KONCEPCJE PRZEBUDOWY WIADUKTU KOLEJOWEGO PODDANEGO WPŁYWOM EKSPLOATACJI GÓRNICZEJ

A R C H I W U M I N S T Y T U T U I N Ż Y N I E R I I L Ą D O W E J NR 5 ARCHIVES OF INSTITUTE OF CIVIL ENGINEERING 2009 KONCEPCJE PRZEBUDOWY WIADUKTU KOLEJOWEGO PODDANEGO WPŁYWOM EKSPLOATACJI GÓRNICZEJ Piotr BĘTKOWSKI* *) Zakład Mostów Politechniki Śląskiej 1. WSTĘP W referacie opisano problemy związane z eksploatacją pewnego wiaduktu kolejowego położonego na terenach eksploatacji górniczej. Znaczne deformacje terenu wymusiły wielokrotne podnoszenie wiaduktu oraz miały wpływ na jego zły stan techniczny. Dalsza planowana eksploatacja złóż pod obiektem wiąże się z koniecznością jego przebudowy lub wymiany. W referacie omówiono trzy koncepcje przebudowy/wymiany wiaduktu bez dłuższych niż 3 dni przerw w ruchu kolejowym na obiekcie. Problemy opisane w referacie są typowe dla terenów górniczych, a zaproponowane rozwiązania mają w dużej części charakter uniwersalny i mogą pomóc w rozwiązywaniu podobnych problemów. 2. CHARAKTERYSTYKA ISTNIEJĄCEGO WIADUKTU Przedmiotowy wiadukt jest konstrukcją żelbetową, jednoprzęsłową, swobodnie podpartą (Rys.1). Rozpiętość wiaduktu w świetle wynosi 10,35 m. Wysokość w świetle wynosi 8,15 m. Rys. 1. Wiadukt od strony północnej

52 Piotr Bętkowski Ustrój nośny stanowią 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. Klasa obciążenia k=+2 [1]. Linia nie jest zelektryfikowana. Przęsło wiaduktu oparte jest na żelbetowych przyczółkach. 3. WPŁYW EKSPLANTACJI GÓRNICZEJ NA OBECNY STAN WIADUKTU Przedmiotowy wiadukt wybudowano w 1961 roku. Eksploatacja pod wiaduktem prowadzona jest od 1974 roku. W latach 1979-1985 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 1987-1994 o 0,19 m. W latach 1994-2003 przyczółki zbliżyły się o dalsze 0,2 m. Zwiększyły się również wychylenia przyczółków i przed podniesieniem niwelety drogi wynosiły 0,12 m dla przyczółka zachodniego i 0,14 m dla przyczółka wschodniego. W latach 1985-1994 wiadukt osiadł o 5 m. W latach 1994-2003 obiekt osiadł o dalsze 4 m. [2] Na reperze zastabilizowanym we wschodnim przyczółku przedmiotowego wiaduktu stwierdzone pomiarami niwelacyjnymi obniżenia w okresie od 01.08.1972 do 14.11.2008 r. wyniosły 13,42 m. [3] Wiadukt był wielokrotnie podnoszony wraz z przyległymi torami. Rektyfikacja polegała na podnoszeniu przęsła żelbetowego. Podpory podnoszono przez dobudowanie elementów prefabrykowanych, powiązanych ze sobą betonem. Takie połączenie nigdy nie będzie w pełni zmonolityzowane. Niekorzystne jest pochylenie do wewnątrz ścian wiaduktu spowodowane parciem gruntu wysokiego nasypu. Ściana czołowa przyczółka (ścianki żwirowe) jest stale podnoszona i rośnie napór na tę ścianę. Może to skutkować przesuwaniem przyczółków i ich obrotem (utrata stateczności). Dodatkowe skrępowanie przyczółków przez głębokie posadowienie (ulica pod wiaduktem została podniesiona o 5 m w 2001 roku) jest niekorzystne dla konstrukcji. 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 mostem o około 5 m. W roku 2003 dobudowano skrzydła płytowo-kątowe posadowione na mikropalach (pierwotnie skrzydła były równoległe do nasypu). 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).

Koncepcje przebudowy wiaduktu kolejowego 53 Zły stan techniczny przęsła jest m.in. następstwem wielokrotnego podnoszenia wiaduktu i zakleszczenia przęsła na skutek zbliżania się przyczółków [3]. Widoczne jest zniszczenie otuliny, wielokierunkowe pęknięcia. 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. Duże braki otuliny, widoczne jest zbrojenie płyty pomostu. (Rys.2). Rys. 2. Uszkodzenia przęsła w strefie podporowej 4. PRZEBUDOWA WIADUKTU W KONTEKŚCIE PLANOWANEJ EKSPLOATACJI GÓRNICZEJ 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 przekracza 17 %0. Ze względu na kategorię linii wartość ta nie może być większa niż 10 %0. Na dzień dzisiejszy trzeba podnieść wiadukt o min 2,84 m, co przy obecnie stosowanej technologii jest niemożliwe (m.in. z względu na brak możliwości przenoszenia przez przyczółki dodatkowego parcia gruntu). Konieczne jest szybkie podniesienie niwelety. W tym celu wykonana będzie konstrukcja odciążająca. Konstrukcja ta spełniałaby funkcję tymczasową w celu doraźnego podwyższenia niwelety torów.

54 Piotr Bętkowski Aktualne oceny skutków planowanej eksploatacji górniczej złóż pod wiaduktem sięgają do 2020 roku. W latach 2009-2020 osiadanie wyniesie 3,33 m. Zakres koniecznych do wykonania robót dla zrealizowania niwelety o założonych spadkach wymagać będzie sumarycznego podniesienia przedmiotowego wiaduktu o 6,17 m. Docelowo do 2014 roku (do 2014 osiadania wyniosą 0,1 m, w latach 2014-2020 3,23 m) konieczna jest przebudowa lub wymiana wiaduktu. 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 pod ulicą, a na pewnej wysokości ponad pierwotnym poziomem posadowienia. 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). W przypadku wszystkich trzech wariantów rozwiązania techniczne podano przy niwelecie toru na wiadukcie podniesionej w stosunku do aktualnego poziomu o 3 m. Jest to stan, który na 2014 roku zapewnia prawidłowe spadki (do 10 %0 na linii kolejowej). 5. WARIANT W1 WYMIANA ŻELBETOWEGO PRZĘSŁA NA STALOWE Pierwszą naturalną propozycją jest wykorzystanie do maksimum elementów istniejącego wiaduktu, ograniczając maksymalnie zakres robót. Istniejące przęsło żelbetowe jest w złym stanie technicznym. Jego remont jest nieopłacalny. Ponadto ciężkie, kruche przęsło sprawia kłopoty przy podnoszeniu wiaduktu. Dlatego przewidziano wymianę przęsła na stalowe. Ciężar przęsła wpływa korzystnie na stateczność przyczółków na przesuw (przyczółki przysunęły się do siebie o ok. 40 cm od 1974 roku). Dlatego przed demontażem przęsła żelbetowego należy połączyć rozporą ściany czołowe przyczółków na obecnym poziomie ulicy pod wiaduktem (zapewni to stateczność na przesuw). Należy również podnieść o 3 m poziom ulicy pod wiaduktem (poprawi to stateczność przyczółków na obrót).

Koncepcje przebudowy wiaduktu kolejowego 55 Samo podniesienie ulicy pod wiaduktem nie zapewni właściwej stateczności przyczółków. Przyczółki pochylają się do wewnątrz. Należy wykonać kotwy, 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) minimum o 3 m. 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. 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, bez dodatkowych badań zwiększyć ciężar ściany czołowej przyczółka (np. podnieść jej wysokość). Rys. 3. Przekrój poprzeczny nowego przęsła stalowego

56 Piotr Bętkowski Rys. 4. Widok/przekrój z boku

Koncepcje przebudowy wiaduktu kolejowego 57 6. WARIANT W2 WYMIANA ŻELBETOWEGO PRZĘSŁA NA STALOWE, CZĘŚCIOWA WYMIANA PRZYCZÓŁKÓW Alternatywą do poprzedniego rozwiązania jest wymiana przęsła na stalowe oraz częściowe rozebranie (rozkucie) przyczółków. Wybudowane zostaną nowe ściany czołowe przyczółków dostosowane do przeniesienia parcia gruntu związanego z podnoszeniem nasypu. Nowe stalowe przęsło wiaduktu zostało opisane w punkcie poprzednim. Przebudowa ścian czołowych przyczółków bez przerw w ruchu na linii kolejowej jest możliwa dzięki konstrukcji odciążającej. Konstrukcja ta będzie wykona ze stali, ma długość 30 m i posadowiona jest na oczepie wykonanym na palach przechodzących przez nasyp. Stare ściany czołowe mają szerokość 5 m (od czoła). Obok nich znajdują się wybudowane w 2003 nowe skrzydła. 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. [4] Rys. 5. Przekrój w osi toru po rozkuciu fragmentu przyczółków 7. WARIANT W3 NOWY WIADUKT Z BLACH FALISTYCH Elementem newralgicznym poprzednich wariantów jest konieczność kosztownych i pracochłonnych podnoszeń wiaduktu powodujących przerwy w ruchu, wymagających specjalistycznego sprzętu i uzyskania pozwoleń na budowę.

58 Piotr Bętkowski Ideałem byłaby zastosowania takiej konstrukcji, która umożliwia podnoszenie toru na wiadukcie wg takiej samej technologii jak na nasypie ( tj. przez podbicie toru). Zaproponowana zastała konstrukcja z blach falistych [5, 6]. Na Rys. 6 pokazano schemat wiaduktu z blach typu MultiPlate, na Rys. 7 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. Przed zdjęciem starego przęsła należy podnieść poziom ulicy pod wiaduktem o 3 m. Poprawi to stateczność istniejących ścian przyczółków. Rys. 6. Schemat wiaduktu z blach typu MultiPlate Rys. 7. Schemat wiaduktu z blach typu SuperCor 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. 7) łatwiej można równomiernie zagęścić grunt, co w przypadku konstrukcji z blach podatnych jest ważne.

Koncepcje przebudowy wiaduktu kolejowego 59 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. W przypadku przedmiotowego wiaduktu przerwa między eksploatacją kolejnych pokładów węgla wynosi minimum pół roku. Powłoka z blach 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. Przekrój poprzeczny w kluczu wiaduktu dla takiego rozwiązania pokazano na Rys. 8. Rys. 8. Minimalny przekrój poprzeczny po podniesieniu niwelety o 3 m (rok 2014) Możliwość rektyfikacji (tj. podniesienie toru i nasypu) dla tego przekroju wiąże się z poszerzeniem wiaduktu przez dodanie blach. Celowe jest przy projektowaniu wykorzystanie prognoz górniczych uwzględniających zamierzenia kopalni do 2020 roku. Przekrój poprzeczny z uwzględnieniem osiadań i możliwości podnoszenia toru przez podbudowę (do 2020 roku) pokazano na Rys. 9. W przypadku przedmiotowego wiaduktu warstwa naziomu jest stosunkowo gruba. Spowodowane jest to m.in tym, że powłoka z blach ma być wykonana pod konstrukcją odciążającą (aby nie było przerw w ruchu kolejowym). Grubość naziomu wyniesie początkowo 1,5 m (w 2014 roku) i wzrośnie do 4,7 m (w 2020 roku) - Rys. 10. Zwiększenie wysokości nasypu nie powoduje proporcjonalnego wzrostu obciążenia z powodu tzw. efektu przesklepienia. Jeśli grubość warstwy gruntu nad konstrukcją jest odpowiednio duża, to na pewnej głębokości siły ciężkości

60 Piotr Bętkowski i siły tarcia się równoważą i grunt zalegający powyżej poziomu równowagi nie będzie naciskał na konstrukcję [6]. Rys. 9. Zalecany przekrój poprzeczny po podniesieniu niwelety o 3 m (rok 2014) Rys. 10. Zalecany przekrój poprzeczny po podniesieniu niwelety o 6,2 m (rok 2020) Górnicze deformacje terenu prowadzą w przypadku przedmiotowego wiaduktu do spełzania gruntu. Na skutek spełzania gruntu pojawiają się siły ściskające, które są korzystne dla zaproponowanego rozwiązania. Groźne dla tego typu konstrukcji są rozpełzania podłoża. Rozpełzaniom podłoża przeciwdziała znaczna wysokość naziomu prowadząca do powstania sił ściskających w gruncie i tworzenia się coraz grubszego (wraz z podnoszeniem niwelety toru) sklepienia gruntowego. Przedstawiony wariant jest na razie w fazie koncepcji po wykonaniu szczegółowych analiz może pojawić się konieczność dodatkowego sprężenia powłoki. Zapotrzebowanie kopalń na tego typu obiekty jest tu czynnikiem korzystnym, ponieważ istnieje możliwość uzyskania środków na zdalny monitoring konstrukcji, a tym samym pogłębienie wiedzy o zachowaniu się konstrukcji z blach podatnych w sytuacji dużych (liniowych i ciągłych) deformacji terenu. Wiadukt jest bardzo szeroki, narażony na wpływy górnicze, szczególnie nierównomierne przyrosty wartości poszczególnych wskaźników na przeciwległych (patrząc po przekątnej) końcach. Najbardziej niekorzystne jest działanie frontu skośnego, przechodzącego pod kątem 45 do osi wiaduktu. Dlatego najlepszym metodą przeciwdziałania utracie stateczności blachy konstrukcyjnej SuperCor jest prowadzenie eksploatacji pod wiaduktem frontem prostopadłym do osi wiaduktu. Taki sposób eksploatacji został przewidziany w zaaprobowanej

Koncepcje przebudowy wiaduktu kolejowego 61 przez odpowiedni co do miejsca Okręgowy Urząd Górniczy koncesji na eksploatację kopalin. Eksploatacja złóż węgla prowadzona jest na zawał, dostatecznie głęboko, aby nie dochodziło do nierównomiernych osiadań, takie są informacje ze strony kopalni. Jednak na terenach górniczych należy podchodzić z dużą rezerwą do problemów mechaniki górotworu celowe jest dodatkowe wzmocnienie podłoża przez zbrojenie, np. za pomocą materiałów geosyntetycznych. 8. PODSUMOWANIE Wiadukt kolejowy opisany w referacie jest w złym stanie technicznym. Stan przęsła jest zły, a stateczność przyczółków zagrożona. Zaproponowano trzy warianty (koncepcje) rozwiązań technicznych nowego wiaduktu. We wszystkich wariantach konieczne jest podniesienie ulicy pod wiaduktem o 3 m. Powoduje to konieczność przebudowy drogi na odcinku około 300 m wraz z istniejącą infrastrukturą techniczną. Dzięki zastosowaniu konstrukcji odciążającej przerwy w ruchu kolejowym podczas wymiany/przebudowy wiaduktu nie będą dłuższe niż trzy dni. W przypadku wszystkich trzech wariantów rozwiązania techniczne podano dla niwelety toru na wiadukcie podniesionej w stosunku do aktualnego poziomu o 3 m. Jest to stan, który na 2014 roku zapewnia prawidłowe spadki na linii kolejowej. Tak zmodernizowany wiadukt może bezpiecznie przyjąć wpływ eksploatacji górniczej w dalszych latach (2014-2020) z możliwością podnoszenia niwelety toru. Wariant W1, czyli wykorzystanie do maksimum istniejącej konstrukcji. Całkowity koszt realizacji wariantu oszacowano na ok. 2,8 mln zł netto. 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). Wariant W2, czyli klasyczna sprawdzona technologia podnoszenia niwelety toru. Całkowity koszt realizacji wariantu oszacowano na 3,3 mln zł netto. 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. Całkowity koszt realizacji wariantu oszacowano na ok. 3,0 mln zł netto. 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 (ścian oporowych). Na terenach górniczych w wyniku podnoszenia nasypów i ścian przyczółków rośnie parcie gruntu na te ściany [4]. Ponadto im wyższe ściany tym szybsze zmniejszanie/powiększanie się szczelin dylatacyjnych na skutek zmian krzywizny terenu [4]. Rektyfikacja toru jest najprostsza w wariancie W3, odbywa się przez podbudowę toru. W wariantach W1, W2 trzeba stosować siłowniki (podnoszenie przęsła, ścian czołowych i skrzydeł przyczółków to koszt ok. 250 tys. zł

62 Piotr Bętkowski netto). Podniesienie niwelety toru o 3,2 m do roku 2020 w wariancie W3 jest tańsze o 200 tys. zł niż w wariantach W1 i W2 (koszt 50 tys. zł netto). Wiadukt z blach SuperCor łatwo poszerzyć, w perspektywie dalszej eksploatacji górniczej po 2020 roku mimo początkowo większych kosztów (o ok. 3%) jest to rozwiązanie najtańsze i jednocześnie stwarzające najmniej problemów technicznych. Wobec powyższego, po przeanalizowaniu wszystkich trzech rozwiązań pod uwagę należy brać wariant W3 wykonanie wiaduktu z blach SuperCor. LITERATURA 1. PN-85/S-10030 Obiekty mostowe. Obciążenia. 2. 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 2003. 3. Opracowanie wariantowej koncepcji rozwiązań technicznych przebudowy węzła drogowo-mostowego, obejmującego wiadukt kolejowy nad ul. Orlą w Pniówku, układ drogowy pod wiaduktem oraz istniejącą infrastrukturę techniczną wraz z ocena kosztową. Stowarzyszenie Inżynierów i Techników, Oddział Rybnik, Rybnik, luty 2009. 4. Rosikoń A. Budownictwo komunikacyjne na terenach objętych szkodami górniczymi. Warszawa, WKŁ1979. 5. Materiały reklamowe firmy ViaCon. 6. Janusz L., Madaj A. Obiekty inżynierskie z blach falistych. Projektowanie i wykonawstwo. Warszawa, WKŁ 2007. CONCEPTIONS REBUILDING RAILWAY VIADUCT UNDER INFLUENCE OF COAL MINING Summary Some problems of exploitation the railway viaduct situated on coal mining area are described in this paper. Large deformation of surface area forced multiple picking up viaduct. They had also influence on the poor technical condition of this object. The planning exploitation of coal deposit under viaduct led into rebuilding or exchange this object. The three conceptions rebuilding/exchange the viaduct with no longer than 3 day breaks in the railway traffic was shown. Methods described in this paper are typical for coal mining area, proposed solutions are in a large part universal and might be available on solving similar problems.