное предоставление пользователям услуг высокого уровня и безопасности независимо от ухудшения погодных условий, а также обеспечение пассажиров своевременной точной информацией о любых возможных сбоях движения.
 
Штормовые волны заливают железнодорожное полотно в феврале 2014 г.
Рис. 2. Штормовые волны заливают железнодорожное полотно в феврале 2014 г.
 
 
Специалисты признают, что происходящие климатические изменения неизбежно приведут в будущем к увеличению частоты проявлений экстремальных погодных условий. Возраст многих участков земляного полотна и искусственных сооружений превышает 150 лет, и построены они отнюдь не в соответствии с современными стандартами. Особую опасность представляют насыпи и выемки на участках общей протяженностью 18,2 тыс. км.
В принципе сделать железную дорогу абсолютно невосприимчивой к воздействию экстремальных погодных факторов невозможно, однако компания Network Rail уже достигла значительного прогресса в решении соответствующих проблем, сосредоточив необходимые для этого усилия и повышенное финансирование. Network Rail уделяет подобным проблемам первостепенное внимание, использует опыт других компаний с тем,. чтобы минимизировать влияние экстремальных погодных условий на железнодорожную сеть и неудобства для пассажиров, вызываемые сбоями в движении поездов.
Безопасность пассажиров и персонала является центральным аспектом всех направлений деятельности компании. Этот подход предполагает эксплуатацию безопасной железной дороги и эффективное управление растущими угрозами безопасности в периоды действия экстремальных погодных факторов. Снижению угроз безопасности перевозочного процесса железной дороги в контексте действия экстремальных условий погоды может также способствовать увеличение объемов доступной информации по погодным условиям.
Моделирование угроз .безопасности, выполненное по заказу Совета по безопасности и стандартизации на железнодорожном транспорте (RSSB), показывает, что приблизительно 7% основных рисков транспортных происшествий с участием поездов обусловлено действием погодных факторов. Наибольшую угрозу представляют оползни и обвалы, особенно это касается повреждения насыпей и выемок; далее следует появление на железнодорожном пути различных препятствий, в частности поваленных ветром деревьев. Погодные условия могут также совместно с другими факторами провоцировать аварии и происшествия с участием поездов (рис. 3).
Еще одну серьезную угрозу безопасности перевозочного процесса представляют выбросы пути, вызванные фактором нагрева. После того как в 1970‑е годы несколько лет подряд случалось экстремально жаркое лето, величина нейтральной температуры рельсов в Великобритании была увеличена с 21 до 27 °.C. Реакцией на дальнейший рост температур окружающей среды вполне может быть очередное повышение нейтральной температуры рельсов, однако не исключаются и другие решения данной проблемы.
Современная конструкция пути на плитном основании устойчива к тепловым воздействиям в достаточно широком диапазоне температур, а в новых модификациях она по затратам жизненного цикла вполне сопоставима с традиционной конструкцией пути, уложенного на балласт. Как следствие, именно она предлагается для новых проектов, в частности HS2.
 
Взвешенные решения
 
В последние 8 лет сильные ветры множество раз являлись причиной задержек поездов, поскольку резко возрастала угроза падения деревьев и появления на пути других препятствий. Ветер также может быть причиной обрыва проводов контактной сети, повреждения железнодорожного подвижного состава и потенциально создавать угрозу схода подвижного состава с рельсов. В прошлом по причине угрожаю щих прогнозов погоды на отдельных полигонах вводили местные или общие ограничения скорости движения. В некоторых случаях такие ограничения скорости приводили к значительным запаздываниям поездов, в то время как фактическая скорость ветра оказывалась заметно ниже ожидаемой.
Рис. 3. Восстановление склона выемки после оползня на линии London Midland
 
В настоящее время решения о назначении или отмене ограничений скорости принимаются более взвешенно, поскольку наряду с официальными прогнозами погоды доступны также фактические данные о скорости ветра, поступающие от собственных метеостанций Network Rail, обустроенных на наиболее уязвимых с точки зрения воздействия экстремальных метеоусловий участках железнодорожной сети. Это позволяет более эффективно реагировать на угрозы безопасности перевозочного процесса со стороны погодных факторов и минимизировать вызываемые ими сбои движения поездов.
Использование фактических данных о метеорологической обстановке становится также все более актуальным в контексте угроз наводнения и подтопления пути. Вследствие длительных сильных дождей поднимается уровень воды в реках, возникает угроза подмыва опор, потери устойчивости и разрушения мостов. В последние годы компания Network .Rail в качестве информационного обеспечения принятия решений пользовалась фактическими данными об уровне воды в реках, полученными гидрометрическими постами Агентства по охране окружающей среды.
После сильных наводнений в зимние месяцы 2013 и 2014 гг.. Network Rail проводит эксперименты, цель которых состоит в расширении сферы использования опробованных методик для организации раннего предупреждения на железнодорожных полигонах, где высока угроза наводнений. Это дает возможность временного использования на наиболее уязвимых полигонах специального оснащения для защиты от наводнений при наличии достоверной информации, позволяющей оперативно вводить в действие планы работ в аварийных условиях и временные расписания движения поездов (рис. 4).
Расширение круга доступных источников информации означает, что железнодорожные операторы могут использовать разнообразные системы, позволяющие предвидеть воздействия погодных факторов и обеспечить необходимыми данными процессы принятия сложных и подчас комплексных решений. Именно поэтому Network Rail вкладывает средства в развитие универсального метеосервиса.
Это одно из направлений, в рамках которого современные средства аналитики, технологии обработки больших объемов данных и высокопроизводительные средства вычислительной техники позволяют изменить представление о железной дороге и обеспечить эффективную поддержку процессов принятия решений на всех уровнях ее организационной структуры. Network Rail располагает программным продуктом Orbis (Offering Rail Better Information Services) стоимостью 325 млн ф. ст., который позволяет повысить эффективность процессов сбора, хранения и использования информации, включающей миллионы записей по основным фондам, отказам, задержкам поездов и погодным условиям.
 
Ветровые нагрузки
 
Современная контактная сеть может противостоять порывам ветра со скоростью до 130 км/ч и выше, причем в качестве дополнительного фактора учитывается аэродинамическое сопротивление, ассоциируемое с движением высокоскоростных поездов. Однако обусловленные ветровой нагрузкой нарушения в работе железной дороги нередко возникают и при значительно меньшей скорости ветра. Виной тому растущие поблизости от железнодорожного пути деревья. Даже если сам по себе путь и не будет заблокирован поваленным деревом, возможны отказы воздушных линий электроснабжения, вызванные контактом с ветвями деревьев. Опадающие каждую осень листья деревьев и кустарников оказывают негативное влияние на сцепление колес и рельсов. Поэтому эффективный контроль растительности, располагающейся вблизи трассы железной дороги, является важным направлением работ по повышению устойчивости железнодорожной инфраструктуры к воздействию погодных факторов.
 
Рис. 4. Применение временных защитных ограждений на линии в графстве Девон
 
Вслед за успешным завершением экспериментальной программы в Шотландии по обследованию пути с использованием дальномеров оптического диапазона (лидаров) эти устройства применяют на регулярной основе в целях получения и обобщения подробной информации о положении пути в плане и профиле, объектах инфраструктуры в полосе отвода и находящейся вблизи пути растительности. С помощью лидаров можно получать более точную информацию о распространении и состоянии располагающейся вдоль пути растительности, нежели при обследовании, производимом «вручную». В совокупности собранные данные позволяют объективно оценивать имеющиеся угрозы для безопасности движения поездов и рационально планировать расходы на контроль за растительностью на перспективу.
 
Наводнения и штормы
 
В последние годы серьезные нарушения в работе железнодорожного транспорта вызывались наводнениями. Большой резонанс получило повреждение волноотбойной стены в Долише, продемонстрировавшее
уязвимость железных дорог, трасса которых проходит вдоль морского побережья. Такие участки имеются в Англии, Уэльсе и Шотландии, тогда как на западном направлении значительные по протяженности участки железной дороги проходят по равнинным затопляемым территориям. Тенденция изменения климатических условий в Великобритании такова, что частота штормов в перспективе будет увеличиваться, усугубляя тем самым данную проблему.
Но к сбоям в работе железной дороги приводит не только затопление пути. Подтопление оборудования СЦБ и станционных строений может также стать причиной отказов в работе железнодорожных линий и, соответственно, задержек поездов. К числу возможных решений, способных смягчить проблему, можно отнести повышение эффективности работы системы водоотвода, подъем пути на более высокий уровень, замену рельсовых цепей датчиками числа осей, а также лучшую герметизацию и более тщательный контроль водонепроницаемости компонентов электрооборудования. По возможности наиболее ответственные группы электрооборудования и средств СЦБ размещают на более высоком уровне относительно земли: именно так поступили при разработке проекта реконструкции станции Лондон.Бридж. К числу более радикальных решений относятся строительство специальных сооружений для защиты железнодорожной инфраструктуры от затопления и даже изменение трасс железнодорожных линий.
Повышение уровня защищенности железных дорог от затопления требует больших капиталовложений и эффективного взаимодействия Network Rail по данному вопросу с другими заинтересованными сторонами. Адекватные технико‑экономические обоснования могут быть разработаны только путем использования продуманных методик оценки рисков затопления железнодорожных объектов и достоверных моделей влияния работы железнодорожного транспорта на экономику страны в целом. С целью разработки комплексных экономически эффективных планов в рассматриваемой области Network Rail активно взаимодействует с такими структурами, как агентства по охране окружающей среды Англии, Уэльса и Шотландии и организации с функциями контроля за природными ресурсами.
 
Экстремальные осадки
 
Интенсивные и затяжные ливни повышают угрозу оползней и обвалов с примыкающих к железной дороге склонов гор и холмов. Их следствием не всегда является блокирование движения по соответствующей линии, но наличие на путях кусков породы и мусора порождает риск схода подвижного состава с рельсов. Задачи экспертизы, которая обычно проводится в случаях отказов земляного полотна железных дорог, состоят в том, чтобы глубже изучить приведшие к ним факторы. Для информационной поддержки оперативных решений во время сильных затяжных дождей уже используются изображения, получаемые с помощью системы лидар, однако существует настоятельная потребность и в системах, способных отслеживать непосредственно подвижки грунта. Возможность дистанционного слежения за состоянием земляного полотна проверялась экспериментально на некоторых его наиболее уязвимых участках. Network.Rail  активно сотрудничает с Британской геологической службой (BCS) в части разработки низкобюджетной демонстрационной системы PRIME (Proactive Infrastructure Monitoring & Evaluation), предназначенной для дистанционного отслеживания состояния земляных сооружений протяженностью от десятков до сотен метров на транспорте.
В работе принимают участие также администрации Canal & River Trust и Scottish Canals. Целью проекта является подтверждение работоспособности системы в реальной эксплуатационной среде, финансирует проект Научно-исследовательский совет по охране окружающей среды в рамках инновационной программы «Экологические угрозы для инфраструктуры».
 
Рис. 5. Компенсационные выплаты операторам перевозок, обусловленные сбоями движения поездов по причине сложных погодных условий
 
Готовность к климатическим изменениям
 
Прогнозируется, что в Великобритании к середине текущего столетия не только значительно участятся проявления экстремальных погодных условий, но и существенно изменятся сложившиеся климатические условия. Проводимые при финансовой поддержке RSSB исследования призваны выяснить, как работают железные дороги в тех регионах мира, где в настоящее время климатические условия аналогичны тем, что ожидаются в Великобритании в 2035 – 2064 гг.
Современная тенденция увеличения углеродосодержащих выбросов заставляет предполагать, что в будущем их уровень будет весьма высок. Эта тенденция получила отражение и в прогнозах изменения климата Великобритании, выполненных Министерством охраны окружающей среды, продовольствия и сельского хозяйства с использованием инструментария UKCP09.
Результатом анализа случаев проявления экстремальных погодных условий, проведенного в 2011 г. компанией Union Railways South с использованием инструментария UKCP09, явился комплекс прогнозов изменения частоты проявления экстремальных погодных условий в 2020 – 2050‑х годах при сценарии, предполагающем 90%‑ную вероятность высокого уровня углеродо-содержащих выбросов. Рассматриваемые прогнозы выглядят следующим образом:
.максимальная годовая температура воздуха может повыситься с 31 до 35,9°C;
.число морозных (с температурой воздуха ниже 0°C) дней в году может уменьшиться с 51 до 40;
.число экстремально дождливых дней в году (с выпадением более 25 мм осадков) может увеличиться с 10 до 18.
Более того, предполагают, что к 2095 г. уровень моря у берегов Ве‑ ликобритании может подняться по сравнению с 1980 – 1999 гг. на величину от 120 до 760 мм.
Закон о климатических изменениях от 2008 г. обязывает Network Rail представить в 2015 г. в Министерство охраны окружающей среды, продовольствия и сельского хозяйства свой второй адаптационный отчет, обобщенно отражающий процесс адаптации производственной деятельности компании к прогнозируемым изменениям условий климата, а также о разработке концепции и конкретных мер по снижению связанных с этими изменениями рисков.
В европейском стандарте EN 50125 определены требования в части устойчивости к воздействиям экстремальных погодных факторов, предъявляемые к вновь вводимым в эксплуатацию объектам железнодорожного транспорта, включая подвижной состав, системы электроснабжения, связи и СЦБ, а также постоянные сооружения. Национальная стратегия планирования содержит методические указания по управлению рисками затопления железнодорожной инфраструктуры. Однако многие эксплуатируемые в настоящее время объекты инфраструктуры британских железных дорог были построены задолго до появления этих указаний. При том что работа железнодорожной сети в нормальных погодных условиях не вызывает нареканий, анализ отказов компонентов инфраструктуры показывает, что многие из них весьма уязвимы к воздействию экстремальных погодных факторов. В 2013 г. размер компенсационных выплат операторам перевозок, произведенных компанией Network Rail в связи со сбоями движения поездов по причине сложных погодных условий, составил без малого 100 млн ф. ст. (рис. 5). Эта величина не учитывает расходы по ремонту железнодорожной инфраструктуры и масштабный социально‑экономический эффект, вызванный нарушением железнодорожных сообщений.
 
Планы адаптации
 
Осенью 2014 г. компания Net‑work Rail опубликовала для каждого из контролируемых ею десяти железнодорожных направлений план адаптации инфраструктуры к воздействию экстремальных погодных условий и климатических изменений. Эти документы, разработанные совместно командами разных хозяйств, определяют мероприятия, необходимые для повышения устойчивости железнодорожной инфраструктуры к воздействию факторов, связанных с погодными условиями, и прогнозируемым климатическим изменениям.
На основе данных о частоте аварий и обусловленных ими финансовых издержках выделяются участки инфраструктуры, наиболее уязвимые к воздействию факторов, напрямую или косвенно связанных с погодными условиями, в частности такими, как высокие и низкие температуры, снегопады, наводнения, атмосферные разряды, ветер, густой туман, плохое сцепление и оползни. Рассматривается статус мероприятий, направленных на снижение реальных угроз безопасности движения. Если на какихто участках такие работы ранее запланированы не были, определяется объем дополнительных инвестиций, необходимых для повышения устойчивости железнодорожной инфраструктуры к воздействию погодноклиматических факторов. Такой подход позволяет менеджменту отдельных железнодорожных направлений самостоятельно выстраивать приоритеты использования любых дополнительных инвестиций на основе прогнозов климатических изменений и более глубокой осведомленности о характеристиках контролируемой инфраструктуры.
Одним из наиболее пострадавших от штормов зимы 2013/.14 года оказался прибрежный участок линии Cambrian Coast в Уэльсе между станциями Махинлет и Пулхели. Высокие приливы и штормовые волны превратили железнодорожный путь в грязное месиво, повредив защитные сооружения и земляное полотно, вымыв балластный слой, нанеся на путь разнообразные предметы и мусор (в том числе
большие камни и гальку) и разрушив его во многих местах.
Оценив важность железной дороги для местной экономики, Network Rail запустила программу поэтапно‑ го восстановления рассматриваемого участка в максимально сжатые сроки. Комплекс работ, в частности, включал восстановление утраченного фрагмента волноотбойной стенки и насыпи, имевшего первоначально длину 10 м, высоту 6 м, толщину 5 м в и удвоившегося в объеме к тому моменту, когда встал на место защитивший отверстие волнолом из армированного камня. Из защитных сооружений было выломано и унесено в море около 6000 т камня, который потребовалось возвратить на место или заменить. Также потребовалось обновить более 2500 т балласта и 1000 шпал и полностью заменить наиболее пострадавшие от стихии участки пути суммарной протяженностью 1400 м.
Руководство данного направления железнодорожной сети, контролируемой Network Rail, подготовило план защиты объектов инфраструктуры на участках вблизи морского побережья, в устьях рек для условий прогнозируемых климатических изменений. Он построен на прогнозных данных о повышении уровня моря к концу столетия и результатах моделирования воздействия таких угрожающих факторов, как эрозия и затопление, позволивших определить рейтинг рисков. Этот долгосрочный план одобрен Правительством Ассамблеи Уэльса и положен в основу инвестиционного плана для линии Cambrian Coast. Однако процесс совместного долгосрочного планирования не ограничивается данной линией. Стороны тесно сотрудничают в части разработки перспективных планов для сети железных дорог Уэльса в целом.
 
image
Railway Gazette International, 2015, № 5,
p. 59 – 62; материалы компании Network Rail, ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2015,