Seminarium IBDiM i PZWFS - Warszawa, 7 marca 2019 WZMACNIANIE PODŁOŻA I FUNDAMENTOWANIE 2019 1 Jarosław KRĄŻELEWSKI Marcin POMIERNY Keller Polska Sp. z o.o. Doświadczenia z realizacji wzmocnienia podtorza linii kolejowej E20 za pomocą technologii wibrowymiany i DSM (Deep Soil Mixing) 1. Wprowadzenie Modernizacja infrastruktury kolejowej prowadzona na terenie całego kraju przez PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. ma na celu zwiększenie dostępności, atrakcyjności i niezawodności transportu kolejowego. Wiąże się to między innymi z przystosowaniem podtorza do wyższych niż dotychczas parametrów eksploatacyjnych (maksymalnej prędkości oraz nacisków osiowych i liniowych). Zwiększenie prędkości rozkładowych oraz dopuszczalnego nacisku osiowego pociąga za sobą konieczność modernizacji istniejących nasypów, ich rozbudowy lub poprowadzenia trasy kolejowej po nowym śladzie. W wielu przypadkach, aby umożliwić bezpieczną i bezawaryjną eksploatację linii, konieczne jest wykonanie wgłębnego wzmocnienia podtorza przy wykorzystaniu specjalistycznych metod geotechnicznych. W ramach niniejszego referatu przedstawiono doświadczenia z realizacji wzmocnienia podtorza linii kolejowej E20 za pomocą kolumn wykonywanych metodą wibrowymiany oraz w technologii DSM. 2. Linia kolejowa E20 Modernizacja magistrali E20 pomiędzy Warszawą a Poznaniem jest jedną z ważniejszych inwestycji kolejowych prowadzonych obecnie przez PKP PLK w Polsce. Po realizacji projektu zwiększą się możliwości przepustowe linii, co w efekcie pozwoli na przejazd znacznie większej liczby pociągów na dobę. Usprawni to ruch zarówno regionalny jak i międzyregionalny. Odcinek ten to część większej trasy łączącej Morze Północne z Bałtykiem, który wchodzi w skład kolejowego korytarza nr II (Sochaczew Żychlin E 20 i Skierniewice Łowicz Główny C-E 20), który stanowi fragment II Paneuropejskiego Korytarza. To jeden z 10 priorytetowych europejskich korytarzy towarowych, który w Polsce stanowi część Transeuropejskiej Sieci Transportowej (TEN-T). Linie te są objęte Umowami AGC i AGTC, które zakładają prędkość dla pociągów pasażerskich 160 km/h, a dla pociągów towarowych 120 km/h oraz dopuszczalny nacisk osi 221 kn. Ze względu na znaczną długość odcinek ten został podzielony na 3 kontrakty realizacyjne, wynikające z podziału na odcinki zdefiniowane kilometrem linii poszczególnych LCS: Kontrakt A2 - (LCS Łowicz) odcinek Sochaczew - Żychlin od km 60,500 do km 109,000 oraz odcinek Skierniewice - Łowicz Główny od km 17,000 do km 22,038, Kontrakt B1 (LCS Kutno) odcinek Żychlin - Barłogi od km 109,000 do km 172,000, Kontrakt B2 (LCS Konin) odcinek Barłogi Swarzędz od km 172,00 do km 290,000. Na rys. 1 przedstawiono realizowany obecnie odcinek Sochaczew Swarzędz wraz z podziałem na poszczególne kontrakty realizacyjne. Rys.1. Odcinek linii kolejowej E20 Sochaczew Swarzędz wraz z podziałem na kontrakty realizacyjne (www.poznan-warszawa.pl)
2 Jarosław Krążelewski, Marcin Pomierny Doświadczenia z realizacji wzmocnienia podtorza linii kolejowej E20 za pomocą technologii wibrowymiany i DSM (Deep Soil Mixing) 3. Warunki techniczne dla podtorza kolejowego Modernizacja istniejących linii lub budowa nowych wymaga zastosowania rozwiązań technicznych, które w efekcie ich zastosowania zapewnią wymagany poziom bezpieczeństwa. Zgodnie z zarządzeniem Zarządu PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. z dnia 4 maja 2009 r. wprowadzono do stosowania warunki techniczne utrzymania podtorza kolejowego Id-3 [1], dla podtorza na kolejach normalnotorowych użytku publicznego, na których eksploatowana jest nawierzchnia konwencjonalna (szyny, podkłady, podsypka) w następujących warunkach: prędkość pociągów pasażerskich v 250 km/h i pociągów towarowych v 120 km/h, naciski osi taboru nie większe niż 221 kn (22,5t), z dopuszczeniem na danej linii do 5% przewozów z naciskami nie przekraczającymi 245 kn (25t). Powyższe warunki techniczne określają warunki utrzymania podtorza, zasady sprawowania nadzoru, wykonywania przeglądów, planowania i wykonywania napraw, a także kontroli jakości i wykonywania robót. Zgodnie z powyższymi wytycznymi, podłoże torowe należy projektować przy założeniu trwałości równej 100 lat, przy czym jeżeli podtorze ma spełniać funkcje wymagające trwałości większej, np.: funkcje hydrotechniczne, to należy to uwzględnić. W związku, z powyższym współczynnik pewności F dotyczący stateczności podtorza i jego elementów powinien wynosić co najmniej: F 2,0 dla podtorza nowoprojektowanego i dobudowywanego, F 1,5 w eksploatacji, F 1,3 bezpośrednio po naprawie podtorza, Dodatkowo prognoza osiadania budowanego i dobudowywanego podtorza powinna obejmować wartości osiadania w eksploatacji oraz ocenę możliwości usuwania skutków tego osiadania poprzez regulację położenia torów (ocena wg. PN-81/B-03020 [2]). Jeżeli nie określono innych wymagań, dopuszczalną różnicę osiadania torowiska należy przyjmować równą 4mm/rok, na długości 30m lub 10mm/rok na długości 200m. 4. Opis technologii wgłębnego wzmocnienia nasypu kolejowego W przypadku modernizacji linii kolejowych dobór optymalnej metody wgłębnego wzmocnienia powinien uwzględniać szereg czynników. Podstawowe znaczenie ma tutaj możliwość zastosowania danej technologii z uwzględnieniem ograniczeń wynikających ze sposobu realizacji inwestycji kolejowych. W Polsce większość projektów realizowana jest przy utrzymaniu ruchu kolejowego. Dlatego prace budowlane (w tym również specjalistyczne) wykonywane są w taki sposób, że jeden tor jest modernizowany, a na drugim odbywa się bieżący ruch pociągów. Taki sposób realizacji inwestycji ogranicza możliwość zastosowania niektórych technologii wgłębnego wzmocnienia (np. metody udarowe), które mogłyby mieć negatywny wpływ na infrastrukturę kolejową. Kolejnym czynnikiem, który należy uwzględnić dobierając technologię wzmocnienia podtorza są warunki gruntowe występujące w podłożu pod nasypem kolejowym i stan techniczny samego nasypu oraz z jakich materiałów został on zbudowany. Warto w tym miejscu wspomnieć, że polska sieć kolejowa w swoim zasadniczym kształcie pochodzi z okresów zaborów. Powstałe w tym czasie linie kolejowe nie zawsze były dwutorowe. Rozbudowa o drugi tor w kolejnych latach sprawiła, że nasyp kolejowy w przekroju poprzecznym może składać się z diametralnie różnych materiałów. Biorąc pod uwagę tego typu prace, zrealizowane zarówno na rynku krajowym jak i zagranicznym, należy stwierdzić, że kluczowym czynnikiem jest również logistyka związana z możliwością dostarczenia materiałów wykorzystywanych w danej technologii wzmocnienia. Mając na uwadze opisane powyżej czynniki, wymagania projektowe oraz ekonomię całości rozwiązania na przedmiotowych odcinkach linii kolejowej E20 za najbardziej optymalne przyjęto w danych warunkach gruntowych wzmocnienie wgłębne podtorza za pomocą kolumn wykonywanych metodą wibrowymiany oraz w technologii DSM. Kolumny żwirowe (KSS) i żwirowo-betonowe (KSS/FSS) wykonywane są w technologii wibrowymiany za pomocą wibratora wgłębnego z wewnętrznym, tzn. śluzowym podawaniem materiału, przy wspomaganiu transportu kruszywa lub betonu sprężonym powietrzem. Podawanie materiału odbywa się przez kosz zasypowy, poruszający się wzdłuż masztu specjalnej palownicy (Fot. 1). W pierwszej fazie wibrator wypełnia się kruszywem i pogrąża w podłoże przy udziale wibracji i docisku maszyny. Po osiągnięciu głębokości projektowej następuje formowanie stopy z kruszywa w gruncie nośnym, czemu towarzyszy dodatkowe dogęszczenie rodzimych gruntów piaszczystych lub przyspieszona konsolidacja nawodnionych gruntów spoistych. W drugiej fazie następuje
Seminarium IBDiM i PZWFS - Warszawa, 7 marca 2019 WZMACNIANIE PODŁOŻA I FUNDAMENTOWANIE 2019 3 formowanie trzonu kolumny w obrębie gruntów słabych, wymagających wzmocnienia. W tym celu do wibratora wsypuje się od góry, przez zamykaną śluzę, kruszywo lub beton (dla kolumn KSS/FSS). W trakcie podciągania wibratora materiał wypływa spod jego ostrza przy udziale sprężonego powietrza i wypełnia przestrzeń zwolnioną przez wibrator. Ponowne zagłębienie wibratora rozpycha materiał na boki i zwiększa efektywną średnicę kolumny. Posuwisto-zwrotny ruch wibratora kontynuowany jest na całej długości kolumny. W trzeciej, końcowej fazie, ponownie podaje się kruszywo, co pozwala uformować żwirową głowicę kolumny, która zapewnia podatny charakter podparcia nasypu torowiska. W trakcie formowania trzonu średnica kolumny dostosowuje się do podatności bocznej gruntu i wynosi ok. 0,6 m do 0,8 m, tzn. w gruntach słabych jest większa, a w gruntach bardziej wytrzymałych mniejsza. Dodatkowym efektem, jaki towarzyszy formowaniu trzonu kolumny, jest poprawienie parametrów mechanicznych otaczającego gruntu. Istotną cechą opisanej technologii wykonania kolumn jest dostosowanie długości każdej kolumny do rzeczywistego przebiegu nośnych warstw gruntu w podłożu dzięki ciągłej rejestracji oporu penetracji wibratora w podłoże gruntowe. Fot. 1. Palownica wykonująca kolumny w technologii wibrowymiany. W przypadku modernizacji podtorza dużą zaletą jest możliwość wykonania żwirowej głowicy powyżej betonowego trzonu kolumny, która zapewnia zachowanie podatnego charakteru pracy konstrukcji torowiska.
4 Jarosław Krążelewski, Marcin Pomierny Doświadczenia z realizacji wzmocnienia podtorza linii kolejowej E20 za pomocą technologii wibrowymiany i DSM (Deep Soil Mixing) Wgłębne mieszanie gruntu DSM (tj. Deep Soil Mixing) polega na wprowadzeniu w podłoże mieszadła o specjalnej konstrukcji, składającego się z jednej lub dwóch żerdzi wiertniczych, belek poprzecznych i dysz iniekcyjnych. Wiercenie odbywa się bez wstrząsów i jest wspomagane wypływem zaczynu cementowego z tzw. monitora, znajdującego się na końcu żerdzi wiertniczej. Po osiągnięciu głębokości założonej w projekcie, następuje faza formowania kolumn DSM, których średnica wynosi zazwyczaj 60 cm dla dwóch belek mieszających lub 80 cm do max. 240 cm dla 1 belki mieszającej. W tym czasie obracane i podciągane do góry mieszadło zapewnia równomierne wymieszanie zaczynu z gruntem. Dla zapewnienia homogeniczności kolumny na całej jej długości proces pogrążania i podciągania mieszadła powtarza się kilkukrotnie, a prędkość obrotową i prędkość posuwu mieszadła dostosowujemy do warunków gruntowych. Skład i ilość pompowanego zaczynu cementowego dostosowuje się do wymaganych właściwości cementogruntu. Technologia DSM jest przyjazna dla środowiska ze względu na stosowanie nieszkodliwych materiałów oraz wyróżnia się małymi ilościami urobku. Prosta w założeniu metoda, wymaga jednak zarówno poprawnego zaprojektowania [11,13], jak również nowoczesnych maszyn (Fot. 2) oraz ścisłej bieżącej kontroli wykonania robót. Fot. 2. Palownica wykonująca kolumny DSM. Dużą zaletą technologii DSM jest możliwość wykonywania robót w odległości nawet 1,5 km od zaplecza produkcyjnego, gdzie wytwarzany jest zaczyn cementowy, skąd jest pompowany do odległej wiertnicy wykonującej kolumny. Pozwala to realizować prace na trudno dostępnych odcinkach linii kolejowych, np. w lasach, gdzie brakuje infrastruktury drogowej i/lub występują ograniczenia w wykonaniu tymczasowych dróg technologicznych.
Seminarium IBDiM i PZWFS - Warszawa, 7 marca 2019 WZMACNIANIE PODŁOŻA I FUNDAMENTOWANIE 2019 5 5. Rozpoznanie podłoża gruntowego W celu określenia współczynnika stateczności oraz określenia osiadania podłoża torowiska konieczne jest określenie parametrów gruntu, które przyjmuje się na podstawie badań geologicznych. Zgodnie z wytycznymi Igo-1 [4], należy wykonać badania geologiczne, które oprócz wierceń badawczych będą jeszcze składały się dodatkowo z sondowań w ilości nie mniejszej niż 50% ogólnej liczny punktów dokumentacyjnych. Rozstaw punktów dokumentacyjnych oraz ich ilość dla drogi kolejowej uzależnione są od etapu projektowego np.: koncepcja lub projekt budowlany, od rodzaju linii kolejowej (linia nowoprojektowana, linia istniejąca) a także od stopnia skomplikowania warunków gruntowych. W tabeli 1 poniżej przedstawiono max. rozstaw punktów dokumentacyjnych dla etapu projektu budowlanego oraz dla linii istniejącej zgodnie z [4]. Tabl. 1. Rozstaw punktów dokumentacyjnych dla drogi kolejowej etap projektu budowlanego. Linia istniejąca. Zwraca się uwagę, że zwykle badania geologiczne na etapie projektu budowlanego wykonane są w rozstawach od 50 m do 100 m. Po wykonaniu takich badań i przeanalizowaniu geologii zwykle istnieje konieczność uszczegółowienia badań geologicznych na pewnych obszarach. Najczęściej wykonuje się to poprzez zagęszczenie punktów badawczych oraz wykonanie bardziej precyzyjnych badań geologicznych np.: sondowania statyczne CPTU, sondowania ścinające FVT, czy pobranie próbek gruntu do szczegółowych badań laboratoryjnych. Na rys. 2, 3 i 4 przedstawiono przykładowe odcinki profilu podłużnego z dokumentacji geologiczno - inżynierskiej, z lokalizacją badań co 100 m, na których natrafiono na występowanie gruntów słabonośnych w postaci piasku gliniastego przewarstwionego piaskiem drobnym w stanie miękkoplastycznym (IL=0,60) rys.2., nasypów niebudowlanych w stanie luźnym (Id=0,26) rys.3., oraz pyłów piaszczystych w stanie plastycznym (IL=0,46) rys. 4. W takim przypadku zaprojektowano uszczegółowiające badania w postaci sondowań CPTU co 25m, na podstawie których określono zakres występowania gruntów słabonośnych oraz parametry wytrzymałościowo odkształceniowe. Na ich podstawie dobrano odpowiednią do istniejących warunków gruntowych technologię wzmocnienia podtorza za pomocą: a) kolumn żwirowo-betonowych KSS/FSS (rys.2), b) kolumn żwirowych KSS (rys.3) oraz c) za pomocą kolumn DSM (rys.4).
6 Jarosław Krążelewski, Marcin Pomierny Doświadczenia z realizacji wzmocnienia podtorza linii kolejowej E20 za pomocą technologii wibrowymiany i DSM (Deep Soil Mixing) Rys. 2. Wycinek z przekroju geologicznego z lokalizacją występowania gruntów słabonośnych, wzmocnionych za pomocą kolumn żwirowo-betonowych KSS/FSS. Rys. 3. Wycinek z przekroju geologicznego z lokalizacją występowania gruntów słabonośnych, wzmocnionych za pomocą kolumn żwirowych KSS. Rys. 4. Wycinek z przekroju geologicznego z lokalizacją występowania gruntów słabonośnych, wzmocnionych za pomocą kolumn DSM.
Seminarium IBDiM i PZWFS - Warszawa, 7 marca 2019 WZMACNIANIE PODŁOŻA I FUNDAMENTOWANIE 2019 7 6. Rozwiązanie projektowe A. Kolumny wykonywane w technologii wibrowymiany W zależności od warunków gruntowych oraz wysokości nasypów kolumny wzmocnienia KSS/FSS rozmieszczono w regularnej siatce o boku od 1,8 do 2,2 m w dwóch oraz trzech rzędach. Długości kolumn wynosiły od około 3,0m do 10,0 m i zostały dostosowano do warunków gruntowych, przy założeniu penetracji wibratora co najmniej 1 m w grunty nośne. Przykładowy schemat rozmieszczenia kolumn oraz przekrój poprzeczny zamieszczono na rys. 5 i 6. Rys. 5. Schemat rozmieszczenia kolumn KSS/FSS z głowicą żwirową Ø60 cm wraz z wrysowaną maszyną wykonującą wzmocnienie oraz skrajnią toru sąsiedniego. Rys. 6. Typowy przekrój poprzeczny przez nasyp kolejowy wzmocniony kolumnami KSS/FSS z głowicą żwirową Ø60 cm.
8 Jarosław Krążelewski, Marcin Pomierny Doświadczenia z realizacji wzmocnienia podtorza linii kolejowej E20 za pomocą technologii wibrowymiany i DSM (Deep Soil Mixing) W celu optymalnego wzmocnienia podłoża gruntowego założono, że kruszywo do wykonywania kolumn wibrowymiany będzie spełniało wymagania przedstawione w tabeli 2. Wytrzymałość betonu ubijalnego do wykonania trzonu kolumny żwirowo-betonowej KSS/FSS przyjęto w klasie C8/10 S1. Minimalna zawartość cementu w mieszance betonowej wynosiła 250kg/m 3. Tab. 2. Bazowy skład mieszanki kruszywa Skład mieszanki Uziarnienie: - frakcja 8 32 (40) mm, - frakcja 0-8 mm, przy czym: - frakcja piaskowa 0-2 mm, - frakcja pylasta 0-0,075 mm, Wymagania 35 % 10 % 60 % 10 % < 35% 10% < 10% Kąt tarcia wewnętrznego nie mniejszy od: 35º B. Kolumny wykonywane w technologii DSM W zależności od warunków gruntowych oraz wysokości nasypów zaprojektowano kolumny DSM Ø60 cm wykonywane podwójnym padlem mieszającym i rozmieszczone w siatce 1,2 m w kierunku poprzecznym oraz w rozstawie od 1,8 do 2 m w kierunku podłużnym. Długości kolumn, dostosowywano do warunków gruntowych i przy założeniu zagłębienia co najmniej 1 m w grunty nośne wynosiły od ok. 4,0 m do 9,5 m. W miejscach gdzie zostały zaprojektowane wykopy pod sieć odwodnieniową, zaprojektowano kolumny DSM zbrojone kształtownikami stalowymi od IPE 80 do IPE 160 ze stali S355, w celu zabezpieczenia ich przed połamaniem na etapie wykonywania robót ziemnych. Przykładowy schemat rozmieszczenia kolumn oraz przekrój poprzeczny zamieszczono na rys. 7 i 8. Rys. 7. Schemat rozmieszczenia kolumn DSM Ø60 cm wraz z wrysowaną maszyną wykonującą wzmocnienie oraz skrajną toru sąsiedniego.
Seminarium IBDiM i PZWFS - Warszawa, 7 marca 2019 WZMACNIANIE PODŁOŻA I FUNDAMENTOWANIE 2019 9 Rys. 8. Typowy przekrój poprzeczny przez nasyp kolejowy wzmocniony kolumnami DSM Ø60 cm. 7. Przygotowanie miejsca prac przed przyjazdem specjalistycznego sprzętu W rejonie projektowanych wzmocnień przed rozpoczęciem specjalistycznych robót, należy wykonać rozpoznanie saperskie oraz przekopy kontrolne w celu lokalizacji uzbrojenia podziemnego (jest to weryfikacja lokalizacji sieci ujętych w projekcie, a także określenie położenia ewentualnych sieci, które nie zostały uwzględnione na planie). Kolejną bardzo ważną rzeczą jest odpowiednie zabezpieczanie miejsca robót, szczególnie przy ruchu pojazdów kolejowych po torze czynnym z prędkością V 100 km/h. Sposób zabezpieczenia toru sąsiedniego wpływa również na projektowanie wzmocnienia. Wytyczne zabezpieczenia miejsc robót na torze zamkniętym opisano w opracowaniu [5]. Najczęściej zabezpieczenie wykonuje się przez zastosowanie barierek ochronnych montowanych do szyn (fot.3). W takim przypadku, podczas projektowania wzmocnienia nasypu kolejowego, konieczne jest uwzględnienie skrajni toru czynnego, lokalizacji barierek ochronnych oraz możliwości technologicznych maszyny wykonującej wzmocnienie. Zaleca się podczas wykonywania projektu wrysowanie na rzucie nasypu kolejowego skrajni toru czynnego oraz skrajnych wymiarów maszyny wykonującej wzmocnienie, w celu uniknięcia problemów na etapie realizacji robót. Na rys. 5 i 7 przedstawiono przykładowy schemat rozmieszczenia kolumn KSS/FSS oraz kolumn DSM wraz z wrysowaną skrajnią toru czynnego oraz maszyną wykonującą wzmocnienie. Fot. 3. Platforma robocza zabezpieczona barierkami ochronnymi.
10 Jarosław Krążelewski, Marcin Pomierny Doświadczenia z realizacji wzmocnienia podtorza linii kolejowej E20 za pomocą technologii wibrowymiany i DSM (Deep Soil Mixing) Dodatkowo konieczne jest odpowiednie przygotowanie platformy roboczej zgodnie z wymaganiami projektowymi. W ramach przedmiotowych kontraktów zaprojektowano wykonanie kolumn ze stabilnego poziomu roboczego, umożliwiającego pracę ciężkiego sprzętu budowlanego w każdych warunkach pogodowych (wymagane jest usunięcie przeszkód występujących podłożu np. starych podkładów czy fundamentów). Parametry platformy roboczej powinny wynosić: E V2 50 MPa oraz I O = E V2/E V1 3,0. W przypadku niespełnienia powyższych wymogów należy wykonać dodatkowe wzmocnienie podłoża gruntowego np.: za pomocą odpowiedniej warstwy kruszywa. Platformy robocze wraz z drogami dojazdowymi i wjazdami na wzmacniany nasyp muszą umożliwiać pracę ciężkiego sprzętu w każdych warunkach pogodowych. Szerokość wjazdów i dróg dojazdowych dla palownicy powinna wynosić min. 6,0 m, wysokość 3,5 m. Maksymalne nachylenie rampy wjazdowej nie powinno przekraczać 1:4. 8. Kontrola robót Sprawdzanie jakości robót wykonywanych w technologii wybrowymiany polega na bieżącej kontroli formowania kolumn na podstawie automatycznej rejestracji parametrów produkcyjnych (m.in.: zagłębienie w podłoże, ilość zużytego materiału, opór gruntu na podstawie pomiaru natężenia prądu i czas wykonania) wykonywania kolumn urządzeniem pomiarowo-rejestrującym zamontowanym w palownicy. Rejestrowane parametry pozwalają na bieżące śledzenie jakości wykonywanych robót i spełnienie warunku wymaganego zagłębienia kolumny w grunty nośne oraz osiąganego zagęszczenia trzonu kolumny. Poza bieżącą kontrolą wykonania każdej kolumny po ich realizacji we wskazanych przez Inspektora lokalizacjach sprawdza się również ciągłości i zagęszczenia kolumn żwirowych KSS (lub głowic z kruszywa kolumn KSS/FSS) za pomocą sondowań dynamicznych. Wytrzymałość betonu na ściskanie zastosowanego do wykonania betonowej części kolumn żwirowo-betonowych (KSS/FSS) sprawdza się w normowych badaniach na próbkach sześciennych. Sprawdzanie jakości robót wykonywanych w technologii DSM polega również na bieżącej kontroli formowania kolumn. W czasie wykonywania kolumn kontrolowane są parametry produkcyjne, takie jak: długość kolumny DSM, czas wykonania, przebieg procesu mieszania (liczba cykli), prędkość obrotowa mieszadła, prędkość posuwu mieszadła, ilość pompowanego zaczynu cementowego, gęstość zaczynu cementowego. Parametry te pozwalają na bieżące śledzenie jakości wykonywanych robót i spełnienie warunku wymaganego zagłębienia kolumny w grunty nośne. W czasie realizacji robót ze świeżo wykonanych kolumn DSM pobierane są próbki do badań laboratoryjnych wytrzymałości cementogruntu na ściskanie. W razie konieczności ze stwardniałych kolumn DSM pobiera się próbki rdzeniowe do dodatkowych badań wytrzymałościowych. Efektywność procesu mieszania gruntu ze spoiwem ma kluczowe znaczenie dla jednorodności i wytrzymałości wewnętrznej kolumn DSM. Do zapewnienia niezbędnej energii mieszania konieczne jest automatyczne kontrolowanie wskaźnika BRN (Blade Rotation Number), który określa całkowitą liczbę obrotów belki mieszającej na jeden metr bieżący kolumny. Zależność opisująca wskaźnik BRN przedstawia poniższa formuła: Gdzie: BRN = ƩM (R p/v p + R w/v w) n [liczba obrotów / metr kolumny] BRN wskaźnik wymieszania [liczba obrotów / metr kolumny], ƩM liczba aktywnych belek mieszających (belka o długości równej średnicy kolumny liczy się podwójnie), R p prędkość obrotowa mieszadła w fazie penetracji [obr/min], V p prędkość liniowa penetracji mieszadła [m/min], R w prędkość obrotowa mieszadła w fazie wyciągania [obr/min] V w prędkość liniowa wyciągania mieszadła [m/min], n liczba pełnych cykli mieszania góra-dół.
Seminarium IBDiM i PZWFS - Warszawa, 7 marca 2019 WZMACNIANIE PODŁOŻA I FUNDAMENTOWANIE 2019 11 Dla każdej z realizacji i charakterystycznych dla niej rejonów zalegania wzmacnianych gruntów należy indywidualnie określić wymagany wskaźnik wymieszania BRN. W tym celu należy rozpocząć prace określając wskaźnik BRN wg wartości w poniższej tabeli 3. Obserwując homogeniczność (jednorodność) mieszaniny gruntu ze spoiwem należy weryfikować założoną wartość BRN. Tabl. 3. Zalecane minimalne wartości wskaźnika wymieszania BRN Minimalny wskaźnik wymieszania BRN Rodzaj gruntu [liczba obrotów/metr kolumny] Torfy 600 Namuły organiczne 500 Iły 450 Gliny 430 Pyły 400 Piaski 350 9. Realizacja wzmocnienia wgłębnego na linii kolejowej E20 Firma Keller Polska realizuje prace na dwóch odcinkach: LSC Łowicz (od grudnia 2017 r.) oraz LSC Konin (od września 2017 r.), wykonując wzmocnienia nasypu kolejowego (fot.4 i fot.5), posadowienia obiektów inżynierskich oraz wykonując zabezpieczenie wykopów. Powyższe prace wykonywane były z wykorzystaniem 4 technologii (kolumny żwirowe KSS, kolumny żwirowo-betonowe KSS/FSS, kolumny DSM oraz kolumny rozpychające), dobierając odpowiednio technologię robót do warunków geologicznych, obciążeń oraz możliwości technicznych wykonania. W sumie pod nasyp kolejowy zaprojektowano i wykonano ok. 16 000 kolumn KSS/FSS Ø60cm oraz kolumn DSM Ø60cm. Ponadto firma Keller Polska wykonała dodatkowo ok 1 300 kolumn rozpychających pod wiadukt kolejowy oraz jego dojazdy. Ze względu na znaczne wymagania dotyczące kruszywa (tableli 2) było ono transportowane do miejsca prac z kopalni granitu znajdujących się na terenie Dolnego Śląska. Dostawa kruszywa odbywała się transportem kolejowym do miejsca wykonania prac lub na bocznice kolejowe znajdujące się na szlaku linii. Docelowa lokalizacja dostawy uzależniona była od warunków prowadzenia robót na modernizowanej linii (zamknięcia jedno lub dwutorowe, place składowe przy torze itp.). Zakładany termin zakończenia prac przez firmę Keller Polska dla odcinka LCS Konin spodziewany jest na koniec lutego 2019 r. oraz dla odcinka Łowicz na koniec kwietnia 2019 r. Fot. 4. Przykład realizacji kolumn DSM Ø60 cm na podwójnym padlu mieszającym.
12 Jarosław Krążelewski, Marcin Pomierny Doświadczenia z realizacji wzmocnienia podtorza linii kolejowej E20 za pomocą technologii wibrowymiany i DSM (Deep Soil Mixing) Fot. 5. Przykład realizacji kolumn KSS/FSS Ø60 cm. 10. Podsumowanie i wnioski Po wykonaniu dokumentacji projektowej [6,7] i realizacji znacznej części zakresu robót związanych ze wzmocnieniem podtorza kolejowego na przedmiotowych odcinkach modernizowanej linii kolejowej E20 oraz w oparciu o wieloletnie doświadczenia z realizacji prac na innych liniach kolejowych w kraju i zagranicą (opisanych w publikacjach [8, 9, 10, 12, 14]) można sformułować następujące wnioski: A. Rozpoznanie podłoża gruntowego wykonywane w oparciu o Wytyczne badań podłoża gruntowego dla potrzeb budowy i modernizacji infrastruktury kolejowej Igo-1 [4] znacząco poprawiło sytuację jakości dokumentacji geologicznych dołączanych do nowo ogłaszanych przetargów. Zwiększyła się liczba i jakość badań oraz głębokość rozpoznania podtorza oraz podłoża pod nowe nasypy, co daje możliwość poprawnego zaprojektowania wgłębnych wzmocnień w lokalizacjach, które tego wymagają. B. Brakuje wytycznych lub katalogu zalecanych technologii wgłębnego wzmocnienia dedykowanych do modernizacji podtorza kolejowego szczególnie w sytuacji remontu torowiska przy konieczności utrzymania bieżącego ruchu pociągów. Dlatego w rozwiązaniach projektowych nie rzadko pojawiają się technologie, które pomimo tego, że zostały poprawnie dobrane pod względem geotechnicznym i ekonomicznym nie mogą zostać zastosowane na budowie np. z uwagi na zbyt duże niszczące oddziaływanie na istniejącą infrastrukturę kolejową (niezbędną do prowadzenia ruchu pociągów). W takim przypadku w trakcie realizacji inwestycji konieczne jest przyjęcie technologii zamiennej, a to zasadniczo wpływa na czas realizacji całej inwestycji.
Seminarium IBDiM i PZWFS - Warszawa, 7 marca 2019 WZMACNIANIE PODŁOŻA I FUNDAMENTOWANIE 2019 13 C. Technologia wzmocnienia słabego podłoża za pomocą wibrowymiany już 25 lat temu została oficjalnie wprowadzona przez Niemieckie Koleje do katalogu zalecanych rozwiązań technicznych. Doświadczenia z realizacji opisanego w niniejszym referacie odcinka linii kolejowej E20 oraz większość wcześniejszych realizacji świadczą, że technologia wibrowymiany dobrze spisuje się również podczas modernizacji infrastruktury kolejowej w kraju. Dużą zaletą technologii jest możliwość wykształcenia głowicy z kruszywa, która zapewnia podatny charakter konstrukcji torowiska. Wykonanie w prosty sposób takiej podatnej głowicy na kolumnach żwirowo-betonowych (KSS/FSS) o określonej głębokości (lub zastosowanie wyłącznie kolumn żwirowych KSS) sprawia, że możemy w płynny sposób połączyć odcinki wzmocnienia wgłębnego np. z obiektami inżynierskimi posadowionymi na palach lub z odcinkami, które wgłębnego wzmocnienia nie wymagają. Dodatkową zaletą w przypadku zastosowania kolumn żwirowych KSS w przypadku modernizacji podtorza jest możliwość dostarczenia kruszywa koleją bez konieczności budowy dróg serwisowych. D. Technologia DSM była najczęściej stosowaną metodą wgłębnego wzmocnienia podtorza podczas modernizacji linii kolejowej nr 91 na odcinku Kraków Rzeszów. W latach 2013-2016 firma Keller Polska wykonała w ramach tej inwestycji ok. 180 km kolumn w technologii DSM. Do wykorzystania tej technologii skłoniła Zamawiających między innymi możliwość realizacji wgłębnego wzmocnienia bez konieczności wykonywania dróg serwisowych oraz korzystny stosunek ceny do jakości i objętości wzmocnienia. A modernizacja linii kolejowej E30 na południu Polski to tylko jeden z wielu przykładów zastosowania tej technologii, która jest przyjazna dla środowiska z uwagi na stosowanie nieszkodliwych materiałów, a jej wykonanie odbywa się praktycznie bez wstrząsów. E. Decydujący wpływ na jakość wykonanych prac ma doświadczenie Wykonawcy w realizacji danej technologii i kontrola jakości robót. Z tego względu Zamawiający powinien powierzyć wykonawstwo specjalistycznych robót geotechnicznych Wykonawcy legitymującemu odpowiednim doświadczeniem i referencjami, jak również zapewnić profesjonalny nadzór i bieżącą kontrolę robót.
14 Jarosław Krążelewski, Marcin Pomierny Doświadczenia z realizacji wzmocnienia podtorza linii kolejowej E20 za pomocą technologii wibrowymiany i DSM (Deep Soil Mixing) Literatura: [1] Warunki techniczne utrzymania podtorza kolejowego Id-3. PKP Polskie Linie Kolejowe S.A., Warszawa, 2009r. [2] PN-81/B 03020 Grunty Budowlane. Posadowienie bezpośrednie budowli. Obliczenia statyczne i projektowanie. [3] PN-EN-1991-2 (Eurokod 1) Oddziaływania na konstrukcje, Część 2: Obciążenia ruchome mostów. [4] Wytyczne badań podłoża gruntowego dla potrzeb budowy i modernizacji infrastruktury kolejowej Igo-1. PKP Polskie Linie Kolejowe S.A., Warszawa, 2016r. [5] Wytyczne zabezpieczenia miejsca robót wykonywanych na torze zamkniętym podczas prowadzenia ruchu pojazdów kolejowych po torze czynnym z prędkością V 100km/h. Id-18. PKP Polskie Linie Kolejowe S.A., Warszawa, 2010r. [6] Projekt wzmocnień nasypu kolejowego w ramach zadania inwestycyjnego Projekt Wykonawczo - Technologiczny. Modernizacja (przebudowa) linii kolejowej E20 na odcinku Warszawa Poznań pozostałe roboty, odcinek Sochaczew Swarzędz prace przygotowawcze - linia kolejowa dwutorowa zelektryfikowana. LCS Konin Linia kolejowa nr 3 (E20) Warszawa Zachodnia Kunowice km: 172,00 km 291,620. [7] Projekt wzmocnień nasypu kolejowego w ramach zadania inwestycyjnego Projekt Budowlany. Modernizacja (przebudowa) linii kolejowej E20 na odcinku Warszawa Poznań pozostałe roboty, odcinek Sochaczew Swarzędz prace przygotowawcze - linia kolejowa dwutorowa zelektryfikowana. LCS Łowicz Linia kolejowa nr 3 (E20) Warszawa Zachodnia Kunowice km:60,500 km 109,00. [8] TOPOLNICKI M., ŚWINIAŃSKI J.: Wzmacnianie podłoża gruntowego linii kolejowych metodą wibrowymiany i wgłębnego zagęszczania, Sem. "Geotechnika w Budownictwie i Inżynieria Środowiska" [9] ŚWINIAŃSKI J., TURCZYN K.: Zastosowanie iniekcji wspomaganej mechanicznie (DSM) i stabilizacji do wzmocnienia podłoża na odcinku Szymankowo Lisewo linii kolejowej E 65, Ogólnopolska Konferencja Naukowo-Techniczna, Żmigród - Węglewo, 22-23.10.2009. [10] TEŻYK S.: Wzmocnienie podłoża gruntowego pod nasypy kolejowe za pomocą kolumn żwirowych i żwirowo-betonowych, na przykładzie remontu i modernizacji linii kolejowej E65 na odcinku Ciechanów-Mława, Przegląd komunikacyjny 11/2012. [11] TOPOLNICKI M.: Dobra praktyka stosowania i projektowania wgłębnego mieszania gruntu na mokro (DSM), XXXII Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, Wisła, 7-10.03.2017. [12] POMIERNY M.: Zastosowanie technologii DSM do wzmocnienia podłoża modernizowanej linii kolejowej nr 91 Kraków-Rzeszów, Rynek Kolejowy 10/2017. [13] TOPOLNICKI M., POSŁAJKO M., KRĄŻELEWSKI J., ŻÓŁTOWSKI K., TOPOLEWICZ K.: Posadowienie obiektów mostowych na podłożu wzmocnionym metodą wgłębnego mieszania gruntu na mokro (DSM), Mosty 5/2017. [14] POMIERNY M., KOZIARSKI T.: Kompleksowe wzmocnienie podtorza na odcinku linii kolejowej pomiędzy Katowicami, a Krakowem. GDMT 04/2018.