Khám Phá Lý Do Rải Đá Dưới Đường Ray Tàu Hỏa

Mặc dù có vẻ đơn giản, việc rải đá dưới đường ray tàu hỏa thực sự có những lý do và mục đích sâu xa mà ít người biết đến.

Nếu bạn là một người yêu thích đi tàu hỏa, chắc hẳn bạn đã từng nhìn thấy những viên đá dày đặc dưới đường ray, tuy nhiên không phải ai cũng hiểu rõ vai trò của chúng. Tại sao lớp đá này lại cần thiết cho cấu trúc đường ray?

Hẳn nhiều bạn sẽ thắc mắc về việc tại sao lại có lớp đá dăm được trải đều dưới đường ray xe lửa. Đường ray thường bao gồm hai thanh ray song song, được gắn chắc chắn vào các thanh tà vẹt (traverse) và tất cả đều nằm trên một lớp đá ba lát (ballast). Lớp đá này không chỉ là một phần thẩm mỹ mà còn đóng vai trò rất quan trọng, vậy lý do thực sự của nó là gì?

Một lớp đá dằn được dải dọc theo đường ray xe lửa.

Thuật ngữ ba lát (ballast) thực chất có nguồn gốc từ việc sử dụng đá để giữ thăng bằng cho các con thuyền buồm. Chức năng của nó trên đường ray cũng tương tự. Khi tàu hỏa di chuyển, đường ray phải chịu áp lực lớn. Đáng nhớ rằng, chỉ 1% thời gian đường ray vận hành dưới sức nặng của tàu, 99% còn lại thì chúng đơn giản chỉ nằm yên.

Ví dụ điển hình là đoàn tàu chở quặng từ BHP Iron Ore ở miền Tây Australia, với chiều dài lên tới 7.353 km và trọng tải gần 100.000 tấn. Thanh tà vẹt không chỉ cố định đường ray mà còn truyền lực từ ray xuống đất bên dưới. Để đảm bảo áp lực được phân bố đồng đều và giữ cho đường ray ổn định, các thanh tà vẹt sẽ nằm trên lớp đá dăm. Hơn nữa, do ở ngoài trời, chúng phải đối mặt với các yếu tố tự nhiên như co giãn do nhiệt, chuyển động của mặt đất, mưa và thậm chí cả cây cỏ mọc lên từ dưới.

Đoàn tàu dài nhất và nặng nhất thế giới BHP Iron Ore.​

Cách đây 200 năm, các kỹ sư đường sắt đã tìm kiếm giải pháp cho những vấn đề này. Trong quá khứ, xỉ sắt và than đã được sử dụng như là lớp nền cho đường ray. Tuy nhiên, từ những năm 1840, đá ba lát bắt đầu có mặt rộng rãi và trở thành yếu tố thiết yếu cho cấu trúc đường ray. Đá ba lát bao gồm những viên đá nhỏ có kích thước dưới 40 mm. Chúng được trải dưới và xung quanh tà vẹt, và có khả năng tạo ra “nội ma sát của tập hợp đá”, phụ thuộc vào cách sắp xếp, hình dạng và kích thước của các viên đá. Các loại đá cứng như granite, thạch anh và đá trap thường được ưu tiên, nhưng nếu không có, đá cát kết hoặc đá vôi cũng có thể được sử dụng.

Nội ma sát này đóng vai trò rất quan trọng. Hãy hình dung bạn đang đẩy một đụn cát và một đống đá, cả hai có độ cao bằng nhau. Đụn cát sẽ dễ dàng bị đẩy đi, trong khi đống đá lại trơ trơ trước lực tác động. Đây chính là nguyên lý của nội ma sát.

Nhờ vào những đặc điểm này, đá ba lát cung cấp nền tảng hỗ trợ, gia tăng độ bền, độ cứng và độ đàn hồi cho đường ray mỗi khi tàu chạy qua. Bên cạnh đó, loại đá này còn giúp dẫn nước mưa và tuyết ra khỏi đường ray, giữ cho bề mặt luôn khô ráo, ngăn cây cỏ mọc lên, và tăng tính đàn hồi của đường ray trong điều kiện nhiệt độ dao động.

Đá ba lát có độ cứng bền và khả năng linh hoạt cao.

Trong quá trình xây dựng, độ dày của lớp đá ba lát phụ thuộc vào kích thước và khoảng cách của các ray (khổ ray), lưu lượng tàu qua lại và nhiều yếu tố khác. Tuy nhiên, lớp đá này không được có độ dày dưới 150 mm, trong khi các tuyến đường ray cao tốc có thể yêu cầu lớp đá dày đến 50 cm. Nếu lớp đá quá mỏng sẽ gây ra nguy cơ đường ray bị chìm. Lớp đá ba lát thường nằm trên một lớp nền phụ (sub-ballast) để ngăn nước và hỗ trợ cấu trúc đường ray phía trên. Không có lớp này, ray và tà vẹt có thể bị ngập nước, dẫn đến hư hỏng và tai nạn tàu.

Một hệ thống làm sạch và bảo trì đường ray của Balfour Beatty Inc.​

Lớp đá ba lát giữ vai trò rất quan trọng và vì thế, thường xuyên cần được bảo trì. Nếu lớp đá bị ô nhiễm, khả năng thoát nước sẽ giảm, dẫn đến rác và bụi bẩn bị hút lên trên, làm cho lớp đá càng bị bẩn hơn. Việc giữ cho lớp đá ba lát sạch sẽ là cực kỳ cần thiết, và có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp như xử lý sinh học, lao động hoặc sử dụng máy móc chuyên dụng.

Hình ảnh đường sắt không cần dùng đá ba lát.

Đối mặt với sự tàn phá từ thiên nhiên và hao mòn do sử dụng, việc bảo trì lớp đá ba lát tiêu tốn rất nhiều thời gian, công sức và chi phí. Do đó, ngành đường sắt đã phát triển và triển khai các hệ thống đường ray không cần đá ba lát (ballastless track). Thay vì sử dụng lớp đá dằn, những phiến bê tông được đặt liền kề và đường ray được lắp đặt trực tiếp lên bề mặt bê tông. Tuy nhiên, loại đường ray này có chi phí ban đầu cao hơn và đòi hỏi thời gian lắp đặt lâu hơn, nên thường chỉ được sử dụng cho các tuyến đường sắt cao tốc hoặc chuyên chở hàng nặng.

Qua những thông tin vừa rồi, chúng ta đã phần nào hiểu rõ về vai trò của lớp đá ba lát dưới đường ray. Trong các bài viết tiếp theo, chúng ta sẽ khám phá thêm về cấu trúc đường ray, phân loại khổ ray và thiết kế ray cùng tà vẹt.