Wzmocnienie nasypu czynnej linii kolejowej nr 353

Transport kolejowy, zarówno pasażerski jak i towarowy, od zawsze był traktowany w Polsce jako jedna z głównych gałęzi logistycznych. W ostatnich latach możemy zauważyć ciągły wzrost przewozów towarowych. W roku 2018 według Urzędu Transportu Kolejowego przewieziono 250,3 mln ton towarów, co w porównaniu do trzech lat wstecz, daje wzrost na poziomie 10%, który z roku na rok rośnie. Sytuacja ma się podobnie w przypadku ruchu pasażerskiego.

Aby umożliwić ciągły rozwój i wzrost jakości transportu kolejowego, zwłaszcza pasażerskiego, niezbędna jest budowa nowych oraz modernizacja istniejących linii kolejowych.

Linia kolejowa nr 353 zgodnie z wykazem Id-12 [1] jest linią pierwszorzędową, dwutorową, dla której zgodnie z oczekiwanymi parametrami techniczno – eksploatacyjnymi prędkość ruchu pociągów towarowych wynosi 100 km/h, natomiast pociągów pasażerskich 120 km/h przy naciskach osiowych wynoszących 221 kN.


Warunki gruntowo – wodne

W wyniku przeprowadzonych badań geotechnicznych i laboratoryjnych obiekt został zakwalifikowany do drugiej kategorii geotechnicznej zgodnie z Rozporządzeniem Ministerstwa Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej w sprawie ustalenia geotechnicznych warunków posadowienia obiektów budowlanych.

W górnych warstwach gruntowych poniżej podstawy nasypu nawiercono utwory czwartorzędowe reprezentowane przez piaski drobne i średnie luźne i średnio zagęszczone (0,2 ≤ ID ≤ 0,62). Poniżej warstw niespoistych stwierdzono występowanie w podłożu gruntów organicznych (namuły, torfy) o miąższości od 4,0 m do 6,0 m zalegających od 4,0 m do 10 m poniżej główki szyny. Przeprowadzono badania edometryczne próbek gruntów organicznych (torfów, namułów) pobranych z różnych głębokości zalegania. Dla próbek pobranych z głębokości od 0,4 do 2,6 metra poniżej poziomu terenu wartość wtórnego modułu ściśliwości wyniosła od 0,94 do 1,88 MPa, dla niżej zalegających warstw gruntów organicznych od 1,09 do 2,7 MPa. Poniżej warstw organicznych wykazano występowanie czwartorzędowych polodowcowych zagęszczonych piasków średnich i drobnych (ID≥0,63) oraz glin w stanie twardoplastycznym (IL<0,25) i zwartym (IL<0,0).

Korpus nasypu w ciągu w omawianej lokalizacji zbudowany jest zarówno z gruntów niespoistych (piaski drobne, średnie od luźnych do zagęszczonych), jak i z gruntów spoistych (gliny, gliny piaszczyste w stanie plastycznym i twardoplastycznym).



Rozwiązanie projektowe

Analizując dostępną dokumentację badań podłoża [3], pomiary osiadania torów na przedmiotowym odcinku i odcinkach przylegających oraz na bazie doświadczenia z podobnych realizacji zdecydowano się na głębokie wzmocnienie podłoża gruntowego. Prowadzone pomiary wskazywały na stały wzrost osiadania, a doraźne działania w postaci podbijania torów nie rozwiązywały problemu.

W celu przeniesienia obciążeń od ruchu kolejowego na niżej położone warstwy nośne gruntu oraz zminimalizowania różnicy podatności podtorza pomiędzy wzmacnianym odcinkiem linii, a odcinkami przylegającymi posadowionymi na nośnym podłożu zdecydowano się na podatne rozwiązanie wzmocnienia podłoża nasypu. W tym celu zastosowano technologię kolumn żwirowo – betonowych (FSS) i żwirowych (KSS) systemu Kellera (ryc. 5).

Kolumny żwirowo – betonowe (FSS) i żwirowe (KSS) wykonuje się wibratorem wgłębnym z rdzeniowym (wewnętrznym) podawaniem materiału. W pierwszej fazie wykonywania kolumn FSS, tj. w czasie formowania podstawy, dogęszcza się podłoże i podaje gruboziarniste kruszywo do uformowania żwirowej stopy kolumny. W drugiej fazie, tj. w czasie formowania trzonu kolumny w obrębie gruntów słabonośnych (organicznych) podaje się półsuchy beton o specjalnej konsystencji (możliwe jest również wykonanie trzonu z betonu pompowalnego). W trzeciej, końcowej fazie, ponownie podaje się kruszywo, co pozwala uformować żwirową głowicę kolumny, która zapewnia podatny charakter podparcia podtorza.

Zaprojektowana żwirowa część kolumny FSS pozwoliła dogęścić otaczający ją grunt (nasypowy i rodzimy) poprawiając jego parametry wytrzymałościowe i odkształceniowe przy jednoczesnym zachowaniu podatnego charakteru podparcia nasypu. Ponieważ wykonywanie kolumn żwirowych w gruntach organicznych o miąższości przekraczającej 0,5 metra nie przynosi oczekiwanych efektów, dlatego w obrębie gruntów organicznych zastosowano część betonową kolumny FSS poprzez, którą obciążenia zostaną przekazane na warstwy nośne. Zastosowanie stopy żwirowej, której wykonanie powoduje również dogęszczenie gruntu wokół niej, pozwala jeszcze bardziej zredukować osiadania.

W przypadku modernizacji istniejących linii, gdzie dokonywane są odcinkowe prace związane ze wzmocnieniem podłoża należy również pamiętać o strefach przejściowych. Zapewniają one równomierną pracę podtorza i ograniczają różnice podatności między wzmacnianym odcinkiem, a przylegającymi odcinkami bez wzmocnienia. W omawianym przypadku zastosowano wzmocnione kolumnami żwirowymi strefy przejściowe o długości 50 metrów.

Zastosowane rozwiązanie wzmocnienia podłoża w technologii kolumn FSS i KSS pozwoliło na zredukowanie osiadania nasypu, minimalizację kosztów wykonania warstw transmisyjnych, które w przypadku rozwiązania „sztywnego” (pale, kolumny betonowe, itp.) ma postać materacy o znacznych miąższościach najczęściej wzmacnianych geosyntetykami lub płyt żelbetowych, a ponadto wyeliminowało praktycznie do zera zjawisko przebicia tzw. „punchingu”, które występuje w przypadku zastosowania rozwiązania „sztywnego”.

Realizacja prac

Mając na uwadze znaczenie linii dla transportu towarowego i pasażerskiego oraz brak możliwości całkowitego wyłączenia przedmiotowego odcinka z eksploatacji na czas prac zdecydowano się na wykonanie prac oddzielnie dla każdej linii torowiska.

W pierwszym etapie realizacji zdemontowano sieć trakcyjną oraz podtorze wraz z torowiskiem i urządzeniami pomocniczymi.

W kolejnym etapie została wykonana platforma robocza. W przypadku prac geotechnicznych jest ona jednym z najważniejszych elementów, który pozwala bezpiecznie i zgodnie z najwyższymi standardami prowadzić prace. Przykład platformy roboczej zrealizowanej na potrzeby omawianej realizacji zaprezentowano na ryc. 6.

Warunki realizacji prac przy czynnym ruchu kolejowym wymagają wykfalifikowanej kadry, doskonałej organizacji pracy i znajomości zasad obowiązujących na terenach PKP.

W ostatniej fazie zrealizowano część zasadniczą prac, czyli wzmocnienie podłoża w technologii kolumn FSS i KSS. Po ich zrealizowaniu odbudowano warstwy konstrukcyjne podtorza oraz zamontowano sieć trakcyjną i dopuszczono linię do ruchu kolejowego.

Po zakończeniu wzmocnienia pod pierwszym torem, w analogicznym trybie zrealizowano wzmocnienie podłoża dla drugiego toru linii nr 353.

Podsumowanie

Przedstawiony przykład realizacji prac pokazuje jak ważnym elementem jest dobór odpowiedniej technologii wzmocnienia. W przypadku prac przy czynnym ruchu kolejowym dobór technologii wzmocnienia nie jest warunkowany jedynie poprzez warunki gruntowo - wodne, ale również wymagania realizacyjne. Gabaryty maszyny pozwalają wykonywać prace w bezpośrednim sąsiedztwie czynnego toru, a specjalne stopy podporowe pozwalają zmienić pozycję (poprzez obrót) maszyny bez poruszania się na gąsienicach.

Odpowiednio dobrany sprzęt, technologia, wykfalifikowana kadra oraz przemyślana organizacja pracy pozwala bezpiecznie i z powodzeniem zarówno technicznym, jak i realizacyjnym prowadzić prace w trudnych warunkach terenowych.

Literatura
[1] Wykaz linii Id-12. PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. Warszawa, 2009.
[2] Projekt wykonawczy wzmocnienia podłoża gruntowego pod nasypem kolejowym linii 353, szlak Kowalewo Pomorskie – Wąbrzeźno, km 169+275-169+575. Keller Polska, 2016.
[3] Sprawozdanie z wykonanych badań geotechnicznych wraz z ekspertyzą dalszej eksploatacji nasypu kolejowego na odcinku szlaku Kowalewo Pomorskie - Wąbrzeźno w km 169,350 - 169,550 linii kolejowej nr 353 Poznań Wschód – Skandawa. Geopartner, 2016.