VII Ogólnopolska Konferencja Mostowców Konstrukcja i Wyposażenie Mostów Wisła, maja 2015 r.

Transkrypt

1 VII Ogólnopolska Konferencja Mostowców Konstrukcja i Wyposażenie Mostów Wisła, maja 2015 r. Piotr BĘTKOWSKI 1 KONSTRUKCJA ODCIĄŻAJĄCA JAKO STAŁY WIADUKT KOLEJOWY W WARUNKACH ZNACZNYCH GÓRNICZYCH OSIADAŃ TERENU W referacie omówiono problemy związane z eksploatacją położonego na zboczu górniczej niecki osiadań jednoprzęsłowego żelbetowego wiaduktu kolejowego o schemacie statycznym belki swobodnie-podpartej. Znaczne osiadania i pochylenie zboczy niecki utrudniało prowadzenie ruchu kolejowego, konieczne było wielokrotne podnoszenie przęsła. Proces ten był skomplikowany logistycznie i kosztowny. Dodatkowo istniejące przyczółki w wyniku wzrastającego naporu gruntu zaczęły się pochylać i przemieszczać. Rozważano kilka koncepcji: wymianę wiaduktu na nowy o podobnej konstrukcji, budowę tunelu w nasypie, zastosowanie konstrukcji odciążającej w miejsce tradycyjnego wiaduktu. Wybrano ostatecznie ostatnie rozwiązanie. W referacie opisano wbudowaną w tor konstrukcję odciążającą i podano doświadczenia z dwuletniego eksploatacji tej konstrukcji. Wstęp W wyniku eksploatacji górniczej teren osiada, powstaje górnicza niecka osiadań. Powstanie niecki zaburza geometrię trasy kolejowej [1 9]. Na zboczach niecki teren ulega nachyleniu, co negatywnie wpływa na parametry użytkowe toru. W przypadku nachylenia toru wynoszącego ponad 10 O. może dojść do "zrywania" się wagonów, konieczne może być także użycie drugiej lokomotywy, co znacznie podnosi koszt transportu. Dlatego tor kolejowy podnosi się, przywracając pierwotną jego niweletę. W referacie opisano obiekt w rejonie którego tor podnoszono kilkunastokrotnie, a teren osiadł o ok. 13,8 m. Konieczne było też podnoszenie obiektu mostowego leżącego nad drogą powiatową. Podnoszenie wiaduktu wymagało za każdym razem wykonania projektu budowlanego, uzyskania pozwolenia na budowę, wykonania kosztownych prac związanych z podniesieniem przęsła, nadbudową ścianek zaplecznych i skrzydeł. Wszystkie prace musiały być tak zorganizowane logistycznie, aby zamknięcie toru nie przekraczało 7 dni. Ta linia jednotorowa to jedyne połączenie kolejowe Kopalni ze światem zewnętrznym, niezbędne dla prawidłowego funkcjonowania zakładu górniczego. Opis użytkowanego do kwietnia 2013 roku żelbetowego wiaduktu kolejowego Do końca kwietnia 2013 roku tor nad drogą powiatową biegł po żelbetowym wiadukcie pochodzącym z początku lat 60-tych XX w. Wiadukt ten to konstrukcja jednoprzęsłowa o schemacie statycznym belki swobodnie podpartej (Rys. 1). Rozpiętość wiaduktu w świetle wynosiła 10,35 m. Wysokość w świetle wynosiła 8,15 m. Ustrój nośny to dwa dźwigary żelbetowe o wysokości 1,20 m (licząc do spodu płyty) i szerokości 0,80 m połączone żelbetową płytą pomostową o grubości 0,30 m. Na przęśle ułożona jest nawierzchnia kolejowa S49 na podsypce tłuczniowej. Dodatkowo ułożone są odbojnice. Klasa obciążenia k=+2 [10]. Linia kolejowa nie jest zelektryfikowana. Przęsło wiaduktu oparte jest na żelbetowych przyczółkach skrzyniowych za pośrednictwem dwóch łożysk jednokierunkowych i dwóch stałych. Układ łożysk miał na celu niedopuszczenie do przemieszczeń poprzecznych do osi toru pomiędzy przyczółkiem i przęsłem, tak aby nie doszło do deformacji toru. Przemieszczenia podłużne (w osi toru) przenoszone było przez kompensatory przemieszczenia wbudowane w tor poza przyczółkami. 1 dr inż., Politechnika Śląska 23

2 Rys. 1. Widok od strony południowej wiaduktu użytkowanego do końca kwietnia 2013 roku [15] Historia techniczna wiaduktu [11] Przedmiotowy wiadukt został wybudowany w 1961 roku. Początkowo był używany do transportu materiałów związanych z budową jednej z kopalń węgla kamiennego, a od 1974 roku, po uruchomieniu Kopalni do transportu węgla kamiennego oraz urządzeń związanych z funkcjonowaniem tej Kopalni. Eksploatacja pod wiaduktem prowadzona jest od 1974 roku, a więc praktycznie od samego początku funkcjonowania sąsiadującej z obiektem Kopalni. Od 1975 roku prowadzone są na wiadukcie obserwacje geodezyjne, a w 1996 roku wiadukt został objęty specjalistycznym nadzorem budowlanym. Na wiadukcie prowadzone są stałe pomiary geodezyjne. Punkty pomiarowe były wielokrotnie zmieniane (przenoszone) na skutek znacznych osiadań i przebudowy wiaduktu. W 2001 roku wzmocniono przyczółki wykonano opaskę betonową o grubości 0,5 m i wysokości 3,5 m przed i po bokach ściany czołowej (skrzynia) przyczółka. Następnie podniesiono niweletę drogi pod wiaduktem o około 5 m. Stan tej opaski jest dziś praktycznie niemożliwy do ustalenia. W roku 2003 dobudowano skrzydła płytowo-kątowe posadowione na mikropalach. Skrzydła te zostały następnie nadbudowane o 2,4 m. Wykonano półkę odciążającą. W czasie nadbudowy wykonano powyżej terenu szczeliny dylatacyjne przez nacięcie ścian na głębokość 50 cm (grubość ściany 60 cm). Nie jest to rozwiązanie najlepsze, bo możliwa jest korozja zbrojenia. Ponadto nacięcia (szczeliny dylatacyjne) wykonano powyżej terenu, a rysy powstały na skutek osiadań, a więc odkształceń u podstawy. W latach wiadukt osiadł ok. 2 m z jednoczesnym rozsunięciem przyczółków o 0,036 m i dodatkowym skręceniem i pochyleniem przyczółka zachodniego o 0,03 m w kierunku zachodnim. W podłożu dominującymi siłami (od 1987 roku) stały się siły ściskające, powodujące zbliżanie się do siebie przyczółków. Przyczółki zbliżyły się do siebie w latach o 0,19 m. W latach przyczółki zbliżyły się o dalsze 0,2 m. Zwiększyły się również wychylenia przyczółków i przed podniesieniem niwelety drogi (w 2001 roku) wynosiły 0,12 m dla przyczółka zachodniego i 0,14 m dla przyczółka wschodniego. W latach wiadukt osiadł o 5 m. W latach wiadukt osiadł o dalsze 4 m. W latach wiadukt osiadł o 1,9 m. Całkowite osiadania na punkcie kontrolnym (na reperze zlokalizawanym we wschodnim przyczółku przedmiotowego wiaduktu) od początku eksploatacji górniczej w rejonie wiaduktu (rok 1974) do kwietnia 2013 wyniosły: 13,66 m, a do kwietnia 2015: 13,78 m. Stan techniczny użytkowanego do kwietnia 2013 roku żelbetowego wiaduktu kolejowego Zły stan techniczny przęsła jest m.in. następstwem wielokrotnego podnoszenia wiaduktu i zakleszczenia przęsła na skutek zbliżania się przyczółków. Widoczne jest zniszczenie otuliny, wielokierunkowe pęknięcia (rys. 2). Występuje korozja zbrojenia (wskutek zniszczenia otuliny) z widocznymi ubytkami (stali) na przekroju prętów w dolnej części wsporników oraz w strefie przypodporowej. Liczne są ubytki betonu w konstrukcji pomostu, szczególnie w sąsiedztwie dylatacji. 24

3 Rys. 2. Uszkodzenia przęsła w strefie podporowej [15] Wiadukt był wielokrotnie podnoszony wraz z przyległymi torami. Rektyfikacja polegała na podnoszeniu przęsła żelbetowego. Podpory podnoszono przez dobudowanie elementów prefabrykowanych wysokości 60 cm każdy, powiązanych ze sobą i z podporą betonem zbrojonym (rys. 3). Takie połączenie nigdy nie będzie w pełni zmonolityzowane. Dalsza eksploatacja pod wiaduktem i ewentualnie skręcenie i pochylenie przyczółków w czasie przechodzenia niecki pod obiektem może doprowadzić do destabilizacji połączeń. Niekorzystne jest pochylenie do wewnątrz ścian wiaduktu spowodowane parciem gruntu wysokiego nasypu. Rys. 3. Przyczółek zachodni ściana czołowa [15] Rys. 4. Styk skrzydeł kątowych i ściany czołowej przyczółka [15] Mocno zarysowane są oba przyczółki żelbetowe (rys. 3, 4, 5). Liczne drobne rysy skośne (całe siatki pajączków ) w połączeniu z długimi, głębokimi rysami (pęknięciami) biegnącymi przez całe skrzydła (rys. 5) wskazują na wyczerpanie zapasu nośności skrzydeł stąd dalsze podnoszenie skrzydeł jest niewskazane. Długość rys ulegała stałemu powiększeniu (wydłużeniu). Zaobserwowano również pracę szczelin dylatacyjnych na skrzydłach. 25

4 Ocena stateczności przyczółków jest praktycznie niemożliwa. Do chwili obecnej wiadukt obniżył się ok. 13,8 m. Ukryta pod ziemią część podpór poddana jest intensywnemu działaniu wpływów eksploatacji górniczej, m.in. odkształceń poziomych. Dodatkowe skrępowanie przyczółków przez głębokie posadowienie (ulica pod wiaduktem została podniesiona o 5 m w 2001 roku) jest niekorzystne dla konstrukcji (podniesienie niwelety drogi było rozwiązaniem prawidłowym, koniecznym ze względu na zapewnienie stateczności przyczółków). Brak tam wyraźnie wykształconych opasek, a sposób podnoszenia wiaduktu (z prefabrykowanych elementów) nie zapewnia jednolitej sztywności podpór, co skutkuje lokalną koncentracją naprężeń. Może to spowodować nagłe i gwałtowne pogorszenie stanu technicznego obiektu prowadzące do konieczność wstrzymania ruchu na obiekcie. Dlatego prowadzona była co miesięczna obserwacja obiektu, a w czasie przechodzenia frontu eksploatacji pod obiektem kontrola wzrokowa stanu obiektu wykonywana była raz w tygodniu. Ściana czołowa przyczółka była stale podnoszona i rośnie napór na tę ścianę. Może to skutkować przesuwaniem przyczółków i ich obrotem (utrata stateczności), stąd założono, że należy podnieść niweletę drogi pod wiaduktem o 3 m i wykonać rozpory. Podniesienie niwelety drogi pod wiaduktem zmniejszy jednocześnie ramię sił i poprawi stateczność. Rys. 5. Przyczółek zachodni, skrzydło południowe [15] W wielu miejscach drogowe bariery ochronne są zwichrowane, widać lokalne znaczne wyboczenia to są szkody górnicze skutek spełzań terenu (Rys. 6). Rys. 6. Droga pod wiaduktem [15] Koncepcje przebudowy Istniejący wiadukt w świetle perspektywy dalszych, kilkumetrowych osiadań terenu przestaje spełniać swoją rolę możliwości dalszego, bezpiecznego podnoszenia konstrukcji zostały wyczerpane ze względu na groźbę utraty stateczności przyczółków oraz wyczerpanie rezerw nośności skrzydeł kątowych (pojawiły się liczne rysy skośne, niektóre skrośne przez całą grubość ścian). Wybudowanie nowego wiaduktu (konieczna jest rozbiórka starego obiektu) wiązałoby się z zamknięciem toru na dłuższy czas co skutkowałoby groźbą zamknięcia Kopalni. Z punktu widzenia interesów Kopalni konieczna jest więc konstrukcja odciążająca na tyle długa, aby można było dokonać w przyszłości wymiany istniejącego wiaduktu bez dłuższych niż 3 dni przerw w ruchu kolejowym. Możliwe jest również wykupienie terenu i zasypanie wiaduktu jednak taka inwestycja ze względów 26

5 formalno-prawnych wymaga czasu. Zaprojektowana konstrukcja odciążająca może więc pełnić role wiaduktu/przęsła tymczasowego w ciągu kilku najbliższych lat. W związku z planowaną w rejonie przedmiotowego wiaduktu eksploatacją górniczą konieczne będzie podniesienie niwelety toru konstrukcja odciążające (także jej sposób posadowienia) powinna umożliwiać takie działania w zakresie minimum 3 m. Tor bocznicy biegnący na przedmiotowym wiadukcie jest jedynym szlakiem transportowym Kopalni i wymaga stałej sprawności technicznej, w tym nieprzekraczalnych spadków niwelety główki szyny. Stąd absolutna konieczność permanentnego, pionowego korygowania niwelety, również na obiekcie mostowym. Szlak ten jest jednotorowy więc przerwy technologiczne związane z montażem i późniejszym podnoszeniem konstrukcji odciążającej powinny być możliwie krótkie tak aby nie zakłócało to normalnego funkcjonowania Kopalni. Dostosowanie wiaduktu do oddziaływań od planowanej eksploatacji górniczej wymaga przebudowy całego węzła drogowo-mostowego tj. wiadukt kolejowego i fragmentu krzyżującej się z nim ulicy. Na skutek obniżeń pochylenie niwelety toru na wiadukcie i sąsiadującym odcinku toru w 2010 roku przekraczało 17 %0. Ze względu na kategorię linii wartość ta nie może być większa niż 10 %0. W celu zapewnia prawidłowych spadków toru (do 10 %0 wartość na linii kolejowej) potrzeba pilnie podnieść wiadukt o min 2,84 m (wraz przyległym torem), co przy stosowanej technologii podnoszenia jest niemożliwe (m.in. z względu na brak możliwości przenoszenia przez przyczółki dodatkowego parcia gruntu). W 2009 roku zlecono opracowanie koncepcji przebudowy wiaduktu. Priorytetem było szybkie podniesienie niwelety, przerwa w ruchu musiała być mniejsza niż 7 dni (wliczając w to dni wolne). Zdecydowano, że ciągłość ruchu zapewnić powinna konstrukcja odciążającą. Konstrukcja ta spełniałaby funkcję tymczasową w celu doraźnego podwyższenia niwelety torów, a w jednym z wariantów przebudowy rozważano pozostawienie konstrukcji odciążającej jako wiaduktu stałego. Dostępne oceny skutków planowanej eksploatacji górniczej złóż pod wiaduktem sięgały do 2020 roku. W latach osiadanie wyniesie 3,2 m. Zakres koniecznych do wykonania robót do zrealizowania niwelety o założonych spadkach wymagać będzie sumarycznego podniesienia przedmiotowego wiaduktu o ok. 6,0 m (usunięcie skutków istniejących i prognozowanych osiadań terenu). Po ocenie stanu technicznego wiaduktu i zapoznaniu się z jego historią techniczną, zaproponowano następujące warianty (koncepcje) rozwiązań technicznych.: 1. Wariant W1.: Wymiana istniejącego przęsła żelbetowego na stalowe, zapewnienie stateczności przyczółków przez podniesienie ulicy pod wiaduktem i wykonanie kotew gruntowych, zatrzymanie procesu zbliżania się przyczółków przez wykonanie rozpory (płyty żelbetowej) pod ulicą. 2. Wariant W2.: Częściowe rozkucie i odbudowa przyczółków umożliwiająca likwidację ich obecnego wychylenia oraz dostosowanie ich do większego parcia gruntu wynikającego z podnoszenia nasypu; wymiana istniejącego przęsła (będącego w złym stanie technicznym) na stalowe. 3. Wariant W3.: Wymiana wiaduktu na konstrukcję z blach użebrowanych podatnych (np. MultiPlate, SuperCor). 4. Wariant W4.: Wykorzystanie konstrukcji odciążającej jako wiaduktu stałego. Obsypanie od zewnętrz skrzydeł kątowych, aby odciążyć zarysowane elementy betonowe i zapobiec utracie stateczności przyczółków. Wymiana na podobny wiadukt Pierwszą naturalną propozycją jest wykorzystanie do maksimum elementów istniejącego wiaduktu, ograniczając maksymalnie zakres robót, a co ważniejsze czas robót. Przęsło żelbetowe jest w złym stanie technicznym. Jego remont byłby nieopłacalny. Ponadto ciężkie, kruche przęsło sprawiało kłopoty przy podnoszeniu wiaduktu. Dlatego przewidziano wymianę przęsła na stalowe. Pozostałyby stare przyczółki. Samo przełożenie przęsła wymaga przerwy w ruchu taboru kolejowego na okres 2-3 dni, natomiast wymiana przyczółków to czasochłonne zadanie. Ciężar przęsła wpływa korzystnie na stateczność przyczółków na przesuw (przyczółki przysunęły się do siebie o ok. 40 cm w latach ). Dlatego przed demontażem przęsła żelbetowego należy rozważyć możliwość połączenia rozporą ścian czołowych przyczółków. 27

6 Rys. 7. Przęsło stalowe przekrój poprzeczny [15] Przewidziano podniesienie o 3 m poziom ulicy pod wiaduktem (poprawi to stateczność przyczółków). Samo podniesienie ulicy pod wiaduktem nie zapewni jednak właściwej stateczności przyczółków. Przyczółki pochylają się do wewnątrz. Należy wykonać kotwy gruntowe i zakotwić przyczółki w gruncie pod nasypem. Po wykonaniu tych zabiegów stateczność przyczółków będzie zapewniona, co umożliwi dalsze podnoszenie przęsła. Podnieść należy również teren wokół ścian oporowych bocznych (skrzydeł). Ściany te nie wykazują objawów zagrożenia utratą stateczności i prawdopodobnie ten zabieg będzie wystarczający i umożliwi podniesienie ścian. Następnie podnieść ściany, docelowo o 6,2 m. W przypadku utraty stateczności należy połączyć ściany przez nasyp kotwami podobnymi do kotew gruntowych, zakotwionymi naprzemiennie w przeciwległych ścianach (rys. 8). Przęsło żelbetowe waży 160 ton, stalowe 80 ton (z torem i tłuczniem). Wymiana przęsła na stalowe daje 40 ton zysku na każdym przyczółku. O tyle można bezpiecznie zwiększyć ciężar ściany czołowej przyczółka (np. podnieść jej wysokość). Alternatywą było częściowe rozebranie (rozkucie) przyczółków. Wybudowane zostałyby nowe ściany czołowe przyczółków dostosowane do przeniesienia parcia gruntu związanego z podnoszeniem nasypu. Przebudowa ścian czołowych przyczółków bez przerw w ruchu na linii kolejowej byłaby możliwa dzięki konstrukcji odciążającej. Konstrukcja ta byłaby wykonana ze stali, jej długość to 30 m, posadowiona na oczepie wykonanym na palach przechodzących przez nasyp. Przyczółki były wielokrotnie podnoszone. Składają się z szeregu segmentów połączonych ze sobą. Stabilność i jakość tego połączenia jest praktycznie niemożliwa do oceny. Obserwacja ściany czołowej przyczółka pozwala sądzić (spękanie, niejednorodny beton), że ich kondycja techniczna nie jest najlepsza. Dlatego wskazane jest rozkucie istniejących ścian czołowych przyczółków na odcinku 5 m, 1,5 m powyżej poziomu ulicy. Następnie wykonać opaskę żelbetową. Wybudować nową ścianę przyczółka z półkami odciążającymi. Konstrukcja tunelowa podatna "Słabym" elementem poprzednich wariantów jest konieczność kosztownych i pracochłonnych podnoszeń wiaduktu powodujących przerwy w ruchu, wymagających specjalistycznego sprzętu i uzyskania pozwoleń na budowę. Ideałem byłaby zastosowania takiej konstrukcji, która umożliwia podnoszenie toru na wiadukcie wg takiej samej technologii jak na nasypie ( tj. przez podbicie toru). Zaproponowana została konstrukcja z blach falistych. 28

7 Rys. 8. Koncepcja przebudowy wiaduktu wariant W1 [15] Na Rys. 9 pokazano schemat wiaduktu z blach typu MultiPlate, na Rys. 10 z blach typu SuperCor (przekrój w osi wiaduktu). Blacha typu MultiPlate wciśnięta jest pomiędzy istniejące ściany przyczółków. Blacha SuperCor jest oparta na istniejących przyczółkach; poza istniejącymi przyczółkami wybudować należy nową ściankę. Rys. 9. Zastosowanie blachy MultiPlate [15] 29

8 Rys. 9. Zastosowanie blachy SuperCor [15] Rozwiązanie typu SuperCor w tym przypadku pozwala na lepszą współpracę blach z otaczającym gruntem. Ta współpraca jest warunkiem prawidłowej redystrybucji i redukcji naprężeń pojawiających się w konstrukcji i współpracującym gruncie od górniczych deformacji terenu. Ponadto w zaproponowanym rozwiązaniu z blach SuperCor (Rys. 9) łatwiej można równomiernie zagęścić grunt, co w przypadku konstrukcji z blach podatnych jest ważne. Ostatecznie zaproponowano konstrukcję wiaduktu z blach użebrowanych typu SuperCor. Blachy typu SuperCor są dobrze znoszą nierównomierne osiadania, takie jak na przykład od wpływów eksploatacji górniczej. Ważne jest, że z czasem, w gruncie, w warstwie współpracującej z blachą następuje spadek (redystrybucja) naprężeń pochodzących od górniczych deformacji terenu. Powłoka z blach SuperCor opiera się częściowo na istniejących ścianach czołowych przyczółków, częściowo na nowej ścianie oporowej. Podobnie jak w przypadku wariantów W1, W2 stan wyjściowy pokazany na rysunkach to niweleta torów podniesienia w stosunku do obecnej o 3 m. Konstrukcja odciążająca Przyjęto, że konstrukcja odciążająca zostanie wykonana ze stali. Konstrukcja powinna mieć dużą sztywność giętno-skrętną, aby nie stwarzała problemów podczas montażu z dźwigu całej złożonej obok toru konstrukcji oraz podczas podnoszenia konstrukcji związanego z podnoszeniem niwelety tory Zaprojektowano konstrukcję w której elementem nośnym są dwie blachownicowe skrzynie stalowe o wysokości 1 m o przekroju poprzecznym przypominającym trapez. Rozpiętość podporowa przęsła (w osiach podpór) wynosi L t =30 m. Szyny toru wpuszczone są w górną blachę przekroju poprzecznego konstrukcji i spoczywają w ciągłym korycie na całej długości konstrukcji, bezpośrednio na odpowiednio przyciętych podkładkach szynowych. Koryto szynowe wypuszczone jest poza punkty podparcia o 800mm, umożliwiając łagodny przejazd taboru z konstrukcji na przyległe z obu stron torowisko. Skrzynie dźwigarów głównych połączone są między sobą w sposób rozłączny przy pomocy tarcz-przepon ażurowych co 1,25 m. Przepony podporowe są sztywniejsze, usztywniają konstrukcję przy jej podnoszeniu na podporach. W osiach podparcia, po zewnętrznej stronie dźwigarów, zamocowane są wsporniki, umożliwiające podnoszenie konstrukcji. Pomostem chodników są kraty pomostowe zamocowane uchwytami standardowymi. Kratki pomostowe są ocynkowane ogniowo. Ocena wariantów Zaproponowano cztery warianty (koncepcje) rozwiązań technicznych nowego wiaduktu. Dzięki zastosowaniu konstrukcji odciążającej przerwy w ruchu kolejowym podczas wymiany/przebudowy wiaduktu nie będą dłuższe niż trzy dni. W przypadku wszystkich wariantów rozwiązania techniczne podano dla niwelety toru na wiadukcie podniesionej w stosunku do aktualnego poziomu o 3 m. Jest to stan, który bezpośrednio po przebudowie zapewniłby prawidłowe spadki na linii kolejowej. Tak zmodernizowany wiadukt może bezpiecznie przyjąć wpływ eksploatacji górniczej w dalszych latach ( ) z możliwością podnoszenia niwelety toru. Wariant W1, czyli wykorzystanie do maksimum istniejącej konstrukcji. Wariant W1 wymaga najmniejszego nakładu pracy i jest najtańszy w realizacji. Jednak w perspektywie dalszej eksploatacji górniczej pod wiaduktem po 2020 roku konieczna będzie wymiana przyczółków (ze względu na narastające wychylenie i silne spękanie ścian czołowych spowodowane technologią podnoszenia segmentami). 30

9 Wariant W2, czyli klasyczna sprawdzona, ale kosztowna i uciążliwa logistycznie technologia podnoszenia niwelety toru. W przypadku eksploatacji pod wiaduktem po 2020 roku stateczność ścian przyczółków może być zapewniona przez dodatkowe półki odciążające, rozpory lub kotwy gruntowe. Wariant W3.: Wymiana wiadukt na konstrukcję z blach podatnych SuperCor. Koszt pośredni pomiędzy wariantem nr i i nr 2. W przypadku eksploatacji pod wiaduktem po 2020 roku można poszerzyć wiadukt przez dołożenie kolejnych blach falistych i kontynuować podnoszenie nasypów. Wielką zaletą w tym wariancie jest brak przyczółków. Na terenach górniczych w wyniku podnoszenia nasypów i ścian przyczółków rośnie parcie gruntu na przyczółki. Ponadto im wyższe ściany tym większe zmiany szerokości szczelin dylatacyjnych na skutek krzywizny terenu. W tym wariancie zamiast opisanych problemów mamy korzystny efekt zwiększenia nośność przesklepienia gruntowego. 4. Wariant W4.: Pozostawienie konstrukcji odciążającej jako wiaduktu stałego oraz obsypanie od zewnętrz skrzydeł kontowych, aby odciążyć zarysowane elementy betonowe i zapobiec utracie stateczności przyczółków. Wielką zaletą jest możliwość wykonania wszystkich prac przy zamknięciu toru nie przekraczającym 7 dni. Wada to brak klasycznego systemu ułożyskowania z łożyskiem stałym otrzymującym przęsło. Kolejna zaleta to łatwość podnoszenia konstrukcji przez dołożenie kolejnych belek drewnianych pod przęsło. Do realizacji wybrano wariant nr 4. Elementy decydujące o wyborze wariantu to krótki czas realizacji przebudowy obiektu mostowego, możliwość łatwego, płynnego i taniego podnoszenia konstrukcji, co sprawia, że podnoszenie niwelety toru można realizować częściej i mniejszymi skokami (ułatwia to prowadzenie robót.) Charakterystyka konstrukcji odciążającej wbudowanej w tor w maju 2013 roku Stare żelbetowe przęsło wiaduktu zdemontowano na przełomie kwietnia i maja 2013 roku. Jednocześnie umieszczono na nasypie nowe przęsło stalowe, dłuższe niż poprzednie. Nowe przęsło oparte jest na niewielkich przyczółkach wykonanych bezpośrednio w nasypie. Widoczne elementy przyczółka to płyta żelbetowa i tymczasowe podparcie z elementów drewnianych. Ścianki zapleczne przyczółka wykonane są również z elementów drewnianych. Brak łożysk i urządzeń dylatacyjnych. Konstrukcja stalowa odciążająca oparta została z obu stron na podporach o charakterze prowizorycznym, bo składających się z klatek z podkładów kolejowych, stabilizowanych stalowymi klamrami. Pod klatkami z podkładów kolejowych zaprojektowano żelbetową płytę prefabrykowaną, spoczywającą na warstwie piasku. Rys. 11. Widok na wiadukt z konstrukcją odciążającą [15] Rys. 12. Konstrukcja odciążająca wbudowana w tor [15] 31

10 Rys. 13. Prowizoryczna ścianka zapleczna [15] Oparcie konstrukcji odciążającej na nasypie charakteryzuje brak łożysk i urządzeń dylatacyjnych. Sposób podparcia przęsła (bale drewniane) jest poprawny, ma jednak ograniczoną trwałość, przez co wymaga regularnej kontroli wzrokowej. Zastosowane rozwiązanie umożliwia łatwe i tanie podnoszenie przęsła, co w przypadku przedmiotowego obiektu jest jednym z priorytetów. Konstrukcja "wiaduktu" umożliwia łatwe podnoszenie niwelaty przęsła i nasypu. Konstrukcję odciążającą zamontowano w długi weekend majowy w 2013 roku (przerwa w ruchu 7 dni) Rys. 14. Prowizoryczna ścianka zapleczna starych przyczółków [15] Na głębokości od 3 m do głębokości 10 m nasyp budują utwory charakteryzujące się stopniem zagęszczenia I d od 0,3 do 0,4. Są to grunty słabe, ściśliwe. Istnieje realne zagrożenie wyciśnięcia warstwy słabszej spomiędzy warstw mocniejszych naprężenia w nasypie rozkładają się pod niewielkim kątem (ok. 15 ) i przenoszą się z korony na podstawę nasypu poprzez wszystkie warstwy. Lokalne przemieszczenie słabszego gruntu (także nierówne osiadanie/ściskanie podczas przejazdu taboru) mogło doprowadzić do utraty stateczności większej partii nasypu i w rezultacie wymusić czasowe zamknięcie jedynego toru łączącego Kopalnię ze światem zewnętrznym. Na odcinkach nasypu będących w zasięgu oddziaływania podpór konstrukcji odciążającej poszerzono nasyp oraz wzmocniono skarpy geosyntetykami. Wykonano analizę stateczność skarp metodą globalnego współczynnika stateczności (wyznaczając kołowe linie poślizgu wg Bishop a w przypadku nasypów metoda daje szybko dobre rezultaty). Wzmocnienie i poszerzenie nasypu okazało się konieczne i wystarczające, konstrukcja odciążająca oparta jest bezpiecznie, bezpośrednio na nasypie. W ciągu pierwszych trzech miesięcy po zmianie przęsła żelbetowego na stalową konstrukcję odciążającą zaobserwowano przemieszczenie się konstrukcji w stronę niecki. Konstrukcja ułożona była w spadku podłużnym wynoszącym ok. 10 %0. W stronę spadku pociągi jeździły naładowane, pod górkę jeździły puste. Po nadbudowie nasypu i zmniejszeniu wychylenia toru problem niekontrolowanego przemieszczania się konstrukcji odciążąjącej znikł. 32

11 Zgodnie z prognozami dostarczonymi przez Kopalnię w 2015 roku prognozowane są osiadania terenu w=45 cm oraz niewielkie rozpełzania =1,0 mm/m głównie na kierunku osi wiaduktu/toru. W 2016 roku prognozowane są osiadania terenu w=44 cm, ponadto w podłożu mogą ujawnić się rozpełzania II =2,2 mm/m głównie na osi kierunku osi wiaduktu/toru oraz spełzania =-0,4 mm/m w kierunku prostopadłym do osi obiektu. Do 2020 roku osiadania związane z planowaną eksploatacją górniczą mogą wynieść ok 3 m, co będzie wymagało kilkakrotnej korekty niwelety toru przez podbicie oraz podniesienie konstrukcji odciążającej. Ocena rzeczywistego stanu technicznego i stateczności przyczółków jest praktycznie niemożliwa. Do chwili obecnej wiadukt obniżył się o około 13,78 m. Ukryta pod ziemią część podpór (o nieznanym stanie technicznym) poddana była znacznym wpływom eksploatacji górniczej. Dodatkowe skrępowanie przyczółków przez głębokie posadowienie (ulica została podniesiona o 5 m w 2001 roku) jest niekorzystne dla konstrukcji. W związku z powyższymi uwagami prowadzony jest stały nadzoru nad obiektem. Prowadzone są comiesięczne obserwacje obiektu. Kopalnia prowadzi regularne pomiary geodezyjne (co kwartał).. W wyniku prowadzonej eksploatacji górniczej nastąpiło dalsze osiadanie punktów kontrolnych. Lokalizacja punktów kontrolnych: 1g 4g (punkty zlokalizowane na górze wysokich żelbetowych przyczółków), 1d 4d (dół ścian żelbetowych przyczółków), 1a 4a (na podkładach na których spoczywa przęsło stalowe). Poniżej podano również osiadania skumulowane w okresie od sierpnia 2004 roku punktów zlokalizowanych na górze wysokich żelbetowych przyczółków (punkty nr: 1g, 2g, 3g, 4g). Od początku eksploatacji górniczej pod wiaduktem tj. od 1 sierpnia 1972 do kwietnia 2015 punkt kontrolny ZW 8A osiadł o 13,78 m. ( Przemieszczenia poziome od kwietnia 2014 do stycznia 2015 (podano również przemieszczenia zsumowane w okresie od sierpnia 2004 roku dla punktów zlokalizowanych na górze wysokich żelbetowych przyczółków: 1g, 2g, 3g, 4g): o zmiana odległości punktów (góra ścian) 4g 1g = -1 mm (zsumowane +2 mm), o zmiana odległości punktów (góra ścian) 3g 2g = -2 mm (zsumowane -34 mm). o zmiana odległości punktów (dół ścian) 4d 1d = -1 mm, o zmiana odległości punktów (dół ścian) 3d 2d = +1 mm. Wyniki pomiarów (od listopada 2013 roku) wskazują na niewielkie spełzanie (ściskanie) terenu i niewielkie skręcanie przyczółków względem osi wiaduktu. Podsumowanie i wnioski końcowe Od maja 2013 roku rolę wiaduktu kolejowego pełni konstrukcja odciążająca o rozpiętości 30 m jest to rozpiętość właściwa dla konstrukcji blachownicowej, optymalna co do celu i zadań jakie konstrukcja ta powinna spełniać w tym konkretnym przypadku. Podobne konstrukcje stosowane były na kolei. Przyjęte odsunięcie się z podparciem konstrukcji za istniejące przyczółki w istotny sposób odciąża przyczółki (od parcia gruntu, obciążenia naziomu od taboru kolejowego). Możliwe jest podnoszenie niwelety toru razem z konstrukcją tymczasową bezpieczne dla istniejących żelbetowych przyczółków. W przyszłości w miejscu skrzyżowania się szlaków kolejowego i drogowego może powstać ostateczna konstrukcja nowego wiaduktu dzięki wbudowanej w tor konstrukcji tymczasowej podczas przebudowy wiaduktu ciągłość ruchu kolejowego zostanie utrzymana. Zaprojektowana konstrukcja posiada charakter uniwersalny i może być stosowana w torach kolejowych, jako obiekt mostowy. W latach teren w rejonie wiaduktu znajdzie się w zasięgi wpływów eksploatacji górniczej (III kategoria terenu górniczego wg [9]). W ciągu ostatnich dwóch lat konstrukcja odciążająca i odciążone stare przyczółki pracowały poprawnie, bez większych niekontrolowanych przemieszczeń. Deformacje terenu odpowiadały I kategorii terenu górniczego wg [9]. Planowane jest zainstalowanie systemu monitorującego przemieszczenia i nachylenia ścian przyczółków oraz przemieszczenia konstrukcji odciążającej względem wbudowanych w nasyp płyt betonowych będących oparciem tej konstrukcji. Podobne systemy monitorujące od kilku lat funkcjonują w Polsce [np. 12, 13, 14]. 33

12 Literatura [1] ROSIKOŃ A.: Budownictwo komunikacyjne na terenach objętych szkodami górniczymi. Wyd. 1. Warszawa WKŁ [2] ROSIKOŃ A., O obrotach podpór i przęseł mostu., Rosikon-Press, Warszawa, [3] SALAMAK M., Obiekty mostowe na terenach z deformującym się podłożem w świetle kinematyki brył., Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, [4] KŁOSEK K., Budownictwo komunikacyjne na terenach górniczych. Inżynieria i Budownictwo, nr 5-6/2010. [5] MAREK SALAMAK, KAZIMIERZ KŁOSEK, PIOTR BĘTKOWSKI, MARCIN GRYGIEREK, STEFAN PRADELOK. Projektowanie, budowa i zarządzanie infrastrukturą kolejową na terenach górniczych ze szczególnym uwzględnieniem kolejowych obiektów mostowych. Konferencja Projektowanie, budowa i utrzymanie infrastruktury w transporcie szynowym. INFRASZYN 2014, Zakopane, 9-11 kwietnia 2014 r. Radom : Wydaw. Nauk. Instytutu Technologii Eksploatacji, PIB, 2014, s , bibliogr. 27 poz. [6] BĘTKOWSKI P.: Obserwacja i naprawa dwuprzęsłowego stalowego mostu kolejowego położonego na terenach górniczych. Ochrona obiektów na terenach górniczych. Praca zbiorowa (monografia) pod red. Andrzeja Kowalskiego. Katowice Główny Instytut Górnictwa 2012, s [7] BĘTKOWSKI P., Przebudowa i zabezpieczenie na wpływy górnicze niewielkiego wiaduktu kolejowego zintegrowanego z nasypem Przegląd Górniczy, nr 3/2015. [8] Wytyczne techniczno-budowlane projektowania i wykonywania obiektów mostowych na terenach eksploatacji górniczej. Załącznik do zarządzenia Ministra Komunikacji z dnia 23 września 1976, D.U. M.K. nr 31 poz [9] Wymagania techniczne dla obiektów budowlanych wznoszonych na terenach górniczych. ITB, Instrukcja 364/2007, Warszawa 2007 [10] PN-85/S Obiekty mostowe. Obciążenia. [11] PASTWA W. Wpływ eksploatacji górniczej na wiadukt kolejowy bocznicy kopalnianej nad ulicą Orlą w Pawłowicach. VIII Konferencja Naukowo-Techniczna: Ochrona środowiska w granicach administracyjnych miast i gmin w warunkach optymalnej eksploatacji górniczej w Rybnickim Okręgu Węglowym, Rybnik, październik [12] KADELA M., BEDNARSKI Ł.: Wytyczne obserwacji ciągłej obiektów zlokalizowanych na terenach górniczych. Przegląd górniczy nr 8/2014, s [13] BĘTKOWSKI P., BEDNARSKI Ł., SIEŃKO R.: Doświadczenia z użytkowania systemu monitorowania konstrukcji mostu kolejowego poddanego oddziaływaniu eksploatacji górniczej. Przegląd Górniczy, nr 3/2015. [14] BĘTKOWSKI P., BEDNARSKI Ł., SIEŃKO R.: Automatic structural health monitoring of a rail bridge structure impacted by mining operation. Technical Transactions i.21, Civil Engineering i. 6-B/2014, Politechnika Krakowska, s [15] Materiały własne autora. LIGHTENING STRUCTURE AS THE PERMANENT TRAIN VIADUCT IN CONSIDERABLE CONDITIONS MINING VERTICAL DISPLACEMENT OF AREA In the paper the problems associated with the exploitation of one span reinforced concrete train viaduct which was located on the hillside of mining area was discussed. Considerable settling and lowering hillsides made it difficult for leading the rail traffic hollows, repeated lifting the span was necessary. This process was complicated logistically and costly. Additionally existing bridgeheads as a result of damages and the growing thrust of ground started tilting. A few concepts were considered; replacement of the flyover on new about the similar structure, construction of the tunnel in the embankment, applying of the structure lightening in place the traditional flyover. The completely third solution was chosen. In the paper are described built into the path lightening structures and experience was given from two-year of use of this structure. 34