Bezpieczeństwo techniczne toru kolejowego w szczególnych warunkach eksploatacji 4

Transkrypt

1 Andrzej Surowiecki 1, Artur Duchaczek 2, Piotr Saska 3 Wyższa Szkoła Oficerska Wojsk Lądowych we Wrocławiu Bezpieczeństwo techniczne toru kolejowego w szczególnych warunkach eksploatacji 4 Powszechnie znane są problemy Polskich Linii Kolejowych (PLK S.A.), związane z utrzymaniem oferty przewozowej na poziomie europejskim. Wobec wzrastającego zapotrzebowania na nowoczesność kolei, aktualną podstawą jakości oferty jest niezawodność systemów bezpieczeństwa ruchu i prędkość jazdy na poziomie ponad 160 km/godz. Przedsiębiorstwo PKP PLK S.A. systematycznie modernizuje istniejące magistrale i przyspiesza prace nad budową linii dużych prędkości, realizując postanowienia UE, zawarte w Europejskim planie generalnym linii kolejowych o dużych prędkościach [8]. Sporządzony w Biurze Strategii PLK S.A. docelowy układ sieci kolejowej dużych prędkości obejmuje długość 2400 km nowych i zmodernizowanych linii. Planowane zadanie jest bardzo złożone i dotyczy szerokiego spektrum zagadnień kolejnictwa, w tym między innymi nawierzchni i podłoża gruntowego a w szczególności właściwej relacji między tymi elementami. Uzyskanie oczekiwanego efektu modernizacji dróg szynowych (celem zwiększenia prędkości jazdy i powiększenia obciążenia ruchem) może być realne w przypadku zabiegów kompleksowych, dotyczących modernizacji nawierzchni i podniesienia jakości warunków pracy podłoża toru kolejowego (nazywanego podtorzem). Jak wiadomo, szlaki kolejowe są często prowadzone w terenie o przypadkowych warunkach hydrogeologicznych. Artykuł przedstawia wybrane przypadki konstruowania podtorza, wymagające szczególnych rozwiązań, w celu zapewnienia odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa ruchu. Odcinki dróg kolejowych w otoczeniu obiektów mostowych W podłożu toru, w strefie dojazdu do obiektów inżynieryjnych występuje zjawisko nagłej zmiany sztywności, nazywane efektem progowym. Wynika ono z różnicy wartości modułu odkształcenia podtorza poza obiektem i wartości tego modułu, którym charakteryzuje się ustrój nośny mostu, wiaduktu, estakady lub przepustu (rys. 1) [11]. W przypadku przepustów (zwłaszcza rurowych, o niewielkich otworach) problem ten nie przedstawia się drastycznie, z uwagi na występującą zwykle warstwę tzw. nadsypki gruntowej, oddzielającej nawierzchnię toru od konstrukcji przepustu. Warstwa ta do pewnego stopnia redukuje niepożądaną różnicę sztywności. Wytyczne techniczne [2] podają minimalną grubość warstwy nadsypki z uwagi na bezpieczeństwo konstrukcji przepustu, poddanej wpływom obciążenia eksploatacyjnego. Betonowe lub żelbetowe przepusty ramowe o rozpiętości l 0 > 4 m, ze względu na ich masywną konstrukcję są zwykle traktowane jak mosty małe i nie wymagają warstwy nadsypki gruntowej, wobec czego należy liczyć się z efektem progowym. Do zagrożeń w przedmiotowych strefach toru należą pionowe deformacje, które mogą być źródłem niekorzystnych efektów dynamicznych, prowadzących do trwałych uszkodzeń nawierzchni kolejowej (szczególnie zagrażającymi bezpieczeństwu są deformacje pionowe), które skutkują obniżeniem poziomu komfortu podróży i ograniczeniami prędkości jazdy. Rysunek 1 przedstawia schematycznie problem nagłej zmiany sztywności w otoczeniu obiektu mostowego i efekt jej likwidacji w postaci liniowego przyrostu modułu odkształcenia, w kierunku lokalizacji obiektu [11]. 1 dr hab. inż. A. Surowiecki, prof. nadzw. - Wyższa Szkoła Oficerska Wojsk Lądowych imienia generała Tadeusza Kościuszki, Wydział Nauk o Bezpieczeństwie. 2 dr inż. A. Duchaczek - Wyższa Szkoła Oficerska Wojsk Lądowych imienia generała Tadeusza Kościuszki, Wydział Zarządzania. 3 dr inż. P. Saska - Wyższa Szkoła Oficerska Wojsk Lądowych imienia generała Tadeusza Kościuszki, Wydział Zarządzania. 4 Artykuł recenzowany. 1485

2 W Politechnice Wrocławskiej prowadzone były badania przemieszczeń pionowych i poziomych eksploatowanego toru kolejowego PKP, w strefie żelbetowego prostokątnego przepustu o wymiarach otworu 3,60 m (w poziomie) i 2,0 m (w pionie). Rys. 1. Ilustracja efektu progowego w otoczeniu obiektu mostowego, znajdującego się w ciągu linii kolejowej [11]: a nagła zmiana sztywności podtorza w otoczeniu obiektu, b płynny, liniowy przebieg zmian sztywności podtorza, E n [MPa] wartość modułu odkształcenia podtorza toru poza obiektem, E np [MPa] moduł odkształcenia o liniowo zmiennej wartości, E 0 [MPa] moduł odkształcenia konstrukcji nośnej obiektu mostowego, będącej podbudową toru. Źródło: [11]. Na rysunku 2 pokazano amplitudy pionowych przemieszczeń w strefie przepustu i na dojazdach o długości ok. 35 m [9, 11]. Stwierdzono znaczny przyrost wartości amplitud pionowych i poziomych przemieszczeń w bezpośrednim otoczeniu obiektu. Oszacowany zasięg strefy zakłóceń komfortu jazdy w obrębie obiektu, nie przekracza obustronnie długości 10 m. Rys. 2. Rezultaty badań prowadzonych w eksploatowanym torze PKP - amplitudy pionowych przemieszczeń toru w strefie przepustu [9, 11]. Źródło: [9, 11]. Klasyczne rozwiązanie problemu likwidacji efektu progowego w strefie obiektów mostowych jest przedstawione w podręcznikach mostownictwa (np. [6, 7]) i polega na zastosowaniu betonowej lub żelbetowej płyty (nazywanej płytą przejściową). Płytę opiera się z jednej strony na końcu mostu (przyczółek), z drugiej w ośrodku gruntowym, stanowiącym najczęściej nasyp, jako dojazd do mostu. Wymiary płyt 1486

3 i sposób ich zainstalowania podane są również w literaturze przedmiotu. Długość płyty projektowana dla przeciętnych warunków wynosi 2,5-3,0 m, jednak w przypadku wysokich nasypów w ciągu magistral kolejowych lub dróg ruchu szybkiego może osiągnąć 10,0 m. Wymiar ten jest zależny od nośności gruntu i stateczności nasypu. W praktyce płynna zmiana sztywności podłoża jest realizowana poprzez nachylenie płyty w zakresie 1:200-1:300, względem poziomu (w kierunku mostu). Według [10], projektując konstrukcyjnie strefę przejściową należy wziąć pod uwagę: rodzaj konstrukcji obiektu inżynieryjnego; system zastosowanego odwodnienia przy obiekcie; wysokość nasypu i dopuszczalne eksploatacyjne różnice osiadań konstrukcji obiektu i przylegającego do obiektu podtorza; prędkość jazdy pociągów, kursujących na linii kolejowej, w ciągu której znajduje się przedmiotowy obiekt inżynieryjny. W Politechnice Wrocławskiej opracowano konstrukcje doraźnej zabudowy stref przejściowych wkładkami usztywniającymi, o szczególnym znaczeniu w nadzwyczajnych warunkach, gdy o powodzeniu operacji decyduje szybkość montażu, np. proces odbudowy zniszczonego przez powódź dojazdu do mostu. Przykłady, ograniczone do dróg kolejowych (dla dróg kołowych obowiązuje analogia) podzielono na trzy grupy [11, 12]: wkładki wykonywane z materiału kamiennego (rys. 3); wkładki z materiałów odpadowych (np. z zużytych podkładów kolejowych drewnianych lub strunobetonowych albo z zużytych opon samochodowych); wkładki tworzące system tzw. gruntu zbrojonego (elementy płaskie lub trójwymiarowe). Zaproponowana technologia jest ekonomiczna, czyli tańsza niż montaż tradycyjnych płyt żelbetowych, nie wymaga specjalistycznego sprzętu (elementy są dość lekkie), ani wykwalifikowanego personelu i wyróżnia się stosunkowo krótkim czasem montażu. Rys. 3. Przekrój podłużny (schemat) przez warstwę usztywniającą w strefie przejściowej nasyp-obiekt mostowy, wykonaną z materiału kamiennego [11]: 1 - podsypka tłuczniowa, 2 - kliniec 0,15 m (warstwa zamykająca), 3 - narzut z kamienia łamanego 0,60 m, 4 - grunt nasypu (podtorze). Źródło: [11]. Tor na gruntach wskazujących niedostateczną nośność Szczególnej uwagi wymaga budowa toru na gruntach słabych, czyli charakteryzowanych niedostateczną nośnością [3, 10]. Do gruntów słabych zaliczane są: wykazujące niską wytrzymałość na ścinanie (której składnikami, niedostateczną wartość modułu odkształcenia, charakteryzujące się oznakami wysadzinowości (niedostateczną przepuszczalnością wody). Przykładem takich gruntów, nazywanych w geotechnice ściśliwymi i słabonośnymi mogą być: uplastycznione gliny, błota i torfy. Wymagania techniczne dla górnej części podłoża gruntowego toru to [3]: odpowiednia nośność i sztywność, trwałość (w kolejnictwie określana wytrzymałością eksploatacyjną) i jednorodność. Na przykład, dla linii kolejowych projektowanych dla prędkości jazdy km/h wymagana wartość modułu odkształcenia, mie- 1487

4 rzona w poziomie torowiska wynosi [3]: 120 MPa w przypadku podtorza nowo budowanego, natomiast 80 MPa dla podtorza linii eksploatowanych. W przypadkach, gdy wymagania odnośnie części podtorza, będącej w strefie współpracy z nawierzchnią (tzw. strefie aktywnej) nie są spełnione, stosuje się warstwy wzmacniające, układane na powierzchni torowiska. W Wytycznych Technicznych Id-3 [3] sformułowano warunki stosowania tych warstw, nazywając je pokryciami ochronnymi). Pokrycia ochronne są powszechnie konstruowane jako [3, 11]: elementy płaskie przepuszczalne (np. maty-geowłókniny, plastikowe siatki-geosiatki), których zadaniem oprócz powiększenia nośności podtorza jest poprawa warunków filtracji na kontakcie podsypki z podtorzem; elementy dwuwymiarowe nieprzepuszczalne (np. folie PVC i inne, powłoki bitumiczne); elementy trójwymiarowe, wykonywane jako warstwy z kruszyw mineralnych, np. pospółek, żwirów, piasków gruboziarnistych, niesortu kamiennego, klińca, grysu; warstwy gruntów stabilizowanych spoiwami (np. cementem, wapnem, bitumem, żywicami) oraz materiałów odpadowych; konglomerat wkładek płaskich i trójwymiarowej lub trójwymiarowych. Szczególnym rozwiązaniem wkładek przestrzennych, wzmacniających słaby grunt podłoża toru jest kompozyt, będący warstwą kruszywa kamiennego, sprężonego wstępnie w ażurowej powłoce, wykonanej w formie stalowej lub plastikowej siatki. Konstrukcję tego dwuskładnikowego kompozytu, nazywaną w inżynierii komunikacyjnej materacem i aktualnie stosowaną w inżynierii lądowej, opracowano w latach w Politechnice Wrocławskiej, przy współpracy ówczesnego Naczelnika Oddziału Drogowego PKP we Wrocławiu. Na rysunku 4 pokazano przekrój poprzeczny przez materac wzmacniający, natomiast szczegóły konstrukcyjne podano w monografii [11]. System wzmocnienia torowiska materacem wdrożono w latach 80. XX wieku w dwóch problemowych przypadkach na linii kolejowej nr 276 relacji Wrocław-Międzylesie. Rys. 4. Przekrój pionowy poprzeczny przez materac wzmacniający [11]: 1 podsypka tłuczniowa, 2 tłuczeń wypełniający przestrzeń materaca, 3 - warstwa ochronna z materiału odpadowego. Źródło: [11]. Tor w niestabilnych nasypach Szczególne warunki eksploatacji toru w nasypach należy rozpatrywać w dwóch przypadkach: nasyp na słabym podłożu (podłoże o niedostatecznej nośności jest generatorem niepożądanych odkształceń nasypu) oraz nasyp z niestabilnymi skarpami (zagrożenie osuwiskiem). W opracowaniach [3, 10] podano propozycje likwidacji problemu, zależnie od wysokości nasypu. Dla niskiego nasypu (wysokość do 6 m): wymiana materiału gruntowego w słabym podłożu (występuje konieczność rozbiórki istniejącego toru na okres prac remontowych); 1488

5 częściowa wymiana materiału gruntowego, tworzącego korpus nasypu (konieczność rozbiórki istniejącego toru na okres prac remontowych). Celem wymiany, polegającej na wbudowaniu materiału lżejszego jest redukowanie pionowych nacisków nasypu na słabe podłoże gruntowe; wymiana gruntu w bezpośrednim otoczeniu nasypu na materiał o większej nośności, celem zlikwidowania niepożądanego zjawiska wyporu gruntu podłoża wskutek obciążenia nasypem. Dla nasypów o wysokości ponad 6 m propozycje są następujące: instalowanie pali fundamentowania pośredniego w terenie otaczającym nasyp, instalowanie pali fundamentowania pośredniego (poprzez korpus nasypu), zakotwionych w słabym podłożu pod nasypem, budowa przypór stabilizujących niestabilne skarpy. Odnośnie ostatniego rozwiązania, istnieje kilka wariantowych rozwiązań [13]: wzmacnianie skarp techniką gwoździowania, konstruowanie pionowej ściany nasypu wg technologii gruntu zbrojonego, obudowa ściany nasypu kształtownikami systemu T-WALL lub kształtownikami o profilu kątownika albo elementami gabionowymi (będącymi koszami siatkowymi, wypełnionymi kruszywem kamiennym). Przykład stabilizacji skarpy nasypu ścianą gabionową pokazano na rysunku 5 [13]. Rysunek 5 przedstawia schemat przyjętego obciążenia eksploatacyjnego oraz powierzchnie poślizgu o najmniejszym współczynniku stateczności (obliczonym metodą Felleniusa i Bishopa), przy obciążeniu q =100 kpa. Rys. 5. Nasyp komunikacyjny, jednostronnie stabilizowany ścianą gabionową [13]. Źródło: [13]. Tor na terenach szkód rolniczych Skomplikowane warunki eksploatacji toru występują na terenach szkód górniczych. Decyzje o sposobie budowy, rodzaju konstrukcji i utrzymaniu podłoża toru kolejowego są podejmowane w zależności od rodzaju obserwowanych i prognozowanych deformacji podłoża. W przypadku ciągłych deformacji obejmujących znaczne powierzchnie terenu, tworzących tzw. niecki obniżeniowe należy [3, 10]: wykonać analizę archiwalnej dokumentacji górniczej terenu; systematycznie wykonywać pomiary osiadań podłoża toru i prognozowanie osiadań; jako planowe działanie zapobiegawcze powiększać wysokość osiadających nasypów i wzmacniać te budowle ziemne. Na zagrożonych deformacjami odcinkach toru należy: wprowadzić ograniczenia eksploatacyjne (najczęściej ograniczenie dopuszczalnej prędkości jazdy i dopuszczalnych nacisków osi pojazdów), zainstalować urządzenia sygnalizujące wystąpienie osuwiska (na podstawie monitoringu terenu) i zabraniające wjazdu na zdeformowany odcinek toru, zastosować konstrukcje zapewniające przejęcie obciążenia z toru po utracie podparcia podkładów, w przypadku gwałtownej deformacji podłoża. 1489

6 Odwodnienie toru na terenach szkód górniczych należy konstruować z uwzględnieniem wystąpienia deformacji podłoża i przewidując destrukcyjny wpływ tych deformacji na stan techniczny urządzeń odwadniających. Wpływ ekstremalnych deformacji nieciągłych podtorza w rejonie szkód górniczych, na nośność i stateczność modernizowanych linii kolejowych na obszarze Górnego Śląska, przedstawiono w publikacji [5]. Autor wyjaśnia istotę szkód górniczych, podaje przykład górniczych deformacji nieciągłych w rejonie linii kolejowej C-E65 i prowadzi analizę współpracy nawierzchni z podłożem górniczym. Publikacja [4] zawiera relację z wdrożenia w roku 1997 tzw. komórkowego systemu ograniczającego GEOWEB, będącego patentem USA [1]. System ten zastosowano na jednej z 2-torowych linii magistralnych Górnego Śląska, celem zapewnienia odpowiedniej nośności podłoża gruntowego pod rozjazdami typu UIC 60, na podrozjazdnicach strunobetonowych. Badania procesu kumulacji odkształceń trwałych nawierzchni w warunkach intensywnych obciążeń eksploatacyjnych wykazały dużą skuteczność przyjętego rozwiązania. Podłoże toru na terenach zalewowych i po powodzi Krawędź torowiska toru kolejowego, prowadzonego na terenach zalewowych powinna być zlokalizowana na odpowiedniej wysokości względem poziomu otaczającego. Warunek ten jest przedstawiony w Wytycznych Id-3 [3, 10]. Nasypy na terenach zalewowych i przy ciekach oraz zbiornikach wody, dość często pełnią rolę wałów przeciwpowodziowych. W związku z tym muszą spełniać wymagania obowiązujące w budownictwie hydrotechnicznym [3, 10]. Skarpy takich nasypów należy zabezpieczać przed niszczącym działaniem płynącej wody, fali i lodu a korpusy nasypów przed nadmierną infiltracją i niepożądanym przebiciem hydraulicznym. W tym celu, od strony napływającej wody najczęściej buduje się przypory na skarpie nasypów albo szczelne umocnienia skarp i uszczelnienia podłoża nasypów. Po przeciwnych stronach nasypów, które mogą stanowić strefę wypływu wody stosuje się: skarpy o pochyleniu bardziej łagodnym (zwykle 1:2,5) niż pochylenie standardowe, przepuszczalne przypory, warstwy filtracyjne (najczęściej wykonywane z kruszywa kamiennego) lub drenaże obniżające poziom przenikającej wody oraz inne rozwiązania konstrukcyjne, zapobiegające wypływom wody na powierzchnie skarp i obciążające skarpy oraz podłoże nasypów. Sposób określania grubości warstw filtracyjnych, układanych na skarpach i stokach podano w Załączniku 8 do Wytycznych Id-3 [3]. Podłoże toru w sytuacjach po powodzi wykazuje następujące zniszczenia: ubytki bryły podłoża, uszkodzenia obiektów inżynieryjnych, zanieczyszczenia torowiska i urządzeń odwadniających, rozgęszczenie gruntów niespoistych, uplastycznienie lub upłynnienie gruntów spoistych. W celu likwidacji szkód w podłożu toru, spowodowanych powodzią, obowiązuje kolejność działań [3, 10]: odprowadzenie wody poza teren linii kolejowej; ocena zniszczeń i stateczności podłoża toru; rekonstrukcja podtorza (likwidacja ubytków materiału gruntowego) i wykonanie zabezpieczeń (w przypadku nasypów rewitalizacja dolnych części korpusu), likwidacja uszkodzeń obiektów inżynieryjnych; usunięcie zanieczyszczeń torowiska i oczyszczenie urządzeń odwadniających; dogęszczenie gruntów podłoża (wskutek powodzi grunty niespoiste ulegają rozgęszczeniu, grunty spoiste uplastyczniają się); stopniowe wznawianie eksploatacji (jazda z prędkością dopuszczalną odpowiednio ograniczoną), systematyczna kontrola zachowania się podłoża w zakresie odkształceń. Podsumowanie Problem podłoża gruntowego toru kolejowego w szczególnych warunkach eksploatacji, jest omówiony jako dyrektywa w opracowaniu Id-3 Warunki techniczne utrzymania podtorza kolejowego [3]. Wytyczne Id-3 określają miedzy innymi: warunki utrzymania podtorza na szczególnych odcinkach toru, za- 1490

7 sady prowadzenia nadzoru, kontroli jakości, wykonywania przeglądów, planowania i wykonywania robót i napraw. Tekst Wytycznych Id-3 jest złożony z dwóch podstawowych części: 1) wymagania techniczne i warunki bezpieczeństwa przy utrzymaniu podtorza oraz 2) załączniki normatywne i informacyjne, zawierające szczegółowe procedury postępowania odnośnie poszczególnych przypadków. Streszczenie Przedstawiono wybrane przypadki konstruowania podłoża gruntowego dróg kolejowych, wymagające szczególnych rozwiązań, zmierzających do zapewnienia bezpieczeństwa ruchu i wymaganego na poziomie europejskim komfortu jazdy. Uwagę skupiono na odcinkach toru: w otoczeniu obiektów mostowych; posadowionych na gruntach słabych; na terenach szkód górniczych i zalewowych oraz zagrożonych deformacjami. Abstract Technical safety of railway track in particular exploitation conditions Constructions of subgrade in the particular track sections are described. These sections are demand special solutions considering of safety of traffic. The paper introduces the realizability of technical solutions for individual problem situations, among other things for track: in the intermediate zone embankment-bridge objects, on the weak earthen foundation, on the flooded lands and on the mining damage lands. LITERATURA / BIBLIOGRAPHY [1]. GEOWEB Komórkowy System Ograniczający. Presto Products Company, Geosystems Products Division P.O. Box 2399, Appleton, Wisconsin, USA, WODEKO-Kraków [2]. Id-2 (D2) Warunki techniczne dla kolejowych obiektów inżynieryjnych. PKP Polskie Linie Kolejowe S.A., Warszawa [3]. Id-3. Warunki techniczne utrzymania podtorza kolejowego. PKP Polskie Linie Kolejowe S.A., Warszawa [4]. Kłosek K., Gad P., Wróbelski W., Wykorzystanie GEOWEBU do wzmocnienia słabonośnego podtorza rozjazdów na podrozjazdnicach betonowych. IX Konf. Nauk. Drogi Kolejowe. Kraków, Politechnika Krakowska, Wydział Inżynierii Lądowej, 1997, s [5]. Kłosek K., Wpływ ekstremalnych deformacji nieciągłych podtorza górniczego na nośność i stateczność modernizowanych linii kolejowych. Technika Transportu Szynowego, EMI-PRESS, Nr 7-8, R. XV, 2009, s [6]. Leonhardt F., Podstawy budowy mostów betonowych. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa [7]. Madaj A., Wołowicki W.; Budowa i utrzymanie mostów. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2007, ISBN [8]. Massel A.; Projektowanie linii i stacji kolejowych. Kol. Oficyna Wydawnicza. Warszawa [9]. Piotrowski A., Surowiecki A.; Strefa przejściowa toru kolejowego w obrębie przepustów. Mat. III Konf. Nauk.-Techn. Drogi Kolejowe, t. 2, Politechnika Krakowska, Kraków-Muszyna, , s [10]. Skrzyński E., Podtorze kolejowe. Kolejowa Oficyna Wydawnicza. Warszawa

8 [11]. Surowiecki A., Modernizacja konstrukcji dróg szynowych. Badania modelowe i eksploatacyjne. Wyd. Wyższej Szkoły Oficerskiej Wojsk Lądowych im. gen. T. Kościuszki, Wrocław 2012, ISBN [12]. Surowiecki A.; Zagadnienia techniki transportu szynowego. Seria: Inżynieria Bezpieczeństwa. Wyd. Wyższej Szkoły Oficerskiej Wojsk Lądowych im. gen. T. Kościuszki, Wrocław 2012, ISBN [13]. Surowiecki A.; Komunikacyjne budowle ziemne ze wzmocnieniem skarp. Wyd. Wyższej Szkoły Oficerskiej Wojsk Lądowych im. gen. T. Kościuszki, Wrocław 2015 (w druku). 1492