CT51 ความรู้พื้นฐานสำหรับการออกแบบและก่อสร้างทางรถไฟ (Railway Engineering: Fundamental Aspect)
ลิขสิทธิ์ สำนักโลจิสติกส์
กรมอุตสาหกรรมพื้นฐานและการเหมืองแร่
โดย ดร. พงษ์ธนา วณิชย์กอบจินดา
1) บทนำ
ในปัจจุบันเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วการขนส่งระบบราง ไม่ว่าจะเป็นเพื่อการขนส่งผู้โดยสารหรือการขนส่งสินค้า นับว่ามีบทบาทสำคัญต่อชีวิตประจำวันของประชาชนยุคปัจจุบันโดยเฉพาะในยุคน้ำมันแพงซึ่งการขนส่งด้วยระบบรางนั้นมีข้อดีหลายประการ ยกตัวอย่างเช่น ระบบขนส่งมวลชน (Mass Rapid Transit System: MRTS) ไม่ว่าจะเป็น รถไฟฟ้าใต้ดินสายสีน้ำเงินขององค์การรถไฟฟ้ามหานคร (Mass Rapid Transit Authority: MRTA) หรือที่เราเรียนกันว่า MRT และ รถไฟฟ้าขนส่งมวลชนกรุงเทพ หรือที่เราเรียกว่า (Bangkok Transit System: BTS) จะเห็นได้ว่าสามารถนำผู้โดยสารไปยังจุดหมายปลายได้อย่างรวดเร็ว ได้ครั้งละมาก ๆ และมีค่าใช้จ่ายในการโดยสารที่ต่ำ หากลองพิจารณาในอีกด้านของการขนส่งทางรถไฟ ก็คือ การขนส่งสินค้า ยิ่งในปัจจุบันประเทศไทยได้มีการสนับสนุนการพัฒนาด้านโลจิสติกส์ โดยเฉพาะในด้านพยายามในการปรับเปลี่ยนการขนส่งระยะปานกลางถึงไกลจาการขนส่งด้วยรถบรรทุกให้เป็นการขนส่งทางรถไฟ ที่มีข้อได้เปรียบในด้านต้นทุนการขนส่งต่อหน่วยสินค้าและ ต้นทุนพลังงานที่ถูกว่า ความปลอดภัย รวมถึงการรักษาสิ่งแวดล้อม (Cilliers and Nagel 1994, Crainic and Laporte 1997, Kasilingam 2003, Vanichkobchinda 2007).
อย่างไรก็ตามในการก็สร้างทางรถไฟนั้นจะมีต้นทุนก่อสร้างที่สูง เครื่องจักรที่ในการบำรุงรักษาทางวิ่ง (Track Maintenance Machine) ทางมีราคาแพง เป็นงานเฉพาะทาง โดยเฉพาะอย่างยิ่งการรับเหมาสัมปทานทางรถไฟ หรือ การออกแบบการเชื่อมทางรถไฟเข้าสู่โรงงงานอุตสาหกรรมของอุตสาหกรรมบางสาขาเช่น อุตสาหกรรมเหล็ก อุตสาหกรรมรถยนต์ อุตสาหกรรมเหมือง อุตสาหกรรมปูนซีเมนต์ หากผู้ใช้ไม่มีความรู้พื้นฐานในการออกแบบลานขนถ่ายสินค้า (Railway Yard) ที่ดีพออาจทำให้มีการติดตั้งประแจ (Turnout) หรือใช้ประแจไม่ถูกประเภทก็จะทำให้มีค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาในระยะยาวที่สูงขึ้นจะส่งผลกระทบการต้นทุนการปฏิบัติขององค์กร ซึ่งในบทความนี้ผู้เขียนจะกล่าวถึงพื้นฐานของระบบพื้นทางวิ่งของทางรถไฟรวมถึงการเปรียบเทียบข้อดีและข้อเสียของทางวิ่งระบบต่างๆ ซึ่งจะกล่าวในส่วนต่อไป
2) ระบบโครงสร้างพื้นทางวิ่ง (Railway Track Structure System)
ในการพิจารณาถึงพื้นทางวิ่ง (Track) โดยทั่วไปจะมี 2 ส่วน หลัก ๆ คือ 1) โครงสร้างทางวิ่งด้านตัดขวาง (Track Structure: Cross Section) และ 2) โครงสร้างทางวิ่งภาคตัดตามยาว โครงสร้างด้านบน (Track Structure: Longitudinal Section and Topview Section)
2.1) โครงสร้างทางวิ่งภาคตัดขวาง (Track Structure: Cross Section)
การพิจารณาในส่วนของภาคตัดขวางจะบอกถึงการออกแบบโครงสร้างของชั้นดินบดอัด โดยเฉพาะอย่างยิ่งการใช้ระบบทางวิ่งที่โรยด้วยหิน (Ballast Track) จะต้องให้ความสำคัญในการบดอัดดินเป็นอย่างยิ่ง ซึ่งจะต้องบดอัดดินให้แน่นเสมอกันโดยจะมีการบดอัด 2 ชั้น คือ Subgrade และ Sub-Ballast ก่อนที่จะโรยด้วย Ballast เพื่อรองรับการถ่ายน้ำหนักจากล้อรถไฟลงสู่รางทั้งสองอย่างเสมอภาคเพื่อป้องกันรถไฟตกรางจากความต่างระดับของรางทั้งสอง (ดังแสดงในแผนภาพที่ 1)
แผนภาพที่ 1 ภาพตัดขวางของการบดอัดดินของการก่อสร้างทางรถไฟ
นอกจากนั้นการออกแบบใน Cross-Section ยังต้องพิจารณาถึง Track Gauge ซึ่งก็คือความกว้างระหว่างฐานล้อของรถไฟ ระยะห่างระหว่างฐานล้อนี้จะวัดจากสันรางลงมา 14 mm (BS EN 13674 – 1: 2003) โดยที่ฐานรางทำมุมเอียงเข้าหากัน 1:40 (1:20) จุดนี้ก็คือจุดที่บังใบล้อสัมผัสกับตัวราง ดังแสดงในแผนภาพที่ 2 และ 3)
ในปัจจุบัน Track Gauge ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายจะมีอยู่ 3 ประเภท
1. Meter Gauge เป็น gauge ที่มีความกว้าง 1,000 mm ทางรถไฟ Meter Gauge จะยังใช้กันอยู่เพียงแค่ประเทศไทยและมาเลเซีย
2. Standard Gauge เป็น gauge ที่มีความกว้าง 1,435 mm ทางรถไฟประเภทนี้เป็นแบบที่นิยมกันใช้ในปัจจุบัน เนื่องจากมีฐานล้อที่กว้างจะสามารถทำให้รถไฟวิ่งได้ด้วยความเร็วสูง และสามารถรับน้ำหนักบรรทุกได้มากกว่าอีกด้วย นอกจากนั้น ทั้งในด้านของตัวราง ขบวนรถ (Rolling Stock) และระบบสนับสนุน มีการผลิตและใช้อย่างแพร่หลายจึงส่งผลให้การบำรุงรักษาระบบต่าง ๆ ในระยะยาวถูกลง
3. Broad Gauge เป็น gauge ที่มีขนาดใหญ่กว่า Standard gauge ซึ่ง Broad มีอยู่หลายขนาดตามและแต่ละประเทศจะมีขนาด gauge ที่ไม่เท่ากัน เช่น Brazil Broad Gauge = 1,600 mm, Netherlands Broad Gauge = 1,945 mm, หรือ Spanish Broad Gauge = 1,668 mm อย่างไรก็ตาม ระบบ Broad Gauge ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายจะมีการใช้ในแถบอินเดีย ซึ่ง Broad Gauge ประเภทนี้จะมีความกว้าง 1,676 mm
4. Dual Gauge (Mixed Gauge) คือทางรถไฟที่มีระบบรางผสมกันตั้งแต่ 2 ระบบขึ้นไป เช่น Standard Gauge กับ Meter Gauge หรือ ผสม กับ Broad Gauge ดังแสดงในแผนภาพที่ 1 a และ b
แผนภาพที่ 2 Track Gauge
แผนภาพที่ 3 Standard Track Gauge และ จุดสัมผัสของบังใบล้อกับตัวราง
แผนภาพที่ 4 Dual Gauge: (a) ภาพตัดขวางของ Dual Gauge; (b) ระบบรางแบบ Dual Gauge
Profile การบดอัดชั้นดิน และTrack Gauge จะบอกถึงมิติของทางรถไฟรวมถึงเป็นข้อมูลในการนำไปจัดซื้อจัดหาขบวนรถไฟ (Rolling Stock) และระยะห่างระหว่างทางรถไฟคู่ขนาน การออกแบบตัวสะพาน (แสดงในแผนภาพที่ 5) หรือแม้กระทั่งการออกแบบ Yard ที่ใช้ในการขนถ่ายสินค้า ซึ่งจะนำไปออกแบบคำนวณหาขนาดมิติของ Rolling Stock ซึ่งเรียกว่า Structural Gauge (แสดงในแผนภาพที่ 6) เพื่อป้องกันการชนกันของรถไฟ
แผนภาพที่ 5 ระยะห่างระหว่าง Track
แผนภาพที่ 6 Structural Gauge
2.2) โครงสร้างทางวิ่งภาพตัดตามยาว (Track Structure: Longitudinal Section) ในขณะที่ภาพตัดตามยาวจะแสดงถึงระยะในการวางหมอนรถไฟ การจุดเชื่อมราง การติดฉนวน ต่าง ๆ และยังบอกถึง Horizontal & Vertical Alignment ในการวางรางอีกด้วย
3) พื้นทางวิ่ง (Railway Track)
ทางวิ่งของรถไฟที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันได้ถูกแบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ 1) Ballasted Track; 2) Non-Ballasted Track หรือ Slab Track (หรือ เรียกอีกอย่างว่า Track Concrete)
1 Ballast Track (ดังแสดงในแผนภาพที่ 7) เป็นทางรถไฟที่ใช้กันอย่างแพร่หลายอยู่ทั่วไปในทุก ๆ ประเทศ ซึ่ง Ballasted Track นั้นมีข้อดีคือ ต้นทุนการก่อสร้างที่ต่ำ ขั้นตอนการบำรุงรักษาอุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น การเปลี่ยนแรง เปลี่ยนเครื่องยึดเหนี่ยว สามารถทำได้ง่าย Rail Joint และ Fishplated joint และ Insulated Rail Joint (IRJ) แม้กระทั่งการปรับแก้ ระดับ (Level) และ แนวทางวิ่ง (Alignment) สามารถทำได้ง่าย มีคุณสมบัติการระบายน้ำที่ดี รวมถึงการลดมลภาวะทางเสียงที่เกิดจากการสั่นสะเทือนของการวิ่งของรถไฟกับพื้นทาง
อย่างไรก็ตามถึงแม้ว่า Ballasted Track จะมีต้นทุนในการบำรุงรักษาที่ถูก และบำรุงรักษาง่าย ก็จริงแต่ก็ต้องทำการบำรุงรักษาเป็นระยะ ๆ เมื่อพิจารณารวมกับจำนวนครั้งในการบำรุงรักษากับระยะเวลาในการใช้พบว่ามีค่าบำรุงรักษาทางที่ค่อนข้างสูง ดังนั้นในปัจจุบันจึงมีการพัฒนารูปแบบของทางรถไฟสมัยใหม่ ด้วยการนำระบบของ Slab Track หรือ Track Concrete เข้ามาใช้เพื่อลดต้นทุนและกระบวนการในการบำรุงรักษารวมถึงยืดอายุการใช้งานของทางรถไฟ
แผนภาพที่ 7 Ballasted Track
2 Non – Ballasted Track (Slab Track or Concrete Track) (แสดงในแผนภาพที่ 8) ลักษณะของ Slab Track จะแตกต่างจาก Ballast Track ตรงที่จะเปลียนชั้น Sub-grade ไปเป็น Concrete Road-bed ในส่วนของ Sub-ballast จะเปลี่ยนเป็นการเทคอนกรีตเพื่อเชื่อมกับตัวหมอนรถไฟ (Concrete Sleeper) ดังแสดงในแผนภาพที่ 9 Slab Track จะช่วยลดความสูงของโครงสร้าง ลดปัญหาในการจัดหาหิน Ballast เนื่องจากในปัจจุบันยากในการหาหิน Ballast ที่ได้ขนาด ได้สัดส่วน ไม่กลม หรือ แบนจนเกินไป และที่สำคัญในหลาย ๆ ประเทศได้มีนโยบายในการปกป้องสิ่งแวดล้อมซึ่งส่งผลให้การขอใบอนุญาตในการเปิดเหมืองหินก็ทำได้ยากขึ้นยังส่งผลให้มีการก่อสร้างทางรถไฟมีต้นทุนที่สูงขึ้นตามมาอีกด้วย และในเมื่อหิน Ballast นับวันยิ่งหายากขึ้นก็จะทำให้ต้นทุนในการบำรุงรักษาทางรถไฟในอนาคตสูงขึ้นด้วยเนื่องหิน Ballast จะต้องถูกเปลี่ยนและบำรุงรักษาตามระยะเวลา Slab Tack ยังมีความเสถียรภาพทางโครงสร้างที่สูงซึ่งเหมาะสมกับการใช้กับ รถไฟความเร็วสูง (High Speed Rail: HSR) รวมถึงยังสามารถรับน้ำหนักบรรทุกได้มากอีกด้วย ในปัจจุบันทางรถไฟประเภทนี้ได้ใช้กับอย่างแพร่หลายในระบบรถไฟฟ้าใต้ดิน รถไฟลอยฟ้า และระบบรถไฟชาญเมือง ซึ่งเป็นทางรถไฟที่มีความถี่ของขบวนต่อวันสูง มีเวลาในการบำรุงรักษาต่ำ หรือ หากว่าต้องหยุดเพื่อบำรุงรักษาอาจเกิดการสูญเสียทางระบบเศรษฐกิจสังคมสูง เช่น หากหยุดรถไฟฟ้าใต้ดิน หรือ รถไฟฟ้า BTS หยุดวิ่งก็จะทำให้สูญเสียทางเศรษฐกิจทางตรงเช่นรายของบริษัท ทางอ้อมเช่น หากประชาชนไม่ขึ้นรถไฟฟ้า จะทำให้หันมาใช้รถยนต์มาขึ้นทำให้การบริโภคน้ำมันมากขึ้น ทำให้เกิดการล่าช้าในการนัดหมายหรือการประชุม
อีกสาเหตุสำคัญที่ Slab Track ไม่ใช้ในการขนส่งระยะไกลเนื่องจาก จะทำให้มีต้นทุนการก่อสร้างที่สูง และความถี่ของขบวนรถยังไม่มากพอ ก็ยังไม่คุ้มค่าที่จะใช้ Slab Track ซึ่งราคาแพงกว่า Ballasted Track 30 – 50% หรือว่าในบางกรณีอาจแพงกว่าถึงเท่าตัว
แผนภาพที่ 8 Slab Track
แผนภาพที่ 9 Cross-Section ของ Slab Track (Rheda 2000: Classic Type)
ประเภทของ Slab Track เกณฑ์ในการจัดประเภทได้ 2 แบบหลัก ๆ คือ
1 แบ่งตามวิธีการติดตั้ง การติดตั้งแบ่งออกได้สองแบบคือ
1) Direct Fixation;
2) Floating Slab Track
2 แบ่งตามลักษณะของประเภท Rail Support
ลักษณะของ Slab Track ที่แบ่งตาม Rail Support จะมีอยู่หลายประเภทซึ่งขึ้นอยู่กับความสามารถในการออกแบบของแต่ละบริษัทหรือตาม TOR (Term of References) ของแต่ละประเทศ นอกจากนั้นยังขึ้นอยู่ปัจจัยอื่น ๆ เช่น ความต้องการในการลดต้นทุนการก็สร้าง ที่ต้องการให้ได้งานที่เร็ว ต้นทุนที่ถูก และการควบคุมคุณภาพ การแบ่งประเภทแบบ Rail Support แสดงดังตารางที่ 1
|
SLAB TRACK SYSTEM |
|||||
|
Discrete Rail Support |
Continuous Rail Support |
||||
|
Sleeper or Blocks embedded in concrete |
Sleeper on top of asphalt concrete roadbed |
Prefabricated Concrete Slab |
Monolithic insitu slabs (on Civil Structure) |
Embedded Rail |
Clamped and Continously Supported Rail |
|
Rheda Rheda2000 Zublin LVT |
ATD |
Shinkansen Bogl |
Paved-in track on civil Structure |
Raved-in Track light rail road crossing deck track |
Cocon Track, ERL Vanguard KES |
5) สรุป
จากที่กล่าวจะเห็นได้ว่าความรู้ในเรื่องของ Track Gauge และพื้นฐานในเรื่องของระบบพื้นฐานของทางวิ่งเช่น Ballasted Track และ Slab Track นั้นมีข้อดีข้อเสียอย่างไรและความแตกต่างในด้านต้นทุนการก่อสร้าง ต้นทุนในการบำรุงรักษา และระยะเวลาในการใช้ทาง ซึ่งความรู้เหล่านี้จะทำให้ผู้ประกอบการอุตาสหกรรมสามารถนำไปเป็นส่วนในการตัดสินใจหากมีความต้องการที่ลงทุนในด้านการสร้างทางรถไฟเพื่อสนับสนุนอุตสาหกรรม
6) เอกสารอ้างอิง
- American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association (AREMA), Railway Engineering Desgin Handbook
- British Standard: BS EN 13674 – 1: 2003, Railway applications – Track – Rail – Part 1: Vignole railway rails 46 kg/m and above
- Cillier, W.W. and Nagel, P.J.A. (1994) Logistics trends in South Africa. International Journal of Physical Distribution & Logistics Managemen 24(7), 4–14
- Crainic, T.G. & Laporte, G. (1997) Planning models for freight transportation. European Journal of Operation Research, 97, 409–438.
- Kasilingam, R.G. (2003) Logistic and Transportation: Design and Planning. Kluwer Academic Publishers, London
- The International Union of Railway (UIC) Design Code
- Vanichkobchinda, P. (2007) Development of Thailand railway freight transportation: A key element to become the Greater Mekong Subregion (GMS) freight distribution center, The Proceedings of the 12th International Conference of Hong Kong Society for Transportation Studies: Transportation System: Engineering & Management, 8 – 10 December 2007, Hong Kong
--------------------------------
สนใจบทความฉบับสมบูรณ์เพิ่มเติม ดาวน์โหลดที่เอกสารแนบด้านล่าง
สนใจบทความอื่นในชุดนี้คลิกดูได้ตามหัวข้อด้านล่าง
CT51 เอกสารเผยแพร่เรื่อง “การจัดการโลจิสติกส์เพื่อการพัฒนาอุตสาหกรรมอย่างยั่งยืน” ปี 2551
เอกสารเผยแพร่เรื่อง “การจัดการโลจิสติกส์เพื่อการพัฒนาอุตสาหกรรมอย่างยั่งยืน ปี 2551” จึงเป็นการนำบทความดังกล่าวที่น่าสนใจจำนวน 80 บทความ นำมาจัดทำเป็นรูปเล่มเพื่อเป็นอีกช่องทางหนึ่งที่สะดวกสำหรับผู้สนใจในการศึกษากรณีศึกษาความรู้ด้านโลจิสติกส์และโซ่อุปทาน หวังเป็นอย่างยิ่งว่าเอกสารนี้จะเป็นประโยชน์แก่ผู้อ่านให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ในองค์กรได้อย่างมีประสิทธิผล
--------------------------------
ที่มา
เอกสารเผยแพร่เรื่อง “การจัดการโลจิสติกส์เพื่อการพัฒนาอุตสาหกรรมอย่างยั่งยืน” ปี 2551
โดย สำนักโลจิสติกส์ กรมอุตสาหกรรมพื้นฐานและการเหมืองแร่