KRAŚKIEWICZ Cezary 1 Konstrukcja nawierzchni na kolejach dużych prędkości WSTĘP W ostatnich latach można zaobserwować znaczny rozwój sieci kolei dużych prędkości (w skrócie KDP). Jest on spowodowany dążeniem do skracania czasu podróży i wzrostem mobilności społeczeństw. Na sprawne działanie systemu KDP mają wpływ wszystkie jego elementy, w tym konstrukcja nawierzchni kolejowej po której porusza się tabor. Nawierzchnia kolejowa jest jednym z kluczowych elementów drogi kolejowej, która musi zapewniać bezpieczeństwo, odpowiedni komfort i czas podróży. Podstawową funkcją konstrukcji nawierzchni kolejowej jest przejęcie oddziaływań od poruszającego się taboru i przekazanie ich na podtorze. Ze względu na materiał z którego zbudowana jest główna warstwa nośna i kształtująca układ geometryczny toru konstrukcję nawierzchni kolejowej dzieli się na: podsypkową, tj. taką, w której warstwa ta jest wykonana z podsypki tłuczniowej; oraz bezpodsypkową, tj. taką, w której warstwa ta jest wykonywana bez zastosowania podsypki (zwykle w postaci podbudowy betonowej). 1. NAWIERZCHNIA PODSYPKOWA Nawierzchnia podsypkowa stanowi podstawowe rozwiązanie na kolejach dużych prędkości w większości państw, ale n. p. w Chinach podstawową konstrukcją nawierzchni na KDP są nawierzchnie bezpodsypkowe. Podsypkowe nawierzchnie są tanie i łatwe w montażu oraz umożliwiają stosunkowo łatwą naprawę. Charakteryzują się wyższymi kosztami utrzymania (głównie ze względu na konieczność regulacji położenia toru przez podbijanie podkładów) od nawierzchni bezpodsypkowych. Utrudniają jednak ewakuację pasażerów w tunelach i przejazd pojazdów ratowniczych w sytuacjach awaryjnych. W przypadku KDP podczas przejazdu taboru z prędkościami rzędu 280 km/h i większymi dochodzi do niekorzystnego zjawiska podrywania ziaren tłucznia kamiennego z górnej warstwy podsypki. W opracowaniu Centrum Naukowo Technicznego Kolejnictwa (obecnie Instytutu Kolejnictwa) [3] za podstawowe rozwiązanie konstrukcyjne nawierzchni dla KDP przyjęto nawierzchnię podsypkową. Standardowe wymiary typowego przekroju poprzecznego normalnego dwutorowej linii KDP pokazano na rysunku 1 (przekrój ten nie jest pełnym przekrojem konstrukcyjnym). Rys. 1. Typowy przekrój poprzeczny normalny linii KDP dwutorowej na odcinku prostym na nasypie / w wykopie [3] 1 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej, Instytut Dróg i Mostów; 00-637 Warszawa, Al. Armii Ludowej 16. c.kraskiewicz@il.pw.edu.pl 3266
Hiszpania posiada obecnie największą sieć KDP w Europie, której budowę rozpoczęto stosunkowo niedawno. Dlatego też hiszpańskie przepisy dotyczące KDP powinny najlepiej odpowiadać aktualnemu stanowi wiedzy i doświadczeniu zdobytym w eksploatowaniu tych linii na świecie. Ponadto polskie standardy dotyczące linii KDP oraz studium budowy linii Y są opracowywane przez hiszpańskie firmy. Można więc przypuszczać, że polskie i hiszpańskie przepisy dotyczące KDP będą ze sobą w większości zbieżne. Dlatego też zasadnym wydaje się być podanie również wymagań stosowanych w Hiszpanii (ADIF). W Hiszpanii (ADIF) dla nowych linii dużych prędkości jest wymagane spełnienie następujących wymagań: Podsypka - Przy użyciu warstwy podsypki uzyskuje się przechyłkę toru na łuku przy zachowaniu minimalnej grubości tej warstwy wynoszącej 0,35 m pod podkładem. Pochylenie skarpy tej warstwy ma typową proporcję 1:1,5. Podtorze - Dla przekroju normalnego linii dwutorowej warstwa ochronna (stanowiąca wprawdzie część podtorza kolejowego, ale powiązana konstrukcyjnie z nawierzchnią kolejową) posiada grubość 0,3 m i pochylenie 5 % z obu stron (tzw. przekrój daszkowy). Na odcinkach jednotorowych warstwa ta ma identyczną grubość i spadek, ale jednostronne pochylenie poprzeczne. Pochylenie skarpy tej warstwy ma proporcję 1:2. Dla przekroju normalnego linii dwutorowej górna warstwa podtorza posiada pochylenie 5 % z obu stron (tzw. przekrój daszkowy) o zmiennej grubości w przedziale 0,4 0,6 m. Na odcinkach jednotorowych warstwa ta ma identyczną grubość i spadek, ale jednostronne pochylenie poprzeczne. Pochylenie skarpy tej warstwy ma proporcję 1:2. 2. NAWIERZCHNIA BEZPODSYPKOWA Współczesne trendy w rozwoju układu geometrycznego i konstrukcji dróg kolejowych są związane z dążeniem do zwiększenia trwałości konstrukcji i ograniczenia kosztów utrzymania. Ze względu na podwyższoną trwałość i związane z tym obniżone koszty utrzymania oraz rzadsze czasowe zamknięcia szlaków, konstrukcje bezpodsypkowe stają się coraz częściej stosowanym rozwiązaniem. W sytuacjach awaryjnych umożliwiają sprawną ewakuację pasażerów oraz przejazd pojazdów ratowniczych (np. w tunelach). Koszt budowy linii o bezpodsypkowej konstrukcji nawierzchni jest wprawdzie droższy od konstrukcji podsypkowej, ale wydatki te zwracają się w miarę użytkowania w wyniku niższych nakładów na utrzymanie. Nawierzchnia bezpodsypkowa musi być wykonana z należytą starannością, gdyż ewentualne późniejsze poprawki lub naprawy są bardzo utrudnione, a często wręcz nie możliwe. Obecnie nawierzchnie bezpodsypkowe są coraz powszechniej stosowane w konstrukcji nawierzchni na obiektach mostowych, stacjach, w tunelach i w rozjazdach. Niestety przepisy nie nadążają za obecnym tempem rozwoju w dziedzinie nawierzchni bezpodsypkowych. W polskich przepisach brak jest zróżnicowania wymagań technicznych uwzględniających różnice pomiędzy konstrukcjami podsypkowymi i bezpodsypkowymi. Należy krytycznie ocenić powszechną praktykę przenoszenia wymagań odpowiednich dla konstrukcji podsypkowych do bezpodsypkowych. Przykładem tego zjawiska jest rozkład (rozstaw) podpór w rozjazdach z nawierzchnią bezpodsypkową, przyjmowany obecnie na podstawie wytycznych dla nawierzchni podsypkowych. Charakter pracy nawierzchni bezpodsypkowej jest zdecydowanie różny od pracy nawierzchni podsypkowej. Nawierzchnia bezpodsypkowa ma stałą sztywność podbudowy i zmienną części stalowej. Dla zapewnienia jednorodnych warunków pracy elementów konstrukcji stalowej (zwłaszcza szyn) oraz jednorodnych warunków oddziaływań pomiędzy pojazdem i torem na odcinkach o różnej konstrukcji nawierzchni (np. w rozjazdach i na obiektach inżynierskich), należy dostosowywać odpowiednio warunki podparcia szyn do charakterystyk konstrukcyjnych nawierzchni. Wymaganie to można spełniać regulując sztywność podparcia szyn za pomocą elementów sprężystych (np. podkładek z elastomerów), albo zmieniając rozstaw podpór szynowych (przytwierdzeń). 3267
Brak przepisów dotyczących szczegółowych wymagań dla nawierzchni bezpodsypkowych i przyjmowanie do ich projektowania przepisów stworzonych dla nawierzchni podsypkowych prowadzi często do przewymiarowania rozjazdów i niepotrzebnego zwiększenia kosztów inwestycyjnych. Taka sytuacja miała miejsce na linii nr 8 w tunelu prowadzącym do stacji Warszawa Lotnisko Chopina, gdzie w podwójnym połączeniu torów za pomocą czterech rozjazdów i jednego skrzyżowania torów zastosowano system EBS stosując rozkład podpór szynowych według zasad przyjętych dla rozjazdów na podsypce. Problem zróżnicowania wymagań technicznych uwzględniających różnice pomiędzy konstrukcjami podsypkowymi i bezpodsypkowymi powinien być przedmiotem odrębnych analiz. Informacje na temat możliwości zastosowania bezpodsypkowych konstrukcji nawierzchni kolejowej w rozjazdach dla KDP można znaleźć w pracy [2]. 2.1. System RHEDA 2000 Ruszt torowy zatopiony w płycie betonowej jest to jedno z najstarszych rozwiązań konstrukcji bezpodsypkowej zastosowane po raz pierwszy w Niemczech na stacji Rheda na linii Hannover Hamm w 1972 r. Przez kolejne lata rozwiązanie to ulegało licznym modyfikacjom, aż do uzyskania ostatecznej formy systemu RHEDA 2000 pokazanej na rysunku 2. Składa się on z dwublokowych podkładów B355 połączonych podwójną kratownicową belką wykonaną z prętów zbrojeniowych. Podkłady te łączy się z tokami szynowymi w ruszt torowy pokazany na rysunku 3 i po odpowiedniej regulacji w pionie i poziomie oraz po ułożeniu zbrojenia podłużnego wylewa się betonową płytę o wymiarach szer. 2,80 x wys. 0,24 m. System ten jest dopuszczony do stosowania w Polsce i posiada opracowane warunki techniczne wykonania i odbioru [5]. Rys. 2. Płyta betonowa wykonana na miejscu budowy z podkładami system RHEDA 2000. Wymiary w mm [6] Rys. 3. Wykonywanie płyty betonowej na miejscu budowy z podkładami dwublokowymi B355 system RHEDA 2000 [8] 3268
Na świecie wybudowano już kilka linii KDP z zastosowaniem tego systemu n.p. w: Niemczech linie Hannover Berlin, Erfurt Halle / Leipzig, Köln Rhine / Main; Holandii na linii HSL - ZUID Amsterdam Rotterdam i dalej do granicy z Belgią; Hiszpanii na linii Madryt - Valladolid (Tunel Guadarrama, Tunel San Pedro), linii Madyt Barcelona (Tunel Sant Joan Despí); Tajwanie na linii Taipei Kaohsiung; Chinach na linii Wuhan Guangzhou (V max = 350 km/h). Przykład zastosowania systemu RHEDA 2000 w Niemczech na linii Köln - Frankfurt pokazano na rysunku 4. System ten zastosowano także na Tajwanie, na linii Taipei Kaohsiung pokazanej na rysunku 5. Rys. 4. System RHEDA 2000 na linii Köln Frankfurt (stacja Limburg Süd) w Niemczech [zdjęcie własne] Rys. 5. System RHEDA 2000 na linii Taipei Kaohsiung na Tajwanie [6] 2.2. System EBS W systemie tym szyny są przytwierdzone do pojedynczych betonowych bloków podporowych zabudowanych w prefabrykowanych gniazdach betonowych lub kompozytowych przy użyciu trwale sprężystej masy zalewowej, co pokazano na rysunku 6. Dwuskładnikowa żywiczna masa zapewnia trwałe i sprężyste mocowanie bloków podporowych w gnieździe. System ten często jest wykorzystywany w tunelach i na stacjach. Przykład zastosowania systemu EBS w tunelu prowadzącym do stacji Warszawa Lotnisko Chopina na linii kolejowej nr 8 pokazano na rysunku 7. Natomiast przykład tego systemu na stacji Warszawa Lotnisko Chopina na linii kolejowej nr 8 pokazano na rysunku 8. Rozróżniane są dwa warianty systemu EBS: LR (ang. Light Rail; pol. lekka kolej) stosowana dla maksymalnych nacisków osi do 160 kn i prędkości pociągów Vmax 140 km/h, HR (ang. Heavy Rail, pol. ciężka kolej) stosowana dla maksymalnych nacisków osi do 245 kn i prędkości pociągów Vmax 250 km/h. 3269
Rys. 6. Blokowa podpora szynowa w otulinie z prefabrykowanym gniazdem betonowym systemu EBS Tines. Oznaczenia: 1 - otulina bloku podporowego (masa zalewowa Edilon Corkelast), 2 - prefabrykowane gniazdo betonowe, 3 - betonowy blok podporowy, 4 - dybel śrubowy, 5 - prowadnica kątowa, 6 - przekładka podszynowa, 7 - łapka sprężysta, 8 śruba, 9 szyna, 10 - sprężysta podkładka wibroizolacyjna. Wymiary w mm [1] Rys. 7. Nawierzchnia systemu EBS w tunelu prowadzącym do stacji Warszawa Lotnisko Chopina na linii kolejowej nr 8 [zdjęcie własne] Rys. 8. Nawierzchnia systemu EBS na stacji Warszawa Lotnisko Chopina na linii kolejowej nr 8 [zdjęcie własne] 3270
Rozwiązanie to w zupełności spełnia wymagania stawiane kolejom dużych prędkości (do 350 km/h). Rozwiązanie to zastosowano m.in. na linii dużych prędkości w Hiszpanii. System ten jest dopuszczony do stosowania w Polsce i posiada opracowane warunki techniczne wykonania i odbioru [7]. 2.3. System FFB Nawierzchnia bezpodsypkowa z prefabrykowanych płyt z betonu sprężonego systemu FFB firmy Max Bögl Group znajduje coraz szersze zastosowanie dla KDP. Płyta o wymiarach 6,45 x 2,55 x 0,2 m jest wykonana z betonu C45/55 (B 55) i poprzecznie sprężona. Została ona pokazana na rysunku 9. Segment pokazany na rysunku 10 posiada długość nominalną 6,50 m i składa się z 10 podpór blokowych w rozstawie 0,65 m. Sąsiadujące ze sobą w torze płyty są łączone ze sobą za pomocą gniazd łączących, które po wykonaniu zbrojenia połączonego ze zbrojeniem płyty są zalewane betonem. W tym systemie powstały nawierzchnie na nowej linii Pekin Tiencin (Vmax = 350 km/h) pokazanej na rysunku 11, a także na linii ICE Norymberga - Ingolstadt w Niemczech (Vmax = 300 km/h) pokazanej na rysunku 12. Rys. 9. Nawierzchnia z prefabrykowanych płyt żelbetowych systemu FFB. Oznaczenia: 1 warstwa mrozoodporna (FSS), 2 betonowa warstwa nośna (BTS), warstwa stabilizowana asfaltem(ats) lub warstwa stabilizowana hydraulicznie (HTG) (d = 0,30 m), 3 podlewka z masy zalewowej, 4 prefabrykowana płyta nawierzchni, 5 zaprojektowane niepełne dylatacje, 6 przytwierdzenie szyny, 7 - otwór do wykonania podlewki z masy zalewowej, 8 połączenie podłużne, 9 łącznik stalowy prefabrykowanych płyt, 10 połączenie konstrukcyjne prefabrykowanych płyt [4] Rys. 10. Prefabrykowana płyta żelbetowa systemu FFB - segment. Wymiary: długość 6,45 m, szerokość 2,55 m, wysokość 0,20 m [4] 3271
Rys. 11. Nawierzchnia systemu FFB na linii Pekin Tiencin w Chinach [4] Rys. 12. Nawierzchnia systemu FFB na linii Norymberga - Ingolstadt w Niemczech [4] 2.4. System GETRAC Nawierzchnia systemu GETRAC charakteryzuje się podkładami betonowymi ułożonymi bezpośrednio na podbudowie z betonu asfaltowego. Podkłady są mocowane do podbudowy za pomocą specjalnych gniazd kotwiących w środku podkładu. Betonowe bloki kotwiące umieszczane w gniazdach podkładów i górnej warstwie podbudowy asfaltowej przenoszą siły podłużne i poprzeczne z toru na podbudowę zachowując jego stałe położenie. Pomiędzy powierzchnią dolną podkładu a górną podbudowy asfaltowej znajduje się warstwa geosyntetyku w celu równomiernego przekazywania sił i unikania koncentracji naprężeń w narożach. Warstwa geosyntetyku jest montowana do podkładu jeszcze w zakładzie prefabrykacji. Ruszt torowy może być przykryty tłuczniem dla zapewnienia izolacji termicznej. Istnieją dwa rodzaje systemu GETRAC: A1 (standardowy) ze strunobetonowymi podkładami B 316 W60/54 o długości 2,60 m, powierzchnią przekazywania obciążeń 6870 cm 2 i masą ok. 380 kg, którego dwie odmiany pokazano na rysunkach 13 i 14; A3 (do istniejących tuneli z ograniczoną skrajnią) ze strunobetonowymi podkładami BBS 3 W60/54 o długości 2,40 m, powierzchnią przekazywania obciążeń 10280 cm 2 i masą ok. 560 kg, którego dwie odmiany pokazano na rysunkach 15 i 16. W systemie GETRAC A3 istnieje bardziej równomierne przekazywanie obciążeń, a co za tym idzie mniejsze wartości naprężeń w podbudowie asfaltowej, która jest praktycznie całkowicie przykryta przez podkłady. GETRAC A1 znajduje głównie zastosowanie na szlaku, a GETRAC A3 głównie w tunelach. Przykład zastosowania systemu GETRAC A1 na szlaku pokazano na rysunku 17, a przykład zastosowania systemu GETRAC A3 w tunelu pokazano na rysunku 18. 3272
Rys. 13. Nawierzchnia w systemie GETRAC A1 z wymienionym podłożem o E 45 N/mm 2 i grubości d = 0,6 m i dwiema warstwami podbudowy z asfaltu o łącznej grubości d = 0,35 m [6] Rys. 14. Nawierzchnia w systemie GETRAC A1 z wymienionym podłożem o E 45 N/mm 2 i grubości d = 0,5 m, hydraulicznie związaną warstwą o grubości 0,3 m i dwiema warstwami podbudowy z asfaltu o łącznej grubości d = 0,2 m [6] Rys. 15. Nawierzchnia w systemie GETRAC A3 z wymienionym podłożem o E 45 N/mm 2 i grubości d = 0,6 m i dwiema warstwami podbudowy z asfaltu o łącznej grubości d = 0,3 m [6] 3273
Rys. 16. Nawierzchnia w systemie GETRAC A3 z wymienionym podłożem o E 45 N/mm 2 i grubości d = 0,5 m, hydraulicznie związaną warstwą o grubości 0,3 m i dwiema warstwami podbudowy z asfaltu o łącznej grubości d = 0,15 m [6] Rys. 17. Nawierzchnia w systemie GETRAC A1 na szlaku [6] Rys. 18. Nawierzchnia w systemie GETRAC A3 w tunelu. [6] WNIOSKI Rozbudowana i sprawna sieć kolei dużych prędkości jest jednym ze sposobów na poprawę atrakcyjności kolei wśród podróżnych jako środka transportu zwłaszcza na dużych odległościach. Polska jest krajem, który prowadzi aktualnie wieloletnie programy modernizacyjne, przystosowujące infrastrukturę i tabor do zwiększonych prędkości (nawet do 230 km/h). W planach jest także budowa nowej linii Y oraz przedłużenie Centralnej Magistrali Kolejowej. Polska, jako państwo z aspiracjami posiadania sieci KDP, powinna czerpać z doświadczeń państw, które już posiadają taką sieć i eksploatują ją od wielu lat. Aktualne trendy rozwojowe w dziedzinach układu geometrycznego i konstrukcji dróg kolejowych wymuszają zwiększenie trwałości, ograniczenie kosztów utrzymania i zmniejszenie czasów podróży poprzez zwiększenie prędkości jazdy. 3274
Linie dużych prędkości mogą być budowane z nawierzchnią podsypkową lub bezpodsypkową, a głównym czynnikiem decyzyjnym są trwałość konstrukcji oraz koszty budowy i utrzymania. Streszczenie W referacie omówiono stosowane obecnie na kolejach dużych prędkości rodzaje konstrukcji nawierzchni kolejowej z podziałem na nawierzchnie podsypkowe i bezpodsypkowe. Rozwiązaniem najbardziej powszechnym i najtańszym na etapie budowy nowej linii jest podsypkowa konstrukcja nawierzchni. Charakteryzuje się ona koniecznością okresowego wykonywania regulacji położenia toru (zwiększone koszty eksploatacyjne), utrudnieniami w ruchu (zamknięcia szlaków na czas robót) i utrudnioną ewakuacją oraz dojazdem służb ratowniczych w sytuacjach awaryjnych. Większą uwagę w referacie poświęcono konstrukcjom bezpodsypkowym, których stosowanie staje się coraz bardziej powszechne w krajach takich jak n. p. Chiny i Niemcy. Bezpodsypkowa konstrukcja nawierzchni kolejowej charakteryzuje się wyższymi nakładami początkowymi (kosztami budowy), ale za to niższymi nakładami na eksploatację w porównaniu do podsypkowej. Ponadto umożliwia ewakuację pasażerów i przejazd pojazdów ratunkowych w sytuacjach awaryjnych. Z tych powodów nawierzchnie bezpodsypkowe są coraz powszechniej stosowane w konstrukcji nawierzchni na obiektach mostowych, stacjach, w tunelach i w rozjazdach. W referacie przedstawiono następujące systemy bezpodsypkowej konstrukcji nawierzchni kolejowej: RHEDA 2000,EBS Edilon)(Sedra, FFB Max Bögl oraz GETRAC. Construction of surface of the high-speed railways Abstract This paper presents types of the railway surface constructions which are currently used for high-speed railways showing division into ballasted and ballastless tracks. The ballasted track system is the most popular and cheapest conventional railway track structure during construction of the new railway line. It is characterized by necessity of periodic track adjustments (increased maintenance costs), traffic disruptions (track closures because of track works) and difficulties in evacuating and to reach access roads by emergency services in case of emergency. More attention in this paper was devoted to ballastless tracks. The use of them is getting more common in countries like China and Germany. Ballastless track construction of railway way are characterized by higher early spendings (costs of the construction), but the maintenance costs are lower in comparison with ballasted track construction. Furthermore, it enables to evacuate passengers and emergency services to pass in case of emergency. Due to this ballastless tracks are getting more commonly used for surface constructions on bridges, stations, turnouts and in tunnels. The following ballastless track systems of the railway surface construction were presented in this paper: RHEDA 2000, EBS Edilon)(Sedra, FFB Max Bögl and GETRAC. BIBLIOGRAFIA 1. Edilon)(Sedra, Prospekty firmy, http://www.edilonsedra.com/frame/?url=http://www.tines.pl. 2. Kraśkiewicz C., Uwarunkowania w projektowaniu rozjazdów na kolejach dużych prędkości. Praca dyplomowa. Biblioteka Wydziału Inżynierii Lądowej, Warszawa 2012. 3. Massel A., Rojek A., Koleje dużych prędkości na świecie. Tendencje rozwojowe i wnioski dla Polski. Centrum Naukowo Techniczne Kolejnictwa. Prezentacja multimedialna, Krzyżowa 2009. 4. Max Bögl Group, Prospekty firmy, http://max-boegl.de/en/track-technologies/ffb-slab-tracksystem-boegl/. 5. RAIL.ONE, Warunki techniczne wykonania i odbioru nawierzchni bezpodsypkowej systemu RHEDA 2000. Warszawa 2010. 6. RAIL.ONE GmbH, Prospekty firmy, http://www.railone.com/en/main-nav/products/railways-andcommuter-traffic/ballastless-track-systems.html. 7. Tines, Warunki techniczne wykonania i odbioru szynowych podpór blokowych. System EBS. Warszawa 2009. 8. Wikipedia.org, http://pl.wikipedia.org. 3275