Kolej dużych prędkości – nowe wyzwania

1. Wprowadzenie

Obecnie średnia prędkość KDP przekracza 300 km/h. Np. w Niemczech największa prędkość uzyskana kolejami konwencjonalnymi wyniosła 330 km/h. We Francji i Japonii prędkość KDP przekracza 350 km/h. Zarejestrowana prędkość francuskiego odcinka TGV (train à grande vitesse) to 575 km/h.

Ewolucja ta przyniosła szereg nowych wyzwań geodynamicznych w inżynierii kolejowej. Duże prędkości spowodowały problemy na starych, używanych liniach kolejowych, które nie zostały zaprojektowane do tych wymagań. Wysokie koszty utrzymania i mniej komfortowa jazda są wynikiem ruchu pociągów dużych prędkości na trasach innych niż przystosowane do wymogów KDP.

Oprócz wysokich kosztów i problemów z komfortem w niektórych krajach, takich jak Szwecja czy Japonia, jazda KDP po starych torach spowodowała problemy związane z bezpieczeństwem. Nadmierne deformacje podtorza doprowadziły do konieczności zmniejszenia prędkości pociągów KDP w Szwecji w celu zwiększenia bezpieczeństwa. W Japonii, gdzie wiele linii kolejowych budowano na słabych gruntach aluwialnych, dynamiczne funkcjonowanie nasypu stanowi poważny problem ze względu na dynamiczny charakter obciążeń KDP.

Według kryteriów UIC (Międzynarodowy Związek Kolei) za KDP uważa się:

• linie zbudowane specjalnie dla dużych prędkości, pozwalające na osiąganie prędkości równej i większej niż 250 km/h, a także odpowiadający temu wymogowi tabor;
• linie o standardzie dostosowanym do dużych prędkości, pozwalające na osiąganie prędkości rzędu 200 km/h, a także odpowiadający temu wymogowi tabor;
• linie o standardzie dostosowanym do dużych prędkości, które mają szczególne cechy będące rezultatem ograniczeń topograficznych lub planowania przestrzennego miast, na których prędkość musi być dostosowana do warunków, a tabor dostosowany do największej możliwej prędkości na pozostałych liniach.

Jak zapowiada spółka celowa CPK, nowe torowiska zapewnią poruszanie się pociągów z prędkością do 250 km/h z możliwością podniesienia jej nawet do 350 km/h, co z punktu widzenia geotechniki i oddziaływania dynamicznego na podłoże stawia nowe wyzwania przed inżynierami.

Szybki rozwój infrastruktury kolei dużych prędkości (HSR) doprowadził do zwiększenia liczby wrażliwych nieruchomości i obiektów zlokalizowanych w pobliżu linii KDP. W porównaniu z tradycyjną koleją międzymiastową prędkości KDP mogą potencjalnie generować podwyższone prędkości poziomu wibracji zarówno w konstrukcji toru, jak i polu swobodnym. W polu swobodnym wibracje te mogą mieć negatywny wpływ na lokalne środowisko, powodując drgania budynków i powstawanie uszkodzeń ścian, podłóg oraz generując hałas w pomieszczeniach. Może to skutkować uciążliwością oraz dyskomfortem zamieszkiwania w takich nieruchomościach oraz w skrajnych przypadkach utratą funkcjonalności obiektu (np. w budynkach wrażliwych na wibracje, takich jak szpitale, zakłady produkcyjne czy miejsca kultu).

2. Zagadnienia projektowe

Jedną z głównych trosk inżynierów KDP jest unikanie prędkości pociągu zwanej prędkością krytyczną. Prędkość krytyczną (Vc) definiuje się jako maksymalną prędkość pociągu, przy której następuje dynamiczny ruch toru / nasypu / podłoża gruntowego. Z uwagi na wielocykliczność oddziaływań ruchu pociągów KDP problem ten występuje również w obszarze prędkości zbliżonych do prędkości krytycznej, a w szczególności związany jest z nasypami KDP na gruntach słabych, o niskich parametrach geotechnicznych.

W przyjętych obecnie standardach za bezpieczną wartość użytkową prędkości Vt pociągu KDP przyjmuje się strefę prędkości poniżej 70% prędkości krytycznej (Vt = < 0,7 Vc). Odwracając problem, przy zadanej prędkości projektowej Vt = 350 km/h należy tak zaprojektować torowisko / nasyp / podłoże, aby wyznaczona dla danego systemu prędkość krytyczna spełniała warunek:
0,7 Vc > 350 km/h.

Przyjęte obciążenia działające na torowisko składają się z obciążeń statycznych, czyli obciążeń od osi kół przekazujących ciężar pociągu na szyny, oraz obciążeń dynamicznych wynikających z poruszania się pociągu z bardzo dużą prędkością, a zatem przemieszczania się sił statycznych. Zależność między obiema siłami jest oczywista i wyraża się wzorem:
F_dynamic = (DAF) F_static.

Współczynnik DAF (dynamic aplication factor) jest ściśle powiązany z prędkością pociągu, która, jak już powiedziano, szczególnie w KDP generuje powstanie wibracji oddziałujących destruktywnie na układ podtorza / nasypu kolejowego oraz podłoża gruntowego. Kiedy w podłożu pod torem powstają zmiany naprężeń, będą się one rozprzestrzeniać od źródła w postaci fal naprężeniowych, powodujących wibracje w otaczającym podłożu.

Stopień rozprzestrzenienia się drgań podłoża zależy od geometrii i sztywności otaczającego gruntu. Indukowane są różne fale naprężeń: fale ściskające, fale ścinające i fale Rayleigha.

Fala Rayleigha uznawana jest za dominującą i przenosi ok. 67% energii, fale ścinające 26%, a fale ściskające 7%.

Jest wiele przyczyn i źródeł generowania destrukcyjnych wibracji w podtorzu i podłożu gruntowym. Problem dużych przemieszczeń dynamicznych przy prędkości krytycznej jest najbardziej dotkliwy, gdy KDP porusza się po podłożu o słabych lub bardzo słabych parametrach geotechnicznych, stąd konieczność rozpoznania i przeanalizowania warunków i parametrów podłoża w obszarach projektowanych nasypów KDP. Analiza ma na celu przeprowadzenie odpowiednich działań ulepszających podłoże lub zwiększenie wysokości nasypu (co również generuje dodatkowe zabiegi odnośnie do jego stateczności i osiadania w czasie) w kierunku zapewnienia maksymalnej jednorodności pracy i zachowania się w fazie użytkowej komponentu nasypu kolejowego / podłoża jako podstawy pod warstwy konstrukcyjne podtorza KDP.

3. Wytyczne CPK

Na zlecenie spółki CPK powstały Wytyczne rozpoznania i badań podłoża budowlanego dla inwestycji kolejowych dużych prędkości, opracowane przez PIG-PIB (Warszawa 2021). Założonym standardem początkowym nowo budowanych linii należących do podstawowego układu połączeń KDP będzie ich przystosowanie do prędkości 250 km/h z parametrami geometrycznymi umożliwiającymi ewentualne późniejsze podniesienie prędkości (maksymalnie do 350 km/h). Wybór technologii 250 km/h pozwoli na wykorzystanie pełni możliwości trakcyjnych już posiadanego taboru, a w przypadku zakupu nowych pociągów skorzystanie z potencjału krajowych producentów taboru. Budowane nowe fragmenty służyć będą zarówno pociągom IC o prędkości konstrukcyjnej 250 km/h, jak i szybkim pociągom międzyregionalnym i regionalnym docelowo o prędkości 200 km/h lub wyższej. Na pozostałych liniach, których budowa jest planowana w związku z CPK, zakładana jest prędkość maksymalna 200–250 km/h.

Zgodnie z wytycznymi już na etapie STEŚ należy wykonać badania geofizyczne za pomocą tomografii elektrooporowej (ERT), a w późniejszym etapie ERT oraz SRT-P i SRT-S. Pkt 4 Wytycznych przewiduje dostarczenie danych do obliczeń projektowych na odcinkach inwestycji kolejowej, na których mogą wystąpić obciążenia cykliczne i dynamiczne stanowiące zagrożenie dla bezpieczeństwa eksploatacji infrastruktury technicznej i taboru kolejowego.

Obciążenia cykliczne lub dynamiczne gruntu są przyczyną zmian w zakresie:

• deformacji, powodując zagęszczenie, rozluźnienie, odkształcenia plastyczne, tzw. podatność cykliczną,
• wytrzymałości, powodując upłynnienie.

W pkt 4.2 Odziaływania cykliczne i dynamiczne opisano zalecenia do metody badań dla oceny obciążeń cyklicznych i dynamicznych w zależności od etapu zaawansowania prac projektowych. Związane jest to z możliwością upłynniania gruntu podczas przejazdu pociągu, który wywołał efekty dynamiczne.

Zgodnie ze standardami technicznymi Szczegółowe warunki techniczne dla infrastruktury kolejowej CPK – wytyczne projektowania (Instytut Kolejnictwa, IK.001224/12, wersja 2.0.0) w tomie 1.5, w pkt 3.3.3, który jest związany z projektowaniem budowli ziemnych, a który dotyczy stateczności dynamicznej podłoża, zwrócono uwagę na wibracje wywołane ruchem pociągów o prędkości ponad 150 km/h w gruntach słabonośnych.

Stateczność dynamiczna KDP jest zagrożona w przypadku, gdy prędkość ruchu pociągów jest bliska prędkości rozchodzenia się w nich fal powierzchniowych Rayleigha (lub wartości prędkości krytycznej). W związku z tym zaleca się, aby stosunek prędkości ruchu pociągów do prędkości rozchodzenia się fal był nie większy niż 0,7.

Jako wrażliwe na efekty dynamiczne uznano grunty:

• piaski Cu < 2,0 i ID < 0,5,
• grunty spoiste o stopniu plastyczności IL > 0,4,
• grunty organiczne.

Przyjęto, że jeżeli grubość nadkładu od poziomu torowiska do stropu warstwy wrażliwej wynosi ponad 6 m, to można nie sprawdzać stateczności dynamicznej. Jako środki zaradcze w przypadku występowania wyżej wymienionych problemów zaproponowano m.in. wykonanie kolumn żwirowych (tłuczniowych).

W artykule Mojtaby Shahraki i Karla-Josefa Witta Improvement of Soft Subgrade Soil Using Stone Columns for High-Speed Railway Track, opublikowanym w materiałach ICSGE2015 (International Conference on Soft Ground Engineering, Singapore 2015), opisano dynamiczną analizę numeryczną 3D, która wskazuje na pozytywny wpływ wzmocnienia nasypu kolumnami żwirowymi podłoża słabonośnego dla KDP.

Wykazano redukcję osiadania podłoża w porównaniu z niewzmocnionym gruntem. Porównywano przebiegi dwóch pociągów jadących z przeciwnych kierunków z prędkością 300 km/h oraz w drugim wypadku, gdy jeden pociąg miał prędkość 300 km/h, a drugi 180 km/h, analogicznie jak poprzednio jadących w przeciwnych kierunkach. Jak wskazują wyniki, osiągnięto poprawę związaną z redukcją osiadań.

Dodatkowo przeprowadzono analizę przejazdu pojedynczego pociągu z prędkością 300 km/h, a obliczenia przedstawiono w przekroju poprzecznym. W wyniku obliczeń trzech przypadków największe osiadania uzyskano dla dwóch pociągów jadących z prędkością 300 km/h i 180 km/h, a największe przemieszczenia uzyskano pod torowiskiem pociągu o prędkości 180 km/h.

Sytuacja przedstawiona w artykule pokazuje, że wzmocnienie kolumnami żwirowymi daje dobre efekty związane z redukcją przemieszczeń. Przyjęty obecnie schemat postępowania przy projektowaniu KDP wymusza konieczność zastosowania dynamicznego modelu numerycznego, odzwierciedlającego pracę systemu torowiska / nasypu kolejowego / podłoża gruntowego pod obciążeniem statycznym i dynamicznym KDP.

Wśród podstawowych zagadnień geotechnicznych pracy podtorza KDP szczególną uwagę należy zwrócić na:

• oddziaływanie KDP na podłoże o dużym lub bardzo dużym nasyceniu wodą. Szczególnie dotyczy to plastycznych i miękkoplastycznych glin, pyłów oraz wszystkich gruntów organicznych;
• zjawisko destruktywnego działania cyklicznych kombinacji obciążeń statycznych i dynamicznych związanych z ruchem KDP, w szczególności wibracji przekazywanych z podtorza na podłoże gruntowe;
• analizę pracy układu podatnego torowisko / sztywny wiadukt dla KDP i wspólnej interakcji pociągu i torowiska przy zmiennym module podatności obu ośrodków.

Powyższe zagadnienia często powodują konieczność przeprowadzenia zabiegów wzmacniających podłoże w celu podniesienia ich parametrów i sztywności.

4. Praktyczne zastosowania technologii wibrowymiany do wzmocnienia podłoża pod nowo wznoszone nasypy KDP

4.1. Włochy

Przykładem wykorzystania kolumn żwirowych są wykonane wzmocnienia na odcinku Mediolan – Vicenza. Odcinek o długości 78 km był realizowany od 2006 do 2012 r. Koszt wykonania wzmocnienia w trzech lokalizacjach wyniósł 7,975 mln €.

4.1.1. Projekt Cepav 2, Lonato – Sirmione

Na nowo budowanym odcinku KDP (AV/AC) Brescia – Werona firma Keller Foundazioni wykonała wzmocnienie podłoża pod wznoszony nasyp kolejowy na odcinku ok. 5 km. Trasa linii kolejowej KDP przebiega na południe od jeziora Garda w bardzo złych warunkach geologicznych. Rozwiązanie polegało na wzmocnieniu podłoża i konsolidacji gruntów organicznych w celu poprawy stateczności oraz współczynników bezpieczeństwa konstrukcji nasypu kolejowego.

W ciągu pięciu miesięcy przy zaangażowaniu pięciu maszyn wykonano 180 tys. m.b. kolumn betonowych VMC (vibro mortal columns) w technologii wibrowymiany.

4.1.2. Projekt Cepav 2, IV 21–35

Na tym samym nowo budowanym odcinku KDP (AV/AC) Verona – Vincenza firma Keller Foundazioni wykonała wzmocnienie podłoża w celu poprawy stateczności oraz współczynników bezpieczeństwa nasypów dojazdowych dwóch wiaduktów.

Trasa linii kolejowej KDP przebiega na południe od jeziora Garda w bardzo złych warunkach geologicznych. W sześć miesięcy przy zaangażowaniu dwóch maszyn wykonano 76 tys. m.b. kolumn żwirowych VR (vibro replacement) w technologii wibrowymiany. 

4.1.3. Projekt Iricav 2, VE–IV, Werona – Vicenza

Na nowo budowanym odcinku KDP (AV/AC) Werona – Vicenza firma Keller Foundazioni wykonała wzmocnienie podłoża pod wznoszony nasyp kolejowy KDP na odcinku ok. 4 km. Za pomocą kolumn żwirowych doprowadzono do poprawy stateczności oraz współczynników bezpieczeństwa konstrukcji nasypu.

W ciągu 10 miesięcy przy zaangażowaniu dwóch maszyn Vibrocut wykonano 115 tys. m.b. kolumn żwirowych VR o średnicy 80 cm w technologii wibrowymiany. Maksymalna produkcja dzienna wyniosła 1200 m.b. kolumn żwirowych.

4.2. Niemcy

4.2.1. Projekt Schönhauser Damm

Projekt polega na rozbudowie KDP na odcinku Hanower – Berlin przez budowę nasypu na wschód od mostu Schönhauser nad Łabą, który prowadzi zarówno tory nowej linii dużych prędkości, jak i tory linii głównej.

Zapora zbudowana ok. 150 lat temu składała się ze spoistego oraz sypkiego materiału o stosunkowo słabych parametrach. Parametry nasypu nie były odpowiednie dla projektowanych przyszłych prędkości. Nasyp nie nadawał się zatem do ruchu kolejowego z prędkością 250 km/h.

W pierwszej fazie budowy poszerzono nasyp, dobudowując do istniejącego głównego nasypu nowy. Obie części połączono kolumnami żwirowymi, których zastosowanie podniosło parametry zarówno starej, jak i nowej części nasypu kolejowego, umożliwiając lokalizację linii KDP na wzmocnionym starym śladzie toru kolejowego. Zastosowano ortogonalną siatkę kolumn o wymiarach 1,85 x 2,15 m. Przyjęta głębokość wzmocnienia wyniosła ok. 8,0 m od poziomu platformy roboczej w obszarze starego nasypu i ok. 4,0 m w części nowego nasypu kolejowego. Łącznie wykonano 82 tys. m.b. kolumn żwirowych.

4.3. Hiszpania

4.3.1. Projekt Pinos Puente – Grenada

Firmie Ute Pinos Puente zlecono prace o łącznej długości 12,00 km na odcinku planowanej linii KDP, a w czerwcu 2010 r. firmie Keller Cimentaciones S.L.U. powierzono jako podwykonawcy zadanie wzmocnienia podłoża na tym odcinku. Praca polegała na wykonaniu kolumn żwirowych pod nasypami przyszłej linii KDP Antequera – Grenada, które miały być zrealizowane w technologii wibrowymiany. Prace zlokalizowane były w kilometrażu 1205 + 660 i 1207 + 269, w siatce kolumn o przekroju kwadratowym, o wymiarach 1,50 m, 1,75 m i 2,25 m w zależności od lokalnych warunków gruntowych i wysokości nasypu. Głębokość wzmocnienia, a zarazem długość kolumn wynosiła od 8 do 19 m. Warunki gruntowe, w których były prowadzone prace, to grunty spoiste w postaci brązowych i szarych glin o konsystencji plastycznej i miękkoplastycznej.

W zaledwie siedem miesięcy wykonano 67 648,00 m.b. kolumn żwirowych w technologii wibrowymiany, których średnica wynosiła do 1,0 m. Zastosowana technologia okazała się skuteczna zarówno pod względem technicznym, jak i ekonomicznym z uwagi na bardzo duży zakres koniecznych do zaimplementowania wzmocnień.

4.3.2. Projekt Crevillente – San Isidro (Alicante)

W styczniu 2010 r. firma Ute Acciona Ctnes Villegas podjęła się wykonania sekcji referencyjnej, co w kwietniu 2010 r. skutkowało zleceniem firmie Keller prac związanych ze wzmocnieniem podłoża gruntowego z wykorzystaniem kolumn żwirowych VR. Projektowany odcinek KDP o długości 7280 m pomiędzy PP.KK. 305 + 560 i 312 + 840 i przebiegał przez obszary miejskie Crevillente, San Isidro i Albatera w prowincji Alicante. Cała planowana trasa KDP przebiega w nasypie, z wyjątkiem odcinków wiaduktów, o zmiennej wysokości, do 12 m w początkowym obszarze trasy i ok. 3 lub 4 m na odcinku końcowym. Rozwiązanie polegało na wykonaniu ok. 85 700 m.b. kolumn żwirowych o średnicy od 0,85 m do 1,15 m i maksymalnej długości 21,00 m.

Rozmieszczenie kolumn zastosowano w zmiennej siatce trójkątnej o wymiarach od 2,50 x 2,50 m do 3,00 x 300 m w zależności od występujących warunków gruntowych i wysokości nasypów.

Literatura

[1] Tafti S.R.: High Speed Train Geotechnics: Numerical and Experimental Simulation of Some Embankment Problems. Texas A&M University, 2018 (praca doktorska).

[2] Shahraki M., Witt K.-J.: Improvement of Soft Subgrade Soil Using Stone Columns for High-Speed Railway Track. Proceedings of the International Conference on Soft Ground Engineering, Singapore 2015.

www.keller.com.pl