Vía férrea

Tradicionalmente, las vías se construyen utilizando rieles de acero de fondo plano colocados sobre traviesas de madera o de hormigón pretensado (conocidas como durmientes en Norteamérica) y clavados o atornillados a ellas, con balasto de piedra triturada colocado debajo y alrededor de las traviesas. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

La mayoría de los ferrocarriles modernos con mucho tráfico utilizan raíles soldados continuamente que se fijan a las traviesas con placas base que distribuyen la carga. Cuando se utilizan traviesas de hormigón, se suele colocar una almohadilla de plástico o caucho entre el raíl y la placa de sujeción. El raíl se fija a la traviesa con fijaciones elásticas, aunque en Norteamérica se utilizan ampliamente clavos cortados . Durante gran parte del siglo XX, las vías férreas utilizaban traviesas de madera blanda y raíles articulados, y una cantidad considerable de estas vías aún se conserva en rutas secundarias y terciarias.

En Norteamérica y Australia, los raíles de fondo plano se fijaban típicamente a las traviesas con clavos de cabeza plana a través de una placa de unión plana. En Gran Bretaña e Irlanda, los raíles de cabeza de toro se sostenían en soportes de hierro fundido que se clavaban a las traviesas. En 1936, el ferrocarril London, Midland and Scottish Railway fue pionero en la conversión a raíles de fondo plano en Gran Bretaña, aunque líneas anteriores ya los habían utilizado en cierta medida. ^{[ 3 ]}

Inicialmente se utilizaron raíles con juntas porque la tecnología de la época no ofrecía ninguna alternativa. Sin embargo, la debilidad intrínseca del balasto para resistir cargas verticales provoca su hundimiento, y se requiere un mantenimiento intensivo para evitar defectos geométricos inaceptables en las juntas. Además, era necesario lubricar las juntas y corregir el desgaste en las superficies de contacto de la placa de unión (barra de unión) mediante calces. Por este motivo, las vías con juntas no resultan económicamente viables para ferrocarriles con un alto volumen de tráfico.

Las traviesas de madera se fabrican con diversas maderas disponibles y suelen tratarse con creosota , arseniato de cobre cromado u otros conservantes para madera. Las traviesas de hormigón pretensado se utilizan con frecuencia donde la madera escasea y donde se requieren grandes volúmenes de carga o velocidades elevadas. En algunas aplicaciones se utiliza acero.

El balasto de vía suele ser piedra triturada según especificaciones concretas. Su función es soportar las traviesas y permitir cierto ajuste de su posición, a la vez que facilita el drenaje.

• 
  Vía férrea tradicional que muestra balasto, traviesas y fijaciones de rieles.
• 
  Vía guía del sistema de tren ligero de Singapur , por donde circulan vehículos automatizados de transporte de pasajeros con neumáticos de caucho.

Una desventaja de las estructuras de vía tradicionales es la alta demanda de mantenimiento, especialmente para el revestimiento (compactación) y la alineación, con el fin de restaurar la geometría de vía deseada y la fluidez del movimiento de los vehículos. Las deficiencias del subsuelo y del drenaje también generan altos costos de mantenimiento. Esto se puede solucionar utilizando vías sin balasto. En su forma más simple, estas consisten en una losa continua de hormigón (similar a la estructura de una autopista) con los rieles apoyados directamente sobre su superficie superior (mediante una almohadilla elástica).

Existen numerosos sistemas patentados; entre las variantes se incluyen losas de hormigón armado continuo y unidades prefabricadas de hormigón pretensado colocadas sobre una capa base. Se han propuesto muchas combinaciones de diseño.

Sin embargo, la vía sin balasto tiene un alto costo inicial y, para las líneas ferroviarias existentes, la modernización requiere el cierre de la ruta durante un período prolongado. Su costo total a lo largo de su vida útil puede ser menor debido a la reducción del mantenimiento. La vía sin balasto se suele considerar para nuevas rutas de muy alta velocidad o de carga muy elevada, en extensiones cortas que requieren mayor resistencia (por ejemplo, estaciones de ferrocarril) o para reemplazos localizados donde existen dificultades excepcionales de mantenimiento, como en túneles. La mayoría de las líneas de transporte rápido y los sistemas de metro con neumáticos utilizan vía sin balasto. ^{[ 7 ]}

Los primeros ferrocarriles (hacia la década  de 1840) experimentaron con vías de apoyo continuo , en las que el riel estaba soportado a lo largo de su longitud, con ejemplos como la vía de apoyo de Brunel en el Great Western Railway , así como su uso en el Newcastle and North Shields Railway , ^{[ 8 ]} en el Lancashire and Yorkshire Railway según un diseño de John Hawkshaw , y en otros lugares. ^{[ 9 ]} Otros ingenieros también promovieron los diseños de apoyo continuo. ^{[ 10 ]} El sistema se probó en el Baltimore and Ohio Railway en la década de 1840, pero se descubrió que era más costoso de mantener que el riel con traviesas transversales . ^{[ 11 ]}

Este tipo de vía aún existe en algunos puentes de Network Rail, donde las traviesas de madera se conocen como vigas de vía o traviesas longitudinales. Generalmente, la velocidad sobre dichas estructuras es baja. ^{[ 12 ]}

Las aplicaciones posteriores de la vía con soporte continuo incluyen la «vía de losa embebida» de Balfour Beatty , que utiliza un perfil de carril rectangular redondeado (BB14072) embebido en una base de hormigón prefabricado (o encofrado deslizante) (desarrollo de la década de 2000). ^{[ 13 ] [ 14 ]} La «estructura de carril embebido», utilizada en los Países Bajos desde 1976, inicialmente utilizaba un  carril UIC 54 convencional embebido en hormigón, y posteriormente se desarrolló (a finales de la década de 1990) para utilizar un perfil de carril SA42 con forma de «champiñón»; también se ha desarrollado una versión para tren ligero que utiliza un carril soportado en una canaleta de acero rellena de hormigón asfáltico (2002). ^{[ 15 ]}

La vía de escalera moderna puede considerarse una evolución de la vía de balasto. La vía de escalera utiliza traviesas alineadas en la misma dirección que los rieles, con travesaños que limitan el ancho de vía, similares a peldaños. Existen tipos con y sin balasto.

Los primeros ferrocarriles norteamericanos utilizaban hierro sobre rieles de madera como medida de ahorro, pero abandonaron este método de construcción después de que el hierro se aflojara, comenzara a curvarse e invadiera los pisos de los vagones, lo que llevó a los primeros ferroviarios a referirse a ellos como "cabezas de serpiente". ^{[ 18 ] [ 19 ]}

El tranvía de Deeside, en el norte de Gales, utilizaba este tipo de raíles. Se inauguró alrededor de 1870 y cerró en 1947, aunque todavía se conservaban largos tramos con estos raíles. Fue uno de los últimos usos de raíles de madera con cabeza de hierro. ^{[ 20 ]}

El riel se clasifica según su densidad lineal , es decir, su masa sobre una longitud estándar. Un riel más pesado puede soportar mayores cargas por eje y mayores velocidades de tren sin sufrir daños que un riel más ligero, pero a un costo mayor. En Norteamérica y el Reino Unido, el riel se clasifica en libras por yarda (generalmente se muestra como libra o lb ), por lo que un riel de 130 libras pesaría 130 lb/yd (64 kg/m) . El rango habitual es de 115 a 141 lb/yd (57 a 70 kg/m) . En Europa, el riel se clasifica en kilogramos por metro y el rango habitual es de 40 a 60 kg/m (81 a 121 lb/yd) . El riel producido en masa más pesado fue de 155 libras por yarda (77 kg/m) , laminado para el Ferrocarril de Pensilvania .       

A continuación se muestran longitudes de secciones individuales producidas por acerías , sin soldadura aluminotérmica . Los rieles más cortos pueden soldarse mediante soldadura por resistencia a tope , pero las siguientes longitudes de riel no están soldadas.

• (1767) Richard Reynolds colocó los primeros raíles de hierro en Coalbrookdale. ^{[ 21 ]}
• (1825) 15 pies (4,57 m) Ferrocarril de Stockton y Darlington 5,6 lb/yd (2,78 kg/m)   
• (1830) 15 pies (4,57 m) Ferrocarril de Liverpool y Manchester . Rieles de tipo vientre de pez de 35 lb/yd (17,4 kg/m) , colocados principalmente sobre bloques de piedra.   
• (1831) 15 pies (4,6 m) de largo y con un peso de 36 libras por yarda (17,9 kg/m) , llegó a Filadelfia , el primer uso del riel en T con brida en los Estados Unidos.  
• (1880) 39 pies (11,89 m) Estados Unidos para adaptarse a vagones góndola de 40 pies de largo (12,19 m)  
• (1928) 45 y 60 pies (13,72 y 18,29 m) Ferrocarril de Londres, Midland y Escocia ^{[ 22 ]} 
• (1950) 60 pies (18,29 m) Ferrocarril británico 
• (1900) 71 pies (21,6 m) – máquina de pesaje de acerías para rieles ( balanza de patio de acero ) ^{[ 23 ]}  
• (Década de 1940) 78 pies (23,77 m) – doble 39 pies ^{[ 24 ]}  
• (1953) 45 pies (13,72 m) Australia ^{[ 25 ]} 

La soldadura de raíles para crear tramos más largos se introdujo por primera vez alrededor de 1893, lo que hizo que los viajes en tren fueran más silenciosos y seguros. Con la introducción de la soldadura aluminotérmica después de 1899, el proceso se volvió menos laborioso y más común. ^{[ 26 ]}

• (1895) Hans Goldschmidt desarrolló la soldadura exotérmica.
• (1899) El tranvía de Essen se convirtió en el primer ferrocarril en utilizar la soldadura termita; también era adecuado para circuitos de vías.
• (1904) George Pellissier soldó el ferrocarril de Holyoke Street , siendo el primero en utilizar este proceso en América.
• (1935) Charles Cadwell desarrolló la soldadura exotérmica de metales no ferrosos.
• (1950) 240 pies (73,2 m) soldados – (4 x 60 pies o 18,3 metros ) ^{[ 27 ]}  

Las técnicas de producción modernas permitieron la fabricación de segmentos sin soldar de mayor longitud.

• (2007) 108 metros (354,3 pies) Corus (ahora British Steel (2016–presente) ^{[ 28 ]} ) 
• (2011) 108 metros (354,3 pies) Tata Steel Europe ^{[ 29 ]} 
• (2011) 120 metros (393,7 pies) Voestalpine , ^{[ 30 ]} 
• (2011) 121 metros (397,0 pies) Jindal ^{[ 31 ]} 
• (2014) 150 metros (492,1 pies) Nippon Steel ^{[ 32 ]}

Los rieles más nuevos y largos suelen fabricarse como múltiplos simples de rieles más antiguos y cortos, de modo que los rieles viejos se pueden reemplazar sin necesidad de cortarlos y se pueden usar los mismos vagones para el transporte. Se requerirían algunos cortes, ya que se necesitan rieles ligeramente más largos en el exterior de las curvas pronunciadas en comparación con los rieles del interior.

Los rieles pueden suministrarse con orificios preperforados para las placas de unión o sin ellos, en cuyo caso se soldarán. Generalmente, hay dos o tres orificios para pernos en cada extremo.

Las vías articuladas se fabrican utilizando tramos de raíl, normalmente de unos 20 m (66 pies) de longitud (en el Reino Unido) y de 12 o 24 m (39 o 78 pies ) de longitud (en Norteamérica), atornillados entre sí mediante placas de acero perforadas conocidas como placas de unión (Reino Unido) o barras de unión (Norteamérica).    

Las placas de unión suelen tener 600 mm (2 pies) de longitud y se utilizan en pares a ambos lados de los extremos de los raíles, atornillándolas entre sí (normalmente cuatro, aunque a veces seis tornillos por junta). Los tornillos tienen orientaciones alternas, de modo que, en caso de descarrilamiento y si la pestaña de una rueda golpea la junta, solo se romperán algunos, lo que reduce la probabilidad de que los raíles se desalineen y agraven el descarrilamiento. Esta técnica no se aplica universalmente; en la práctica europea, todas las cabezas de los tornillos se encuentran en el mismo lado del raíl.  

Se dejan deliberadamente pequeños espacios que funcionan como juntas de dilatación entre los extremos de los raíles para permitir su expansión en climas cálidos. La práctica europea consistía en colocar las juntas de ambos raíles contiguas; la práctica norteamericana es escalonarlas. Debido a estos pequeños espacios, los trenes que circulan por vías con juntas producen un sonido de "clic-clac" y, con el tiempo, los extremos de los raíles se deforman hacia abajo. A menos que se mantenga adecuadamente, una vía con juntas no ofrece la misma calidad de marcha que una vía soldada y no es apta para trenes de alta velocidad . Sin embargo, la vía con juntas todavía se utiliza en muchos países en líneas de baja velocidad y apartaderos , y se emplea ampliamente en países más pobres debido a sus menores costes de construcción y a la sencillez del equipo necesario para su instalación y mantenimiento.

Un problema importante de las vías con juntas es la aparición de grietas alrededor de los orificios de los pernos, lo que puede provocar la rotura de la cabeza del raíl (la superficie de rodadura). Esta fue la causa del accidente ferroviario de Hither Green , que llevó a British Rail a comenzar a convertir gran parte de sus vías a raíles soldados continuos.

La mayoría de los ferrocarriles modernos utilizan rieles soldados continuos , a veces denominados rieles de cinta o rieles sin costura . En este tipo de vía, los rieles se sueldan entre sí mediante soldadura por chispa para formar un único riel continuo que puede tener varios kilómetros de longitud. Debido a que hay pocas juntas, este tipo de vía es muy resistente, proporciona un viaje suave y requiere menos mantenimiento; los trenes pueden circular sobre ella a mayor velocidad con menos fricción. Los rieles soldados son más caros de instalar que las vías con juntas, pero tienen costos de mantenimiento mucho menores. La primera vía soldada se utilizó en Alemania en 1924 ^{[ 33 ]} y se ha vuelto común en las líneas principales desde la década de 1950.

El proceso preferido de soldadura por resistencia a tope consiste en que una máquina tendidora de vías automatizada aplica una fuerte corriente eléctrica a través de los extremos de contacto de dos rieles sin unir. Los extremos se calientan al rojo vivo debido a la resistencia eléctrica y luego se presionan entre sí, formando una soldadura resistente. La soldadura aluminotérmica se utiliza para reparar o empalmar segmentos de riel soldados continuos. Este proceso manual requiere un crisol de reacción y un molde para contener el hierro fundido.

La práctica norteamericana consiste en soldar segmentos de riel de 400 m ( 1/4 de milla ) de longitud en una instalación ferroviaria y cargarlos en un tren especial para transportarlos al lugar de trabajo. Este tren está diseñado para transportar muchos segmentos de riel, que se colocan para deslizarse fuera de sus soportes en la parte trasera del tren y ser fijados a las traviesas en una operación continua. ^{[ 34 ]} 

Si no estuvieran sujetos, los rieles se expandirían con el calor y se contraerían con el frío. Para evitar esta contención, se impide el movimiento del riel con respecto a la traviesa mediante clips o anclajes. Es fundamental compactar el balasto de manera efectiva, incluyendo debajo, entre y en los extremos de las traviesas, para evitar su desplazamiento. Los anclajes son más comunes para traviesas de madera, mientras que la mayoría de las traviesas de hormigón o acero se fijan al riel mediante clips especiales que resisten el movimiento longitudinal del mismo. No existe un límite teórico para la longitud de un riel soldado. Sin embargo, si las restricciones longitudinales y laterales son insuficientes, la vía podría deformarse con el calor, provocando un descarrilamiento. La deformación debida a la expansión térmica se conoce en Norteamérica como " torsión solar" y en otros lugares como pandeo. En condiciones de calor extremo, se requieren inspecciones especiales para supervisar los tramos de vía que se sabe que presentan problemas. En la práctica norteamericana, las temperaturas extremas dan lugar a órdenes de reducción de velocidad para que las cuadrillas tengan tiempo de reaccionar ante el pandeo o la "torsión solar" si se produce. ^{[ 35 ]} La compañía ferroviaria alemana Deutsche Bahn está empezando a pintar las vías de blanco para reducir las temperaturas máximas alcanzadas en los días de verano. ^{[ 36 ]}

Después de colocar nuevos segmentos de riel o reemplazar (soldar) los rieles defectuosos, se puede tensar artificialmente el riel si la temperatura durante la colocación es inferior a la deseada. El proceso de tensado consiste en calentar los rieles, provocando su expansión, ^{[ 37 ]} o estirarlos con equipo hidráulico . Luego se fijan (enganchan) a las traviesas en su forma expandida. Este proceso garantiza que el riel no se expanda mucho más con el calor posterior. En clima frío, los rieles tienden a contraerse, pero debido a que están firmemente sujetos, no pueden. En efecto, los rieles tensados ​​son como una pieza de elástico estirado y firmemente sujeto. En clima extremadamente frío, los rieles se calientan para evitar que se separen. ^{[ 38 ]}

Los rieles soldados continuos, con sus fijaciones, se colocan a una temperatura conocida como "temperatura neutra del riel", que se sitúa aproximadamente a medio camino entre las temperaturas extremas que se experimentan en ese lugar. Este procedimiento de instalación tiene como objetivo evitar que las vías se deformen con el calor del verano o se separen con el frío del invierno. En Norteamérica, dado que los rieles rotos suelen detectarse por una interrupción en la corriente del sistema de señalización, se consideran menos peligrosos que las deformaciones por calor no detectadas.

Las juntas se utilizan en rieles soldados continuos cuando es necesario, generalmente para acomodar los espacios de los circuitos de señalización. En lugar de una junta que atraviesa el riel en línea recta, a veces los extremos de ambos rieles se cortan en ángulo para lograr una transición más suave. En casos extremos, como en los extremos de puentes largos, una junta de expansión (conocida en Norteamérica y Gran Bretaña como junta de dilatación ) proporciona un recorrido suave para las ruedas, permitiendo a la vez que un riel se expanda con respecto al siguiente.

Existen diversos métodos para fijar el riel a la traviesa. Históricamente, los rieles se clavaban directamente sobre las traviesas, práctica que posteriormente dio paso a las placas base colocadas entre los rieles y las traviesas; más tarde, los clavos fueron reemplazados por grapas de acero con resorte, como las grapas Pandrol , para asegurar los rieles a las placas base.

Durante los primeros tiempos del ferrocarril, existía una considerable variación en el ancho de vía utilizado por los diferentes sistemas, y en el Reino Unido, durante el auge de la construcción ferroviaria de la década de 1840, el ancho de vía ancho de Brunel de 7 pies 1/4 pulgadas (2140 mm) competía con lo que entonces se denominaba ancho de vía estrecho de 1435 mm ( 4 pies 8 pulgadas y 1/2 pulgada ) . Finalmente, el ancho de vía de 1435 mm ( 4 pies 8 pulgadas y 1/2 pulgada ) ganó la batalla y se convirtió en el ancho de vía estándar, utilizándose a partir de entonces el término «ancho de vía estrecho» para anchos de vía más estrechos que el nuevo estándar. A partir de 2017            Aproximadamente el 60% de los ferrocarriles del mundo utilizan un ancho de vía de 1435 mm (4 pies 8 pulgadas y media )  , conocido como ancho de vía estándar o internacional [ 44 ] ^{[ 45 ] . Los anchos} de vía más anchos que el ancho de vía estándar se denominan ancho de vía ancho ; los más estrechos, ancho de vía estrecho . Algunos tramos de vía son de doble ancho de vía , con tres (o a veces cuatro) raíles paralelos en lugar de los dos habituales, para permitir que trenes de dos anchos de vía diferentes utilicen la misma vía. ^{[ 46 ]}   

Un indicador puede variar de forma segura dentro de un rango. Por ejemplo, las normas federales de seguridad de EE. UU . permiten que el indicador estándar varíe de 4 pies 8 pulgadas (1420 mm) a 4 pies 9 + 1/2 pulgadas (1460 mm) para operar hasta 60 mph (97 km/h) . ^{[ 47 ]}        

Los geosintéticos se utilizan en todo el mundo para reducir o reemplazar las capas tradicionales en la construcción y rehabilitación de la plataforma de la vía, mejorando el soporte de la vía y reduciendo los costos de mantenimiento. ^{[ 49 ] [ 50 ]} Los geosintéticos de refuerzo, como las geoceldas ^{[ 51 ]} (que se basan en mecanismos de confinamiento del suelo en 3D), han demostrado eficacia en la estabilización de suelos blandos de subrasante y en el refuerzo de capas subestructurales, limitando así la degradación progresiva de la vía. Los geosintéticos de refuerzo aumentan la capacidad portante del suelo, limitan el movimiento y la degradación del balasto y reducen el asentamiento diferencial que afecta la geometría de la vía. ^{[ 52 ]} También reducen el tiempo y el costo de construcción, al tiempo que reducen el impacto ambiental y la huella de carbono. ^{[ 53 ]} El mayor uso de soluciones de refuerzo geosintético está respaldado por nuevos materiales de geoceldas de alto rendimiento (por ejemplo, NPA - Aleación polimérica novedosa ), investigaciones publicadas, proyectos de estudios de caso y normas internacionales (ISO, ^{[ 54 ]} ASTM, ^{[ 55 ]} CROW/SBRCURnet ^{[ 56 ]} ).

Se ha demostrado que el uso híbrido de geomallas de alto rendimiento en la subrasante y geoceldas de alto rendimiento en la capa superior de subbase/subbalasto aumenta el factor de refuerzo más allá de la suma de sus contribuciones individuales; es particularmente eficaz para atenuar el levantamiento de suelos arcillosos expansivos de la subrasante. ^{[ 57 ]} Un proyecto de prueba de campo en el Corredor NE de Amtrak que sufría bombeo de lodo arcilloso demostró cómo la solución híbrida mejoró significativamente el índice de calidad de la vía (TQI), redujo la degradación de la geometría de la vía y disminuyó el mantenimiento de la superficie de la vía en un factor de 6,7x utilizando geoceldas NPA de alto rendimiento. ^{[ 58 ]} El refuerzo geosintético también se utiliza para estabilizar terraplenes ferroviarios, que deben ser lo suficientemente robustos para soportar cargas cíclicas repetidas. Las geoceldas pueden utilizar material granular marginal reciclado o mal graduado para crear terraplenes estables, lo que hace que la construcción ferroviaria sea más económica y sostenible. ^{[ 59 ] [ 60 ] [ 61 ]}