1. Quá trình bảo dưỡng và sự cần thiết phải kiểm soát những sự cố đường sắt
Hoạt động thường xuyên của tầu trên đường sắt, đặc biệt là trên đường sắt có sử dụng ba lát sẽ làm lỏng và làm biến dạng lớp đá ba lát hoặc nền đất dưới nó, tình trạng này sẽ dẫn đến làm lún võng đường ray, sự lún võng này càng ngày càng gia tăng tại các mối ray, nhất là mối nối lập lách truyền thống (đây được xem là sự cố đường sắt và nó là tiềm ẩn nguy cơ xảy ra trật bánh đoàn tàu). Những sự cố đường sắt thường xẩy ra theo hai nguyên nhân chủ quan (trình độ quản lý, bảo dưỡng kém cỏi của nhân viên, thiết bị xuống cấp...) và khách quan (thời tiết thất thường, các phương tiện cơ giới khác rơi đổ, hoặc súc vật lao vào đường sắt..).
Việc kiểm soát được các nguyên nhân hư hỏng của tuyến đường, nguyên nhân do điều hành vận tải hoặc nguyên nhân khác do khách quan là vô cùng quan trọng để mang lại một hành trình chạy tàu an toàn. Trong quá trình khai thác 45 năm qua, các tàu cao tốc Shinkansen của Nhật vẫn chưa bị xẩy ra một vụ tai nạn chết người nào. Còn lại, một số trường hợp tai nạn trên các tuyến đường sắt cao tốc khác trên thế giới đã được người ta ghi nhận lại để làm bài học kinh nghiệm đắt giá. Khi đoàn tàu chạy trên đường sắt có những hư hỏng, nó sẽ bị xóc, lắc theo các phương thẳng đứng và nằm ngang. Chỉ một hư hỏng nhỏ biến đổi trên một nhịp dài (gọi là hư hỏng đường sóng dài) cũng là nguyên nhân chính làm thân toa xe rung động. Một hư hỏng đường sóng ngắn như sự cố bề mặt ray, v.v.. là nguyên nhân dẫn đến gây xóc và rung với tần số cao (sóng xung kích) ở phần bánh xe tiếp xúc với ray, làm gia tăng tải trọng trên đường đồng thời gây ra tiếng ồn và độ rung động rất cao. Những hư hỏng của đường như đỉnh ray mòn vẹt, toè bẹp hoặc khuyết tật sẽ làm cho bánh xe tác động mạnh theo chiều ngang là nguyên nhân gây nên trật bánh. Người ta đã lập tiêu chí kiểm soát các hư hỏng đường sắt và hư hỏng bề mặt ray theo từng chu kỳ để duy trì độ an toàn và chất lượng chạy tàu.
Đối với cơ sở hạ tầng đường sắt việc giám sát và phòng ngừa trước các sự cố bệnh hại được xem là vô cùng quan trọng, nó giảm thiểu đáng kể các nguyên nhân chủ quan dẫn đến tai nạn trật bánh đổ tàu. Công việc kiểm tra sự cố đường sắt được thực hiện theo một chu kỳ thời gian gồm các bước sau: (1) kiểm tra điều kiện đường, (2) đánh giá mức độ cần thiết sửa chữa, (3) lập kế hoạch sửa chữa, (4) sửa chữa và (5) xác nhận lại công việc sửa chữa. Xe kiểm tra đường ray đóng một vai trò rất quan trọng trong việc kiểm tra điều kiện đường ray, kết quả đo đạc là cơ sở để những người quản lý xác định các khu đoạn cần phải sửa chữa cũng như xác nhận lại kết quả của công việc sửa chữa. Phương pháp đo đạc để Đối với cơ sở hạ tầng đường sắt, việc giám sát và phòng ngừa trước phát hiện các điểm biến dạng đường ray cũng như cự ly đường sai lệch được dựa trên cách bố trí vị trí điểm đo trên giá đo đạc. Phương pháp này (được gọi là phương pháp hiệu chỉnh dây cung 10 m) yêu cầu một toa xe đặc biệt với 3 giá chuyển hướng, tuy nhiên thiết kế toa xe kiểu này làm hạn chế tốc độ di chuyển, tốc độ tối đa chỉ đạt được trong khoảng dưới 200 km/h. Hiện nay những yêu cầu về đo đạc đường sắt với tốc độ lớn hơn đang được đáp ứng với sự phát triển của xe đo kiểm tra đường sử dụng hai giá chuyển hướng, tốc độ tối đa khi vận hành có thể đạt 300 km/h, gần đạt tới tốc độ của đoàn tàu hoạt động thương mại. Loại toa xe kiểm tra đường mới này sử dụng 3 trong số 4 trục để thu nhập dữ liệu và biến đổi thành dữ liệu tương tự với những trục của loại toa xe 3 giá chuyển hướng trước kia, nó được sử dụng thiết bị phát và thu nhận tia laser, một bộ cảm quang trọng lượng nhẹ để đo độ chuyển dịch của ray, với một con quay hồi chuyển hiệu suất cao. Các kỹ thuật công nghệ tương tự khác cũng được phát triển theo cách này cho một loại xe đo kiểm tra đường hoàn toàn mới cho đường khổ hẹp với chi phí thấp hơn.
Hệ thống mới này sẽ tính toán độ chuyển dịch dựa trên gia tốc được đo từ trước, Hệ thống đo đạc sử dụng các thiết bị không tiếp xúc, ví dụ như các bộ cảm biến đo độ chuyển dịch điện từ và quang học...Những hãng sản xuất xe đo đường ray như Plaser Thuere hay Matisa đã lần lượt tung ra các loại xe đo đa năng không tiếp xúc, cho phép hoạt động trên đường một cách êm ái, ghi chép và phân tích tình trạng của cả tuyến đường trong đó có bao gồm các thông số về kiến trúc tầng trên, hệ thống tín hiệu và hệ thống đường điện trên cao. Hệ thống đo đạc tiêu chuẩn được thực hiện với sự trợ giúp của hệ thống định vị vệ tinh GPS, thiết bị quang học và siêu âm. Kết quả đo đạc được thể hiện bao gồm kích thước mặt cắt ray cũng như hư hỏng trên mặt ray, siêu âm tìm ra khuyết tật trong thân ray, các mặt công tác của đường bao gồm cự ly lòng đường, thuỷ bình hai ray, cao thấp trước sau, độ chênh lệch cao thấp hai ray; hệ thống video ghi lại toàn bộ tình trạng tuyến đường bằng hình ảnh với độ phân giải cao. Các thông số đo đạc được đưa sang hệ thống máy tính với một phần mềm phân tích dữ liệu và đưa ra những cảnh báo cũng như những chỉ dẫn cần thiết để làm cơ sở tiến hành duy tu sửa chữa.
Chất lượng hoạt động của đoàn tàu chủ yếu được thể hiện bằng sự êm thuận, nguyên nhân gây ra rung lắc là sự tác động bởi các dao động có bước sóng dài; các toa xe khách trên cả các tuyến đường sắt tốc độ cao và tuyến thông thường đều bị lắc với tần số 1,0 Hz tới 1,5 Hz. Dao động ngang hay chất lượng chuyến đi của phương tiện trên các đường cong bị tác động bởi hai nhân tố: lực ly tâm mất cân bằng phụ thuộc vào bán kính đường cong và tốc độ chạy tàu. Việc đánh giá chất lượng chạy tàu phải xem xét những nhân tố này, nó được sử dụng để xác định mục tiêu bảo dưỡng hay hiệu chỉnh đối với các đường cong. Nguyên nhân chính gây trật bánh xe trên ray khi đoàn tàu đi vào đường cong là vì sự sai lệch hướng tuyến của đoạn đường ray trong đường cong, sự cố hướng tuyến làm tăng áp lực phương ngang, trong khi đó đoạn đường ray phía lưng đường cong cần phải nâng cao dần lên để đảm bảo siêu cao ray lưng, điều này đồng nghĩa từng bánh xe (phía lưng đường cong) của một khung giá chuyển hướng sẽ nâng dần lên gây ra hiện tượng các bánh xe không cùng nằm trên một mặt phẳng, xét về nguyên nhân này, các trường hợp trật bánh toa xe hàng thường khá phổ biến. Dữ liệu sự cố đường sắt do xe kiểm tra đường sắt ghi lại được chuyển thành dữ liệu số hoá, kết hợp với dữ liệu môi trường đường sắt và lưu trong cơ sở dữ liệu. Hệ thống cơ sở dữ liệu bảo dưỡng đường sắt có tên gọi là "microlabos" được thường xuyên lưu lại các dữ liệu này, nó có phần mềm tính toán các chỉ số đánh giá khu đoạn đường sắt và các sự cố đường sóng dao động, phân tích bước sóng và mối quan hệ với hoạt động của toa xe.
2. Kết cấu tầng trên đường sắt không đá ba lát
Quá trình phát triển mạng lưới đường sắt cho đoàn tàu chạy nhanh và tầm quan trọng của nó đều được hỗ trợ bởi các thành tựu công nghệ mới trong nhiều lĩnh vực; việc tổ chức chạy tàu an toàn, đảm bảo tốc độ đề ra và sự tiện lợi cho người sử dụng phương tiện đều là những mối quan tâm chính đối với các công ty đường sắt. Ngày nay các mối quan tâm không kém phần quan trọng khác là giảm mức độ ô nhiễm tiếng ồn cho người dân sống gần đường sắt và bảo vệ môi trường thiên nhiên; càng ngày, yêu cầu về bảo dưỡng đường sắt thuận lợi hơn cũng trở thành một yếu tố quan trọng nhằm đảm bảo thời gian chạy tàu, giảm bớt nhân công bảo dưỡng để tăng hiệu quả khai thác tuyến đường.
Cách đây nhiều năm, các kỹ sư ngành đường sắt châu Âu và Nhật bản nơi có công nghệ xây dựng đường sắt tiên tiến đã tiến hành nghiên cứu về các hệ thống kết cấu hạ tầng đường sắt và kết cầu toa xe mà cho phép đoàn tàu có thể hoạt động với tốc độ đến 200 km/h. Vấn đề được quan tâm chính của họ là liệu có thể sửa chữa được đường ray với tà vẹt bê tông cốt thép, đặt trên đệm đá ba lát một cách thường xuyên, đủ kịp thời, trước khi chúng bị long ra khỏi đường do những tác động mạnh mẽ của tàu tốc độ cao khi hoạt động. Giữa các kỹ sư công trình đường sắt thì nhiều người lại có quan điểm khác biệt về vẩn đề này, người Pháp nghĩ rằng với tốc độ trên 200 km/h, đoàn tàu vẫn có thể hoạt dộng được trên đường sắt ba lát; tuy nhiên người Đức và người Nhật lại cho rằng mặc dù đường sắt đá ba lát có thể chịu được với tốc độ tới 200 km/h, nhưng độ tin cậy về đảm bảo an toàn rất thấp, đường ray có thể bị biến dạng bất cứ lúc nào nếu không được chăm sóc cẩn thận. Chính vì vậy, đường sắt bản bê tông hay các loại đường sắt kết cấu kiểu khác đã được nghiên cứu, đưa vào kiểm nghiệm và phát triển mạnh mẽ.
Bản bê tông dùng cho đường sắt đầu tiên được đặt trên cầu cạn bê tông cốt thép, lý do chính của việc này là người ta không muốn dùng tà vẹt bê tông cùng với đá ba lát để làm tăng tải trọng tĩnh của cầu. Đường sắt sử dụng bản bê tông trên nền đất nhất là trong hầm bắt đầu được phát triển từ năm 1965, sau khi nhiều đoạn đường được lắp đặt thử nghiệm, chúng đã được đưa vào hoạt động thương mại lần đầu tiên trên khu đoạn Shin Osaka Okayama thuộc tuyển Sanyo Shinkansen của Nhật bản.
Năm 1990 người ta đã so sánh giá trị kinh tế của đường ba lát và đường bản bê tông trên tuyến đường sắt tốc độ cao và thấy rằng chi phí xây dựng đường sắt bản bê tông lớn gấp 1,3 lần so với đường ba lát. Tuy nhiên sau 9 năm hoạt động, chênh lệch về chi phí xây dựng này đã được cân bằng, do đường sắt bản bê tông có chi phí bảo dưỡng thấp hơn rất nhiều. Về tổng thể thì đường sắt bản bê tông nhẹ hơn rất nhiều so với đường sắt sử dụng đá ba lát, do đó chi phí xây dựng trong một số trường hợp nhất là làm cầu cạn sẽ ít hơn. Xây dựng đường sắt bản bê tông trong hầm cũng vậy, vì chiều cao kiến trúc của đường sắt nhỏ hơn cũng làm giảm được diện tích mặt cắt ngang của hầm, giảm được một khoản lớn (khoảng 20 % 30 %) về chi phí xây dựng hầm. Chỉ riêng trường hợp này cũng đã bù được mức chênh lệch chi phí xây dựng giữa đường sắt bản bê tông và đường sắt đá ba lát. Ngày nay kết cấu đường sắt sử dụng bản bê tông là một loại tiêu chuẩn chính trên các khu đoạn có đường sắt trên cầu cạn hay đường sắt ở trong hầm.
Với giải pháp về kiến trúc tầng trên, việc đúc sẵn và lắp đặt các tấm tà vẹt bản bê tông khổ lớn "kết cấu kiểu Slab track" Nhật bản hoặc chế tạo tà vẹt bê tông truyền thống và đặt chìm trong khối bản bê tông đổ tại hiện trường "kết cấu kiểu Rheda track" Cộng hoà liên bang Đức đang được tích cực áp dụng trên các tuyến đường mới xây dựng như ToHoku, Bắc KinhThiên Tân, Đài BắcCao Hùng...; giải pháp này có chi phí đầu tư lớn gấp 1,3 lần so với sử dụng tà vẹt bê tông và đá ba lát truyền thống, nhưng bù lại chi phí và thời gian bảo dưỡng giảm đáng kể, điều này rất quan trọng đối với tuyến đường có mật độ khai thác lớn.
Để giảm thiểu tiếng ồn của kết cấu bê tông, các chuyên gia đã sử dụng đệm đàn hồi tại đáy tà vẹt kết hợp với sử dụng đá xay kích cỡ d = 1 cm đến d = 5 cm để rải ở hai bên của đường sắt. Khi mật độ đoàn tàu tăng cao, nấm ray thường xuyên bị bẹp và toè sang hai bên do va chạm với bánh xe, đơn vị quản lý cần theo dõi và lập chu kỳ mài nấm ray để đảm bảo hình dạng mặt cắt ray được tốt nhất. Trong giải pháp về tuyến đường cao tốc, việc xử lý sóng vi áp cần được giải quyết cùng với quá trình làm hầm, tại các cửa của đường hầm cần lắp đặt những vòm hoặc mái che với các lỗ thoáng hai bên với kích thước tính toán theo cơ chế ống giảm thanh của nòng súng. Tại Nhật bản, sau khi những tiêu chuẩn này được thông qua, một loạt các biện pháp đã thực hiện để làm giảm mức độ tiếng ồn mà ảnh hưởng đến những khu vực dọc theo đường sắt. Vào những năm 1991 và 1994, tổ chức môi trường của Nhật đã tiến hành các cuộc khảo sát và xác định phạm vi áp dụng đối với tiêu chuẩn độ ồn cho phép là 75 db ở những khu vực được ưu tiên đầu tiên.
Đối với những tuyến đường sắt truyền thống kể cả tuyến đường khổ hẹp, giải pháp sử dụng tà vẹt bản bê tông cốt thép khổ nhỏ (thường gọi là đường tiết kiệm chi phí nhân công bảo dưỡng labor saving track) để thay thế dần tà vẹt bê tông cốt thép thông thường để lắp đặt tại các ga lớn hoặc đường sắt đi qua khu vực dân cư đô thị... đang được nhìn nhận một cách tích cực, nó là một giải pháp dung hoà giữa sử dụng đường sắt không đá ba lát và đường sắt có đá ba lát. Trong trường hợp này, tà vẹt bản bê tông khổ nhỏ vẫn được đặt trên nền đá ba lát truyền thống, phần còn lại của đá ba lát được bao phủ bởi một lớp bê tông nhựa đường nhằm mục đích không cho nước mưa thấm xuống dưới nền đá ba lát phía dưới.
