Fundamenty palowe w budowie i przebudowie

Henryk Jakszuk, Przemys³aw Nowak
Fundamenty palowe w budowie
i przebudowie sieci trakcyjnej
Fot. 3. Wyd³u¿one przês³a naprê¿enia
budowano stosuj¹c fundamenty palowe na nastêpuj¹cych
odcinkach linii kolejowych:
l E20 na odcinku Szczaniec – Kunowice oraz Warszawa
– Miñsk Mazowiecki,
l E30 na odcinku Opole – Wroc³aw – Legnica,
l E65 na odcinkach: Psary – Góra W³odowska, stacja Psary oraz Ochodza – Zebrzydowice – granica pañstwa,
l E59 na odcinku Wroc³aw Osobowice – Oborniki Œl.,
l linia nr 1 Warszawa – Katowice na odcinkach: P³yæwia –
Koluszki, Piotrków Trybunalski – Radomsko oraz Pruszków
– Grodzisk.
Opracowano, zbadano i przekazano do eksploatacji wyd³u¿one przês³a naprê¿enia (fot. 3) kolejowej sieci trakcyjnej na du¿e prêdkoœci do 250 km/h z zastosowaniem fundamentów palowych. Eksploatacja tych przêse³ (miêdzy
innymi na linii E65, na odcinku Psary – Góra W³odowska)
wykaza³a poprawn¹ ich pracê przy du¿ym natê¿eniu ruchu
i du¿ej szybkoœci.
Upowszechnienie nowej technologii pozwoli szybciej,
lepiej i taniej budowaæ i modernizowaæ sieæ trakcyjn¹. Fundamenty palowe mo¿na stosowaæ do budowy i przebudowy sieci trakcyjnej kolejowej oraz tramwajowej. Na odpowiednich fundamentach palowych mo¿na równie¿ ustawiaæ
znaki i sygna³y (np. semafory) bez destabilizacji torów.
Z biegiem czasu wyniknie koniecznoœæ przebudowy coraz d³u¿szych odcinków sieci trakcyjnej. W tym przypadku
wydaje siê celowe, aby opisana technologia stosowana by³a
w szerszym zakresie, zapewniaj¹c w³aœciwy poziom jakoœci
i wydajnoœci prac fundamentowych. O tym powinny zadecydowaæ plany biznesowe oraz potrzeby wynikaj¹ce z koniecznoœci budowy i przebudowy sieci trakcyjnej, poniewa¿
sieæ trakcyjna, zbudowana na fundamentach palowych i maj¹ca dobrze zabezpieczone przed korozj¹ konstrukcje wsporcze, powinna pracowaæ bezawaryjnie nawet 50 lat przy
planowych wymianach przewodów jezdnych, lin noœnych
i osprzêtu.
q
Literatura
[1] Wach A.: Ogólne cechy obwodów powrotnych systemu zasilania trakcji elektrycznej 3 kV eksploatowanego przez PKP.
II Miêdzynarodowa Konferencja Naukowa – Wspó³czesne systemy zasilania i napêdu pojazdów trakcyjnych (materia³y konferencyjne) Warszawa 1995.
[2] Rejmer M., Wincenciuk K.: Zagro¿enia korozyjne metalowych
konstrukcji podziemnych w pobli¿u linii kolejowych o profilu
górskim. VII Konferencja Naukowa Trakcji Elektrycznej. SEMTRAK ’96 – Zakopane 1996.
[3] Roman Z.: Nowoczesne rozwi¹zania systemów trakcji elektrycznej dla warunków du¿ych prêdkoœci. IV Miêdzynarodowa Konferencja Naukowa. Warszawa 1999.
[4] Szel¹g A.: Kryteria i standardy techniczne w projektowaniu
elektrycznego uk³adu zasilania pr¹du sta³ego zelektryfikowanej
linii kolejowej. IV Miêdzynarodowa Konferencja Naukowa.
Warszawa 1999.
[5] Kaniewski M.: Ocena wspó³pracy odbieraków pr¹du z sieci¹
trakcyjn¹ i ich konstrukcji na podstawie karty UIC i Norm Eropejskich. VII Sympozjum Stowarzyszenia Elektryków Polskich
CNTK Warszawa 2000.
AARSLEFF Sp. z o.o.
02-830 Warszawa, ul. Lambady 6, tel. (22) 648 88 35, fax (22) 648 88 36, e-mail: [email protected]
Elektryfikacja linii kolejowych w Polsce siêga 1936 r.
Obecnie jest zelektryfikowanych ponad 11 tys. km
linii kolejowych systemem pr¹du sta³ego 3 kV. Trakcja elektryczna ma pierwszorzêdne znaczenie w realizacji zadañ przewozowych. Obecnie w Polsce zelektryfikowano blisko 50% ca³kowitej d³ugoœci linii
normalnotorowych, natomiast udzia³ trakcji elektrycznej w pracy przewozowej wynosi ponad 90%. Zelektryfikowane s¹ niemal wszystkie podstawowe ci¹gi
przewozowe i linie o wiêkszym znaczeniu. S¹ jednak
na PKP odcinki linii, które nale¿a³oby zelektryfikowaæ, w celu zamkniêcia ci¹gów komunikacyjnych
obs³ugiwanych trakcj¹ elektryczn¹. Spowodowa³oby
to likwidacjê zmiany trakcji na pocz¹tku i na koñcu
ka¿dego z tych odcinków.
Podstawowym elementem zelektryfikowanej linii jest sieæ
trakcyjna, która jest elementem bezrezerwowym. Dlatego te¿
zak³ócenia w pracy urz¹dzeñ sieci gro¿¹ powa¿nymi zaburzeniami ruchu kolejowego. St¹d bierze siê wymóg wysokiej niezawodnoœci stawiany tym urz¹dzeniom. Przyjêty system zasilania 3 kV pr¹du sta³ego jest w przedsiêbiorstwie
PKP stosowany na ca³ej sieci. Projektowanie i budowa sieci
trakcyjnej by³y realizowane na bazie doœwiadczeñ i technologii zarz¹dów kolejowych, które mia³y ju¿ du¿e osi¹gniêcia
w tym zakresie. Niema³y udzia³ w tych doœwiadczeniach
mia³y zarz¹dy kolei brytyjskiej, niemieckiej i szwedzkiej.
Podstawowe, pierwsze projekty sieci trakcyjnej w Polsce by³y wykonywane na bazie doœwiadczeñ kolei brytyjskich.
Wp³yw takich rozwi¹zañ konstrukcyjnych sieci pozosta³
w Polsce na wiele lat. Aby przyst¹piæ do projektowania
i budowy sieci nale¿y dok³adnie znaæ miejsce docelowego
po³o¿enia toru kolejowego. Konstrukcje wsporcze sieci trakcyjnej ustawia siê w okreœlonej odleg³oœci od osi toru. Zale¿y to od dopuszczalnej prêdkoœci poci¹gów na danej linii.
Odleg³oœæ miêdzy konstrukcjami zale¿y od rodzaju sieci trakcyjnej, a wiêc od jej parametrów, jak równie¿ od prêdkoœci,
na jak¹ jest zaprojektowana ta sieæ. Im ta prêdkoœæ jest
wiêksza, tym odleg³oœci miêdzy konstrukcjami powinny byæ
mniejsze.
Fundamenty wykonywane metod¹ tradycyjn¹
Konstrukcje wsporcze sieci trakcyjnej s¹ ustawiane na fundamentach. Aby ustawiæ konstrukcjê wsporcz¹ przy torze
nale¿y wykonaæ wykop pod fundament. Przy budowie fundamentów metod¹ tradycyjn¹ wykopy te zazwyczaj wykonywane s¹ za pomoc¹ koparki lub rêcznie. W miejscu ustawienia konstrukcji wsporczej budowano fundamenty
wylewane z betonu, czyli tzw. fundamenty wykonywane „na
mokro”. Wielkoœæ fundamentu by³a zale¿na od rodzaju konstrukcji wsporczej, naci¹gów w sieci jezdnej, a tak¿e momentów gn¹cych, dzia³aj¹cych na konstrukcjê. Nadmiar ziemi pochodz¹cej z wykopu by³ ³adowany na platformy
kolejowe i wywo¿ony lub plantowany na miejscu, co w kon-
sekwencji prowadzi³o do zanieczyszczenia t³ucznia. Czas
wykonywania fundamentu – ³¹cznie z oczekiwaniem na wi¹zanie betonu – by³ bardzo d³ugi, co znacznie wyd³u¿a³o czas
budowy sieci trakcyjnej. Niewiele pomaga³o zastosowanie
zmechanizowanego poci¹gu do wylewania fundamentów,
gdy¿ nie mo¿na by³o skróciæ okreœlonego czasu wi¹zania
betonu.
Sytuacja poprawi³a siê nieco w przypadku stosowania
gotowych fundamentów prefabrykowanych. Zawsze jednak
pozostawa³ problem wywozu nadmiaru ziemi z wykopu oraz
czasu, niezbêdnego na wykonanie wykopu za pomoc¹ sprzêtu zmechanizowanego. Przy tych pracach konieczne by³o zamykanie toru kolejowego dla ruchu poci¹gów na d³ugi czas.
Najwiêkszym problemem podczas wykonywania fundamentów by³a destabilizacja toru kolejowego spowodowana
robotami ziemnymi w pobli¿u toru, co w konsekwencji prowadzi³o do pogorszenia pracy toru i zwiêkszenia kosztów
zwi¹zanych z jego utrzymaniem.
Aktualnie w Polsce eksploatowanych jest ponad
25 tys. tkm sieci trakcyjnej, która by³a budowana w ró¿nych
okresach. Na wielu liniach wiek sieci przekracza 20, 30,
a nawet 40 lat. Fundamenty wykonywane w tamtych latach
s¹ technicznie zu¿yte przez dzia³anie takich czynników, jak
wody gruntowe, erozja betonu, pr¹dy b³¹dz¹ce, pochodz¹ce od pr¹du sta³ego oraz dzia³ania nadmiernej wilgoci,
zw³aszcza w górnych miejscach fundamentów na styku
z konstrukcj¹ wsporcz¹.
Nowa technologia budowy fundamentów
Z uwagi na wskazane niedogodnoœci, wi¹¿¹ce siê z zastosowaniem tradycyjnej technologii wykonywania fundamentów dla sieci trakcyjnej, w zarz¹dach kolei duñskich, niemieckich, w³oskich i szwedzkich w ostatnich 20 latach rozpoczêto
wdra¿aæ nowe metody wykonywania fundamentów dla systemów pr¹du przemiennego i sta³ego. Technologie te dla
pr¹du przemiennego i sta³ego zasadniczo ró¿ni¹ siê z uwagi
chocia¿by na odizolowanie konstrukcji wsporczej od fundamentu w systemie pr¹du sta³ego.
Szukaj¹c ³atwiejszych, szybszych i jednoczeœnie lepszych
metod budowy fundamentów dla posadowienia konstrukcji
wsporczych sieci trakcyjnej, specjaliœci z przedsiêbiorstwa
PKP z wielk¹ uwag¹ przeanalizowali nowe technologie
uwzglêdniaj¹ce specyfikê systemu pr¹du sta³ego. Wybrano
technologiê duñsk¹, która okaza³a siê najbardziej odpowiednia dla pr¹du sta³ego i naszych warunków. Technologiê tê
zastosowa³y równie¿ koleje w³oskie, maj¹ce podobny jak
w Polsce system pr¹du sta³ego. Nowa technologia przyjêta
przez PKP polega na wyprodukowaniu w wytwórni fundamentu palowego o okreœlonej konstrukcji ¿elbetowej. Zbrojenie tego fundamentu jest po³¹czone ze œrubami metod¹
zgrzewania tarciowego, nastêpnie do tych œrub montuje siê
s³upy trakcyjne.
Œruby wykonane s¹ ze specjalnej stali o du¿ej wytrzyma³oœci mechanicznej, zabezpieczonej antykorozyjnie.
Rys. 1a. Fundament palowy ze œrubami
Rys. 2. Szczegó³ mocowania s³upa do fundamentu palowego
a) mocowanie konstrukcji wsporczej na fundamencie palowym, b) sposób monta¿u przek³adek izolacyjnych miêdzy s³upem stalowym a zbrojeniem fundamentu
Rys. 1b. Fundament palowy kotwowy
W zale¿noœci od twardoœci gruntu oraz obci¹¿eñ, jakie
maj¹ przenosiæ, fundamenty palowe mog¹ mieæ d³ugoœæ od
2,5 m do 5,0 m, ze skokiem co 0,5 m. Przekrój poprzeczny
pala w dolnej jego czêœci jest kwadratem, natomiast w górnej prostok¹tem (rys. 1). Wielkoœæ przekroju poprzecznego
fundamentu palowego zale¿y od jego zastosowania, czyli od
funkcji konstrukcji wsporczej sieci trakcyjnej (pracuj¹cych
jako przelotowe, krzy¿owe lub kotwowe).
Z uwagi na wielkoœæ przekroju poprzecznego rozró¿niamy trzy typy pali stosowane jako fundamenty pod konstrukcje wsporcze oraz dwa typy pali stosowane jako kotwy
(tabl. 1).
Tablica 1
Wymiary fundamentów palowych
Typ pala
Fot. 1. Instalacja fundamentów palowych pod istniej¹c¹ sieci¹ trakcyjn¹
Wymiary górnej
czêœci pala
[mm]
Wymiary dolnej
czêœci pala
[mm]
Rozmiar
œruby
[mm]
B1
320×450
320×320
M30
B2
360×520
360×360
M36
B3
400×580
400×400
M42
Kotwa B1A
320×450
320×320
—
Kotwa B3A
400×580
400×400
—
Je¿eli projektujemy sieæ, dla której zastosujemy fundamenty palowe, to nale¿y bardzo dok³adnie zbadaæ grunt
przez dokonanie badañ geotechnicznych, co pozwoli w³aœciwie dobraæ pale oraz unikn¹æ przykrych niespodzianek przy
ich instalacji.
Na rysunku 2a i 2b pokazano posadowienie konstrukcji
450 min (7,5 godz.) efektywnego czasu pracy mo¿liwe jest
wsporczej na palu oraz przytwierdzenie s³upa stalowego do
zainstalowanie 30 fundamentów, co odpowiada oko³o
œrub kotwowych. Jak widaæ, bardzo ³atwo jest zabezpieczyæ
1,5 tkm szlaku. Niekiedy na wbicie jednego pala w miêkki
styk „konstrukcja – fundament” przed oddzia³ywaniem kogrunt wystarczy tylko 5 min. Naturalnie nie trzeba wywoziæ
rozji oraz odizolowaæ elektrycznie fundament od konstrukcji.
lub plantowaæ ziemi, bo nie wykonuje siê ju¿ wykopów. Nie
Opracowano równie¿ rozwi¹zanie zabezpieczenia przeciwpozanieczyszcza siê t³ucznia ziemi¹, ani nie narusza stabilnora¿eniowego na wypadek uszkodzenia izolacji g³ównej sieci
œci toru, jak to bywa w przypadku kopania g³êbokiego wytrakcyjnej. Na fundamencie palowym mo¿na posadowiæ konkopu w pobli¿u toru pod tradycyjne fundamenty.
strukcjê wsporcz¹ sieci trakcyjnej wykonan¹ ze stali, jak
Fundamenty palowe mo¿na wbijaæ podczas normalnego
równie¿ strunobetonow¹ lub ¿elbetow¹.
ruchu poci¹gów po s¹siednim torze zarówno pod istniej¹c¹
Pale wykonuje siê w wytwórni, mo¿na je przechowywaæ
sieci¹ trakcyjn¹ (fot. 1), jak i po jej zdemontowaniu (fot. 2).
w magazynie i w dogodnym czasie (np. noc¹, kiedy ruch poci¹gów jest ograniczony) transportowaæ na szlaki, na któPrzebudowa sieci trakcyjnej na PKP
rych buduje lub odbudowuje siê konstrukcje wsporcze sieci
przy zastosowaniu fundamentów palowych
trakcyjnej.
W latach 1995–2001 firma Aarsleff Sp. z o.o. z siedzib¹
Posadowienie pali w wyznaczonych miejscach odbywa
w Warszawie zainstalowa³a na liniach PKP oko³o 10 tys. funsiê za pomoc¹ palownicy. Jest to maszyna torowa, która
damentów palowych przy przebudowie i renowacji nadmiermo¿e samoczynnie przemieszczaæ siê po torach z prêdkonie wyeksploatowanej sieci trakcyjnej. Sieæ trakcyjn¹ przeœci¹ do 20 km/h miêdzy kolejnymi instalowanymi fundamentami palowymi. Przy
wiêkszych odleg³oœciach maszyna holowana jest przez lokomotywê z prêdkoœci¹
do 100 km/h. Palownica ma w³asny silnik, który s³u¿y do jej poruszania oraz napêdza mechanizmy hydrauliczne, s³u¿¹ce
do posadowienia pala w gruncie. Wyposa¿ona jest w 3-tonowy m³ot hydrauliczny typu Uddcomb. Czêstotliwoœæ oraz wysokoœæ spadu m³ota sterowana jest
elektronicznie, natomiast system hydrauliczny umo¿liwia automatyczne rozk³adanie maszyny.
Kompleksowy system bezpieczeñstwa
nie dopuszcza do wykonania jakiejkolwiek
operacji, która kolidowa³aby z ruchem
poci¹gów na s¹siednich torach.
Do obs³ugi palownicy (fot. 1 i 2) wystarczy trzech wyszkolonych pracowników. W ci¹gu jednej godziny efektywnej
pracy œrednio instaluje siê cztery fundamenty palowe. Oznacza to, ¿e w ci¹gu Fot. 2. Instalacja fundamentów palowych po zdemontowaniu siei trakcyjnej