Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 13937-1:2024 về "Ứng dụng đường sắt - Hệ thống đường ray không đá ba lát - Phần 1: Yêu cầu chung" quy định các yêu cầu kỹ thuật tổng thể, thông số thiết kế và tiêu chuẩn hệ thống đối với đường ray không đá ba lát. Đây là văn bản nền tảng giúp định hình các tiêu chuẩn thiết kế, thi công, bảo trì và vận hành hệ thống đường sắt hiện đại, đảm bảo tính an toàn, độ bền và khả năng tương thích cao với các yếu tố môi trường và hạ tầng kỹ thuật liên quan.

Phạm vi và đối tượng áp dụng

Tiêu chuẩn này áp dụng đối với việc thiết kế và xây dựng hệ thống đường ray không đá ba lát trong ngành đường sắt. Đối tượng áp dụng bao gồm các cơ quan quản lý, đơn vị thiết kế, nhà thầu thi công và các tổ chức, cá nhân liên quan đến việc phát triển hạ tầng đường sắt không đá ba lát.

Yêu cầu về tải trọng phương tiện đường sắt (Điều 5.1)

Tải trọng phương tiện chạy trên các ray của hệ thống đường ray không đá ba lát được quy định chi tiết nhằm bảo đảm khả năng chịu lực tối ưu của kết cấu đỡ ray:

• Tải trọng thẳng đứng:
  • Mô hình tải trọng LM71: Được áp dụng làm tải trọng tĩnh thẳng đứng tiêu chuẩn để thiết kế kết cấu đỡ ray nếu không có thông tin cụ thể. Mô hình này đại diện cho các loại phương tiện tiêu chuẩn châu Âu có tải trọng trục lên đến 250 kN.
  • Mô hình tải trọng theo loại đường: Áp dụng các mô hình tải trọng thẳng đứng theo tiêu chuẩn EN 15528 khi có quy định cụ thể.
  • Mô hình tải trọng phương tiện thực tế: Sử dụng cho các điều kiện vận hành chuyên dụng, khép kín và có lưu lượng giao thông đồng đều trong suốt tuổi thọ thiết kế.
  • Tải trọng thẳng đứng bổ sung: Do ảnh hưởng của lực ly tâm trong đường cong hoặc phân bố tải trọng không đều. Phân bố tải trọng giữa bánh xe bên trong và bên ngoài tối đa là +25% (hệ số kq = 1,25), hoặc ±20% (hệ số kq = 1,20) nếu loại trừ phương tiện tự nghiêng.
  • Tải trọng động thẳng đứng: Được xác định bằng cách nhân tải trọng tĩnh với hệ số động (kd). Trừ khi có quy định khác, hệ số kd được lấy bằng 1,5 cho tất cả các tải trọng tĩnh và giả tĩnh.
  • Tải trọng đặc biệt thẳng đứng: Phải được kiểm tra dựa trên tần suất xuất hiện thấp của chúng.
• Tải trọng ngang:
  • Tải trọng dẫn hướng tàu tĩnh và giả tĩnh: Áp dụng tổng lực dẫn hướng ngang theo giới hạn an toàn quy định tại tiêu chuẩn EN 14363, tính theo công thức lực dẫn hướng ngang tác dụng lên đầu ray.
  • Tải trọng đặc biệt theo phương ngang: Hệ thống đường ray phải chịu được tải trọng đặc biệt tại bất kỳ điểm nào, lấy giá trị bằng 1,2 lần tải trọng tĩnh thẳng đứng của bánh xe (Q) tác động lên một bánh xe.
• Tải trọng theo phương dọc:
  • Hãm phanh và gia tốc: Lực dọc do hãm phanh và gia tốc tương đương với lực sinh ra do gia tốc ít nhất là 2,5 m/s2 kết hợp với tải trọng thẳng đứng tương ứng.
  • Hãm bằng dòng điện xoáy: Phải xem xét các tác động như lực hút thẳng đứng giữa bộ hãm và bộ phận nhiễm từ (không đáng kể nếu dưới 40 kN mỗi giá chuyển hướng), lực dọc trục của ray bằng lực hãm tác dụng, và sự tăng nhiệt độ của ray (tính toán theo quy trình tại Phụ lục A).
  • Tải trọng đặc biệt theo phương dọc: Tác động do bộ hãm đường ray bằng từ trường (thường dùng cho hãm khẩn cấp). Nếu độ tăng nhiệt độ của ray do hãm khẩn cấp không vượt quá 6 Kelvin (K) thì được coi là nằm trong biên an toàn thiết kế.

Yêu cầu đối với kết cấu dưới (Điều 5.2)

Kết cấu dưới đỡ hệ thống đường ray không đá ba lát phải đáp ứng các tiêu chuẩn nghiêm ngặt về độ cứng, khả năng chịu lực và biến dạng:

• Công trình trên đất (đường đắp, đường đào): Phải truyền tải trọng an toàn xuống nền đất mà không gây biến dạng quá mức. Mô đun biến dạng (Ev2) ở cao độ nền phải đạt ít nhất 60 N/mm2. Ứng suất thẳng đứng do tải trọng phương tiện vận hành không được vượt quá 0,05 N/mm2. Biến dạng lâu dài (lún hoặc trương nở) phải được kiểm soát chặt chẽ và gần như kết thúc trước khi lắp đặt đường ray.
• Cầu: Thiết kế tích hợp giữa cầu và đường ray để xử lý tương tác lẫn nhau. Phải dự phòng lực nâng ở vị trí đặt ray do biến dạng xoay ở đầu mặt cầu. Kiểm soát các dịch chuyển do tải trọng phương tiện và môi trường khi góc xoay mặt cầu vượt quá giới hạn quy định hoặc khi độ võng do tải trọng vượt quá tỷ lệ cho phép.
• Hầm: Thiết kế đường ray không được ảnh hưởng xấu đến hiệu ứng khí động học của đoàn tàu chạy qua hầm. Phải xác định chênh lệch chuyển vị giữa các đoạn hầm liền kề do nhiệt độ và co ngót để làm thông số đầu vào thiết kế.
• Đoạn chuyển tiếp: Đảm bảo sự chuyển tiếp dần dần về hình học và độ cứng giữa các loại kết cấu dưới khác nhau (đất, cầu, hầm) nhằm giảm thiểu đáp ứng động của phương tiện và hạn chế chênh lệch độ lún.

Tác động môi trường đối với hệ thống đường ray (Điều 5.3)

Hệ thống đường ray không đá ba lát phải duy trì hoạt động ổn định dưới các tác động vật lý và hóa học từ môi trường:

• Nước: Thiết kế phải tính đến nước mưa, nước rò rỉ trong hầm, nước ngầm, tuyết và băng. Hệ thống thoát nước phải có đủ công suất, độ bền để thoát nước nhanh và chống lại áp lực nước ngầm tại mặt tiếp xúc kết cấu.
• Nhiệt độ: Xem xét biến thiên nhiệt độ không khí, bức xạ mặt trời, chênh lệch nhiệt độ và ảnh hưởng nhiệt do hãm bằng dòng điện xoáy để kiểm soát các chuyển vị theo phương ngang và đứng.
• Động đất: Thiết kế chống động đất phải tuân thủ các yêu cầu trong TCVN 13594-1:2022 và EN 1998-1.
• Hóa chất, tia cực tím và ô nhiễm: Đánh giá rủi ro và có phương án giảm thiểu tác động từ hóa chất trong nước ngầm, nước mưa, tia cực tím, khí ozon, hóa chất từ đầu máy toa xe và các chất lỏng bảo trì đường ray.

Yêu cầu hệ thống và các chỉ tiêu kỹ thuật (Điều 6)

Hệ thống đường ray không đá ba lát phải đáp ứng các tiêu chuẩn vận hành đồng bộ:

• Hình học thiết kế: Cung cấp hình học chính xác và bền vững hơn so với hệ thống đường ray có đá ba lát nhằm tối ưu hóa tiếng ồn, chất lượng đi tàu và chu kỳ bảo trì.
• Độ ổn định: Chống mất ổn định uốn dọc do lực dọc trục (đặc biệt là tác động nhiệt) thông qua tính toán mô men quán tính và xác định sức kháng tối thiểu theo phương dọc và ngang.
• Khổ giới hạn tiếp giáp kiến trúc: Tuân thủ tiêu chuẩn EN 15273-3.
• Tuổi thọ thiết kế: Đạt ít nhất 50 năm. Các thành phần dễ mài mòn hoặc mỏi (như ray) phải được thiết kế để có thể thay thế dễ dàng.
• Khả năng bảo trì: Đảm bảo thuận tiện cho công tác kiểm tra, sửa chữa, mài ray, điều chỉnh hình học và tạo ứng suất ray hàn liền.
• Tính bền vững: Đánh giá các thông số về tiêu thụ năng lượng, phát thải CO2, khả năng tái chế và tác động sinh thái.
• Tiếng ồn và rung động: Tích hợp các đặc tính kiểm soát tiếng ồn và điều chỉnh độ cứng kết cấu đường ray để giảm thiểu rung động truyền vào môi trường.
• Trật bánh: Thiết kế phải tính đến các biện pháp bảo vệ và hạn chế hậu quả khi xảy ra sự cố trật bánh.

Giao diện điện và khả năng tương thích điện từ (Điều 6.9 & 6.10)

Đường ray không đá ba lát phải tương thích hoàn toàn với hệ thống điện và tín hiệu đường sắt:

• Cách điện ray với ray: Đảm bảo điện trở cách điện tối thiểu giữa hai ray theo tiêu chuẩn EN 13481-5 để phục vụ hệ thống tín hiệu mạch điện đường ray.
• Giao diện nguồn điện sức kéo: Ray chạy tàu đóng vai trò là mạch hồi lưu. Thiết kế phải đảm bảo an toàn điện, tiếp địa, liên kết mạch hồi lưu và chống ăn mòn do dòng điện rò theo EN 50122-1.
• Khả năng tương thích điện từ (EMC): Tránh tạo ra các mạch điện kín trong cốt thép bê tông. Thiết lập các "vùng không vòng lặp" (non-loop zones) và "vùng có hàm lượng kim loại hạn chế" xung quanh các thiết bị tín hiệu như mạch điện đường ray, mạch dò tìm, cảm biến bánh xe và thiết bị nhận diện đoàn tàu (bộ phát đáp).
• Cố định thiết bị: Tích hợp đồng bộ các thiết bị đường ray (bộ đếm trục, tấm hấp thụ tiếng ồn, ray phòng hộ, ray hộ bánh) vào kết cấu đường ray không đá ba lát, có tính đến tải trọng phát sinh từ các thiết bị này.

Phương pháp xác định độ tăng nhiệt độ của ray do hãm bằng dòng điện xoáy (Phụ lục A)

Phụ lục A hướng dẫn chi tiết hai phương pháp xác định độ tăng nhiệt độ của ray khi chịu tác động của hệ thống hãm bằng dòng điện xoáy:

• Sử dụng biểu đồ thực nghiệm: Xác định độ tăng nhiệt độ dựa trên lực hãm kích hoạt và trình tự chạy tàu (thông thường là 10 phút), sau đó nhân với hệ số an toàn 1,15 để tính đến sự mài mòn.
• Sử dụng hàm số tăng và giảm nhiệt:
  • Sự tăng nhiệt: Tính theo công thức F = C x μ x δT (trong đó F là lực hãm, μ là khối lượng ray, C là nhiệt dung của thép ray, δT là biến đổi tăng nhiệt). Đối với ray 60E1, giá trị tăng nhiệt đặc trưng là 0,0360 K/kN.
  • Sự giảm nhiệt: Tính theo công thức suy giảm nhiệt theo thời gian giữa hai đoàn tàu liên tiếp dựa trên thời gian tham chiếu τ (ví dụ τ = 2476 giây đối với ray 60 kg/m).

Vùng không vòng lặp và vùng hạn chế kim loại (Phụ lục B & C)

Cung cấp các ví dụ trực quan và kích thước hình học (x, y, z) đối với không gian xung quanh các thiết bị kỹ thuật nhằm kiểm soát nhiễu điện từ:

• Không gian không vòng lặp xung quanh nối ghép mạch điện đường ray và mạch dò tìm/truyền tín hiệu.
• Không gian hạn chế vật liệu kim loại màu hoặc từ tính bên dưới thiết bị nhận diện đoàn tàu và cảm biến bánh xe.
• Mô hình hệ thống gá lắp thiết bị nhận diện đoàn tàu trực tiếp trên kết cấu đường ray không đá ba lát.