Wgłębne wzmocnienie podtorza w technologii wibrowymiany wykonywane z mobilnego zestawu poruszającego się po torach

Modernizacja infrastruktury kolejowej ma na celu zwiększenie dostępności, atrakcyjności i niezawodności transportu kolejowego. Wiąże się to między innymi z przystosowaniem podtorza do wyższych niż dotychczas parametrów eksploatacyjnych (maksymalnej prędkości oraz nacisków osiowych i liniowych). Zwiększenie prędkości rozkładowych oraz dopuszczalnego nacisku osiowego pociąga za sobą konieczność modernizacji istniejących nasypów, ich rozbudowy lub poprowadzenia trasy kolejowej po nowym śladzie. W wielu przypadkach, aby umożliwić bezpieczną i bezawaryjną eksploatację linii, konieczne jest wykonanie wgłębnego wzmocnienia podtorza przy wykorzystaniu specjalistycznych metod geotechnicznych.

Projekty związane z modernizacją istniejących linii kolejowych ze względu na szczególne uwarunkowania oraz sposób prowadzenia robót budowlanych wymagają każdorazowo indywidualnego podejścia i przyjęcia kompleksowego rozwiązania, które uwzględnia wszystkie ograniczenia danej inwestycji. Dobrym przykładem takiego podejścia jest realizacja przez firmę Keller wzmocnienia podtorza na długości około 3 kilometrów trasy kolejowej pomiędzy miastami Bad Bentheim i Neuenhaus, leżącymi w Dolnej Saksonii przy granicy Niemiec i Holandii.

W tym przypadku zadanie polegało na dostosowaniu jednotorowej linii kolejowej do planowanego uruchomienia ruchu pasażerskiego i jednocześnie miało na celu zwiększenie bezpieczeństwa przejazdów pociągów towarowych. Jednym z trudniejszych odcinków inwestycji był fragment linii kolejowej, w którym biegnie ona przez las „Bentheimer Wald”.


W tym miejscu pod konstrukcją torowiska zalegały luźne piaski oraz plastyczne i miękkoplastyczne gliny, które wymagały wgłębnego wzmocnienia. W takich warunkach gruntowych, należało zastosować rozwiązanie, które pozwoli na realizację robót bez konieczności demontażu istniejącego torowiska. Prace zgodnie z wymaganiami Inwestora mogły być realizowane jedynie w ciągu dnia od godziny 7 do 18, ponieważ w nocy trasa była wykorzystywana do prowadzenia ruchu pociągów towarowych. Po wnikliwej analizie zarówno warunków gruntowych jak i możliwości wykonawczych przyjęto wzmocnienie podtorza kolumnami żwirowymi KSS wykonywanymi metodą wibrowymiany z wykorzystaniem zestawu mobilnego na torach (Fot.1).

Technologia wzmocnienia słabego podłoża za pomocą wibrowymiany już 25 lat temu została oficjalnie wprowadzona przez Niemieckie Koleje do katalogu zalecanych rozwiązań technicznych. Polega ona na wykonaniu kolumn żwirowych (KSS) lub żwirowo-betonowych (KSS/FSS) za pomocą wibratora wgłębnego z wewnętrznym, tzn. śluzowym podawaniem materiału, przy wspomaganiu transportu kruszywa lub betonu sprężonym powietrzem. Podawanie materiału odbywa się przez kosz zasypowy, poruszający się wzdłuż masztu specjalnej palownicy (Fot. 2). W pierwszej fazie wibrator wypełnia się kruszywem i pogrąża w podłoże przy udziale wibracji i docisku maszyny. Po osiągnięciu głębokości projektowej następuje formowanie stopy z kruszywa w gruncie nośnym, czemu towarzyszy dodatkowe dogęszczenie rodzimych gruntów piaszczystych lub przyspieszona konsolidacja nawodnionych gruntów spoistych. W drugiej fazie następuje formowanie trzonu kolumny w obrębie gruntów słabonośnych, wymagających wzmocnienia. W tym celu do wibratora wsypuje się od góry, przez zamykaną śluzę, kruszywo lub beton (dla kolumn KSS/FSS).

W trakcie podciągania wibratora materiał wypływa spod jego ostrza przy udziale sprężonego powietrza i wypełnia przestrzeń zwolnioną przez wibrator. Ponowne zagłębienie wibratora rozpycha materiał na boki i zwiększa efektywną średnicę kolumny. Posuwisto-zwrotny ruch wibratora kontynuowany jest na całej długości kolumny. W przypadku kolumn żwirowo-betonowych (KSS/FSS) w końcowej fazie, ponownie podaje się kruszywo, co pozwala uformować żwirową głowicę kolumny, która zapewnia podatny charakter podparcia nasypu torowiska. W trakcie formowania trzonu średnica kolumny dostosowuje się do podatności bocznej gruntu i wynosi od ok. 0,5 m do 0,8 m, tzn. w gruntach słabych jest większa,
a w gruntach bardziej wytrzymałych mniejsza. Dodatkowym efektem, jaki towarzyszy formowaniu trzonu kolumny, jest poprawienie parametrów mechanicznych otaczającego gruntu. Istotną cechą opisanej technologii wykonania kolumn jest dostosowanie długości każdej kolumny do rzeczywistego przebiegu nośnych warstw gruntu w podłożu dzięki ciągłej rejestracji oporu penetracji wibratora w podłoże gruntowe.

Największym wyzwaniem było dostosowanie metody wgłębnego wzmocnienia do sposobu realizacji przedmiotowej inwestycji oraz terminu końcowego prac, które musiały zostać zakończone przed okresem lęgowym rozpoczynającym się w marcu. Większą część zaprojektowanych kolumn żwirowych KSS wykonywano w rejonie, gdzie nie było infrastruktury drogowej w pobliżu torowiska, więc transport sprzętu oraz materiału do kolumn był możliwy jedynie koleją. W tej sytuacji zdecydowano, że najlepszym rozwiązaniem będzie ustawienie palownicy na platformie kolejowej. Na wagonach ustawiono również teleskopową ładowarkę do podawania materiału (kruszywo było przewożone transporterami materiałów sypkich), zainstalowano system oświetleniowy oraz kontenery dla załogi. W ten sposób powstał mobilny zestaw roboczy (Fot.1). Tak przygotowany pociąg każdego ranka dojeżdżał do miejsca robót, gdzie w pierwszej kolejności były wykonywane kolumny żwirowe KSS. Następnie prowadzono prace wykończeniowe i porządkowe w taki sposób, aby w nocy pociągi towarowe mogły bezpiecznie jeździć.

Opisywane prace na budowie rozpoczęły się w grudniu 2017 roku, a zakończyły się w lutym 2018 roku. W ciągu 40 dni roboczych wykonano prawie 2,5 tysiąca sztuk kolumn żwirowych KSS w technologii wibrowymiany dla wzmocnienia podtorza na długości około 3 kilometrów linii kolejowej. W efekcie zrealizowanych robót specjalistycznych istniejące podtorze zostało wzmocnione, a pociągi pasażerskie zaczęły kursować na tej linii pod koniec 2018 roku. Zachęcamy Państwa do obejrzenia krótkiego filmu z realizacji tego zadania.