Piotr BĘTKOWSKI Wydział Budownictwa Politechniki Śląskiej Ochrona obiektów budowlanych na ternach górniczych Obserwacja i naprawa dwuprzęsłowego stalowego mostu kolejowego położonego na terenach górniczych 1. LOKALIZACJA MOSTU Przedmiotowy most kolejowy położony jest w miejscowości Pawłowice nad ul. Wyzwolenia i potokiem Pawłówka. Ulica Wyzwolenia i potok krzyżują się z osią obiektu pod kątem przybliżonym do kąta prostego. Potok to niewielki ciek wodny w korycie umocnionym przez częściowe obrukowanie. Most zlokalizowany jest w km 23.449 linii PKP NR 159 Orzesze - Wodzisław Śląski, szlak Warszowice - posterunek odgałęźny Studzionka. Na moście, a właściwie na dwóch równoległych mostach, ułożone są dwa tory kolejowe jeden tor na każdym z obiektów. Linia kolejowa PKP NR 159 jest mocno obciążona. Intensywny ruch towarowy i osobowy utrudnia prowadzenie remontów na obiektach mostowych. 2. OPIS OGÓLNY OBIEKTU Rys. 1. Widok od strony zachodniej na most Most składa się z dwóch części będących odrębnymi konstrukcjami. Konstrukcje te są przyporządkowane do poszczególnych torów: pod torem Nr 1 znajduje się obiekt stalowy nitowany, pod torem Nr 2 znajduje się obiekt stalowy spawany. Każdy z obiektów wykonany jest jako dwuprzęsłowy, o dwóch swobodnych stalowych przęsłach. W każdym z przęseł można wyróżnić dwa dźwigary blachownicowe. Pomost otwarty. Podporę pośrednią (filar) i przyczółki wykonano jako betonowe. Przyczółki posadowione są wysoko na nasypie, skrzydła równoległe do osi toru. Tor nr 1 most stalowy nitowany (zachodni) Jest to starszy obiekt, wzniesiony w 1946 roku. Elementy konstrukcyjne stalowe są łączone na nity. 17
Konstrukcja mostu składa się z dwóch dłuższych przęseł głównych (23,7 m każde) i dwóch króciutkich, niższych przęsełek pośredniczących o długości całkowitej 2,0 m, wysuniętych poza blachownicę główną o 1,6 m (Rys.2). Przęsełka te ze względu na swoją małą długość, niewielką masę i sztywność nie wpływają w sposób istotny na pracę dźwigarów głównych. Łożyska na zewnętrznych końcach przęsełek pośredniczących głównie ograniczają ich ugięcia. Rys. 2. Widok na przyczółek i przęsełko pośredniczące Geometria obiektu: światło poziome: długość każdego z przęseł: światło pionowe: długość eksploatacyjna: 2 x 20,7 m (w dwóch przęsłach głównych), 26,9 m (wraz z przęsełkiem pośredniczącym), 8,15 m (nad jezdnią), ok. 60,00 m (z przyczółkami). Tor nr 2 most stalowy spawany (wschodni) Nowszy z dwóch równoległych obiektów wzniesiono w 1973 roku. Elementy konstrukcyjne stalowe są spawane. Przyczółki betonowe nowego mostu są oddylatowane od przyczółków starego obiektu. Filar (podpora pośrednia) dobudowano do filara starego mostu, pomimo szczeliny dylatacyjnej tworzy ze starym filarem jedną konstrukcję. Geometria obiektu: światło poziome: 2 x 22,5 m, długość każdego z przęseł: 27,50 m, światło pionowe: 8,20 m (nad jezdnią), długość eksploatacyjna: ok. 60,00 m (z przyczółkami). 3. EKSPLOATACJA GÓRNICZA 3.1. Eksploatacja dokonana Pomiary geodezyjne były wykonywane przez kopalnię praktycznie od początku eksploatacji złóż węgla w rejonie mostu, tj. od maja 1973 roku. Przed rokiem 1973 nie było 18
na tych terenach żadnej eksploatacji górniczej. Zmierzone osiadania od maja 1973 do lipca 2011 roku wynosiły (mocniej osiadł przyczółek północny): przyczółek północny ok. 1,9 m, przyczółek południowy ok. 1,7 m. Przemieszczenia poziome od marca 1994 do lipca 2011 roku (przed 1994 rokiem brak regularnych pomiarów odległości przyczółków): odległość przyczółków obiektu pod torem nr 1 zmalała o 51 mm (w osi toru), odległość przyczółków obiektu pod torem nr 2 zmalała o 52 mm (w osi toru). Zaobserwować można skręcanie przyczółków względem osi mostu (toru), np. odległość krawędzi przyczółka pod torem nr 2 zmalała odpowiednio o 57 mm po stronie wschodniej i o 48 mm po stronie zachodniej. Nie prowadzono pomiarów szerokości szczelin dylatacyjnych i przemieszczeń łożysk (pomimo tego, że na łożyskach są zamontowane wskaźniki przemieszczeń). 3.2. Eksploatacja planowana Prognozowane wartości wskaźników deformacji terenu (do końca 2020 roku).: Przyczółek północny (od Warszowic): w=-2,278 m, T II =-0,9 mm/m (wychylenie na kierunku osi mostu), T =-2,7 mm/m (wychylenie w kierunku prostopadłym do osi mostu), II = -2,1 mm/m (spełzania w osi mostu), = -2,4 mm/m (kierunek prostopadły do osi mostu). Filar (podpora pośrednia): w=-2,295 m, T II =-1,4 mm/m (wychylenie na kierunku osi mostu), T =-2,3 mm/m (wychylenie w kierunku prostopadłym do osi mostu), II = -2,5 mm/m (spełzania w osi mostu), = -2,6 mm/m (kierunek prostopadły do osi mostu). Przyczółek południowy: w=-2,292 m, T II =-1,9 mm/m (wychylenie na kierunku osi mostu), T =-2,2 mm/m (wychylenie w kierunku prostopadłym do osi mostu), II = -2,9 mm/m (spełzania w osi mostu), = -2,7 mm/m (kierunek prostopadły do osi mostu). Eksploatacja górnicza prowadzona jest na dużej głębokości (ok. 900 m). Ze względu na model pracy konstrukcji (stalowe przęsła o schemacie belki swobodnie podpartej, pomost otwarty, luzy na łożyskach, oddylatowane przyczółki obiektów pod sąsiednie tory) most jest odporny na wstrząsy pochodzenia górniczego. Lekkie przęsła poddane są głównie drganiom pochodzącym od taboru kolejowego (pomost otwarty). Przyjęto, że zaprojektowane zabezpieczenia powinny umożliwić bezpieczną eksploatację mostu do końca 2020 roku. 19
4. ŁOŻYSKA I SZCZELINY DYLATACYJNE 4.1 Ułożyskowanie Tor nr 1 most stalowy nitowany (zachodni) Pierwotnie wszystkie łożyska przegubowo-przesuwne ustawiono na filarze, a na przyczółkach łożyska stałe. Prawdopodobnie na skutek wychylenia filara doszło do znacznego, niebezpiecznego przesunięcia łożysk na filarze Rys. 3. Rys. 3. Łożyska przęsła zachodniego (tor nr 1) przesunięte względem osi filara W ramach działań naprawczych ok. 30 lat temu ułożyskowanie odwrócono, za sprawą odpowiedniego przekonstruowania istniejących łożysk. Funkcjonujący do chwili obecnej schemat ułożyskowania mostu wygląda następująco: na filarze łożyska stałe (dawne łożyska ruchome, jednokierunkowe dwuwałkowe, aktualnie po unieruchomieniu pracują jako łożyska stałe), na przyczółkach pod przęsłem głównym łożyska jednokierunkowo-przesuwne (ślizgowe, wkładki elastomerowe), na przyczółkach pod krótkimi przęsełkami pośredniczącymi są zlokalizowane łożyska styczne, dowolnie-kierunkowo-przesuwne. Tor nr 2 most stalowy spawany (wschodni) Każde z przęseł zostało oparte na podporach za pośrednictwem czterech łożysk. Na filarze ustawiono łożyska stałe. Na przyczółkach zlokalizowano łożyska jednokierunkowo-przesuwne, o konstrukcji dwuwałkowej. 4.2. Uwagi odnośnie stanu technicznego łożysk Skuteczność blokady łożysk na filarze jest dyskusyjna (szerokość szczeliny dylatacyjnej przęseł na filarze była zmienna w okresie listopad 2010-listopada 2011 [2], pomimo łożysk stałych : 7,4-8,1 cm pomiar w poziomie pasa dolnego dźwigara 20
wewnętrznego, w osi dźwigara). Płaskowniki mocujące wałki są wybrzuszone (Rys. 4). Łożyska na filarze nie są ustawione symetrycznie ani w stosunku do filara ani do dylatacji między przęsłami, co wskazuje na obrót przęseł w stosunku do osi mostu. Łożyska na przyczółkach mają tendencję do klinowania się przy skręcaniu przyczółków nie zapewniają pełnej swobody przemieszczeń, co wpływa niekorzystnie na stan przęsła i podporę pośrednią (filar) przez generowanie dodatkowych sił poziomych. (Rys. 5) Rys. 4. Most pod torem Nr 1 łożyska stałe na filarze Rys. 5. Most pod torem Nr 1 łożyska jednokierunkowe na przyczółku Rys. 6. Most pod torem Nr 1 łożyska pod przęsełkiem pośredniczącym 21
Ponadto konieczna jest rektyfikacja wysokościowa łożysk ze względu na pochylenie boczne przęseł (przyczyna pochylenia przęseł: górnicze deformacje terenu). Ostatnia rektyfikacja i konserwacja łożysk miała miejsce zimą 2007 roku. Tor nr 2 most stalowy spawany Sposób ułożyskowania zapewnia teoretycznie swobodę przemieszczeń tylko wzdłuż osi mostu. W kontekście obrotu podpór względem osi przęsła, łożyska mogą się klinować przęsło nie może przemieszczać się niezależnie od przyczółka, co powoduje powstanie pary sił poziomych na słabym filarze są tam po dwa łożyska stałe. Działanie takiej pary sił poziomych doprowadziło do zarysowania krawędzi filara w sąsiedztwie łożysk stałych Rys. 7 (na razie uszkodzenia nie są groźne, ale powinny być naprawione przy okazji zalecanej w 2012 roku rektyfikacji łożysk). Powyższy problem teoretycznie rozwiązuje wymiana łożysk na wielokierunkowoprzesuwne. Jednak w wyniku takiej wymiany tor na moście będzie podatny na wyboczenie w związku z możliwością przesunięcia przęsła względem przyczółka, co mogłoby zagrażać bezpieczeństwu ruchu kolejowego. Efekt potęguje bezpośrednie mocowanie toru do obiektu (pomost otwarty, brak tłucznia). Rys. 7. Most pod torem Nr 2 łożyska stałe na filarze 5. KONIECZNOŚĆ PODJĘCIA PILNYCH DZIAŁAŃ W czerwcu 2011 usunięto na łożyskach jednokierunkowo-przesuwnych na przyczółkach pod torem nr 2 zewnętrzne ograniczniki przesuwu oraz wykuto na przyczółku północnym (od Warszowic) wnęki na obrysie dźwigara (zapobiegając zakleszczeniu przęsła) były to działania doraźne, mające zapobiec awarii (Rys.8). Ograniczniki przesuwu zostały usunięte jednak niedbale, niedokładnie. Okazało się, że niewielkie pozostałości o wysokości ok. 0,5 cm dalej blokują ruch/obrót wałków wskutek spełzań terenu doszło do niebezpiecznego przemieszczenia górnej płyty łożyska względem wałków (Rys. 8) 22
Rys. 8. Most pod torem Nr 2 przemieszczenie górnej płyty łożyska względem wałków [3] 6. PROJEKTOWANE DZIAŁANIA KORYGUJĄCE Wykonano pełną inwentaryzację łożysk z określeniem aktualnej swobody przemieszczeń, dokonano pomiarów szerokości szczelin dylatacyjnych, niwelety toru, pochylenia bocznego toru. Wykorzystując prognozy górnicze (punkt 3) wykonano ocenę aktualnych i wymaganych możliwości kinematycznych przęseł. Konieczna okazała się przebudowa łożysk i korekta szerokości niektórych szczelin dylatacyjnych. Obliczono, że każdy z przyczółków może zbliżyć się do przęsła o 150 mm [1]. O ile same obliczenia kinematyki nie wnoszą nic nowego ([1], [4], [5], [6]), a tyle strona techniczna działań naprawczych jest ciekawa, z uwagi na postawiony priorytet minimalizacji kosztów i czasu naprawy. 6.1 Przebudowa łożysk Tor nr 1 most stalowy nitowany (zachodni) Przebudowa łożysk jednokierunkowych na przyczółkach polega na wymianie górnej płyty łożyskowej na dłuższą o długości 700 mm. Dolna płyta (o złożonej geometrii) pozostała by bez zmian, należy jednak ją odspoić i ponownie zamocować, centralnie względem żeberka usztywniającego dźwigar (żebra pionowe) nad łożyskiem. Jednocześnie należy przestawić wkładki elastomerowe w położenie centralne względem blach ślizgowych. Z uwagi na obecność krótkiego przęsełka pośredniczącego most zachodni posiada dodatkowe, zlokalizowane na ławach podłożyskowych przyczółków łożyska styczne. Łożyska te nie posiadają żadnych ograniczników przesuwu więc ich zakres swobody przemieszczeń jest właściwy do przeniesienia wpływów planowanej eksploatacji górniczej. Łożyska te (są liczne ślady korozji i zanieczyszczeń) należy oczyścić i zakonserwować. Łożyska stale na filarze będą wymienione na nowe stalowe wahacze analogiczne jak pod torem nr 2. Wykonanie powyższych prac wymaga uniesienia przęseł na przyczółkach. Tor nr 2 most stalowy spawany (wschodni) Przebudowa wałkowych łożysk jednokierunkowych polega na przesunięciu (odspojenie i ponowne zamocowanie) dolnej płyty łożysk na przyczółkach. Płyty dolne należy przesunąć i ustawić centralnie względem górnej płyty łożyska. Łożyska stale na filarze nie wymagają wymiany należy je jednak oczyścić i zakonserwować. 23
Konieczna jest korekta wysokościowa łożysk z uwagi na istniejące boczne pochylenie toru i przęseł w kierunku wschodnim. Planowana eksploatacja górnicza spowoduje dalsze boczne pochylenie toru w kierunku wschodnim. 6.2. Korekta szerokości szczelin dylatacyjnych Tor nr 1 most stalowy nitowany (zachodni) Szerokości szczelin dylatacyjnych pomiędzy przęsłem głównym i przyczółkiem są wystarczające, zapas ponad 350 mm w stosunku do prognozowanych spełzań. Szerokości szczelin dylatacyjnych pomiędzy krótkimi przęsełkami pośredniczącymi a ścianką zapleczną przyczółka są niewystarczające (Rys. 6). Należy obciąć przęsełka ok. 100 mm (wg prognozowanych do 2020 roku deformacji terenu). Tor nr 2 most stalowy spawany (wschodni) Szerokość szczelin dylatacyjnych na przyczółku południowym jest wystarczająca w perspektywie planowanej do 2020 roku eksploatacji górniczej. Szerokość szczelin dylatacyjnych na przyczółku północnym (od Warszowic) jest niewystarczająca w perspektywie planowanej do 2020 roku eksploatacji górniczej. Wykute w czerwcu 2011 roku wnęki w ściankach zaplecznych umożliwiają przesuw ok. 50 60 mm, przewidywane do końca 2020 roku spełzania to 150 mm. Projektant zdecydował się na pogłębienie wnęk ścianki zapleczne mają grubość 400 mm. 6.3. Uwagi dodatkowe Należy zwrócić uwagę na różnicę wysokości sąsiadujących szyn (boczne pochylenie toru). W ramach remontu celowe jest dokonanie korekty położenia toru przez regulację wysokościowego położenia łożysk (płyty dolne i tak będą oderwane). Takie działanie wymaga jednak równoczesnej korekty położenia toru na dojazdach do obiektu. 7. POTRZEBA MONITORINGU Realne zagrożenia związane z planowaną eksploatacją górniczą.: Prognozowane są spełzania (ściskanie) terenu, przyczółki będą się zbliżać. Wysoki spękany filar jest podatny na wychylenia i siły poziome. Brak oczepu na filarze. Ława podłożyskowa jest wąska, łożyska usytuowane przy krawędzi południowej filara zagraża to ścięciem ławy podłożyskowej. Ponadto w przypadku znacznych poziomych deformacji terenu ( ) i wychyleń filara (T), przy wyczerpaniu możliwości przemieszczeń poziomych na pozostałych łożyskach, może dojść do zsunięcia przęsła z filara. Może dojść do zablokowania łożysk jednokierunkowo-przesuwnych wskutek skręcania przyczółków w przedmiotowym obiekcie są to łożyska ślizgowe i wałkowe. Łożyska prowadzące ślizgowe (most pod torem nr 1) i wałkowe (tor nr 2) tylko wtedy pracują prawidłowo, jeżeli przemieszczenia pojawiają się wzdłuż jednej osi (na którą należy je ustawić). Natomiast tutaj charakter deformacji jest skośny do obiektu (południowy wschód), przyczółki i filar mogą być skręcane względem osi obiektu. W przypadku blokady łożysk pojawią się nowe zarysowania na filarze i przyczółkach. Na szerokość szczelin dylatacyjnych i pracę łożysk istotny wpływ mają wychylenia wysokiego ponad 8 metrowego filara. Wychylenia filara nie były w przeszłości mierzone. Od 1994 roku mierzona jest odległość przyczółków. 24
W 2012 roku podczas opisanych w referacie planowanych prac remontowych, zamontowane zostaną repery na filarze (do pomiarów wychyleń filara). Dwa repery na wysokości 0,5 m od poziomu terenu na ścianach południowych filara, jeden w osi toru nr 1, drugi w osi toru nr 2. Dwa repery na ścianach południowych filara na wysokości około 0,5 m poniżej łożysk na filarze nad reperami osadzonymi 0,5 m od poziomu terenu, jeden w osi toru nr 1, drugi w osi toru nr 2. Po jednym reperze na wysokości 0,5 m od poziomu terenu na ścianach wschodniej i zachodniej filara. Po jednym reperze na wysokości około 0,5 m poniżej łożysk na filarze na ścianach wschodniej i zachodniej filara nad reperami osadzonymi 0,5 m od powierzchni terenu. Obiekt jest wrażliwy na prognozowane skręcanie przyczółków. Łożyska jednokierunkowo-przesuwne będą się klinować przęsło nie może przemieszczać się niezależnie od przyczółka, co powoduje powstanie pary sił poziomych. Zagrożone są przęsła niezabezpieczone na momenty zginające w bocznej płaszczyźnie dźwigarów i kruchy spękany filar nieodporny na siły ścinające powstające w płaszczyźnie płyt dolnych łożysk. W celu zapewnienia bezpieczeństwa obiektu ważne jest częste wykonywanie rektyfikacji płyt dolnych łożysk, aby wyeliminować wpływ skręcenia przyczółków na przęsło. Ze względu na złożone warunki geotechniczne w rejonie obiektu (obecność potoku) charakter deformacji jest trudny do prognozowania. Przedmiotowy most leży w dolinie potoku Pawłówka. Filar posadowiony jest na gruntach rodzimych (w podłożu przeważają piaski gliniaste, piaski pylaste, gliny). Z filara na grunt przenoszone jest znaczne obciążenie (duży ciężar filara, połowa ciężaru przęseł, tabor). Przyczółki natomiast posadowione są na nasypie, mają duże wymiary płyt fundamentowych, są niskie i zbierają obciążenie tylko z ¼ przęsła każdy. Zaobserwowano w pewnych okresach przeciwne do prognoz wychylanie się filara. W rejonie mostu prowadzona jest eksploatacja wielokrotna na różnych kierunkach w stosunku do obiektu wpływy poszczególnych eksploatacji nakładają się w czasie. Powyższe czynniki sprawiają, że prognozowane wartości przemieszczeń poziomych w przeszłości w sposób istotny różniły się od wartości mierzonych stąd konieczne jest prowadzenie regularnych pomiarów geodezyjnych na obiekcie i ewentualna nowa korekta położenia łożysk i szerokości szczelin dylatacyjnych przed 2020 rokiem. W związku z powyższymi uwagami zalecone zostało wzmożenie specjalistycznego nadzoru budowlanego nad obiektem [2]. [3]. Konieczna jest stała, częsta, kontrola stanu technicznego mostu, głównie łożysk, szczelin dylatacyjnych, podpór. Ważna jest zwłaszcza rola geodetów, którzy powinni dostosować częstotliwość pomiarów do intensywności ujawniania się deformacji terenu. LITERATURA [1] Dokumentacja projektowo-kosztorysowa naprawy wraz z zabezpieczeniem wiaduktu kolejowego w km 23,449 linii PKP nr 159 Żory Pawłowice. TEXBUD, Rybnik, listopad 2011. [2] Sprawozdanie z monitoringu obiektu mostowego. Wiadukt kolejowy w km 23.449 linii 159 Orzesze- Wodzisław Śląski, szlak Warszowice-p.odg. Studzionka. Biuro Techniczne Piotr Bętkowski, listopad 2011. [3] Sprawozdanie z monitoringu obiektu mostowego. Wiadukt kolejowy w km 23.449 linii 159 Orzesze- Wodzisław Śląski, szlak Warszowice-p.odg. Studzionka. Biuro Techniczne Piotr Bętkowski, maj 2012. [4] Ekspertyza techniczna związana z dalszą eksploatacją wiaduktu kolejowego linii PKP nr 159 w km 23.449 w Pawłowicach. Przedsiębiorstwo Produkcyjno-Wdrożeniowe Midach, Katowice, październik 2009 r. [5] Wytyczne techniczno-budowlane projektowania i wykonywania obiektów mostowych na terenach eksploatacji górniczej. Ministerstwo Komunikacji, Warszawa 1977. [6] Rosikoń A. Budownictwo komunikacyjne na terenach objętych szkodami górniczymi. WKŁ, Warszawa 1979. 25