Dobór składników nawierzchni kolejowej ze względu na jej trwałość

Zagadnienie trwałości nawierzchni kolejowej oraz jej elementów jest od lat przedmiotem wielu badań i analiz [1, 6]. Niektóre prace [3, 4] wskazują, że trwałość nawierzchni należy mieć na uwadze już na etapie projektowania poprzez odpowiednie kształtowanie układów geometrycznych torów. Badania dowiodły również, że zwiększanie trwałości można uzyskać przez właściwe utrzymanie nawierzchni oraz jakość jej napraw [2]. Prace te wskazują na istotne aspekty trwałości nawierzchni i udowadniają, że stosowanie trwałych i przystosowanych do konkretnych warunków eksploatacyjnych składników nawierzchni jest czynnikiem w dużym stopniu wpływającym na trwałość nawierzchni, ale niejedynym.

Rys. 1 Klasyczna nawierzchnia kolejowa

Składniki nawierzchni stosowane w torach

Klasyczna nawierzchnia kolejowa (rys. 1) składa się z czterech podstawowych składników: szyn, systemu przytwierdzeń, podkładów i podsypki. Trzy z nich (oprócz podsypki) zgodnie z odpowiednimi przepisami [8, 9] stanowią składniki interoperacyjności. Oznacza to, że projektując linie kolejowe, należy wskazać do zastosowania szyny, systemy przytwierdzeń i podkłady, na które zostały wystawione deklaracje WE zgodności. Jest to potwierdzenie, że wyroby te zostały poddane odpowiedniej procedurze oceny zgodności, np. przy udziale Jednostki Notyfikowanej, do dyrektywy 2008/57/WE. Wskazanie składników interoperacyjności na etapie projektowania jest o tyle istotne, że również cały podsystem podlega ocenie przez tę jednostkę.

Obecnie na liniach PKP PLK SA stosuje się dwa podstawowe typy szyn, czyli 60E1 (dawniej UIC60 lub S60) oraz 49E1 (dawniej S49). Należy dodać, że mogą być stosowane również szyny o profilu 60E2, jednak profil ten uzyskuje się najczęściej przez reprofilację szyn 60E1 (lub jej wcześniejszych odpowiedników). Szyny nowe wykonywane są z dwóch podstawowych gatunków stali: R260 lub R350HT. Rozporządzenie [7] oraz instrukcja Id-1 obligują do stosowania szyn gatunku R350HT w torach położonych w łukach o promieniach 600 m i mniejszych. Na liniach PKP PLK SA zgodnie z przepisami wewnętrznymi stosuje się szyny w tym gatunku również w torach zewnętrznych na łukach o promieniu 800 m oraz mniejszych, jeżeli obciążenie przewozami toru przekracza 9 Tg. Typy szyn, gatunki stali oraz stosowane oznaczenia gatunku stali (znaki wypukłe), a także wymagane zakresy twardości przedstawia tablica.

Zgodnie ze standardami [10] przy modernizacji linii kolejowej szyny nowe stosuje się w torach klasy¹ 0, 1, 2. Dopuszcza się stosowanie szyn reprofilowanych w torach klasy 2, 3 i 4. W torach klasy 2, 3, 4 można stosować profil szyn 49E1.

Tabl. Zakres stosowania szyn na sieci PKP PLK SA w zależności od gatunku stali

W szynach nowych w celu usunięcia warstwy odwęglonej w strefie główki szyny oraz w celu wydłużenia żywotności szyn, po przeniesieniu obciążenia 3–10 Tg, ale nie później niż w ciągu 24 miesięcy po oddaniu torów i rozjazdów do eksploatacji, powinno być przeprowadzone profilowanie szyn (w trybie początkowym).

Kolejnym istotnym czynnikiem z punktu widzenia trwałości szyn oraz całej nawierzchni jest sposób łączenia szyn. Rozporządzenie [7] w dosyć poważny sposób zawęża możliwość stosowania toru bezstykowego, gdyż najmniejszy promień, jaki można zastosować w torze bezstykowym, wynosi 300 m (w torach stacyjnych), 450 m (w torach głównych z podkładami betonowymi) lub 500 m (w torach głównych z podkładami drewnianymi), a pochylenie podłużne linii kolejowej nie może przekraczać 12‰. Znane są przypadki odstępstw od rozporządzenia w tym zakresie, choćby na odcinku z Kalwarii Zebrzydowskiej do Wadowic, gdzie zastosowano podkłady stalowe.

Fot. 1 Węzeł systemu przytwierdzeń SB z łapką SB4

Osobom z doświadczeniem eksploatacyjnym nie trzeba tłumaczyć, jak bardzo stosowanie złączy klasycznych ogranicza trwałość szyn i całej nawierzchni. Większe są również koszty utrzymania toru klasycznego w porównaniu z torem bezstykowym. Oczywiście zwiększenie zakresu stosowania torów bezstykowych w łukach o mniejszych promieniach możliwe będzie po zmianie rozporządzenia [7]. Zmiana ta jest konieczna, gdyż utrzymywanie przepisów w kształcie obowiązującym jeszcze w czasach, gdy wiedza o zachowaniu się w eksploatacji toru bezstykowego była o wiele uboższa, jest nie tylko anachroniczne, ale również nieuzasadnione ekonomicznie.

W torach bezstykowych stosuje się połączenia szyn spawane termitowo lub zgrzewane zgrzewarkami stacjonarnymi lub mobilnymi. Zakres stosowania połączeń termitowych na liniach PKP PLK SA pomimo nieodbiegającej od pozostałych rodzajów połączeń jakości jest obecnie mocno ograniczony, co wynika m.in. z nieufności wobec starych metod spawania termitowego. W związku z tym, że stosowane od lat nowe technologie spawania (np. SoWoS, SoWoS-P, SkV i SkV-Elite) są sprawdzone w eksploatacji również na kolejach zagranicznych, w najbliższym czasie należy się spodziewać zmian w zakresie stosowania tych metod łączenia szyn. Obecnie zgodnie z decyzją² w czasie robót modernizacyjnych oraz w czasie wymiany nawierzchni i ciągłej wymiany szyn łączenie szyn długich należy wykonywać metodą zgrzewania zgrzewarkami torowymi. W związku z powyższym w torach modernizowanych odcinków linii kolejowych szyny łączone są praktycznie wyłącznie poprzez zgrzewanie zgrzewarkami torowymi, a złącza spawane wykonuje się tylko w rozjazdach.

Rys. 2 Przykłady zużycia iglic łukowych rozjazdów zwyczajnych na podrozjazdnicach betonowych

Jak już wspomniano, połączenia szyn są istotnym czynnikiem wpływającym na trwałość nawierzchni, pojawia się więc następujące pytanie: Czy projektanci w projekcie budowlanym nie powinni określać typu złączy szynowych, jakie mają być zastosowane na danym odcinku linii kolejowej?

Pozostawiwszy na razie to pytanie bez odpowiedzi, przejdę do omówienia podkładów, które stosuje się przy naprawach nawierzchni kolejowej. W torach wszystkich klas zaleca się układanie torów i rozjazdów na podkładach i podrozjazdnicach betonowych. Stosowanie podkładów i podrozjazdnic drewnianych należy ograniczyć do przypadków uzasadnionych warunkami miejscowymi (skomplikowane układy geometryczne połączeń torów, położenie rozjazdów w pobliżu obiektów inżynieryjnych, słabe podtorze) [10].

Planując na danym odcinku linii kolejowej wymianę podkładów na nowe, w torach klasy 0 i 1 stosuje się dwa typu podkładów: PS-93 lub PS-94, a w torach pozostałych klas (2–5) – podkłady typu PS-83. Wszystkie wymienione typu podkładów produkowane w Polsce przeszły pomyślnie ocenę zgodności z Normą Europejską. Dodatkowo podkłady PS-93 oraz PS-94 spełniają wymagania zasadnicze interoperacyjności systemu kolei we Wspólnocie.

Wszystkie te podkłady przystosowane są do systemu przytwierdzeń SB. Początkowo system ten funkcjonował z łapkami sprężystymi SB3. Pod koniec lat 90. do produkcji wprowadzono łapkę SB4. Systemy przytwierdzeń z łapką SB4 spełniają wymagania Normy Europejskiej. Przykład systemu SB z łapką SB4 przedstawia fot. 1.

Podobnie jak podkłady również systemy przytwierdzeń należy dobierać, biorąc pod uwagę parametry techniczno-eksploatacyjne projektowanej linii kolejowej. System SB w obecnym kształcie jest przystosowany do zabudowy na linie o ruchu mieszanym, z prędkością maksymalną 250 km/h i dopuszczalnym naciskiem osi 221 kN. Doświadczenia producentów zagranicznych wskazują, że możliwe jest projektowanie systemów przytwierdzeń przeznaczonych na linie dużych prędkości lub linie zaprojektowane do dużych nacisków osi (250 lub nawet 300 kN) bądź choćby linie kolei miejskich itd. [5].

Fot. 2 Rozjazd zwyczajny 60E1-300-1:9 na podrozjazdnicach betonowych

Reasumując: możliwe jest obecnie zaprojektowanie linii kolejowej ze składnikami nawierzchni produkcji polskiej spełniającymi wymagania interoperacyjności, gdyż zarówno w przypadku stosowanych szyn, podkładów, jak i systemu przytwierdzeń została dokonana ocena zgodności tych wyrobów.

Składniki nawierzchni stosowane w rozjazdach

Rozjazdy i skrzyżowania torów stanowią bardziej skomplikowaną konstrukcję niż tor. W skład konstrukcji rozjazdu, oprócz szyn, które zostały już omówione, wchodzą również kształtowniki szynowe, a także urządzenia kierownic oraz krzyżownice wykonywane według różnych technologii. Dobrą bazą wiedzy dla projektanta chcącego uwzględnić w projekcie pożądane właściwości dla konstrukcji rozjazdów są standardy [10], które są dostępne w wersji elektronicznej na stronie internetowej PKP PLK SA. W dokumencie tym przedstawiono w tablicach odmiany konstrukcyjne rozjazdów dla poszczególnych typów linii. I tak dla linii typu M120 przewiduje się stosowanie rozjazdów zwyczajnych 60E1-300-1:9 (fot. 2) lub 60E1-500-1:12.

Po krótkiej analizie tablic można dostrzec, że odmiany konstrukcyjne rozjazdów są zróżnicowane. Zwrotnica może być wykonana zarówno ze stali gatunku R260, jak i R350HT, a krzyżownica może być manganowa, kuto-zgrzewana lub zgrzewano-spawana.

W celu zobrazowania, jak istotne są to różnice i jakie skutki może powodować niewłaściwy dobór gatunku stali w zwrotnicy, należy przeanalizować rys. 2. Przedstawia on iglicę łukową rozjazdu zwyczajnego, wykonaną ze stali gatunku R260, po półrocznej eksploatacji. Jej zużycie boczne pomimo tak krótkiego okresu eksploatacji przekracza 4 mm. Rozjazd ten został zabudowany w ramach modernizacji stacji i przyległych do niej odcinków linii. Szacowane obciążenie tego rozjazdu w okresie półrocznej eksploatacji mogło wynieść nawet 20 Tg. Można się domyślić, że w dużej części jazda po tym rozjeździe odbywała się na kierunku zwrotnym, co wynikało z ustalonego harmonogramu robót.

Na zmodernizowanych stacjach kolejowych nader często zdarzają się przypadki przekroczonego zużycia części stalowych rozjazdów,które nastąpiło jeszcze przed oddaniem stacji do eksploatacji. Wynika to z faktu, że przy wyborze odmiany konstrukcyjnej rozjazdu nie uwzględnia się obciążenia wynikającego z harmonogramu prac. Rozjazdy położone w torach, które jako pierwsze są przekazywane do eksploa­tacji, są zazwyczaj w początkowym okresie obciążone dwukrotnie, a ruch w dużej mierze odbywa się po torze zwrotnym, gdyż na szlaku lub w obrębie stacji czynny jest tylko jeden tor.

Chcąc uniknąć tego typu problemów, należy rozjazdy bardziej obciążone w okresie budowy zaprojektować z szyn w gatunku stali R350HT. Łatwo się domyślić, że będzie to rozjazd droższy, ale na pewno nie jest to dla wykonawcy obciążenie większe niż wymiana półzwrotnicy przed odbiorem ostatecznym.

Obecna praktyka doboru rozjazdów na linie modernizowane jest uzależniona od oszczędności, a aspekty techniczne schodzą na plan dalszy. Jest oczywiste, że wykonawca, spełniając wymagania projektu – skupiające się praktycznie wyłącznie na typie rozjazdu, promieniu i skosie – wybierze najtańszą dla siebie opcję. Oznacza to wybór najtańszego rozjazdu, którego konstrukcja nie zawsze jest w stanie pozostać nienaruszona w okresie budowy wobec dużego obciążenia eksploatacyjnego. Dlatego odmianę konstrukcyjną rozjazdu powinien każdorazowo wybierać projektant.

Wnioski

Składniki nawierzchni powinny być dobierane przede wszystkim na podstawie wymagań technicznych. Dlatego też dobór składników nawierzchni kolejowej na liniach kolejowych podlegających budowie, modernizacji i naprawom powinien należeć do projektanta. Wymaga to współpracy zarówno z przedstawicielami zamawiającego, jak i producentami elementów nawierzchni, tak aby projekt w całości był dostosowany do warunków eksploatacyjnych danej linii kolejowej.

Rozwój wiedzy dotyczącej projektowania z uwzględnieniem trwałości nawierzchni wymaga prowadzenia badań na liniach o zróżnicowanym obciążeniu eksploatacyjnym. Badania powinny dotyczyć kwestii kształtowania układów geometrycznych torów i doboru składników nawierzchni.

¹Warunki klasyfikacji toru do danej klasy definiuje rozporządzenie [7] oraz instrukcja Id-1 z 2005 r.

²Decyzja nr 02/2007 członka zarządu – dyrektora ds. Techniki PKP Polskie Linie Kolejowe SA z dnia 17 stycznia 2007 r. w sprawie ustalenia warunków łączenia szyn długich w torach bezstykowych.

Uwaga: tekst oparty na referacie wygłoszonym na IV Konferencji Naukowo-Technicznej „Projektowanie budowa i utrzymanie infrastruktury w transporcie szynowym” INFRASZYN 2011.

mgr inż. Grzegorz Stencel

specjalista inżynieryjno-techniczny
Instytut Kolejnictwa

Literatura

1. H. Bałuch, Trwałość i niezawodność eksploatacyjna nawierzchni kolejowej, WKiŁ, Warszawa 1980.

2. H. Bałuch, M. Bałuch, Eksploatacyjne metody zwiększenia trwałości rozjazdów kolejowych, CNTK, Warszawa 2009.

3. H. Bałuch, M. Bałuch, Kształtowanie układów geometrycznych toru z uwzględnieniem trwałości nawierzchni, „Technika Transportu Szynowego” nr 7-8/2009.

4. H. Bałuch, M. Bałuch, Determinanty prędkości pociągów – układ geometryczny i wady toru, IK, Warszawa 2010.

5. W. Filipiak, A. Wróblewski, Sposób doboru mocowań szyn w oparciu o potrzeby klienta, materiały konferencyjne Infraszyn 2010, Zakopane 2010.

6. R. Radomski, Trwałość eksploatacyjna szyn na wybranych odcinkach toru nr 1 i 2 linii Katowice–Tczew, „Technika Transportu Szynowego” nr 7-8/2009.

7. Rozporządzenie MTiGM z dnia 10 wrześ­nia 1998 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budowle kolejowe i ich usytuowanie (Dz.U. Nr 151, poz. 987).

8. Decyzja Komisji z dnia 20 grudnia 2007 r. dotycząca specyfikacji technicznej inter-operacyjności podsystemu „Infrastruktura” transeuropejskiego systemu kolei dużych prędkości (TSI HS INF), Dz.Urz. UE L77 z dnia 19 marca 2008 r.

9. Decyzja Komisji z dnia 26 kwietnia 2011 r. dotycząca technicznej specyfikacji interoperacyjności podsystemu „Infrastruktura” transeuropejskiego systemu kolei konwencjonalnych (TSI CR INF), Dz.Urz. UE L126 z dnia 14 maja 2011 r.

10. Standardy Techniczne – szczegółowe warunki techniczne dla modernizacji lub budowy linii kolejowych do prędkości v_max≤200 km/h (dla taboru konwencjonalnego)/250 km/h (dla taboru z wychylnym pudłem), PKP PLK SA, Warszawa 2009.