ВСМ. Метрополитен

Развитие пассажирского железнодорожного движения исторически шло по пути повышения скоростей. Ещё в 1830 году первая в истории скоростная магистраль Манчестер — Ливерпуль строилась в расчёте на постоянное использование паровой тяги со скоростью до 50 км/ч, а в сентябре 1839 года на дороге «Грейт Вестерн» в Великобритании был преодолён рубеж 100 миль в час (160,9 км/ч). На первой магистральной железной дороге России, открытой в 1851 году, скорости поездов в начальный период эксплуатации также доходили до 50 км/ч.

Современное разделение линий опирается на максимальную скорость движения пассажирских поездов. К высокоскоростным железным дорогам относятся линии, на которых осуществляют регулярную и массовую перевозку пассажиров в специализированном подвижном составе со скоростью более 200 км/ч с высоким уровнем безопасности и комфорта. Как правило, скорость движения поездов по ВСМ в повседневной коммерческой эксплуатации составляет 250–300 км/ч, а на вновь сооружаемых линиях принимают максимальную расчётную скорость движения 350 км/ч.

В Российской Федерации принята следующая классификация железнодорожных линий в зависимости от скорости движения пассажирских поездов:

• до 160 км/ч — обычные железные дороги;
• от 161 до 200 км/ч — скоростные магистрали;
• более 200 км/ч — высокоскоростные магистрали.

Таким образом, в России под высокоскоростной железнодорожной магистралью (ВСМ, ВСЖМ) понимается специализированная железнодорожная линия, предназначенная для регулярной коммерческой эксплуатации пассажирских поездов с максимальной скоростью движения более 200 км/ч.

В зарубежной литературе применяется более дробная градация линий и поездов высокоскоростного движения: скоростные — 201–250 км/ч (обычные магистральные железные дороги, прошедшие реконструкцию); высокоскоростные — 251–300 км/ч (специально построенные высокоскоростные линии); чрезвычайно (сверх-) высокоскоростные — более 300 км/ч (специально построенные очень высокоскоростные линии). Обсуждается введение ещё более высокой градации — «ультраскоростное» движение в диапазоне 400–500 км/ч. Именно поэтому граница 200/250 км/ч не является универсальной: она зависит от того, идёт ли речь о реконструированной линии или о специально построенной магистрали.

При анализе работы транспорта различают также техническую скорость (с учётом времени на разгон и замедление, без учёта стоянок), участковую скорость (с учётом стоянок на промежуточных станциях) и маршрутную скорость (с учётом всех стоянок на направлении от начального до конечного пункта). Кроме того, используют понятие конструкционной скорости подвижного состава — скорости, устанавливаемой с учётом допустимого воздействия на путь, ходовых свойств и безопасности движения.

Высокоскоростной железнодорожный транспорт в виде специализированных магистралей прошёл несколько этапов развития.

Первый этап (60–80-е годы XX века). Были введены в эксплуатацию первые ВСМ в отдельных странах: в Японии, затем во Франции и Италии. Принципиально новым стало строительство специализированных линий исключительно для пассажирских высокоскоростных поездов. На японской линии Токайдо постройки 1964 года, а затем на линии Саньё (участки вводились в 1960–1970-е годы) впервые в массовом порядке применили безбалластные конструкции верхнего строения пути. Во Франции в 1981 году началась эксплуатация поездов TGV PSE на первой высокоскоростной линии Париж — Лион; в 1988 году опытный поезд ICE V на высокоскоростном участке Фульда — Вюрцбург в ФРГ развил скорость 406,9 км/ч, а с 1990 года эксплуатируется поезд ICE-1.

Второй этап (90-е годы XX — первое десятилетие XXI века). Массовые пассажирские перевозки по ВСМ показали высокую надёжность, безопасность, экономическую эффективность, экологическую чистоту и привлекательность для пассажиров. В Западной Европе появились первые международные высокоскоростные маршруты: Париж — Кёльн, Париж — Амстердам, Лондон — Париж и Лондон — Брюссель. В повседневной коммерческой эксплуатации поезда на ВСМ развивали скорость до 300 км/ч. 3 апреля 2007 года во Франции опытный поезд V150 установил рекорд скорости на железнодорожном транспорте — 574,8 км/ч, продемонстрировав скоростные возможности и надёжность системы «колесо — рельс». Ранее, в мае 1990 года, поезд TGV Atlantique достиг 515,3 км/ч.

Третий этап (настоящее время). Строительство ВСМ ведётся во многих технически развитых странах; самые высокие темпы развития — в Испании и Китае. Наибольшую протяжённость имеют ВСМ Китайской Народной Республики — более 9,4 тыс. км; протяжённость ВСМ Японии — 2664 км. Общая протяжённость ВСМ в мире, по данным учебных материалов, составляет 20,7 тыс. км; прогноз, который приводят те же материалы, — более 51 тыс. км к 2025 году, из них в Европе около 18 тыс. км (это оценка источника, а не отчётный показатель).

Россия. Первая программа организации высокоскоростного движения в СССР была принята в 1972 году; начальным участком была обозначена линия Ленинград — Москва Октябрьской железной дороги. В 1975 году в Чехословакии были созданы опытные скоростные электровозы ЧС200 с максимальной скоростью 200 км/ч, а Рижский вагоностроительный завод изготовил вагоны электропоезда ЭР200 с конструкционной скоростью 200 км/ч; 8 июня 1976 года этот поезд достиг 220 км/ч, а 1 марта 1984 года началось регулярное движение ЭР200 между Ленинградом и Москвой. В 1987 году приступили к разработке концепции специализированных магистралей для движения со скоростью 300–350 км/ч (магистраль «Центр — Юг»). В 1991–2001 годах был создан опытный высокоскоростной поезд «Сокол 250», достигший 29 июня 2001 года скорости 236 км/ч.

В середине первого десятилетия XXI века было признано целесообразным поэтапное решение задачи путём реконструкции линии Москва — Санкт-Петербург для движения со скоростью до 250 км/ч подвижным составом зарубежного производства. Для поставки был выбран поезд ICE3 германской компании Siemens; модификация получила обозначение «Velaro Rus», а затем название «Сапсан». Поезд для российских железных дорог состоит из 10 вагонов (ICE3 — из 8), длина состава 250 м, вместимость 600 пассажиров, конструкционная скорость 250 км/ч. 7 мая 2009 года между Москвой и Санкт-Петербургом был установлен рекорд для отечественных железных дорог — 290 км/ч; коммерческая эксплуатация началась 17 декабря 2009 года на линии Москва — Санкт-Петербург, а с 30 июля 2010 года — на участке Москва — Нижний Новгород. По существующим реконструированным линиям эксплуатируются также скоростные поезда «Аллегро» (маршрут Санкт-Петербург — Хельсинки), «Невский экспресс» и «Стриж».

Развитие высокоскоростного транспорта закреплено в Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года и Указе Президента РФ от 16.03.2010 № 321 «О мерах по организации движения высокоскоростного железнодорожного транспорта в Российской Федерации». Планируется создание высокоскоростного пассажирского транспорта со скоростями до 350–400 км/ч, полигон которого к 2030 году при максимальном варианте Стратегии должен превысить 1,5 тыс. км. В качестве первоочередных проектов намечены направления Москва — Санкт-Петербург (ВСМ-1) и Москва — Нижний Новгород — Казань (ВСМ-2, первый этап — Москва — Владимир), ведётся обоснование инвестиций по направлениям Москва — Казань — Екатеринбург и Москва — Адлер. Проект ВСМ Москва — Казань в прежнем виде не реализуется: актуальная конфигурация — ВСМ-1 Москва — Санкт-Петербург и ВСМ-2, первый этап которой Москва — Владимир.

Высокоскоростной подвижной состав отличается от обычного целым рядом конструктивных особенностей.

• Тяга. В мире получила распространение как распределённая тяга (Япония, Германия начиная с ICE-3, Китай), так и сосредоточенная (французские LGV, Южная Корея). В качестве регулятора мощности используют тиристорные или транзисторные преобразователи, в качестве тягового привода — синхронные (Франция) или асинхронные тяговые электродвигатели.
• Кузова. Собираются из лёгких алюминиевых сплавов, чтобы нагрузка на ось не превышала 17 тс (реализованный минимум — 9 тс). Головные вагоны делают обтекаемыми: за счёт формы носа удаётся сократить влияние воздушного сопротивления до 40 %. Длина лобовой части головного вагона японского поезда серии «500» достигает 15 м.
• Торможение. Применяют электропневматическое (дисковые тормоза), электромагнитное, вихретоковое, электродинамическое (реостатное или рекуперативное) и аэродинамическое торможение. Тормозной путь поезда TGV при торможении со скорости 260 км/ч составляет 3100 м.
• Компоновка. Опирание вагонов на промежуточные (сочленённые) или изолированные тележки; большинство серий могут работать по системе многих единиц (СМЕ); число вагонов в составе — от 7 до 16; мощность — от 6000 до 12000 кВт.
• Комфорт и безопасность. Межкузовные гасители колебаний, поглощающие элементы головных вагонов, системы наклона кузова для прохождения кривых с повышенной скоростью (итальянский ETR-401 Pendolino, шведский X2000, испанские составы Talgo Pendular), уменьшение площади лобового стекла — на скоростях 300 км/ч и выше объекты по сторонам пути практически не различимы.

Характерные примеры высокоскоростного подвижного состава:

• Япония («Синкансэн»). Поезда серий 0, 100 (эксплуатация с 1985 года, максимальная скорость 230 км/ч), 200 (рекорд 319 км/ч в декабре 1979 года, эксплуатационная скорость до 210 км/ч), 300 (максимальная скорость 270 км/ч, асинхронные двигатели, напряжение контактной сети 25 кВ 60 Гц, мощность 12 000 кВт), 400 (нагрузка на ось 13 тс, скорость на ВСМ 240 км/ч и 130 км/ч на линиях «Минисинкансэн», рекорд 345 км/ч в сентябре 1991 года).
• Франция. TGV PSE (с 1980 года, два электровоза и восемь сочленённых вагонов, две системы тока — 1,5 кВ постоянного и 25 кВ 50 Гц переменного, скорость 300 км/ч, нагрузка на ось 16,3 т); TGV Atlantique (с 1988 года, синхронные тяговые двигатели, промежуточные тележки на пневматических рессорах, мощность 8800 кВт, скорость 300 км/ч); TGV Thalys и TGV-T Eurostar (работа на трёх системах тока, скорость 300 км/ч); TGV Duplex (двухэтажные вагоны, вместимость 545 человек).
• Германия. ICE-1 (с 1990 года, асинхронные двигатели мощностью 1250 кВт, мощность часового режима 9600 кВт, скорость 280 км/ч, 696 мест) и ICE-3 (с 1998 года, моторвагонная компоновка из 8 вагонов, распределённая тяга, удельная мощность повышена с 10,7 до 20,2 кВт на тонну, скорость повышена с 280 до 330 км/ч).
• Италия и Испания. ETR-460 (6 моторных и 3 прицепных вагона, скорость 250 км/ч) и ETR-500 (2 моторных и 10–14 прицепных вагонов, скорость 300 км/ч); испанские поезда AVE серии 103 Velaro E — модификация ICE-3 для линии Мадрид — Севилья, первой в мире ВСМ, рассчитанной на скорость 350 км/ч.
• Россия. «Сапсан» (Velaro Rus) — 10 вагонов, 250 м, 600 пассажиров, конструкционная скорость 250 км/ч; «Аллегро» — скоростной поезд для маршрута Санкт-Петербург — Хельсинки.

Общая тенденция — переход от сосредоточенной тяги к моторвагонной компоновке с распределённой тягой: она снижает нагрузку на ось, уменьшает воздействие на путь и позволяет повышать скорость без усиления верхнего строения.

Инфраструктура высокоскоростного железнодорожного транспорта включает подсистемы: железнодорожный путь, железнодорожное электроснабжение, железнодорожную автоматику и телемеханику, железнодорожную электросвязь, станционные здания, сооружения и устройства. В России и странах Евразийского экономического союза общие требования к инфраструктуре регламентирует Технический регламент Таможенного союза ТР ТС 002/2011 «О безопасности высокоскоростного железнодорожного транспорта»; в странах Европейского союза основой служит Директива Совета 96/48/EC от 23 июля 1996 года «Об эксплуатационной совместимости трансъевропейских высокоскоростных железнодорожных систем».

Верхнее строение пути. Применяют две конструкции: путь на балласте и безбалластный путь. Классическая конструкция — путевая решётка из рельсов и шпал на балласте из уплотнённого щебня; при соответствующем усилении она допускает скорости до 350 км/ч, что доказано на железных дорогах Франции, где главные пути ВСМ выполнены бесстыковым путём из рельсов массой 60 кг/м на шпалах, балласте и земляном полотне. Слабейшее звено балластного пути — сам балласт: при сжатии под подвижным составом частицы истираются, появляется внутреннее загрязнение, ухудшается плавность хода.

Альтернатива — безбалластный путь на монолитном бетонном слое, железобетонных блоках и плитах (в том числе в тоннелях, на эстакадах и мостах). Стоимость строительства ВСМ с безбалластным верхним строением значительно выше, однако в течение первых 10 лет эксплуатации разница компенсируется меньшими эксплуатационными расходами. Безбалластный путь обеспечивает пространственную стабильность рельсовой колеи, распределяет нагрузку на нижнее строение и снижает вибрации. Мировой рекорд скорости 574,8 км/ч установлен именно на безбалластной конструкции пути.

На ВСМ применяют рельсы погонной массой не менее 60 кг на метр, сваренные в длинные и сверхдлинные рельсовые плети. Для высокоскоростного движения используют рельсы категории ВС типа Р65 (масса одного погонного метра 64,88 кг, прямолинейность класса А, качество поверхности нормы Е); распространён и международный профиль UIC60 массой 60,3 кг/м. Путь — бесстыковой температурно-напряжённого типа: при повышении температуры в плетях возникают напряжения сжатия, при понижении — растяжения, поэтому путь рассчитывают по условию устойчивости (против температурного выброса летом) и по условию прочности (против излома зимой). При эксплуатации подвижного состава с магнитоэлектрическими и вихретоковыми тормозами температура рельсов дополнительно повышается на 6–8 °С. Все элементы верхнего строения на главных путях, включая стрелочные переводы и уравнительные стыки, вваривают в рельсовые плети; для сварки в пределах стрелочного перевода применяют алюминотермитный способ.

Земляное полотно проектируется под максимальную статическую нагрузку на ось от высокоскоростного подвижного состава не более 170 кН с возможностью пропуска скоростных пассажирских и специальных грузовых поездов при минимальной скорости 200 км/ч и под максимальную допустимую вертикальную динамическую нагрузку от колеса на рельс 160 кН (16,3 тс).

Искусственные сооружения. Особенности ВСМ — повышенные требования к жёсткости мостовых сооружений, учёт аэродинамических воздействий, повышенные требования к сопряжениям мостов с подходными насыпями и к элементам верхнего строения пути на мостах (железобетонные шпалы с эпюрой 1666 шт. на километр, рельсы массой не менее 60 кг/м, сваренные в плети). Трассы ВСМ имеют большие радиусы кривых в плане и малые продольные уклоны; рекомендуемые радиусы горизонтальных кривых — 2500 м (идеальный 3500 м) и 5500 м (идеальный 7000 м) в зависимости от максимальной скорости. Величина предельного уклона для пассажирского движения составляет 35–40 ‰, для смешанного — 12–15 ‰. По первоначальным проработкам проекта ВСМ Москва — Казань (в прежнем виде он не реализуется) предусматривалось 1180 искусственных сооружений, в том числе 80 средних и 48 больших мостов, 5 внеклассных мостов, 36 эстакад и 47 путепроводов; по мостам, эстакадам и путепроводам проходит 15,8 % длины трассы при максимальном уклоне до 24 ‰. Ориентировочная цена строительства 1 км ВСМ составляет 12–30 млн евро, стоимость годового обслуживания 1 км — около 70 тыс. евро.

Контактная сеть и электроснабжение. Одна из сложнейших задач — обеспечение надёжного токосъёма при передаче энергии через скользящий контакт токоприёмника и контактного провода. При отрывах токоприёмника или недостаточной силе контактного нажатия возникает электрическая дуга, вызывающая усиленный электрический износ контактирующих элементов и ухудшающая работу тягового оборудования. На тяговых подстанциях устанавливают трансформаторы, понижающие напряжение до 25 кВ при системе однофазного переменного тока 50 (60) Гц или до уровня, обеспечивающего напряжение в тяговой сети 3 кВ при системе постоянного тока. На опорах контактной сети, кроме контактной подвески, подвешивают питающий провод системы 2×25 кВ и обратный провод, выполняющий в том числе функцию заземления; габарит опор составляет 3,5 м на земляном полотне и 3,7 м на эстакадах. Колея отечественных ВСМ — 1520 мм, зарубежных — преимущественно 1435 мм.

Метрополитен (от французского metropolitain, буквально «столичный») — городская внеуличная электрическая железная дорога, предназначенная для массовой скоростной перевозки пассажиров. Название «метрополитен» принято в Российской Федерации и во многих других странах; распространены также наименования «подземка» (англ. underground, нем. Untergrundbahn) и «подземный путь» (амер. subway). Метрополитен — наиболее удобный, безопасный и экономичный вид внутригородского транспорта.

В комплекс сооружений, устройств и оборудования метрополитенов входят: тоннели; путь и путевое хозяйство; подвижной состав; станционное хозяйство; устройства сигнализации, централизации, блокировки и связи; устройства электроснабжения; эскалаторное хозяйство; устройства тоннельной вентиляции, водоснабжения, отопления, водоотвода и канализации; восстановительные и противопожарные средства; заводы, электродепо и другие сооружения для ремонта и обслуживания подвижного состава.

Классификация линий. По типу заложения линии метрополитенов подразделяются на подземные, наземные и надземные.

• Подземные — основной и наиболее распространённый вид; бывают мелкого заложения (до 15 м от поверхности земли) и глубокого заложения (15 м и более). Наибольшее распространение получили метрополитены мелкого заложения; глубокое заложение применяют при неблагоприятных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях, а также при плотной многоэтажной застройке.
• Наземные — размещаются на поверхности земли, обычно в виде конечных участков линии в сравнительно малонаселённых районах, чаще всего в выемках, с учётом возможности переустройства в подземные при развитии города.
• Надземные — сооружаются на эстакадах; широкого распространения не получили и применяются при сложных геологических и топографических условиях, при множественных пересечениях рек, железных и автомобильных дорог.

Станции метрополитена бывают закрытого типа (с дверями, отделяющими вестибюль от тоннеля) и открытого типа; обычно их проектируют с островными платформами длиной, превышающей длину состава не менее чем на 6 м на тоннельных и закрытых участках и не менее чем на 10 м на открытых наземных участках. Ширина платформы — 10–12 м при высоте от уровня головки рельса 1100 мм. Линии делятся на перегоны длиной 1–2 км, на границах которых располагаются станции.

Историческая справка. Первая внеуличная железная дорога длиной 3,6 км с паровой тягой построена в Лондоне в тоннелях мелкого заложения в 1860–1863 годах; с 1890 года там началось строительство тоннелей глубокого заложения, а введение электрической тяги освободило тоннели от дыма и копоти. В 1868 году в Нью-Йорке открыта надземная линия на металлических эстакадах с канатной тягой (заменённой в 1871 году на паровую, а в 1890 году — на электрическую). Старейшими в Европе являются метрополитены Будапешта (1896) и Парижа (первая линия пущена к Всемирной промышленной выставке 1900 года). В России первый метрополитен появился в Москве: первая линия открылась 15 мая 1935 года и шла от станции «Сокольники» до станции «Парк культуры» с ответвлением на «Смоленскую». Московское метро — шестое в мире по интенсивности использования и пятое по длине эксплуатируемых линий. В Санкт-Петербурге метрополитен введён в эксплуатацию 15 ноября 1955 года; он состоит из 5 линий эксплуатационной длиной 124,8 км с 72 станциями, имеет 7 пересадочных узлов, 12 станций с пересадкой на объекты железнодорожной инфраструктуры, 83 вестибюля, 301 эскалатор, 30 траволаторов и более 900 турникетов; в систему входят 6 эксплуатационных и одно ремонтное депо.

Принципы устройства и эксплуатации метрополитенов и железных дорог во многом аналогичны: в метрополитенах России и стран СНГ такая же ширина колеи — 1520 мм. Согласно ПТЭ метрополитенов номинальный размер ширины колеи между внутренними гранями головок рельсов на прямых участках должен быть 1520 мм; отклонения не должны превышать по сужению 4 мм и по уширению 8 мм (на парковых путях — по уширению до 10 мм). Ширина колеи менее 1512 мм и более 1548 мм не допускается. В кривых предусматривается возвышение наружного рельса над внутренним в зависимости от радиуса кривой и расчётной скорости, но не более 120 мм; отклонение рельсовых нитей по уровню не допускается более 4 мм.

Путь. На открытых наземных участках, а также в местах расположения стрелочных переводов и перекрёстных съездов применяют пути на балластном основании. В тоннелях и на закрытых наземных участках путь укладывают на бетонном основании; в качестве подрельсового основания используют деревянные (обычно сосновые) шпалы длиной 2,7 м или железобетонные опоры. В пределах подземных станций путь укладывают на деревянных полушпалах длиной 0,9 м под каждый рельс либо на железобетонных опорах. На 1 км главного пути укладывается на прямых участках в тоннелях 1680 шпал, на наземных участках — 1840 шпал, в кривых в тоннелях — 1840 шпал и на поверхности — 2000 шпал. На главных путях применяют рельсы типов Р50 и Р65, на остальных путях — Р43. Главные пути оборудуют противоугонами, а в кривых радиусом 300 м и менее устанавливают контррельсы.

Электроснабжение. В отличие от железных дорог, питание тяговых двигателей моторных вагонов метрополитена осуществляется от третьего (контактного) рельса, по которому токоприёмник вагона скользит во время движения. Трёхфазный ток напряжением 6 или 10 кВ от энергосистемы города поступает на тяговую или тягово-понизительную (совмещённую) подстанцию и после преобразования трансформатором и выпрямителем подаётся к местам потребления. Контактная сеть каждого главного пути получает питание постоянным током напряжением 825 В; согласно ПТЭ напряжение на щитах тяговой подстанции должно быть не более 975 В, а на токоприёмнике электроподвижного состава — не менее 550 В. Рабочая поверхность контактного рельса возвышается над уровнем головки рельса на 160 ± 6 мм. Контактный рельс подвешивают головкой вниз на металлических опорах-кронштейнах, прикрепляемых к концам шпал, и закрывают сверху и с боков защитным коробом из изоляционного материала для защиты людей от поражения током.

СЦБ и связь. Линии метрополитенов оборудуются комплексной системой автоматизированного управления движением поездов, состоящей из подсистем автоматического регулирования скорости и автоматического управления поездами (АУП); электрической централизацией стрелок и сигналов станций с путевым развитием и парковых путей электродепо; диспетчерской централизацией для управления стрелками и светофорами с центрального диспетчерского пункта и контроля состояния объектов на станциях и перегонах. Основное средство сигнализации — автоблокировка с установкой перед каждым светофором автостопа с принудительной остановкой поезда. Предусматриваются поездная диспетчерская связь, поездная радиосвязь, тоннельная, электродиспетчерская и эскалаторная диспетчерская связь, устройства автоматического выявления перегрева букс с передачей информации на пост централизации или поездному диспетчеру, теленаблюдение за перемещением пассажиров.

Пропускная и провозная способность. Пропускная способность линии метрополитена определяется максимальным количеством поездов, которое может проследовать за 1 час. Наличная пропускная способность (поездов в час) для каждого направления рассчитывается по формуле N = 60 / I_min, где I_min — наименьший интервал между поездами, мин. Провозная способность — наибольшее число пассажиров, которое может быть перевезено поездами в одном направлении за один час.