Với chiến lược phát triển và hiện đại hoá đường sắt Việt Nam, việc hoàn thiện về cơ sở hạ tầng, trong đó có lắp đặt đường ray không mối nối là điều không thể không nói đến, nó là một cơ sở rất quan trọng để có thể cho phép đoàn tàu thông qua với tốc độ cao, việc hàn các mối nối ray cần phải được đưa vào trong danh mục công việc khi tiến hành thi công đại tu đường sắt.

Tình hình hiện tại về hàn ray và lắp đặt trên đường sắt Việt Nam

Mạng lưới đường sắt của Việt Nam có tổng chiều dài khoảng 3.278 km, với 2.632 km đường chính và 646 km đường nhánh, đường ga. Loại ray chủ yếu là ray 43 kg/m, ray 50 kg/m. Chiều dài ray phần lớn là 12,5m một số loại ray 43 kg/m và ray 50 kg/m dài 25m. Hiện đại hoá đường sắt Việt Nam và hướng tới nâng cao năng lực vận chuyển hàng hoá, vận chuyển hành khách cũng như nâng cao độ an toàn, tính tiện nghi, đảm bảo sự tin cậy... là một yêu cầu cấp thiết của ngành đường sắt. Với chiến lược phát triển và hiện đại hoá đường sắt Việt Nam, việc hoàn thiện về cơ sở hạ tầng, trong đó có lắp đặt đường ray không mối nối là điều không thể không nói đến, nó là một cơ sở rất quan trọng để có thể cho phép đoàn tàu thông qua với tốc độ cao, việc hàn các mối nối ray cần phải được đưa vào trong danh mục công việc khi tiến hành thi công đại tu đường sắt.

Nắm bắt được yêu cầu này, Tổng công ty đường sắt Việt Nam đã tổ chức thực hiện dự án sản xuất thử nghiệm “Lắp đặt và khai thác đường ray không mối nối cho đường sắt Việt nam" tại khu gian Thanh Hoá – Yên Thái (Km 175+200 – Km 187+400 tuyến đường sắt Hà Nội – TP. Hồ Chí Minh) với sự nỗ lực của cán bộ công nhân viên trong ngành cùng với sự hỗ trợ của Bộ Giao thông vận tải và Bộ Khoa học và Công nghệ. Đoạn đường ray hàn liền có thể cho phép các đoàn tàu thông qua với tốc độ 100km/h, rút ngắn thời gian di chuyển, tàu chạy êm ái, tạo sự thoải mái và an toàn cho hành khách.

Dự án sản xuất thử nghiệm "Thí nghiệm lắp đặt và khai thác đường ray không mối nối cho đường sắt Việt Nam" đã đã được Bộ Khoa học công nghệ đánh giá cao và có quyết định (số 544/QĐ-BKHCN ngày 29/3/2012) về việc công nhận kết quả thực hiện dự án sản xuất thử nghiệm cấp Nhà nước. Trước đó, ngành đường sắt đã được các chuyên gia Nhật Bản trợ giúp về kỹ thuật trong việc lắp đặt thí điểm đoạn đường ray không mối nối từ Km 813+600 đến Km 824+800 tuyến đường sắt Hà Nội – TP. Hồ Chí Minh (khu gian Nông Sơn - Trà Kiệu).  

Trong điều kiện đường sắt Việt Nam, các công trình sửa chữa, cải tạo, nâng cấp thuộc tuyến đường đang chạy tàu, do đó thời gian thi công bị hạn chế rất nhiều; hơn nữa lực lượng lao động chủ yếu là nhân công, nên các phương pháp thi công bằng thủ công hoặc thủ công kết hợp cơ giới là phù hợp hơn cả, bãi chứa ray cùng với xưởng hàn di động cũng sẽ được thiết lập ngoài hiện trường. Các máy móc thiết bị hàn và vận chuyển ray bao gồm: máy hàn là loại hàn ga hơi ép di động do Nhật bản sản xuất, đoàn xe gòng cùng với công nhân sử dụng tời quay tay để vận chuyển ray dài từ bãi chứa ra vị trí lắp đặt, tại đây chúng được hàn với nhau bằng phương pháp hàn nhiệt nhôm. Sau quá trình thi công và theo dõi nhiều đoàn tàu chạy với nhiều tốc độ khác nhau đã cho thấy liên kết ray tà vẹt vẫn đảm bảo, không bị hư hỏng biến dạng, không thấy các biểu hiện bất thường.

Đặc điểm của đường ray ngắn có khe nối và đường ray hàn liền

Trên các tuyến đường sắt thông thường, các thanh ray được đặt liên tiếp nhau để cho bánh xe chuyên động trên nó, chúng được chế tạo bằng thép hợp kim để đảm bảo khả năng chịu tải trọng lớn của đoàn tàu. Nguyên liệu thép chế tạo ray lại có đặc điểm là dễ bị biến đổi chiều dài dưới tác động của nhiệt độ môi trường, chính vì đặc điểm này mà các thanh ray truyền thống cần phải có chiều dài rất ngắn chỉ từ 12,5 m (sản xuất trước đây) đến 25,0 m (hiện nay). Để ghép nối các thanh ray trên đường và đảm bảo khe hở cho ray co dãn, người ta đã sử dụng hai thanh thép ốp ở hai bên và gọi là lập lách ray, các vị trí mối nối này có tác dụng liên kết và điều tiết chiều dài dãn nở ray khi nhiệt độ môi trường biến đổi. Tuy nhiên, đường ray có mối nối bộc lộ nhiều hạn chế. Khi bánh xe đoàn tàu đi qua mối nối, sẽ va đập vào đầu ray rất mạnh, làm cho mối nối tại đầu ray bị gục (đa phần mối nối đặt trên khoang trống tà vẹt), bẹt, khiến liên kết bị lỏng, gây ra hiện tượng lún sụt. Lực dọc phát sinh lớn nên ray trôi, làm mất ổn định kết cấu và kích thước đường, làm ảnh hưởng đến tốc độ chạy tầu và làm ray hư hỏng nhanh. Với tuyến đường ray có mối nối, khi dùng thiết bị đóng đường tự động, phải có thêm dây dẫn điện tại mối nối ray, đồng thời, bánh xe qua mối nối, lực động làm giảm tuổi thọ đầu máy toa xe, rung lắc hành khách, gây ồn trong và ngoài toa xe. Từ việc hay sinh ra những hư hỏng, nên kinh phí bảo trì đường lớn, tuổi thọ của ray, phụ kiện, đầu máy, toa xe giảm, tốc độ tầu chạy thấp.

Đối với đường ray hàn liền, những nhược điểm của đường ray có mối nối sẽ được khắc phục; tuy nhiên, do thanh ray không được tự do dãn nở khi nhiệt độ ray biến đổi nên làm xuất hiện lực nén hoặc kéo dọc ray. Vì đoạn đường ray có độ mảnh rất cao, nên khi có một lực dọc ray đủ lớn, nó sẽ tác động ở hai đầu đoạn đường ray và tạo nên sự mất ổn định cho đoạn đường ray này, ngược lại khi nhiệt độ giảm thì lực kéo dãn sẽ làm nứt ray. Lượng chênh lệch nhiệt độ ray DT lớn nhất được xác định bằng số liệu đo trực tiếp trên ray trong nhiều năm, chính vì vậy lựa chọn một thời điểm trong ngày với nhiệt độ thích hợp để tiến hành hàn khoá ray là rất quan trọng. Nhiệt độ khóa đường ray được tính toán là trị số trung bình nằm trong phạm vi nhiệt độ ray cao nhất và thấp nhất theo thống kê, để đảm bảo lực dọc trục P_T cân bằng trong cả hai trường hợp kéo và nén. Một trong các nguyên lý cơ bản của việc giải quyết bài toán đường ray không mối nối là làm sao cân bằng được ứng lực trong ray do biến đổi nhiệt độ, nói cách khác là phải sử dụng các lực ngoại biên như lực cản của đá ba lát vào tà vẹt, lực cản của phụ kiện liên kết tà vẹt với ray để ghìm giữ ray, không cho chúng biến dạng.

Để có thể giải bài toán và áp dụng được công nghệ đường ray không mối nối này, cơ sở hạ tầng đường sắt cần phải có sự cải tạo nâng cấp đáng kể bằng việc sử dụng tà vẹt bê tông cốt thép để thay thế tà vẹt gỗ, cải tạo nền đường, sử dụng đá ba lát là loại granit cường độ cao, tiến tới sử dụng kết cấu tầng trên là loại đường không đá ba lát, dùng bản bê tông cốt thép khổ lớn để thay thế tà vẹt thông thường.

Yêu cầu kỹ thuật cơ bản của tuyến đường sắt khi áp dụng đường ray không mối nối

Theo nguyên lý trên, để có thể áp dụng công nghệ ray hàn liền không mối nối thì tuyến đường sắt phải đáp ứng các yêu cầu sau:

Nền đường ổn định, không phụt bùn túi đá, không bị đọng nước.

Tuyến là đường thẳng hoặc đường cong bán kính R ≥ 600m, không sử dùng cho đường cong R < 600m, trường hợp hai đường cong liên tiếp trái chiều thì bán kính không được nhỏ hơn 1000m.

Độ dốc dọc ≤ 12‰, bán kính đường cong đứng nối dốc ≥ 3000m.

Kết cấu tầng trên: ray có trị số ≥ 40kg/m; tàvẹt bê tông cốt thép dự ứng lực liền khối được đặt với mật độ ≥ 38thanh/ 25m. Đá ba lát là loại granit có cưòng độ chịu nén ≥ 800 daN/cm², lực cản của nền đá lên tà vẹt để chống tà vẹt bị dịch chuyển theo phương dọc ≥ 600kg/m và theo phương ngang ≥ 400kg/m.

Trên cầu thép khẩu độ > 25m cần có tính toán cụ thể lượng co dãn của hệ dầm, dàn cầu và từ đó tính toán mối nối co dãn ray đặt ngoài hai đầu cầu; không được đặt ray hàn liên tục qua cầu.

Trong quá trình duy tu bảo trì kết cấu tầng trên có lắp đặt đường ray không mối nối, việc cần thiết và quan trọng là luôn luôn đảm bảo đường ray ổn định, không bị biến dạng bung ray nhất là vào những ngày hè nóng bức khi mà lượng dãn nở của ray rất lớn. Các giải pháp để sửa chữa và phòng chống bung ray được thực hiện bằng cách lắp ngàm vào tà vẹt để tăng lực cản ngang của đá ba lát, sử dụng chất kết dính để làm cứng khối đá ba lát ở những chỗ đường cong, đóng các cọc thép ở hai bên đường để neo ray và tà vẹt.

ThS. Văn Vịnh

Ban Hợp tác quốc tế và Khoa học công nghệ, Tổng Công ty ĐSVN