Sieci tramwajowe od kilkunastu lat przeżywają w Polsce renesans. Efekty można oglądać już w wielu miastach Polski.
W minionej dekadzie zaobserwować można było politykę władz miast i aglomeracji miejskich sprzyjającą tworzeniu nowej, rozbudowie i modernizacji istniejącej infrastruktury tramwajowej. Postawa samorządowców jest spójna z możliwościami pozyskiwania przez nich dofinansować z Unii Europejskiej na tego typu inwestycje. Dotychczas dotacje pochodzące z UE stanowiły do 80% budżetu całego przedsięwzięcia. W tym okresie powstało wiele nowych rozwiązań technicznych, ale nadal stosowana jest część starszych rozwiązań, które sprawdzają się do dziś. Perspektywa unijna na lata 2014-2020 wspiera ten rodzaj transportu, utrwalając trend promowania niskoemisyjnego środka transportu, jakim jest tramwaj. Infrastruktura tramwajowa łączy w sobie branże: drogową (torowiska tramwajowe), elektroenergetyczną oraz konstrukcyjno-budowlaną (obiekty do obsługi powyższych). Zaprezentowana zostanie problematyka części drogowej – torowisk znajdujących się zarówno w drogach, jaki i poza nimi (pętle tramwajowe i zajezdnie). Torowisko tramwajowe, tory, droga szynowa to kilka nazw, pod pojęciem których kryje się domyślnie cała konstrukcja umieszczona w gruncie, na obiekcie lub w tunelu, służąca do prowadzenia ruchu tramwajów.
Podane przepisy, normy i wytyczne stanowią dość obszerne źródło wiedzy.
Niejednokrotnie jednak wymagane jest uzupełnienie dotyczące nowych wymagań materiałowych i funkcjonalnych, a przede wszystkim komfortu obsługi pasażerów. Przywołane pozycje nie dają wyczerpujących informacji o wielu problemach konstrukcyjnych. Nie poruszono w nich chociażby tematyki typowych rozwiązań, są więc one tworzone na bieżąco przez projektantów, a to skutkuje różnej jakości produktami.
Na ostateczny kształt torowisk tramwajowych, będących częścią całej przemyślanej koncepcji, wpływa: dostępna przestrzeń w pasie drogowym lub poza nim (np. pętle i zajezdnie), układ geometryczny skrzyżowań, organizacja ruchu, funkcja torowiska – wydzielone lub wspólne z jezdnią.
Rys. 1 Specyfikacja układu geometrycznego toków szynowych rozjazdu
Zbiór dokumentów normatywnych służących projektowaniu torowisk
1. Ustawa z dnia 21 marca 1985 r. o drogach publicznych (Dz.U. z 1985 r. Nr 14, poz. 60).
2. Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie (Dz.U. z 1999 r. Nr 43, poz. 430).
3. PN-K-92009 Komunikacja miejska. Skrajnia budowli. Wymagania (norma wycofana).
4. PN-EN-50122-2:2011 Zastosowania kolejowe. Urządzenia stacjonarne. Bezpieczeństwo elektryczne, uziemienie i sieć powrotna. Część 2: Środki ochrony przed skutkami prądów błądzących powodowanych przez systemy trakcji prądu stałego.
5. Zbiór norm polskich i europejskich – elementy konstrukcji torowisk, wymagania materiałowe, obliczenia konstrukcyjne.
Dokumenty pomocnicze wydane przez jednostki państwowe
6. Wytyczne techniczne projektowania, budowy i utrzymania torów tramwajowych, Ministerstwo Administracji, Gospodarki Terenowej i Ochrony Środowiska, Departament Komunikacji Miejskiej i Dróg, Warszawa 1983.
7. Tymczasowe wytyczne techniczne projektowania, budowy i utrzymania torów tramwajowych, Ministerstwo Administracji, Gospodarki Terenowej i Ochrony Środowiska, Departament Komunikacji Miejskiej i Dróg, Warszawa 1983.
W tekście powołano dokumenty według wymienionej numeracji.
Rys. 2 Fragment rysunku układu torowego na pętli tramwajowo-autobusowej
Projektowanie
Głównymi elementami projektów torowisk tramwajowych, remontu czy budowy jest projektowanie: układu geometrycznego, profilu podłużnego, konstrukcji (torów szlakowych, skrzyżowań, rozjazdów i przyrządów wyrównawczych) i profilu poprzecznego, peronów i chodników. Pozostaje wiele wątków nadających ostateczny kształt budowli tramwajowej dopasowanej do innych elementów pasa drogowego lub innego terenu, na którym się znajduje. W artykule zostaną zaprezentowane zagadnienia typowej dokumentacji projektowej.
Układ geometryczny torów w planie
Kształtowanie układu torowego na trasie odbywa się w podobny sposób jak trasowanie drogi czy linii kolejowej. Na wskazanym w założeniach pasie terenu wkreśla się odcinki proste z łączącymi je krzywymi. W zależności od przewidywanej prędkości pojazdów szynowych dobierane są parametry geometryczne osi torów. Ze względu na ograniczenia terenowe i zapewnienie minimalnych wymagań geometrycznych rozporządzenie [2] przewiduje minimalne zasadnicze promienie łuków poziomych.
Promień łuku w planie toru tramwajowego na szlaku nie powinien być mniejszy niż 50 m i 25 m na skrzyżowaniu oraz na rozjazdach i pętlach.
Wymagania te dotyczą torowisk zlokalizowanych w drogach publicznych, tak więc poza nimi (pętle i zajezdnie tramwajowe) możliwe jest stosowanie mniejszych promieni łuków. W praktyce są to wartości promieni osi torów nie mniejsze niż 20 m. O minimalnym promieniu łuków w planie poza drogami publicznymi decyduje operator danej sieci torowej, uwzględniając zaszłości historyczne (np. istniejące tory o małym promieniu), dostępny teren oraz możliwości taboru tramwajowego. W celu złagodzenia przyśpieszenia normalnego należy stosować krzywe przejściowe. Najczęściej spotykanymi krzywymi są łuki koszowe, czyli zestaw łuków kołowych, których promienie kolejno rosną lub maleją według określonych zależności (kątów zwrotu i promieni). Stosowanymi krzywymi przejściowymi są także parabole trzeciego stopnia lub klotoidy. Parametry krzywych przejściowych na odcinkach szlakowych i węzłach rozjazdowych, gdzie istnieje możliwość wykonania przechyłki niwelującej przyśpieszenie odśrodkowe, projektowane są najczęściej na długości ramp przechyłkowych, co zapewnia równoważenie przyrostu tego przyśpieszenia (zmiana wielkości przechyłki wraz ze zwiększeniem krzywizny). Zasadniczo im dłuższa krzywa przejściowa oraz bardziej płynna zmiana promieni w ciągu krzywej, tym łagodniejszy tor jazdy. W sytuacji gdy nie jest możliwe wykonanie ramp przechyłkowych, długość krzywych przejściowych ma mniejsze znaczenie ze względu na ograniczenie prędkości. Z reguły stosuje się krzywe przejściowe o długości nie mniejszej niż 5 m. Zapisy [6] wskazują na stosowanie ramp przechyłkowych przed krzywymi w planie o wartości wznoszenia szyny 1:300, choć nie jest to przepis obligatoryjny. Odrębnym zagadnieniem jest projektowanie układu geometrycznego torów tramwajowych w rozjazdach i skrzyżowaniach. Charakterystyka geometryczna oraz rozwiązań konstrukcyjnych odróżnia znacząco rozjazdy tramwajowe od rozjazdów kolejowych. Ograniczona przestrzeń w miejscu stosowania rozjazdów tramwajowych sprawia, że posiadają w większości niepowtarzalny układ osi: projektowane są „na wymiar” dla każdej lokalizacji. Układy geometryczne torów w węzłach rozjazdowych przybierają kształty uzależnione w głównej mierze od liczby relacji skrętnych (kombinacji kierunków jazdy każdego z torów). Ograniczenia rozwiązań geometrycznych w rozjazdach (tożsame z ograniczeniem prędkości) w całej Polsce są bardzo podobne i wynikają z podobnej budowy tego rodzaju nawierzchni torowej: minimalne długości zwrotnic skupionych, minimalne długości promieni w zwrotnicach, nieciągłości prowadzenia obręczy kół w krzyżownicach oraz rampy krzyżownic większe niż w kolejowych kąty zwrotu.
Trasowanie wymaga zachowania minimalnych odległości między sąsiadującymi torami, innymi obiektami oraz urządzeniami bezpieczeństwa i obsługi pasażerów. Odległości te podaje [2] i [3], a wielkość odległości zależna jest od skrajni budowli. Minimalne odległości osi torów do urządzeń podziemnych określają odrębne przepisy branżowe. Kinematyka tramwajów, zwłaszcza w układach geometrycznych o małych promieniach, wymusza w każdym przypadku badanie niezbędnej przestrzeni dla zapewnienia minimalnego przekroju poprzecznego korytarza ruchu pojazdów szynowych.
Fot. 1 Torowisko z zabudową trawiastą i jezdnią serwisową
Profil podłużny torów
Zagadnienie projektowania torowiska w profilu podłużnym sprowadza się do kilku najważniejszych zasad. Po pierwsze, zachowanie maksymalnych pochyleń podłużnych ze względu na możliwości trakcyjne taboru tramwajowego – tarcie statyczne i kinetyczne w normalnych i trudnych warunkach atmosferycznych. Rozporządzenie [2] określa kilka przypadków i związanych z nimi ograniczeń pochyleń podłużnych torów:
Pochylenie podłużne toru tramwajowego nie powinno być większe niż:
– 5% na szlaku, jeśli przewidywany tabor ma odpowiednie właściwości trakcyjne,
– 3% na dojazdach do wiaduktu i estakady,
– 2,5% na przystanku tramwajowym i na rozjazdach.
Podane wymagania nie uwzględniają wszystkich możliwych sytuacji, ale narzucają rozwiązania w najczęściej stosowanych przypadkach projektowych, zapewniając bezpieczeństwo. Kolejnym istotnym aspektem profilu podłużnego torów są połączenia odcinków o różnych pochyleniach. Tu także [2] narzuca granicę projektową promień łuku pionowego Rmin = 2000 m. Wskazany minimalny promień łuku zapewnia bardzo dobry komfort jazdy tramwajem, jednak często jest niemożliwy do spełnienia, gdyż jego zastosowanie wprowadza nieakceptowalne zmiany zagospodarowania terenu. Wynika to z długości i strzałki łuku wpisanego w załomy profilu podłużnego trasy. Powiązanie wymagań profilu podłużnego z układem geometrycznym w planie narzuca pewne ograniczenia ze względu na niebezpieczeństwo wykolejenia. Złożenie ruchu pionowego i poziomego ograniczone jest warunkiem określonym przez [2].
W przypadku jednoczesnego występowania łuku w przekroju podłużnym i łuku w planie promień łuku w planie nie może być mniejszy niż 200 m.
Kształtowanie profilu podłużnego układu torowego jest utrudnione przez przyległe zagospodarowanie terenu, a w jezdni bardzo ograniczone. Układ wysokościowy torów w jezdni lub wspólny z ciągami pieszymi to dość trudne zadanie projektowe. Jednak obecna technika geodezyjna i wspomaganie komputerowe umożliwiają przeprowadzenie sprawnych analiz równości jezdni i szyn na trasach przejazdów pojazdów kołowych oraz prawidłowego odwodnienia tych konstrukcji.
Fot. 2 Krzyżownica tramwajowa płytkorowkowa
Skrajnia budowli
Poruszające się pojazdy szynowe stwarzają niebezpieczeństwo potrącenia ludzi bądź zwierząt. Istnieje także ryzyko uszkodzenia samych pojazdów, innych obiektów lub budowli znajdujących się zbyt blisko poruszających się tramwajów. W tym celu określone zostały minimalne przestrzenie w rejonie torowiska – pionowe i poziome, aby przeciwdziałać ww. sytuacjom. Rozporządzenie [2] w § 50 podaje minimalne wymiary szerokości torowiska w odniesieniu do elementów, które znajdują się w jego obrębie: słupy trakcyjne i ogrodzenia. Następny aspekt poruszany w tym przepisie to pasy bezpieczeństwa, czyli przestrzenie między pudłem taboru a ewentualnymi osobami, które mogą się znaleźć przy torze jazdy tramwajów. Kolejne uregulowania w tym zakresie wprowadza [4] opisująca skrajnię budowli, czyli kontur koniecznej przestrzeni niezabudowanej, w której się poruszają pojazdy szynowe. Skrajnia budowli w obrębie torowiska uwzględnia z zapasem skrajnię kinematyczną wagonów tramwajowych, a jej stosowanie ma zapewnić utrzymanie bezpiecznych odległości między osią toru a spodziewanymi obiektami budowanymi przy, nad i pod torowiskiem. Skrajania budowli uwzględnia także sieć jezdną, która zasila tramwaje.
Rys. 3 Rysunek montażowy rozjazdu tramwajowego
Konstrukcja torowiska i infrastruktury towarzyszącej
Największy wpływ na wygląd budowli tramwajowych oraz ich trwałość ma ich konstrukcja. W przeszłości rozwiązania materiałowe nie były nakierowane na estetyczny wygląd torowiska oraz peronów tramwajowych. Miały spełniać zadania konstrukcyjne. Obecnie wymogi estetyczne stoją na równi z parametrami mechanicznymi i trwałością. Zarządcy sieci tramwajowych mają swoją wizję estetyki i konstrukcji. Stosowanie konstrukcji nie jest obecnie znormalizowane i zoptymalizowane, a próby poszukiwania rozwiązań w obrębie każdej sieci nadal trwają. Być może za kilka lat sytuacja się zmieni na tyle, że typizacja konstrukcji oraz zamknięty zbiór rozwiązań będą obowiązywały przez kilka lub kilkanaście lat, co pozwoliłoby zoptymalizować koszty budowy i utrzymania sieci oraz usprawniłoby pracę służb utrzymaniowych. Jednocześnie typowy wzór dla miasta lub jego części będzie podkreślał charakter danego obszaru. Na terenie Polski stosuje się kilkadziesiąt rozwiązań w poszczególnych strefach konstrukcji torowiska. Jest kilka zasadniczych elementów konstrukcji torowiska (wymieniając je „od góry”):
– Zabudowa torowiska (kruszywo, roślinność, beton cementowy lub mieszanki mineralno-asfaltowe, kostka betonowa lub kamienna, płyty betonowe). W przypadku prowadzenia ruchu kołowego po torowisku (skrzyżowania, pasy autobusowo-tramwajowe) projektuje się warstwy nawierzchni drogowej zapewniające przeniesienie przewidywanego obciążenia od ruchu kołowego. Dobór rozwiązań w tym przypadku jest równie ważny, jeżeli nie ważniejszy od samej nawierzchni torowej, gdyż zwykle od tego miejsca rozpoczyna się destrukcja konstrukcji torowiska. Najczęściej zabudowę przeznaczoną do ruchu samochodowego lub pieszego stanowią materiały szczelnie wbudowane w międzytorze i torze. Rzadziej materiały przepuszczające dobrze wodę, w tym niektóre MMA lub zaprawy drenażowe do mocowania i spoinowania elementów małowymiarowych. Wynika to z trwałości oraz większych nakładów utrzymaniowych w przypadku nieszczelnych zabudów drogowych oraz kłopotliwego odwodnienia podbudowy torów pod taką zabudową. Zabudowa torowiska powinna mieć elastyczne połączenie z nawierzchnią torową, gdyż te dwa elementy poddawane są naprzemiennie obciążeniom pochodzącym od pojazdów szynowych i kołowych, a zatem występują między nimi przemieszczenia, co utrudnia zachowanie szczelności i trwałości połączenia. Jest na rynku niewiele materiałów przyczepnych do stali oraz innych tworzyw, z których wykonana zabudowa torów (MMA, beton cementowy, kamień naturalny) daje pewność trwałości uszczelnienia strefy przyszynowej. Gwarancję dobrego połączenia dają wyroby na bazie polisulfidów i poliuretanów. Inną grupę rozwiązań zabudowy torów stanowią kruszywa i zieleń – trawy lub porosty. Stosuje się je w miejscach, gdzie nie przewiduje się ruchu pojazdów kołowych. Zabudowa z kruszywa jest najtańszym z prezentowanych rozwiązań. Bardzo często wykorzystuje się także rozwiązanie klasyczne konstrukcji torów: podkłady i tłuczeń. Staranne wykonanie tych elementów daje estetyczny efekt wizualny oraz gwarantuje łatwość prowadzenia robót utrzymaniowych.
Fot. 3 Wyboczenie toru pod wpływem obciążenia termicznego
– Nawierzchnia torowa (szyny, rozjazdy, skrzyżowania wraz ze złączkami, ciągłe systemy przytwierdzeń do podbudowy) jest najistotniejsza dla prowadzenia ruchu pojazdów szynowych oraz otaczającej przestrzeni w związku z emisją hałasu i drgań przez podłoże gruntowe na obiekty. Nawierzchnia stalowa wymusza kierunek jazdy tramwajów i poddana jest największym naprężeniom poprzez małą powierzchnię styku koło-szyna. Siły niszczące szyny w odcinkach prostych torów oraz w łukach poziomych o dużych promieniach praktycznie nie wpływają na trwałość całej konstrukcji. Największe zużycie na odcinkach prostych wynika z przyśpieszeń i opóźnień pojazdów szynowych i w takich warunkach w zależności od częstotliwości ruchu profile szynowe mogą być eksploatowane od kilkunastu do kilkudziesięciu lat. Odmienne warunki eksploatacji posiadają profile szynowe położone w łukach o małych promieniach (przyjmijmy R < 100 m) z dwóch powodów. Pierwszy to zwiększone naciski boczne kół na szyny i związane z tym skrawanie szyn. Drugi to naturalny poślizg części powierzchni koła na szynie, który w połączeniu z tarciem prowadzi do szybszego zużycia. Przeciwdziałaniem siłom tarcia niszczącym nawierzchnię torową o małych promieniach jest stosowanie smarownic torowych. Są to urządzenia dozujące specjalny smar w ściśle określonych punktach powierzchni i krawędzi tocznej szyny (przeważnie na początkach odcinków łukowych) ze stałym lub zmiennym interwałem czasowym lub wzbudzane czujnikiem przez toczące się koła tramwajów. Dodatkowym czynnikiem wpływającym na przyśpieszone zużycie nawierzchni torowej jest oddziaływanie dynamiczne kół pojazdów w miejscach nieciągłości powierzchni styku koło-szyna. Ma to miejsce w rozjazdach i skrzyżowaniach torów. Rozpowszechniony system krzyżownic płytkorowkowych umożliwia krzyżowanie się toków szynowych pod dużymi kątami (stosowanie łuków o małych promieniach), powoduje jednak udarowe obciążenia szybko niszczące nawierzchnie torowe i podbudowę. Są to także miejsca wpływające negatywnie na łagodność jazdy zestawów kołowych, dając nieprzyjemne odczucia dla pasażerów (zwiększone drgania i hałas). Podane czynniki destrukcyjne potęguje przekraczanie dopuszczalnych prędkości, na jakie zostały zaprojektowane poszczególne odcinki torów.
Najczęściej stosowanymi profilami szynowymi w Polsce na sieciach tramwajowych są szyny o profilach 49E1 (profil kolejowy) oraz 60R2 (tramwajowe), a w rozjazdach i skrzyżowaniach dodatkowo profile pełnogłówkowe i blokowe, np. 105/180 i 180/310. W rozjazdach, skrzyżowaniach oraz łukach o małych promieniach stosuje się materiały o podwyższonej twardości, przekraczające często wartość 400 HB, a wytrzymałość na rozciąganie około 1200 MPa, podczas gdy w torach szlakowych twardość ich wynosi około 260-300 HB, wytrzymałość na rozciąganie około 900 MPa. Są to profile hartowane powierzchniowo lub ze stali stopowych. Dodatkowym wyposażeniem rozjazdów są urządzenia do ogrzewania zwrotnic zapobiegające przymarzaniu ruchomych elementów podczas kilkugodzinnych przerw eksploatacji (np. w nocy) oraz rozpuszczanie śniegu i lodu w obrębie zwrotnic, co umożliwia eksploatację tych elementów w czasie niekorzystnych warunków pogodowych. Większość zwrotnic ma napęd elektryczny sterowany radiowo przez motorniczych, dający możliwość zmiany kierunku trasy bez konieczności zatrzymywania się i opuszczania kabiny przez motorniczego.
Kolejnym elementem nawierzchni torowej są przyrządy wyrównawcze. Ich zadaniem jest stworzenie nieciągłości toków szynowych, po których mogą się poruszać bezpiecznie pojazdy szynowe, i przeniesienie przemieszczeń spowodowanych rozszerzalnością liniową szyn. Brak przyrządów wyrównawczych w torach nieustabilizowanych wystarczająco przez podbudowę i ewentualnie zabudowę powoduje wyboczenie w letnich miesiącach i pękanie szyn w miesiącach zimowych. Przyrządy wyrównawcze niezbędne są na przyczółkach lub dylatacjach obiektów mostowych,
gdyż na wykonanych w tych miejscach konstrukcjach torowych realizowane są duże przemieszczenia wzdłużne przęseł obiektów i torów. Poza obiektami przy zastosowaniu konstrukcji bezpodsypkowej stosowanie przyrządów wyrównawczych jest bardzo utrudnione (zwłaszcza na etapie projektowania) z powodu braku możliwości przewidzenia punktowych koncentracji naprężeń, gdyż teoretycznie większość konstrukcji bezpodsypkowych uniemożliwia przemieszczenia szyn względem podbudowy, natomiast często dobór technologii oraz dokładność wykonania na etapie robót budowlanych nie odpowiada założeniom.
inż. Grzegorz Dąbrowski
Civil Transport Designers s.c.
członek Mazowieckiej OIIB
zdjęcia i rysunki autora
