Przesłanki wyboru nawierzchni dla linii dużych prędkości w Polsce

Transkrypt

1 Tadeusz Basiewicz, Andrzej Gołaszewski, Jacek Kukulski 1, Kazimierz Towpik 2 Politechnika Warszawska, Wydział Transportu Przesłanki wyboru nawierzchni dla linii dużych prędkości w Polsce 1. WSTĘP W wyniku decyzji podjętej w 2008 r. rozpoczęto w Polsce prace nad projektowaniem nowej linii dużych prędkości, która ma połączyć Warszawę przez Łódź z Poznaniem i Wrocławiem. Przystąpiono również do prac modernizacyjnych na Centralnej Magistrali Kolejowej, które obejmują likwidację przejazdów oraz wymianę istniejących rozjazdów na rozjazdy mające tory zwrotne o promieniu 1200m oraz krzyżownice z ruchomymi dziobami. Należało również przewidzieć budowę skrzyżowań dwupoziomowych, naprawy obiektów inżynieryjnych, budowę urządzeń chroniących środowisko, takich jak mosty ekologiczne i ekrany dźwiękochłonne oraz wykonanie miejscowych wygrodzeń linii. Konieczna jest również przebudowa sieci trakcyjnej (rozjazdów sieciowych z regulacją wysokości zawieszenia sieci, przystosowania radiotelefonicznych sieci liniowych i wprowadzenie systemu zabezpieczenia i sterowania ruchem pociągów ETCS pierwszego poziomu. Zmiany te umożliwiają prowadzenie po CMK ruchu z prędkościami ponad 200 km/h. W przypadku tej linii nie przewiduje się więc zmiany typu eksploatowanej obecnie nawierzchni kolejowej. Budowa nowej linii dużych prędkości wiąże się jednakże z koniecznością podjęcia decyzji o wyborze typu nawierzchni wraz z odpowiednim podtorzem kolejowym. 2. ORGANIZACYJNE I TECHNICZNE ASPEKTY PROJEKTOWANIA, BUDOWY I EKSPLOATACJI LINII DUŻYCH PRĘDKOŚCI Zmiany, jakie nastąpiły w wyniku rozwoju i zwiększenia terytorialnego zasięgu linii dużych prędkości na świecie, to między innymi: reorganizacja kolei z częściową ich prywatyzacją oraz liberalizacją rynku usług kolejowych przeprowadzona w wielu krajach; wprowadzenie nowych technologii, zwłaszcza związanych z bezpieczeństwem i ochroną środowiska, oraz opracowanie wspólnych norm i zaleceń o zasięgu międzynarodowym; opracowanie technicznych specyfikacji interoperacyjności dla poszczególnych podsystemów systemu kolejowego oraz szeregu norm europejskich dotyczących kolei; pojawienie się nowych form kontraktów dotyczących projektowania, budowy i eksploatacji linii dużych prędkości, wymagających zawierania umów długoterminowych, często pięćdziesięcioletnich, w ramach których otrzymujący koncesję nie tylko współfinansuje budowę, lecz również ponosi koszty eksploatacji i utrzymania linii. Pełny kontrakt obejmuje finansowanie projektowania, budowy, eksploatacji oraz utrzymania linii, przy ujednoliconej wycenie nakładów inwestycyjnych. Określa się również wymaganą jakość i żywotność poszczególnych elementów infrastruktury. Rozbudowa sieci linii dużych prędkości spowodowała zmianę podejścia do projektowania i realizacji kolejnych etapów budowy, a następnie eksploatacji linii KDP. Obok analizy kosztów uzyskania wymaganej trwałości obiektu i opracowania procedur zapewniających odpowiednią niezawodność, dyspozycyjność i naprawialność drogi kolejowej dokonuje się analizy ryzyka przedsięwzięć oraz zarządzania ryzykiem. Poprawne funkcjonowanie linii dużych prędkości w istotny sposób zależy od jej zdolności eksploatacyjnej (dyspozycyjności). Ma to szczególne znaczenie wówczas, gdy dochody dysponentów 1 jkukul@wt.pw.edu.pl 2 kto@wt.pw.edu.pl Logistyka 4/

2 infrastruktury i operatorów bezpośrednio zależą od stopnia tej dyspozycyjności. Dlatego też na każdym etapie cyklu projektowania, budowy, a następnie eksploatacji przestrzega się wymagań RAMS (Reliability, Availability, Maintainability, Safety), czyli dotyczących niezawodności, dyspozycyjności, naprawialności i bezpieczeństwa drogi kolejowej [3][6]. Niekiedy poziom spełnienia wymagań RAMS mierzy się stopniem dyspozycyjności. Czynnikami mającymi istotne znaczenie w ocenie dyspozycyjności są obok struktury i organizacji ruchu pociągów także struktura i organizacja służb utrzymujących linie dużych prędkości. Zwiększenie dyspozycyjności można osiągnąć między innymi poprzez zastosowanie systemów redundacyjnych, monitoringu stanu rozjazdów i sieci trakcyjnej, urządzeń do pomiaru wielkości oddziaływań kół na szyny, wykrywania kół z płaskimi starciami itp. Mamy więc do czynienia z procesem wymagającym przeprowadzania analiz ryzyka i zarządzania ryzykiem, którego miarą są wyniki osiągane w przyszłości w następstwie podejmowanych decyzji. W przypadku projektowania linii dużych prędkości trzeba oceniać ryzyko różnego rodzaju ryzyko operacyjne jako wynik niewłaściwego zarządzania, ryzyko niedotrzymania technicznych i finansowych warunków projektu, ryzyko prawne itp. Procesy innowacyjne wprowadzane na etapie budowy oraz w eksploatacji linii dużych prędkości umożliwiają zmniejszenie ryzyka niedotrzymania wymagań RAMS. Doświadczenia wyniesione z eksploatacji linii dużych prędkości wskazują również na konieczność dokonywania analizy ryzyka przy podejmowaniu decyzji, umożliwiając zarządzanie ryzykiem w procesie inwestycyjnym. 3. NAWIERZCHNIA I PODTORZE LINII DUŻYCH PRĘDKOŚCI NA KOLEJACH EUROPEJSKICH Na liniach dużych prędkości są obecnie eksploatowane zarówno nawierzchnie klasyczne z warstwą podsypki, jak i nawierzchnie niekonwencjonalne (bezpodsypkowe). Podstawowym kryterium wyboru konstrukcji nawierzchni jest zazwyczaj bezpieczeństwo jazdy i minimalizacja kosztów utrzymania infrastruktury kolejowej. Wybrana konstrukcja nawierzchni musi zapewniać określoną sztywność pionową, co uzyskuje się przez odpowiedni dobór elementów nawierzchni. Zmniejszenie sztywności na liniach dużych prędkości można osiągnąć, układając dodatkowo pod warstwą podsypki maty SBM (SubBallastMats). Obecnie na liniach KDP są powszechnie stosowane podkłady betonowe z przytwierdzeniami sprężystymi. W celu zwiększenia sprężystości nawierzchni i uzyskania korzystniejszego rozkładu nacisków, a tym samym spowolnienia procesu zużycia podsypki oraz zużycia falistego szyn, układa się również podkłady betonowe z przyklejonymi do dolnej powierzchni podkładkami z polimerów (USP Under SleeperPads), Zastosowanie tego rodzaju podatnych podkładek zmniejsza naprężenia w podsypce[2]. Obecnie, zwłaszcza na nowobudowanych liniach dużych prędkości, układa się nawierzchnie niekonwencjonalne, pozbawione warstwy podsypki. Ich zaletą jest korzystniejszy z uwagi na skrajnie budowli przekrój poprzeczny, co ma znaczenie zwłaszcza w przypadku tuneli i obiektów mostowych. Łatwiej również uzyskać wymaganą dokładność położenia toru, a nakłady na utrzymanie są znacznie mniejsze. Z drugiej strony możliwości regulacji położenia toru są ograniczone, a usunięcie skutków ewentualnej awarii lub wykolejenia wymaga znacznie dłuższego czasu niż w przypadku nawierzchni klasycznej. Trzeba też podkreślić, że budowa nawierzchni bezpodsypkowych na podtorzu ziemnym wymaga dobrego odwodnienia i uzyskania odpowiedniej sztywności podtorza. 4. BADANIA EKSPERYMENTALNE NAWIERZCHNI KOMPOZYTOWEJ W WARUNKACH POLSKICH KOLEI Próbą poszukiwania rozwiązań zwiększających odporność konstrukcji nawierzchni klasycznej oraz ograniczenia kosztów utrzymania nawierzchni było ułożenie na Centralnej Magistrali Kolejowej odcinka doświadczalnego z nawierzchnią kompozytową[1]. Na rys. 1 przedstawiono sektory doświadczalne eksperymentalnej nawierzchni kolejowej z kompozytu tłuczniowego. Ułożona została tam nawierzchnia 66 Logistyka 4/2015

3 która zawiera warstwę tłucznia uzbrojoną geosiatkami w różnych konfiguracjach, z dodatkową stabilizacją górnej warstwy podsypki żywicą poliuretanową. Rys. 1 Odcinek doświadczalny nawierzchni z kompozytem tłuczniowym zbudowany na CMK w 2008 roku Podstawowe pomiary dotyczyły oceny geometrycznego położenia toru na odcinkach z kompozytem tłuczniowym w celu oceny odkształcalności tej nawierzchni w czasie eksploatacji i porównania z nawierzchnią o klasycznej konstrukcji. Ogólna ocena położenia geometrycznego toru na odcinkach doświadczalnych dokonana na podstawie pomiarów bezpośrednich i pomiarów drezyną EM 120 wykazała, że tor po zakończeniu robót odpowiadał warunkom określonym dla prędkości jazdy 200 km/h. Do oceny odkształcalności nawierzchni wykorzystano wyniki pomiarów objazdów drezyną, wykonanych w okresie obserwacji odpowiadającym przeniesieniu przez nawierzchnię obciążenia ponad 18 Tg(okres 5 lat.)zmiany obliczonych wartości odchyleń standardowych nierówności pionowych i poziomych toru pośrednio charakteryzują odkształcenia konstrukcji. Zwiększenie wartości odchyleń nierówności pionowych toru wskazuje na wzrost dynamicznych oddziaływań pojazdów, a odkształceń poziomych informuje pośrednio o odporności toru na przemieszczenia poprzeczne. Dla okresu objętego analizą zestawiono wskaźniki syntetyczne oceny stanu toru (rys. 2 i 3),wartości odchyleń standardowych nierówności pionowych i poziomych (rys. 4 i 5) dla toru sektora I, gdzie warstwę podsypki uzbrojono geosiatkami, oraz odpowiednio dla sektora II (rys. 6 i 7), gdzie dodatkowo wykonano również chemiczną stabilizacje podsypki). Rys. 2. Wartości wskaźników syntetycznych J dla działek z podtorzem istniejącym: I1, I2 i I3 oraz sektora porównawczego III i IV Logistyka 4/

4 Rys. 3. Wartości wskaźników syntetycznych J dla działek z podtorzem istniejącym: II1, II2 i II3 oraz sektora porównawczego III i IV Rys. 4. Wartości odchyleń standardowych nierówności pionowych dla działek I1,I2 i I3 w zestawieniu z sektorem porównawczym III i IV 68 Logistyka 4/2015

5 Rys. 5. Wartości odchyleń standardowych nierówności pionowych dla działek II1,II2 i II3 w zestawieniu z sektorem porównawczym III i IV Rys. 6. Wartości odchyleń standardowych nierówności poziomych dla działek I1,I2 i I3 w zestawieniu z sektorem porównawczym III i IV Logistyka 4/

6 Rys. 7. Wartości odchyleń standardowych nierówności poziomych dla działek II1,II2 i II3 w zestawieniu z sektorem porównawczym III i IV 5. NAKŁADY FINANSOWE NA BUDOWĘ I UTRZYMANIE NAWIERZCHNI KOLEJOWEJ Z KOMPOZYTEM TŁUCZNIOWYM WSTĘPNE ZAŁOZENIA DO ANALIZY LCC Analiza LCC jest połączeniem aspektów ekonomicznych i technicznych ocenianego projektu w prognozowanym czasie jego trwania. Ogólne warunki wykonania analizy LCC precyzowane są w różnych dokumentach normatywnych obowiązujących w różnych krajach świata. W Polsce obowiązującymi normami związanymi z zagadnieniami niezawodności, podatności i szacowania kosztu cyklu życia są PN-EN [4] i PN- EN [5]. Ogólne koszty ponoszone w cyklu życia obiektu można podzielić na trzy etapy obejmujące: koszty nabycia, koszty posiadania i koszty wycofania. LCC = Koszty nabycia +Koszty posiadania +Koszty wycofania Zasadnicze znaczenie dla koncepcji szacowania kosztu LCC ma zrozumienie cyklu życia i działań podejmowanych w kolejnych fazach tego cyklu. Istotne jest również zrozumienie zależności między tymi działaniami i osiągami, obsługiwalnością i innymi charakterystykami nawierzchni oraz wynikającymi stąd kosztami. Można wyróżnić kilka głównych faz cyklu życia: koncepcja i definiowanie; projektowanie; wytwarzanie; eksploatacja (użytkowanie i obsługiwanie); wycofanie. Koszty nabycia lub inaczej koszty inwestycyjne ponoszone są, głównie w trzech pierwszych fazach cyklu życia. Koszty nabycia są właściwie jedynym elementem w kalkulacji LCC, który można łatwo obliczyć przed podjęciem decyzji o budowie lub modernizacji elementów infrastruktury kolejowej. Do pierwszej grupy kosztów możemy zaliczyć m.in.: 70 Logistyka 4/2015

7 koszty planowania produktu, koszty konstruowania i produkcji, prowadzenia prac badawczych, przygotowanie dokumentacji projektowej, przeprowadzania testów produktów i ich oceny, certyfikacji i dopuszczeń. Koszty posiadania związane są z okresem eksploatacji nawierzchni kolejowej, i obejmują m.in.: pomiary diagnostyczne (nierówność geometryczne toru, wichrowatość); regulacje położenia toru; szlifowanie toru; konserwacja rozjazdów; naprawy uszkodzeń szyn (uszkodzenia kontaktowo-zmęczeniowe główki szyny, zużycie faliste). Modernizację. Koszty wycofania związane są z likwidacją obiektu, wymianą całej konstrukcji toru kolejowego i jego ewentualnym złomowaniem i utylizacją. W niektórych przypadkach elementy toru (szyny, podkłady) mogą być wykorzystane na liniach kolejowych o mniejszym obciążeniu. Na rys. 8 przedstawiono wstępną identyfikację kosztów dla nawierzchni kolejowej na potrzeby przyszłej analizy LCC. Rys. 8. Wstępna identyfikacja kosztów nawierzchni kolejowej potrzebnej do przeprowadzenia analizy LCC 6. PODSUMOWANIE Na podstawie przeprowadzonych badań obejmujących okres , w którym tor przeniósł obciążenie ok. 18,6 Tg, można uznać, że odporności nawierzchni kolejowej z kompozytem tłuczniowym jest większa o ok. 30 % w porównaniu z nawierzchnią bez kompozytu. Można również zauważyć, że nawierzchnię z kompozytem tłuczniowym charakteryzują mniejsze syntetyczne wskaźniki stanu toru w porównaniu z torem konwencjonalnym. Potwierdzają to również wyniki oceny odkształceń pionowych i poziomych. Zastosowanie stabilizacji chemicznej wierzchniej warstwy tłucznia dodatkowo zwiększyło odporność nawierzchni na odkształcenia poziome toru. Okres obserwacji nawierzchni z kompozytem tłuczniowym jest za krótki aby wyciągać zbyt daleko idące wnioski co do przydatności proponowanego rozwiązania. Przeniesione obciążenie 18,6 Tg stanowi nieznaczną wartość obciążenia, które w rzeczywistości taka nawierzchnia może przenieść. W przyszłości celowe byłoby zabudowanie na kolejnych odcinkach doświadczalnych nawierzchni z kompozytem tłuczniowym. Wykorzystując dotychczasowe wyniki badań na poletkach doświadczalnych, będzie można dokonać wyboru najwłaściwszego sposobu wykonania nawierzchni z kompozytem Logistyka 4/

8 tłuczniowym w różnych konfiguracjach wzmocnienia i przy różnych technologiach zagęszczania tłucznia. Dalsze badanie powinny dotyczyć doboru parametrów siatki i miejsca jej ułożenia, doboru sposobów zagęszczania podsypki i jego wpływu na wartość modułu odkształcenia podłoża. Na podstawie nowych badań doświadczalnych na wytypowanym odcinku doświadczalnym modernizowanej linii opracowane zostałyby warunki techniczne dotyczące technologii budowy nawierzchni z wybranym kompozytem tłuczniowym Dalsze badania na nowym odcinku doświadczalnym mogą stanowić cenny materiał potrzebny do oceny kosztów utrzymania nawierzchni kolejowej z kompozytem tłuczniowym w porównaniu np. z nawierzchnią bezpodsypkową. Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań nawierzchni kolejowej z kompozytu tłuczniowego ułożonej na odcinku CMK. Badania obejmowały okres od Przedstawiono zmiany wskaźnika syntetycznej oceny stanu toru oraz wartości odchyleń standardowych nierówności pionowych i poziomych pośrednio charakteryzujące odkształcenia warstwy podsypki. Dodatkowo przedstawiono wstępną identyfikację kosztów nawierzchni kolejowej na potrzeby przeprowadzenia analizy LCC. Słowa kluczowe: Nawierzchnia kolejowa, kompozyt tłuczniowy, geosiatka, stabilizacja chemiczna, KDP The conditions for selection of the track structure for high speed lines in Poland Abstract The article presents the results of the tests track structure with crashed stone composite on an experimental section of the CMK. The study covered the period from It also presents changes in the Quality Index result and changes in the standard deviation for vertical and horizontal track irregularities provides an indirect description of ballast bed deformation. Additionally presents the preliminary identification of the cost of the tract structure for the purpose of LCC. Keywords: Track structure, crashed stone composite, geogrid chemical stabilized, High Speed Lines LITERATURA [1] Basiewicz T., Towpik K., Gołaszewski A., Kukulski J. Nawierzchnia kolejowa z kompozytem tłuczniowym ocena narastania nierówności odkształcenia w eksploatacji. Wydawnictwo Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji PIB. Infraszyn Zakopane [2] Design of new lines for speeds of km/h. State of the art, Report UIC, Paris [3] Feasibility study ballastless track, Raport UIC, Paris [4] PN-EN :2005 Zarządzanie niezawodnością. Część 3-3. Przewodnik zastosowań - Szacowanie kosztu cyklu życia [5] PN-EN 50126: Zastosowania kolejowe -- Specyfikacja niezawodności,dostępności, podatności utrzymaniowej i bezpieczeństwa. [6] Towpik K. Koleje dużych prędkości - infrastruktura drogi kolejowej. Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa Logistyka 4/2015