Snížení nákladů na údržbu železniční dopravní cesty pevná jízdní dráha BBEST se symetrickou kolejnicí

Václav Michajluk 1 Snížení nákladů na údržbu železniční dopravní cesty pevná jízdní dráha BBEST se symetrickou kolejnicí Klíčová slova: Balfour Beatty, BBEST, INNOTRACK, pevná jízdní dráha, náklady po dobu životnosti, železniční dopravní cesta Úvod: V roce 2006 započal projekt INNOTRACK Innovative Track Systems s plným názvem Development of cost-effective high performance track infrastructure for heavy and light rail systéme, 3letý projekt 6. rámcového programu EU, v jehož řešitelském konsorciu bylo 33 členů, představitelů evropských železničních organizací, univerzit, vědeckých pracovišť a průmyslu, předních evropských výrobců zařízení, materiálů a technologií pro železniční stavební infrastrukturu. Cílem projektu bylo nalezení takových technických řešení, která by ve výsledku mohla přinést celkové snížení nákladů na údržbu železniční dopravní cesty až o 30%. V současné době, kdy je projekt u konce, je zřejmé, že těchto cílů nelze dosáhnout pouze změnou zažitých postupů a větší mírou mechanizace, ale bude nutno přistoupit i k řešením s vyššími vstupními investicemi. Součásti projektu INNOTRACK byl i vývoj softwarových řešení, které nám umožní jednoduché a přesné porovnání současného přístupu a nově navrženého řešení v delším časovém horizontu. Jedním z takovýchto úspěšných řešení je i níže popsané řešení nové konstrukce železničního svršku společnosti Balfour Beatty Rail Technologies Ltd., Derby, UK, přední britské společnosti zabývající se údržbou železničních tratí, projekční a stavební činností. Tuto konstrukci pevné jízdní dráhy s označením BBEST Balfour Beatty Embedded Rail System navrhl pan Charles Penny ze společnosti Balfour Beatty, který také poskytl podklady pro tento příspěvek. Pan Charles Penny, Eur Ing., BSc., FICE, FIHT, MIGEM, MCMI projektant tunelů a mostů (např. části Eurotunel), jako hlavní inženýr pracoval na mnoha stavbách (Eurotunel, londýnské metro, významné infrastrukturní stavby po celé Anglii), vedoucí vývojového centra společnosti Balfour Beatty. Externě přednáší na univerzitách v Anglii, zástupce společnosti Balfour Beatty v projektu INNOTRACK. 1 Václav Michajluk, Ing., 1972, Vysoká škola dopravy a spojů v Žilině, katedra traťového hospodářství, systémový specialista, Správa železniční dopravní cesty, státní organizace, odbor provozuschopnosti. Člen skupiny Track Expert Group při UIC, v letech 2008-2009 zástupce SŽDC v projektu INNOTRACK řešeného v 6. rámcovém programu EU. 1

Na první pohled se u BBEST nejedná o zcela nové řešení. Řešení, kdy je kolejnice uložená v drážce betonové konstrukce pevné jízdní dráhy (dále jen PJD) jsou známa a používají se např. v tramvajové dopravě. Inovativnost tohoto řešení lze však spatřovat v její jednoduchosti, funkčnosti, komplexnosti a ekonomické výhodnosti. Dnešní tradiční konstrukcí železničního svršku rozumíme štěrkové kolejové lože s kolejnicemi uloženými na příčných pražcích s pružným upevněním. Pražce jsou u nově budovaných a rekonstruovaných tratí dnes již v převážné míře betonové. Jak dokazují např. francouzské železnice, je tento systém stále plně funkční a vyhovující, a to i pro velmi vysoké rychlosti. V tomto příspěvku se nezabývám problematikou železničního spodku. Považujme jej za kvalitní, realizovaný podle platných norem a předpisů. Budeme-li hovořit o klasické konstrukci železničního svršku nebo PJD předpokládáme použití klasického tvaru širokopatní kolejnice např. tvaru 60 E1 resp. 60 E2. Popis systémů: Klasický železniční svršek Kvalita a vlastnosti železničního svršku klasické konstrukce je dána interakcí upevňovacího systému, kvalitou materiálů a provedených prací a v neposlední řadě zabezpečenou a vhodnou údržbou štěrkového lože. Pružnost kolejového roštu je dosahována zvoleným typem upevnění. V dnešní době se jedná především o bezpodkladnicové upevnění s elastickými vložkami pod patou kolejnice, případně doplněné o podpražcové podložky. Z dlouhodobého hlediska např. 80 let, mají-li zůstat zachovány všechny původní parametry, musí proběhnout během této doby několikrát pravidelná údržba a korekce geometrických parametrů koleje, 2-3x výměna materiálu štěrkového lože, kolejnic a systému upevnění. Celý systém vyžaduje častou a náročnou inspekční činnost s využitím vysoké míry lidské činnosti. Systém je ve své podstatě složitý, průměrně s 98ks komponentů na běžný metr délky. 2

Obr. 1 Součásti klasické konstrukce železničního svršku koleje s příčnými pražci Vhodným řešením konstrukce železničního svršku je PJD, která je svými vlastnostmi vhodná především pro vyšší rychlosti a zatížení a pro specifická prostředí, jako jsou dlouhé tunely. Štěrkové lože je nahrazeno betonovou deskou, do které jsou uchyceny vystrojené pražce. Používá se klasická širokopatní kolejnice. Tuhost konstrukce je dána samotnou tuhostí betonové desky, pružnost konstrukce je dána materiálovými vlastnosti pružných podložek. Zřízení PJD je finančně i časově náročné. Případné následné korekce po vytvrzení betonu jsou finančně velmi náročné, složité nebo i nemožné. Na rozdíl od klasické konstrukce železničního svršku odpadá však častá údržba. Systém by měl být po dobu životnosti, která je nyní odhadována na cca. 60 let, v podstatě bezúdržbový. U PJD se mírně snižují náklady na inspekční činnost, zvyšuje se komfortnost a bezpečnost cestování. Nepříjemným faktorem je zvýšený hluk vyžadující dodatečná technická řešení. U obou typů konstrukcí dochází k opotřebení kolejnic s jejich nutnou výměnou, která se neobejde bez využití těžké mechanizace. Při monitorování stavu kolejnic nelze v plné míře využít např. ultrazvuk. Konstrukce BBEST Systém BBEST je tvořen betonovou deskou s podélnými drážkami pro uložení kolejnice. Kolejnice je uložena do skořepiny, která zajišťuje jak pružnost systému, tak nahrazuje funkci upevňovadel. Tuhost systému je dána tuhostí betonové desky. Systém je rychlý na výstavbu, jednoduchý na údržbu, vyžaduje minimální inspekční činnost, která může být navíc plně mechanizovaná. Základní konstrukční prvky systému BBEST jsou znázorněny na obrázku 2. 3

Obr. 2 Základní konstrukční prvky systému BBEST Konstrukční prvky systému BBEST Betonová deska Základním konstrukčním prvkem je betonová deska se dvěma vodícími drážkami. Na vyarmovanou kontrukci PJD je jednoduše upraveným silničním pokladačem, jehož úprava zabere několik málo hodin a po ukončení prací jej lze v podobném čase opět upravit a přesunout na původní práci, je vybetonován tvar PJD BBEST. Stroj je naváděn pomocí přesné zaměřovací techniky, přesnost betonáže je v tolerancích + 10 mm. Celou linku zvládne obsluhovat tříčlenná posádka (Obr.3). Betonová deska potřebuje po vybetonování pouze lokální ruční úpravy. Kolejnice Jedná se o symetrickou, vyjímatelnou kolejnici označení BB14022 s hmotností 74kg/m (Obr. 4). Výška symetrické kolejnice je nižší než u kolejnice 60E1 nebo 60E2, hlava kolejnice je opracována do stejného tvaru jako hlava klasické kolejnice. Na rozdíl od klasických tvarů kolejnic má symetrická kolejnice až o 30% nižší vnitřní napětí. Tohoto je dosaženo již při výrobě - pro vyválcování kolejnice je požadován menší počet průjezdů válcovací stolicí. Symetrická kolejnice je vyrobena ze stejného materiálu jako běžně používané typy kolejnic, to znamená, že kolejnice je plně svařitelná běžnými způsoby. Pro svařování je potřeba pouze přizpůsobit formu a technologii svařování. Kolejnice lze dodávat v dlouhých pasech podobně jako kolejnice klasického tvaru. Tvar symetrické kolejnice umožňuje ojetí až 24mm, přičemž stále zůstává minimální mezera 8,5mm mezi okolkem a konstrukcí tělesa BBEST (Obr. 5). Manipulace s kolejnicemi je realizována pomocí soustavy jednoduchých lešení. 4

Obr. 3 Pohled na zřizování BBEST Removable rail vyměnitelná kolejnice Grout injektáží cementová malta Shell skořepina Removable pad vyměnitelná (polyuretanová) vložka Obr. 4 Prvky konstrukce BBEST 5

Obr. 5 Porovnání ojetí hlavy kolejnice u klasické konstrukce a BBEST Polyuretanová vložka a skořepina Jedná se o konstrukční systém dvou částí pevná skořepina (Obr. 6) a vyjímatelná polyuretanová vložka, která svým vnějším tvarem přesně zapadá do vnitřního tvaru skořepiny. Vtlačením kolejnice do vložky dojde k utěsnění vložky ve skořepině, čímž se systém stane vodotěsný a zároveň je dosažena požadovaná tuhost proti překlopení. Materiálové vlastnosti vložky a skořepiny byly pečlivě a dlouhodobě vyvíjeny a testovány. Skořepina je svým tvarem navržena tak, aby po usazení systému a jeho fixaci v drážce speciální cementovou zálivkou zůstala pevně uchycena ve své poloze, čímž je zajištěno, že při vyjmutí kolejnice a vložky a po jejím opětovném vložení bude poloha kolejnice ve stejné poloze, jako byla před vyjmutím. 6

Obr. 6 Skořepina Vývoj a testování Všechny komponenty, tj. betonová deska, beton, skořepina, vložka i kolejnice, byly ve fázi výzkumu testovány v laboratorních podmínkách mnoha destruktivními i nedestruktivními testy a měřeními. Na systému BBEST byly prováděny testy požární, elektrické vodivosti, práce kolejových obvodů za sucha i mokra aj. Následně testy probíhaly po zřízení zkušebních úseků. Na základě těchto výsledků byly tomuto systému uděleny certifikáty bezpečnosti a systém je uznán pro rutinní provoz. Příklady testování jsou zřejmé z následujících obrázků. Obr. 7 Testování prvků BBEST v Mnichově 7

Výstavba Krok 1 pokládka betonové desky Po přípravě podkladních vrstev a ocelové výztuže, přichází na řadu betonování samotné konstrukce systému BBEST. Konstrukce je vyrobena ze speciální směsi betonu obsahující drobné drátky, které působí jako sekundární výztuž zachycující povrchová napětí v betonu, čímž je zabráněno rozvoji mikrotrhlin. Beton je pokládán např. upraveným pokladačem asfaltových vozovek (finišerem) do finálního tvaru s využitím posuvného bednění (Obr. 8). Beton je tlakově hutněn na požadovanou hodnotu. Výkon stroje je uváděn v rozsahu 1-1,5/min. Přesnost betonáže vodících drážek je + 10mm. Betonované sekce mohou být dlouhé podle potřeby, deska svou konstrukcí a použitými materiály kompenzuje tlakové a tahové síly uvnitř konstrukce. V případě potřeby lze zřídit dilatační celky. Místo realizace in situ lze vytvářet i jednotlivé bloky konstrukce BBEST prefabrikací a jejich pokládkou na místě určení. Bloky jsou do sebe zachyceny přes zámek. Spáry mezi bloky jsou následně ošetřeny. Betonová deska je již při pokládce betonu upravena k odtoku vody z prostoru mezi kolejnicovými pasy. Tvar desky je mezi pasy koncipován jako korýtko, do kterého jsou umístěny kanalizační vpusti, které odvádějí vodu mimo těleso dráhy, případně je pod kolejnicí vynechám malý kus betonu a voda může volně odtékat na povrch mimo těleso dráhy. Obr. 8 Zřizování desky s použitím posuvného bednění 8

Krok 2 instalace skořepiny a její fixace Po vytvrdnutí betonu přichází na řadu instalace skořepiny na finální místo ve vodící drážce. Původní systém usazoval skořepinu přímo osazenou polyuretanovou vložkou a kolejnicí pomocí speciálních, přesto jednoduchých portálků. Po zkušenostech s pokládkou byl vyvinut inovovaný systém, ve kterém je kolejnice nahrazena víčkem, které má stejné vnější rozměry jako následně vložená kolejnice. Víčko je spojeno se spodní částí skořepiny, následně však lehce oddělitelné. Skořepina s víčkem je osazena s tolerancí +1 mm pomocí portálků do finální polohy. Poté je skořepina ve vodící drážce fixována speciální cementovou zálivkou (Obr. 9). Obr.9 Skořepina s víčkem řešení vyvinuté v projektu Innotrack Krok 3 uložení kolejnice Po vytvrdnutí zálivky dochází k oddělení víčka skořepiny od spodní části. Do skořepiny je následně vložena polyuretanová vložka a do ní vtlačena kolejnice. Kolejnice zcela vyplňuje polyuretanovou vložku, tato následně vyplňuje skořepinu. V případě potřeby je možné kdykoliv pomocí jednoduchého nástroje kolejnici vyjmou z vložky a provést potřebnou opravu či výměru části kolejnice. 9

Obr. 10 Princip rychlého zřízení BBEST ve 3 na sobě nezávislých krocích Výhody systému BBEST Obecně lze říci, že popsaný systém nás neomezuje použít jakýkoliv ze současně používaných technických řešení spojených s provozem železnice, pro který se využívá kolejový rošt. Lze tedy zřizovat kolejové obvody, vkládat izolované styky, provádět pod kolejnicemi kabely, zajistit vzájemnou izolovanost obou kolejnicových pasů, v současné době systém vyhovuje rychlostem do 260 km/hod a hmotnost 25 t/náprava. Stabilita Stavební a konstrukční řešení systému BBEST zaručují stabilitu koleje pro nápravové hmotnosti 25 MPa, tak pro rychlosti vyšší než 250 km/hod. Tyto vlastnosti byly a jsou testovány na dvou zkušebních úsecích a to v Anglii a ve Španělsku. Výhodou systému je možnost měnit tuhost vložky, která absorbuje síly přecházející z vozidla do železničního svršku. Na rozdíl od pružného upevnění kolejnice má upevnění symetrické kolejnice větší příčnou tuhost, což má za následek menší příčné kmitání kolejnice. Jízda vozidel je klidnější a to jak v přímé, tak i v obloucích. Beton a vložka podporují kolejnici po celé její délce, tuhost proti překlopení kolejnice je výrazně vyšší, než u klasického systému upevnění. Obě kolejnice jsou na sobě nezávislé, proto lze zřizovat pro každou kolejnici různou tuhost, úklon a další parametry. Celková tuhost systému BBEST byla testována při různých frekvencích a bylo prokázáno, že útlum vlastního kmitání konstrukce vyvolaného průjezdem vozidel je ve všech hladinách výrazně nižší, než u konstrukce klasického železničního svršku. 10

Údržba a monitoring Údržba systém BBEST je minimální. Toho lze dosáhnout vysokým stupněm mechanizace, pro jejíž využití má tento systém výborné předpoklady. Použití kolejnice BB14022 např. umožňuje bezproblémové využití ultrazvukového měření v celém profilu kolejnice (Obr. 11). Systém uchycení kolejnice nevyžaduje tak častou inspekční činnost, jaká je nutná u klasického upevnění kolejnice. Jak již bylo zmíněno výše, tvar kolejnice BB14022 umožňuje větší ojetí hlavy kolejnice, čímž se životnost kolejnice a tím i nutnost ji vyměňovat, prodlužuje až o 100% oproti klasické kolejnici 60E2. Pro opravné práce je potřeba pouze několik nástrojů. Po opětovném vložení vyměněné kolejnice není nutná směrová a výšková úprava, kolejnice je umístěna přesně do polohy, kde byla před vyjmutím. Veškeré úkony, které je nutno na kolejnici dnes provádět (jako je svařování, výměna vadného izolovaného styku atp.), lze provádět bez omezení, nebo je nutno pouze upravit některé postupy či nástroje, jako je tomu např. v případě broušení hlav kolejnic, kdy je potřeba upravit brousící agregáty. Obr. 11 Defektoskopická kontrola kolejnice Bezpečnost Díky své konstrukci je systém BBEST výrazně bezpečnější než jiné systémy PJD. Při vzniku lomu je, díky systému uložení symetrické kolejnice v lůžku, kolejnice stále podporována. Místo lomu není potřeba provizorně vložkovat, oprava se řeší jednorázově vevařením vložky. Kolejnice BB14022 přidržována po celé své délce, celá konstrukce má větší tuhost jak v podélném, tak i v příčném směru, což přispívá k větší bezpečnosti proti vybočení, podélným a příčným posunům. Systém BBEST může mít vybudován betonový ochranný systém proti vykolejení, který svou konstrukcí při případném vykolejení vrací kolo zpět na kolejnici. Dva z uvedených příkladů jsou zřejmé z následujícího obrázku č.12. Výrazně snížena je i možnost teroristického útoku na žel. infrastrukturu. 11

Obr. 12 Možná ochrana proti vykolejení Využití Využití systému BBEST je v zásadě stejné, jako u jiných typů PJD. Předností oproti jiným PJD je však jeho velmi malá konstrukční výška. S výhodou je tento systém navrhován při rekonstrukcích tunelů (Obr. 13), kdy potřebujeme zvětšit přechodový průřez bez nutnosti zásahu to konstrukce tunelového ostění. Pokud toto řešení použijeme již v konceptu projekčních prací při stavbě tunelu nového, získáme značné úspory již ve fázi výstavby tunelu, neboť se až o 600 mm sníží poloměr tunelové roury. Dalším výhodným místem pro použití systému BBEST jsou mostní stavby (Obr. 14), kde díky menším rozměrům konstrukce BBEST dochází k menší dimenzi samotné nosné konstrukce mostu. Nižší konstrukční výška umožňuje přepravu vyšších nákladů. Obecně lze říci, že vhodnost využití systému BBEST je tam, kde je potřeba hledat řešení pro stísněné prostorové podmínky. Obr. 13 Rozdíl konstrukční výšky tunelové roury při použití BBEST a klasické konstrukce 12

Obr. 14 - Rozdíl konstrukční výšky mostní konstrukce při použití BBEST a klasické konstrukce Cena Jak již bylo nastíněno v úvodu, musíme k problematice ceny přistupovat minimálně ze dvou hledisek: na jedné straně pořizovací náklady na vybudování konstrukce samotné a na náklady, které nám přinese snížení nákladů vyplývajících z využití výhod, které vyplývají z provozování konstrukce BBEST. Nejlépe nám o tom vypovídá porovnání nákladů po dobu životnosti (Live Cycle Costs, dále jen LCC). Obecně však můžeme říci, že zřízení konstrukce BBEST odpovídá nákladnější variantě klasického železničního svršku. V pořizovacích nákladech je, v porovnání s jinými druhy PJD, konstrukce BBEST levnější nebo srovnatelně drahá. LCC - Finanční porovnání Náklady po dobu životnosti porovnávají na straně jedné VŠECHNY vstupní náklady na zřízení a provoz konstrukce BBEST po dobu předpokládané životnosti konstrukce, která se předpokládá minimálně 60let a na straně druhé všechny náklady spojené se zřízením a provozem referenčního systému, kterým bude např. klasická nově zřízená konstrukce železničního svršku. Do matice dat pro výpočet porovnání jednotlivých typů konstrukcí mezi sebou tak určitě zahrneme náklady na zřízení konstrukcí, náklady na rekonstrukci konstrukcí, náklady na inspekční činnost, všechny náklady spojené s údržbou, personální náklady. Je možné a vhodné zahrnout, kromě všech snadno si představitelných vstupů, i hledisko např. společenské, kterým může být např. úspora celkových nákladů daňových poplatníků v dlouhodobém pohledu, nebo hledisko bezpečnostní, vliv hlučnosti atp. Do výpočtu vstupují tato hlediska prostřednictvím koeficientů. Všechna hlediska jsou v matici zastoupena také svou četností výskytu po dobu minimálně nejkratší životnosti každé z konstrukcí nebo časovou dobou libovolně definovanou. Všechny tyto vzájemné vazby LCC v současné době snadno řešíme pomocí software DLLC, který je dalším výsledkem projektu INNTRACK. Tento software nám následně jednoduchou 13

záměnou požadovaných vstupních parametrů, např. při přechodu z hmotnosti 22,5 t/nápravu na 25 t/nápravu, graficky názorně ukazuje (Obr. 15), jak se mění náklady pro každé z uvedených technických řešení. Z výše popsaného můžeme obecně říci, že konstrukční systém BBEST vychází v porovnání LCC s klasickou konstrukcí železničního svršku jako hospodárnější a výhodnější řešení. Následně uvedený graf nám ukazuje příklad takového porovnání nákladů v závislosti na provezené zátěži. Obr. 15 - Porovnání nákladů v závislosti na provezené zátěži mezi BBEST a klasickou konstrukcí s kolejovým ložem Závěr V tomto článku jsou uvedeny pouze nejdůležitější a základní principy konstrukce BBEST. Ve fázi výzkumu bylo položeno a zodpovězeno více než 500 technických otázek. O výhodách konstrukce může hovořit i to, že v závěru roku 2009 vznikne již 3. zkušební úsek a to v Německu. Na obou doposud realizovaných úsecích v Anglii (Crewe, srpen 2003, smíšený provoz) a ve Španělsku (Medina del Campo, 2002, vysokorychlostní provoz) je bezproblémově provozována pravidelná doprava. Konstrukce byla v Anglii schválena pro použití v rutinním provozu v únoru 2006. Přestože je řešení BBEST svým přístupem velmi inovativní, lze předpokládat, že si v budoucnu své místo na evropské železnici jistě najde. Důkazem může být i v nejbližší době plánovaná realizace tohoto systému v Londýnském metru. Systém BBEST představil pan Charles Penny také v září letošního roku v Praze na semináři zorganizovaném SŽDC. 14

Obr. 16 BBEST v provozu, West Coast Line, Crewe, Anglie Literatura: Všechny poskytnuté obrázky a technické údaje pocházejí z archivu společnosti Balfour Beatty a pana Charlese Pennyho. V Praze, listopad 2009 Lektoroval: Ing. Danuše Marusičová VUZ 15