Vysokorychlostní tratě v mezinárodním srovnání

Transkript

1 Vysokorychlostní tratě v mezinárodním srovnání Josef Eisenmann Různé trasovací prvky nových vysokorychlostních tratí, které jsou v provozu v Japonsku a Evropě, byly stanovovány v závislosti na druhu provozu, rychlosti, topografii a typu železničního svršku a to na základě existujících zkušeností ze stávajících sítí ve vlastní zemi nebo v zahraničí. Tak např. provoz nákladních vlaků (smíšený provoz) vyžaduje omezení podélného sklonu a zvláště při štěrkovém svršku malé převýšení kolejí spolu s velkými kolejovými poloměry. Při obtížné topografii se u pevné jízdní dráhy může snížit podíl tunelů a velkých mostů a to vzhledem ke zde možnému velkému převýšení kolejí a velkému přípustnému nevyrovnanému převýšení a tím i menším kolejovým poloměrům, přirozeně za současného snížení stavebních nákladů. Souhrn trasovacích prvků, nevyrovnaných převýšení a nekompenzovaného bočního zrychlení v kolejových obloucích nebo vertikálního zrychlení ve vypuklém/dutém lomu nivelety některých vysokorychlostních tratí je uveden na tabulkách 1a) a 1b). Dále je třeba upozornit na tratě, které jsou dosud ve stavbě, případně na právě dokončené vysokorychlostní tratě ve Francii, Velké Británii, Španělsku, Nizozemsku, Koreji, Německu (Norimberk- Ingolstadt), Itálii (Řím-Neapol), Rakousku (Kufstein-Insbruck), Švýcarsku a na Taiwanu. Z obou tabulek je patrné, že u smíšeného provozu (osobní vlaky s rychlostí V=250 km/hod. a nákladní vlaky s V= km/hod.) a štěrkovém svršku se u vysokorychlostní trati Hannover-Fulda-Würzburg resp. Mannheim-Stuttgart (osová vzdálenost kolejí 4,7 m) zvolilo normální převýšení 45 mm, jako nevyrovnané převýšení 60 mm a minimální normální poloměr m. Tím činí při rychlosti osobních vlaků 250 km/hod. nekompenzované boční zrychlení 0,39 m/s 2 a při rychlosti nákladních vlaků 100 km/hod. dovnitř směřující boční zrychlení -0,18 m/s 2, odpovídající rozdílu mezi rychlými a pomalými vlaky 0,57 m/s 2. U pomalu jedoucího nákladního vlaku činí rozdíl 0,68 m/s 2. Na základě zkušeností tím nevzniká žádné náhlé zhoršení směrového odchýlení kolejí na štěrkovém svršku (kolejnice UIC 60, pražce z předpjatého betonu B 70; vzdálenost pražců 0,60 m). Velký poloměr kolejí m vyžaduje v topograficky obtížném území mnoho z části dlouhých tunelů a dlouhých mostů. Tak např. na nově vybudované tratí Fulda-Würzburg činí podíl tunelů 41 % a podíl mostů 10 %; na úseku Hannover-Fulda potom 36 resp. 9 %. Relativně rychlé zhoršení vertikální polohy kolejí nastalo na mostech a zvláště mostních přechodech, které vyžadují časté práce na propracování koleje při poškození štěrkového lože. Dodatečnou výměnou elastické vložky mezi kolejí a pražcem z předpjatého betonu B 70, provedené na celé trati, se zvýšil pokles kolejnic pod čelní motorovou částí ICE 1/2 s osovou silou 198 kn z 0,4-0,5 mm na 0,8-0,9 mm. Tím se z dlouhodobého hlediska zlepšilo chování štěrkového svršku, což vedlo ke snížení namáhání štěrku o cca 20 %. Vezmeme-li za základ pravidlo 2. případně 4. mocniny, je možno očekávat, že vertikální změny polohy kolejí probíhají pomaleji o faktor 1,6 případně 2,4. Předpokladem pro to je odstranění nedostatků v oblasti pojížděné plochy kolejnic jejich pravidelným broušením, čímž se odstraní zvýšené dynamické namáhání. Broušením se dále zabrání vzniku šikmých trhlin na pojížděné hraně nebo ploše, jakož i vlnkovitosti včetně skluzových vln. Na některých místech se špatným uložením kolejí a zvláště mezerami a přechody na konci mostu

2 poškozeným štěrkem, se svršek musel obnovovat. K zabudování byla použita rohož pod štěrk, přesahující konce mostu a 2,8 m dlouhý pražec z předpjatého betonu B 75 s vysoce pružným upevněním kolejnice Ioar 300. U vysokorychlostních tratí pro jeden druh dopravy a se štěrkovým svrškem se v Japonsku (220 km/hod.) a Francii ( km/hod.) zvolilo normální převýšení od 150 mm (300 km/hod.) do 180 mm ( km/hod.), nevyrovnané převýšení od 27 mm (300 km/hod.) do 35 mm (270 km/hod.), případně 60 mm (220 km/hod.). Minimální poloměry kolejí zde činily m (300 km/hod.), m (270 km/hod.) a m (220 km/hod.). Obr. l: Šinkansen (testovací linie Oyama): pevná jízdní dráha na viaduktu; deskové díly z prefabrikátů s podložkou z pryžové rohože Pro vlaků za den v každém směru na trati Tokaido-Šinkansen (osová vzdálenost kolejí 4,2 m) v Japonsku probíhá 34 % tratí na viaduktech (estakádová jízdní dráha) a mostech a 13 % v tunelech. Přitom se použila lehká kolejnice 54 kg/m, 2,4 m dlouhý pražec z předpjatého betonu s malou úložnou plochou a síla štěrkového lože 0,2-0,25 m. Stávající špatná kvalita kolejí na viaduktech a mostech po patnácti letech a přibližně 450 mil. tun zátěže, i přes nízkou osovou sílu vlaků Šinkansen 160 kn (pohon všech os), kterou pro rychlosti 220 km/hod nelze již zlepšit a propracováním kolejí znovu opravit, si vyžádala obnovu svrchní stavby. Přitom byly použity těžké kolejnice 60 kg/m a rohože pod štěrkové lože pro zlepšení pružnosti, spojené se snížením namáhání štěrku. Použití delších pražců z předpjatého betonu nebylo možné vzhledem k šířce železničního svršku, předurčeného stavbou. Špatné zkušenosti se štěrkovým svrškem na silně zatížené trati Tokaido-Šinkansen vedly k vývoji pevné jízdní dráhy (deskové díly z prefabrikátů, které byly uplatněny i u dalších tratí Šinkansen - osová vzdálenost kolejí 4,3 m) a na viaduktech, mostech a v tunelech (obr. 1). Zkušenosti, získané po dobu více než dvaceti let na jihovýchodní trati TGV Paříž- Lyon (osová vzdálenost kolejí 4,2 m) s cca 70 vlaky v každém směru za den ukazují, že při pravidelném broušení kolejnic se stálost kolejové polohy (kolejnice UIC 60, dvoublokové pražce s pružným upevněním kolejnice) zlepší (obr. 2) vlivem odstranění vad na pojížděcí ploše kolejnic, způsobených vibracemi štěrku. Po patnácti letech se v jižní oblasti s velmi nepoddajným podložím přidalo navíc 0,15 m štěrku současně se zvednutím kolejového roštu a

3 trakčního vedení. Pokles kolejnic pod TGV s osovou silou 160 kn činí cca 0,8 mm. Zvláštností tratě s maximálním podélným sklonem 35 promile jsou hluboké zářezy a vysoké náspy. Na trati nejsou tunely, ale 17 větších mostů a tři překročení řek. U TGV je poháněno 50 % os. Cestovní doba při provozu bez zastavení mezi Paříží a Lyonem činí 2 hodiny. Obr. 2: Jihovýchodní TGV: štěrkový svršek s dvoublokovými pražci U vysokorychlostní tratě Kolín n. R - Rhein/Main (osová vzdálenost kolejí 4,5 m) s maximální rychlostí pro tuto trať vyvinutého ICE 3 ve výši 300 km/hod. došlo, vzhledem k obtížné topografii a požadavku na částečné společné vedení koridorů se stávající spolkovou dálnicí od Sieburgu, k položení pevné jízdní dráhy typu Rheda v modifikaci s pražci z předpjatého betonu a dvojblokovými pražci (obr. 3). Zvolené normální převýšení 170 mm a nevyrovnané převýšení 145 mm dovolily minimální poloměr kolejí m, který byl použit i na dlouhých mostech přes údolí. Pro poloměr pro vypuklý/dutý lom nivelety bylo stanoven poloměr m, čímž bylo možno, při maximálním podélném stoupání 40 promile, zkrátit délku tunelů v oblasti terénního hřbetu a mostů v údolích. Obr. 3: NBS Kolín n. R. - Rhein/Main: pevná jízdní dráha; svršek systému Rheda, upravený pomocí dvoublokových pražců s příhradovou nepředpjatou výztuží Tím získáme nekompenzované boční zrychlení ve výši 0,95 m/s 2 a vertikální zrychlení 0,60 m/s 2, které se i při rychlosti 300 km/hod. nepociťuje jako rušivé a to ani v kolejovém oblouku v terénním hřbetu. Velmi obtížná topografie zapříčinila, i přes malý poloměr kolejí a velké podélné stoupání, výstavbu 30 tunelů a 18 údolních mostů. První zpráva o zkušenostech s jízdní dráhou na této trati byla po 3 letech provozu uveřejněna v EI-Eisenbahningenieur (56) 11/2005 v článku D. Kocana na s Na vysokorychlostní trati Hannover-Berlín (osová vzdálenost kolejí 4,7 m), dokončené v roce 1998, se v rámci velkopokusu použil mezi

4 Oebisfelde a Berlínem větší počet typů pevné jízdní dráhy (ATD, BTD, Rheda po úpravě s pražci z předpjatého betonu a Züblin) a na obchvatu Stendal zesílený štěrkový svršek (2,8 m dlouhé pražce z předpjatého betonu B 75, vysoce pružné upevnění kolejnice Ioar 300, pérová konstanta pružnosti podložky 27 kn/mm) (obr. 4 a 5). Dimenzování pevné jízdní dráhy se provedlo metodami výpočtu, používanými u silnic a letištních ploch. U vysokorychlostní trati Hannover-Berlín se jedná o dráhu v plochém území s velkoryse zvolenými trasovacími prvky, částečně předurčenými starou tratí). Mezitím došlo u vysokorychlostních vlaků (ICE 3) ke změně brzdného systému rychlobrzdy z plánované magnetické kolejové brzdy na bezotěrovou lineární brzdu s vířivými proudy, která byla uplatněna jako provozní brzda, což vede k ohřívání kolejnic, které při štěrkovém svršku a odstupu jednotlivých vlaků menším než 15 minut vyžaduje použití pražců z předpjatého betonu. To může být, vedle trasováním předurčeného malého poloměru kolejí a velkého podélného stoupání, dalším bodem pro uplatnění pevné jízdní dráhy. Dále je třeba vzít v úvahu, že odpadnou práce, spojené s podbíjením a vyrovnáváním. Předpokladem dlouhé životnosti pevné jízdní dráhy je dostatečná bezpečnost při dimenzování včetně k tomu dohodnuté redundance, funkční odvedení povrchové vody a bezchybné provedení stavby. NBS Norimberk-Ingoldstadt: 89 km, uvedení do provozu květen 2006, smíšený provoz, osová vzdálenost kolejí 4,5 m, pevná jízdní dráha (modifikovaná Rheda 2 000, prefabrikáty Bőgl), 27 km tunelů (30 %), 53 železničních mostů, V max = 300 km/hod., s max = 20 promile, r min = m, u max =160 mm, a q =0,65 m/s 2.

5 Tab.1a: Trasování vysokorychlostních tratí Vysvětlivky k tabulce: max V (km/hod.) - maximální rychlost max u (mm) - maximální převýšení u f (mm) - nevyrovnané převýšení min R (m) - minimální poloměr kolejí max s (promile) - maximální sklon min R u (m) - minimální poloměr v místech vypuklého/dutého lomu nivelety artrein R z = pouze osobní vlaky Mischbetr. R z + G z = smíšený provoz osobních a nákladních vlaků a) hodnoty výjimek v jednotlivých případech v závorkách b) návrh rychlosti; v závorce se od návrhu odchylující nejvyšší rychlost d) není zahrnuta linie Arezzo-Figline s 26 km e) traťový úsek Tokio (Ueno) - Omiya s 31 km započítán k Tohuku-Šinkansen g) 60 mil. cestujících/rok, vlaků za den a směr, maximální sled vlaků 6-10 minut * 30 tunelů * 18 přemostění údolí

6 Obr. 4: NBS Hannover-Berlín: pevná jízdní dráha; svršek systém Rheda s pražci z předpjatého betonu Tab.1b: Trasování vysokorychlostních tratí Vysvětlivky k tabulce: Sch = štěrkový svršek FF = pevná jízdní dráha V (km/hod.) = rychlost u f (mm) - nevyrovnané převýšení a q (m/s 2 ) - nekompenzované boční zrychlení a v (m/s 2 ) - vertikální zrychlení (při změnách nivelety) b) návrh rychlosti: v závorce se od návrhu odchylující nejvyšší rychlost c) není zahrnuta linie Arezzo - Figline s 26 km e) traťový úsek Tokio (Ueno) - Omiya s 31 km započítán k Tohuku-Šinkansen

7 Obr. 5: NBS Hannover-Berlín: štěrkový svršek na obchvatu Stendal s pražci z předpjatého betonu B 75 Výpis z uváděné literatury: 1) Eisenmann, J: Kolejnice jako nosník. EI - Eisenbahningenieur (55) 5/2004, s ) Eisenmann, J: Kolejnice jako jízdní dráha. EI - Eisenbahningenieur (56) 6/2005, s ) Eisenmann, J: Stav a další vývoj železniční techniky v Japonsku. EI - Eisenbahningenieur (30) 6/1979, s ) Belter, B; Ditzen, R.: Pevná jízdní dráha a trati NBS Kolín n.r.-rhein/main - první zkušenosti a hodnocení. ETR Eisenbahntechnische Rundschau (48) 3/1999, s ) Kocan, D.: Zkušenost s jízdní dráhou SFS Kolín n.r.-rhein/main po třech letech provozu. EI - Eisenbahningenieur (56) 11/2005, s ) Eisenmann, J.; Rump, R.: Štěrkový svršek pro vysoké rychlosti. ETR Eisenbahntechnische Rundschau (47) 3/1997, s ) Eisenmann, J.: Stabilita kolejí vysokorychlostních tratí vzhledem k lineární elektrické vibrační brzdě. EI - Eisenbahningenieur (53) 5/2002, s ) Eisenmann, J.: Redundance pevné jízdní dráhy Rheda. EI - Eisenbahningenieur (53) 10/2002, s Název originálu: Hochgeschwindigkeitsstrecken im internationalen Vergleich Zdroj: EI - Eisenbahningenieur (57) 7/2006, s. 6-9 Překlad: Jiří Mencl Korektura: ODIS