13 Jahre Erfahrung mit gleisgebundener Untergrundsanierung

Transkript

1 Wissen ETR Austria 13 Jahre Erfahrung mit gleisgebundener Untergrundsanierung im Netz der ÖBB Im Netz der Österreichischen Bundesbahnen (ÖBB) erfolgt die Sanierung von Gleisen mit Untergrundproblemen seit 1994 bevorzugt mit den Gleisbaumaschinen AHM 800 R und RPM Der Erfolg der Maßnahmen kann wirtschaftlich auf Basis von Lebenszykluskosten und technisch anhand der Oberbaumessschriebe gezeigt werden. Oberbau schlechte Gleislage örtliche Erfahrung hoher Wartungsaufwand nasser Gleisschotter verunreinigter Gleisschotter schlechte Belüftung nasser Gleisschotter verunreinigter Gleisschotter > Der ausreichend entwässerte und tragfähige Unterbau ist einer der wichtigsten Parameter für eine stabile Gleislage. Negative Einflüsse aus dem Untergrund äußern sich in einem erhöhten Instandhaltungsaufwand des Gleises, einer Reduktion der Nutzungsdauer der Gleis-Komponenten und nicht selten in einer temporären Herabsetzung der zulässigen Geschwindigkeit. Probleme mit dem Untergrund sind so alt wie die Eisenbahn. Zu Beginn des Eisenbahn-Zeitalters wurden Packlagen aus geschlichteten Steinquadern unter das Gleis in Abschnitten mit setzungsempfindlichen Georadar Verschlechterungsrate Messdaten Oberbaumesswagen Unterbau Tragschicht Datenbank kurzes Stopfintervall Sutten Spritzstellen Frostaufzüge Damm örtliche Erfahrung Geotechnische Begehung Untergrund Dammaufstandsfläche Geotechnische Begehung geländegleich Einschnitt Wassersituation Damm Geotechnische Begehung geländegleich Einschnitt Entwässerungsanlage Grundwasser Sickerwasser Schicht- bzw. Stauwasser Hangwasser Kapillarwasser Tabelle 1: Einflussfaktoren Geotechnisches Streckenband Dipl.-Ing. Florian Auer Oberbautechniker ÖBB Betrieb AG, ÖBB Bau AG, Wien florian.auer@oebb.at Dipl.-Ing. Michael Zuzic ehem. Geschäftsbereichsleiter Fahrweg ÖBB, Wien michael.zuzic@eunet.at Dipl.-Ing. Dr. Rudolf Schilder Geschäftsbereichsleiter Bau und Instandhaltung, ÖBB Infrastruktur, Bau AG, Wien rudolf.schilder@bau.oebb.at Dipl.-Ing. Dr. Helfried Breymann Sachverständiger für Geotechnik, Radstadt o.h.breymann@aon.at Böden verlegt. Bagger und Lastkraftwagen erlaubten später den Einbau von mineralischen Tragschichten unter dem Gleis. Die gestiegenen Belastungen und Geschwindigkeiten sowie betriebliche Faktoren führten zur Entwicklung von gleisgebundenen Untergrundsanierungsmaschinen. Seit 1994 wurden im Netz der ÖBB 542 km Tragschichten mit der Gleisbaumaschine AHM 800 R und mit der RPM 2002 (seit 2002) eingebaut. Der gleisgebundene Tragschichteinbau weist gegenüber der konventionellen Methode verschiedene Vorteile, wie z.b.: höhere Arbeitsleistungen, der Einbau der Tragschicht ohne Abbau des» ETR Dezember 2007 NR

2 ETR Austria Wissen Bild 1: Typischer Längshöhenfehler bestehenden Gleises, keine Störung des Nachbargleises usw. auf. Der vorliegende Artikel stellt einen Erfahrungsbericht über 13 Jahre gleisgebundenen Einbau von Tragschichten im Netz der ÖBB dar Ausgangs-Gleislage 1. Zustandsbewertung des Fahrwegs Die Zustandsbewertung des Gleises erfolgt bei den ÖBB durch Vernetzung verschiedener Analysemöglichkeiten. Zur Grobeinteilung des erweiterten Fahrwegs (Summe der Anlagen mit Einfluss auf die Gleislage) in 100 m- Schritten wird das geotechnische Streckenband verwendet. Der Oberbaumesswagen liefert verschiedenste Gleislageparameter, wobei das Signal Längshöhe negative Einflüsse aus dem Untergrund am besten widerspiegelt. Die Veränderungsrate des Längshöhensignals stellt eine objektive Grundlage zur Beurteilung der Gleislagestabilität dar. absolute Setzung relative Setzung 2D-Georadarauswertungen ermöglichen eine einfache Darstellung des Gleis-Längsschnittes bezüglich Feuchtigkeitsgehalt des Schotters und Untergrundes, der Schotterverschmutzung und der eingebauten Tragschichten Geotechnisches Streckenband Zur Grobdiagnose des erweiterten Fahrwegs (Überbegriff für die Summe der Oberbau- und Unterbauanlagen mit Einfluss auf die Gleislage) wird bei den ÖBB das so genannte Geotechnische Streckenband eingesetzt (siehe Tabelle 1) [1]. Dabei werden verschiedene Informationen, von der Oberbauqualität bis zum Unterbauzustand, gemeinsam in einer Matrix kombiniert und daraus die geotechnische Zustandsziffer abgeleitet. Die geotechnische Zustandsziffer, eine Zahl zwischen 0 und 100 %, wird für 100 m-abschnitte erarbeitet und gibt den Handlungsbedarf an Wartung und Maßnahmenplanung im Bereich des erweiterten Fahrwegs wieder. Klasse I II III IV Handlungsbedarf kein langfristig mittelfristig unmittelbar Tabelle 2: Ergebnis Geotechnisches Streckenband Bild 2: Das Längshöhensignal spiegelt die relative Setzung des Gleises wider Klasse IV bedeutet nicht, dass bereits ein Sicherheitsproblem aufgetreten ist, sondern vielmehr, dass rasch Maßnahmen zur Verbesserung des Anlagenzustands ins Auge gefasst werden sollen Gleislagebewertung Bild 3: Anschauliche Darstellung der Gleislageveränderungen mittels gleitend berechneter Standardabweichungen der Längshöhe Bild 4: Beispiel eines 2D-Georadarbildes Die Sicherstellung einer ausreichenden Gleislagequalität ist die Hauptaufgabe der Gleislageinstandhaltung. Dazu wird die Gleislage in regelmäßigen Abständen mit dem Oberbaumesswagen gemessen, die wichtigsten Signale sind dabei die Spurweite, die Gleisverwindung, Längshöhe, Richtung und Querhöhe. Für den Setzungsverlauf des Gleises ist das Längshöhensignal (Bild 1) der wichtigste Parameter, da dieses Signal die Relativ-Setzungen des Gleises widerspiegelt. Das absolute Maß der Setzung wird vom Messwagen nicht detektiert, da langwellige Gleislageunregelmäßigkeiten aus dem Rohsignal gefiltert werden (Bild 2). Mit Hilfe von gleitend berechneten Standardabweichungen des zum jeweiligen Messdatum bestimmten Längshöhensignals ist es möglich, die Veränderungstendenzen der Gleislage in einfacher und anschaulicher Weise nachzuvollziehen (Bild 3). Die linear angenäherte zeitliche Veränderung der Relativsetzungen des Gleises (die Verschlechterungsrate der Standardabwei- 818 ETR Dezember 2007 NR. 12

3 Bild 5: Zusammenführung des Längshöhensignals mit den 2D-Georadarauswertungen vermittelt ein gutes Bild über die Gleislageveränderungen chung der Längshöhe in mm/jahr) stellt ein objektives Signal zur Bestimmung der vertikalen Gleislagestabilität dar. Dies wurde in das neue Gleislageanalysesystem der ÖBB ebenfalls integriert (Bild 5) D-Georadarinformationen Bei der Erstellung des geotechnischen Streckenbandes (Kapitel 2.1) werden auch Georadarbefahrungen durchgeführt. Die vormals für Oberbautechniker schwer leserlichen Radargramme werden neuerdings schon im übersetzten 2D-Format angeliefert. Informationen von Tragschichten, Verschmutzungszonen und Feuchtigkeitsbereichen im Schotter bzw. im Untergrund sind dadurch in einem neuen Erscheinungsbild verfügbar (Bild 4) Kombination GleislaGEqualität / 2-D Georadar Ein wichtiger Schritt in der Zustandsbewertung des Gleises ist das Zusammenführen der mittels Oberbaumesswagen detektierten Längshöhensignale (Relativsetzungen des Gleises) mit den Georadarinformationen (Bild 5). Der Zusammenhang zwischen Gleislage und Feuchtigkeit im Gleisaufbau ist augenscheinlich. Tragschichten können ihre Funktion nur dann erfüllen, wenn sowohl für das Gleisplanum als auch für Erdplanum eine ausreichende Entwässerungsmöglichkeit durch Bahngräben, Tiefendrainagen oder dergleichen gegeben ist. Der Einbau einer Tragschicht ohne Herstellung und Erhaltung eines entsprechenden Profils bzw. einer ausreichenden Entwässerung ist nicht zielführend. Eine stabile Gleislage stellt sich nur bei tragfähigen und ausreichend entwässerten Gleisen ein. 2. Wirtschaftlichkeit 2.1. Strategie Fahrweg Im seit 1997 von ao.univ.-prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Peter Veit geleiteten Projekt Strategie Fahrweg [2] wurden verschiedene Studien über die Wirtschaftlichkeit der Gleise erarbeitet. Die Untersuchungen wurden auf Basis von Lebenszykluskosten durchgeführt. Als erstes wurden die Kostentreiber eines Gleises bestimmt. Bild 6 zeigt die Aufteilung der normalisierten Jahreskosten zwischen Abschreibungskosten, reinen Erhaltungskosten und Betriebserschwerniskosten eines durchschnittlichen Gleises bei unterschiedlicher Verkehrsbelastung. Das Ziel der Instandhaltungsplanung, die Reduktion der LCC-Kosten für das Gleis, kann am effektivsten über eine Verlängerung der Nutzungsdauer (ergibt Reduktion der Abschreibung) und eine Reduktion der betrieblichen Einschränkungen erfolgen. Die reinen Erhaltungskosten nehmen den kleinsten LCC- Anteil ein. Eine Reduktion der Gleisinstandhaltung bei Verringerung der Nutzungsdauer ist damit nicht zielführend. Generell können damit die Ergebnisse für Gleise und Weichen sehr einfach zusammengefasst werden: > Eine hohe Ausgangsqualität ist der Schlüssel zum Erfolg. > Langsamfahrstellen sind extrem unwirtschaftlich. > Eine Verlängerung der Liegedauer ist aus wirtschaftlicher Sicht anzustreben und darf auch etwas kosten. Unterschiedliche Unterbauqualitäten wirken sich je nach Verkehrsbelastung auch stark unterschiedlich auf die Lebenszykluskosten des Oberbaus aus. Bei schwach belasteten Strecken erhöhen sich die Lebenszykluskosten des Gleises bei sehr schlechtem Unterbau im Vergleich zu gutem Unterbau um den Bild 6: Die Abschreibung ist der Kostentreiber des Gleises» ETR Dezember 2007 NR

4 ETR Austria Wissen Bild 7: Darstellung des Arbeitsablaufes in der Maschine AHM 800 R Faktor 2 bis 3, bei stark belasteten Hauptstrecken um den Faktor 8. Die Strategieansätze für verschiedene Unterbauzustände wurden weiter verfeinert. Die Unterbauqualität wurde dabei neben dem guten Untergrund schulnotenartig einklassifiziert: > Unterbau 5 sehr schlechter Unterbau, der zu Frostaufzügen, jährlich 2 Monaten Verringerung der zulässigen Geschwindigkeit und entsprechend intensiver Instandhaltungstätigkeit sowie einer Reduktion der Liegedauer führt. > Unterbau 4 geringfügig besserer Unterbau, der zwar eine ähnliche Intensität der Instandhaltungstätigkeiten nach sich zieht, damit jedoch annähernd die Nutzungsdauer des Oberbaus auf gutem Unterbau erlaubt und keine länger dauernden Langsamfahrstellen erfordert sowie > Unterbau 3 der ebenfalls keine temporäre Definition von Langsamfahrabschnitten erfordert und auch mit einer deutlich geringeren Anzahl an Instandhaltungstätigkeiten bei voller Nutzungsdauer das Auslangen findet. Die optimierten Strategieansätze sind stark von den Betriebserschwerniskosten bestimmt. Für die Unterbauqualitäten wurden folgende Ergebnisse erarbeitet: > Die Untergrundsanierung von Gleisen mit Untergrundklasse 3 ist im Zuge von planmäßigen Gleisneulagen bei hohen Verkehrsbelastungen sinnvoll (Zuganzahl größer 100 Züge/Richtung und Gleis). > Die Untergrundsanierung von Gleisen mit Untergrundklasse 4 ist im Zuge von planmäßigen Gleisneulagen bei Verkehrsbelastungen sinnvoll (Zuganzahl größer 50 Züge/Richtung und Gleis). > Die Sanierung der Unterbauklasse 5 ist im Kernnetz auch bei geringsten Verkehrsbelastungen wirtschaftlich Vergleich mit konventioneller Untergrundsanierung Aufgrund der vielen Vorteile der gleisgebundenen Untergrundsanierung, wie etwa hohe Arbeitsleistung, keine Beeinträchtigung des Nachbargleises etc. siehe Kapitel 4.1 werden Untergrundsanierungen im Netz der ÖBB grundsätzlich maschinell mittels AHM 800 R bzw. RPM 2002 durchgeführt. Nur in Ausnahmefällen (keine Maschine verfügbar, sehr hoher Anteil an Brücken im Sanierungsabschnitt) kommt weiterhin die konventionelle Untergrundsanierung mittels Bagger und Lkw zum Einsatz. 3. Gleisgebundenes Einbauverfahren 3.1. Allgemeines Bei den Österreichischen Bundesbahnen wurden schon frühzeitig mechanisierte Verfahren zur Untergrund-Verbesserung erarbeitet. > Einbau einer Tragschicht aus Kiessand mittels einer Bettungsreinigungsmaschine ab 1960 [3]. > Einbau einer Tragschicht aus Kiessand und Vlies mittels Bettungsreinigungsmaschine und Stopfmaschinen ab 1986 ( Sandstopfen ) [4]. Die SBB haben das Verfahren PUSCAL (ab 1981) [5] entwickelt, bei der DB ist das Verfahren PM 200 seit 1984 im Einsatz [6]. Zu Beginn der 90er-Jahre wurde bei den ÖBB der Wunsch nach einer leistungsfähigen Gleisbaumaschine zum Tragschichteinbau immer stärker. Dies führte zur Erstellung eines Lastenheftes für die geplante Gleisbaumaschine mit den folgenden Eckpunkten: > möglichst kurze Maschinenbaulänge, > Einsatz sowohl in kurzen als auch in längeren Gleisabschnitten, wobei eine durchschnittliche Einbauleistung mit 40 m/h bei 45 cm Tragschichtstärke gefordert wurde, > höchste Verdichtungsanforderungen an die Tragschicht (nur mit Wasserzugabe erreichbar), > Recycling des Oberbauschotters, > ein Befahren des Gleises auf der Tragschicht nach dem Maschineneinsatz mit 10 km/h. Es wurde eine Aushubmaschine mit einer Durchsatzleistung von 800 m 3 /h und mit einer Recyclingmöglichkeit für den Altschotter entwickelt, der Name lautete AHM 800 R (Bild 7) [7] und [8]. Die wesentliche Verbesserung gegenüber den bis dahin bekannten Verfahren lag in der Umsetzung des Recyclinggedankens und in der optimierten Verdichtung des Tragschichtmaterials durch eine gezielte Wasserzugabe in der Maschine. Seit 2002 werden einzelne Abschnitte auch mit der RPM 2002 saniert. Insgesamt wurden mit den Gleisbaumaschinen AHM 800 R und RPM 2002 von 1994 bis km bearbeitet. Die Vorteile der gleisgebundenen Sanierung sind: > Einbau der neuen Tragschicht ohne Abbau des bestehenden Gleises, > Recycling des alten Gleisschotters zur Verwendung als Tragschichtmaterial, > Verdichten bzw. Glätten des Unterbauplanums mit der Maschine, > Möglichkeit des gleichzeitigen Einbaus von Geokunststoffen und Tragschicht > hohe Arbeitsleistung (im Mittel 40 lfm/h), > Auf 2-gleisigen Abschnitten ist die Betriebsabwicklung am Nachbargleis möglich, > kurze offene Baugrube, > verschiedene Einbaustärken (bis 50 cm Tragschichtstärke) können in einem Arbeitsgang hergestellt werden, > Einsparung bis zu 50 % Neumaterial durch Beimischung des Recyclingmaterials, > Verringerung der Sperrzeiten bis zu 50 %, > kein Anlegen von temporären Zufahrtsstraßen Vorarbeiten / Nebenarbeiten [9] Die hohen, zu befördernden Materialmengen erfordern eine detaillierte Maschineneinsatzplanung. Zur Erreichung des gewünschten Anlagenzustandes nach der Arbeit ist die Beachtung von verschiedenen Aspekten notwendig: 820 ETR Dezember 2007 NR. 12

5 Bild 8: Einbindung der Tragschicht in die vorher eingebaute Drainage erhöht die Qualität Bild 9: Nachträglich eingebaute Querungen sind Auslöser für punktuelle Gleislagefehler, die auch durch mehrfaches Stopfen nicht nachhaltig entfernt werden können > Der Tragschichteinbau erfolgt nur nach Erstellung eines geotechnischen Gutachtens. Bodenmechanische Erkenntnisse aus den Aufschlüssen, unter Einbindung der Ergebnisse aus der Zustandsbewertung des Gleises (Verschlechterungsrate, Georadarinformation, Stopfintervalle etc.), führen zur Definition der Tragschichtstärke und des notwendigen Geokunststoffs. > Adaptierungen im Querprofil sind dann notwendig, wenn die Lage der Randwege, der Lärmschutzwände, der Fahrleitungsmasten, der Verkabelungen und der Entwässerungseinrichtungen nicht aufeinander abgestimmt sind. Wurde beispielsweise das Fundament eines Fahrleitungsmasts in eine Drainage gelegt, führt die fehlende Entwässerungsmöglichkeit zu einer punktuellen Herabsetzung der Tragfähigkeit und damit zu einem erhöhten Erhaltungsaufwand auf der Gleisebene (Stopfen). Trotz hoher Qualität der Tragschicht stellt sich das gewünschte Ergebnis auf dem Messschrieb dann nicht ein. Es gilt dieses Verständnis für die ganzheit- liche Sichtweise allen Fachlinien zu vermitteln. > Besonderes Augenmerk ist auf die Einbindung in die bestehende bzw. neu erstellte Entwässerungsanlage zu legen. Mängel in der Ausführung führen zu einer Herabsetzung der Tragfähigkeit des Gleises und damit wieder zu einem erhöhten Instandhaltungsaufwand. Sanierungen sind kostspielig und erfordern wieder Gleissperren (Bild 8). > Der Einbau von Kabelquerungen ist grundsätzlich nur vor dem Tragschichteinbau erlaubt. Die durch das nachträgliche Aufreissen der Tragschicht (Bild 9) entstehenden Unstetigkeiten sind Auslöser für punktuelle Gleislagefehler, die auch durch mehrfaches Stopfen nicht nachträglich entfernt werden können. > Punktuelle Gleislagefehler finden sich häufig in den Anschlussbereichen von Brücken. Übersteigt die Zunahme des Längshöhenfehlers pro Jahr ein für die zulässige Geschwindigkeit erlaubtes Maß, ist es notwendig, die Brückenanschlussbereiche vor dem Tragschichteinbau separat zu sanieren. Eine Sanierung nach dem Tragschichteinbau kann den Erfolg der Maßnahme gefährden Tragschichtmaterial Das Tragschichtmaterial besteht aus einem Gemisch von rückgewonnenem Oberbauschotter und zugefügtem Neumaterial. Dadurch lässt sich eine Einsparung von bis zu 50 % an Neumaterial erzielen. An das Korngemisch werden höchste Anforderungen gestellt: > Die Korngrößenverteilung muss dem Sieblinienband (Bild 10) entsprechen. Der maximale Anteil an Korngrößen kleiner 0,03 mm beträgt 3 %, > inkl. 90 % Brechkorn. > Das Tragschichtmaterial wird für den gesamten ÖBB-Bereich von wenigen zugelassenen Werken geliefert. In diesen Werken wird das Tragschichtmaterial bereits befeuchtet (optimaler Wassergehalt) in die Container verladen.» Sieb Durchgang M % [mm] von bis Bild 10: Geforderte Sieblinie (obere und untere Grenze) für das Tragschichtmaterial Der Anteil < 2,0 mm sollte nahe der oberen Grenzlinie sein unter der gleichzeitigen Betrachtung des Kriteriums nach Casagrande von max. 3 % < 0,02 mm ETR Dezember 2007 NR

6 ETR Austria Wissen 3.5. Tragschichteinbau Bild 11: Das Vlies muss laut Regelzeichnung über die Tragschichtunterkante reichen Zu den systemimmanenten Vorteilen des gleisgebundenen Tragschichteinbaus (Einbau der Tragschicht ohne Abbau des bestehenden Gleises, hohe Arbeitsleistungen, ungestörte Betriebsabwicklung am Nachbargleis etc.) kommt auch die hohe Qualität hinsichtlich der gleichmäßig erreichbaren, mechanischen Eigenschaften der Tragschicht hinzu. Die ÖBB fordern für den minimale Verdichtungswert D Pr,min und den minimalen Verformungsmodul E v,1 bzw. E v,2 : V > 160 km/h D Pr,min = 97 % E v,1 > 35 MN/m 2 E v,2 > 80 MN/m 2 E v,2 /E v,1 2, Geokunststoffe Seit Beginn des Einsatzes der AHM 800 R werden Geokunststoffeinlagen zwischen dem anstehenden Mutterboden und der Tragschicht eingebaut. Bezüglich der mechanischen Eigenschaften hat der Geokunststoff drei Aufgaben zu erfüllen. > Stabilisierung der Tragschicht während der Verdichtungsphase, > Trennen und Filtern in der Betriebsphase, > neben diesen mechanischen Anforderungen werden auch besonders hohe Anforderungen an die hydraulischen Eigenschaften, v. a. der Vliese gestellt, weil Bild 12: Die entwässernden Eigenschaften des Geokunststoffs können nur bei Einbau bis über Tragschichtunterkante realisiert werden das Vlies in Verbindung mit dem beim gleisgebunden hergestellten Quergefälle die Ableitung von Niederschlagswasser bzw. von Sicker- oder Kapillarwasser fördern. Laut Regelzeichnung in der Oberbauvorschrift muss das Ende des Vlieses daher bis über die Tragschichtunterkante reichen (Bilder 11 und 12). Der konkret einzusetzende Geokunststoff wird im geotechnischen Gutachten definiert. Im Allgemeinen werden Vliese mit 400 g/m 2 eingesetzt, in Sonderfällen kommen Geogitter mit zusätzlicher mechanischer Bewehrung zum Einsatz [10]. Bild 13: Modell für das Konsolidierungsverhalten feinkörniger Böden V 160 km/h D Pr,min = 95 % E v,1 > 20 MN/m 2 E v,2 > 50 MN/m 2 E v,2 /E v,1 2,6 Zur Erzielung des geforderten Verdichtungswertes wird der optimale Wassergehalt (entsprechend Laborprüfbericht 7,4 %) durch gezielte Beimengung von Wasser in der Zwischensiebanlage eingestellt. Der optimale Wassergehalt beträgt gemäß dem Laborprüfbericht 7,4 %. Die Verdichtung der Tragschicht wird mittels Plattenverdichter durchgeführt (Bild 15). Die flächenhafte Verdichtung führt zu einer sehr gleichmäßigen und hohen Verdichtung der Tragschicht. Die Proctordichte D Pr der Tragschicht beträgt im Mittel 100,6 %. Die Gleichmäßigkeit der ausgeführten Tragschicht wird durch ein Befahren des Unterbauplanums, wie es beim konventionellen Tragschichteinbau erforderlich ist, nicht gestört Weichenbereiche 4. Geotechnischer Aspekt 4.1. Allgemeines Aufgrund der höheren Vertikal-Dynamik und damit höheren Lasten ist es gerade in Weichenabschnitten notwendig schlechte Untergrundabschnitte zu sanieren. Die Weichen werden dabei temporär abgetragen und gegen Gleisfelder getauscht. Die maschinelle Untergrundsanierung erfolgt unter Zuhilfenahme des eingebauten Gleisfeldes. Nach erfolgtem Tragschichteinbau werden die bestehenden oder neuen Weichen wieder eingebaut. Das Gleisrost-Gleisschotter-Tragschicht-System hat die Aufgabe, die dynamischen Lasten aus dem Fahrbetrieb in den Untergrund derart einzuleiten, dass weder die Scherfestigkeit noch das Verformungsverhalten des Untergrundes zu einem plötzlichen oder langfristigen Verlust der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit des Fahrweges führen (Bild 13). Für die gleisgebundene Untergrundverstärkung steht nur ein begrenzter, sanierbarer 822 ETR Dezember 2007 NR. 12

7 Verlauf der Steifigkeit Evd Werte der Tragschichtabschnitte in MN/m 2 Tiefe in cm ab SchwOK Mittelwert aus verschiedenen Vorschriften Logarithmisch Bild 14: Günstiger Tragschichtaufbau der Steifigkeit (Mittelwert aus bestehenden erdbautechnischen Regelwerken) Bild 15: Hohe Gleichmäßigkeit bei der Plattenverdichtung Bereich von ca. 0,5 m zur Verfügung, in dem Tragschichten als schwimmende Erdkörper eingebaut werden können. Die Stärke der Tragschicht ist einerseits hinsichtlich Tragfähigkeit und andererseits hinsichtlich Frostempfindlichkeit zu bemessen. Der größere der beiden ermittelten Werte ist maßgebend. Im Straßenbau haben sich bei den in Österreich gegebenen Klimaverhältnissen Frostschutzschichten mit Stärken von mind. 40 bis 50 cm bewährt. Ausgehend von üblichen Annahmen für die Frosteindringtiefe zwischen 80 und 100 cm werden für den gleisgebundenen Tragschichteinbau bei den Österreichischen Bundesbahnen im Regelfall Tragschichtmächtigkeiten von 40 cm eingesetzt, was auch der maximal möglichen Aushubleistung der eingesetzten Gleisbaumaschinen von 40 bis maximal 50 cm entspricht. Nur bei nachgewiesen frostunempfindlichem Untergrund, welcher im Regelfall jedoch auch günstige Festigkeitseigenschaften und somit insgesamt geringe Unterbauprobleme aufweist, ist in Sonderfällen (z. B. Gleisneulage mit Tragschichteinbau zur Herstellung eines ebenen Planums zur Wasserableitung) eine Reduktion der Tragschichtmächtigkeit auf 20 bis 30 cm möglich [11] Optimaler Aufbau des Gleises Bezüglich der Tragfähigkeit des Gleises ist eine optimale Abstimmung des elastoplastischen Verhaltens der einzelnen Tragschichtabschnitte (Gleisrost-Gleisschotter-Tragschicht) erforderlich. Entsprechend der mit der Tiefe stetig abnehmenden Vertikalspannung sollte für das belastete Gesamtsystem Gleisrost-Gleisschotter-Tragschicht-Untergrund auch ein Schichtenaufbau mit stetig zunehmender Steifigkeit zum Gleisrost hin gegeben sein. Sprunghafte Wechsel sollen wenn möglich vermieden werden. Für die Lastabtragung in den Untergrund wurden Kriterien für den Verlauf des Evd-Wertes (Mittelwert aus bestehenden Erdbau-Vorschriften) ab Schwellensohle abgeleitet. Bei diesem Steifigkeitsverlauf (Bild 14) werden die Grenzwerte der Scherfestigkeit bei grobkörnigen und feinkörnigen Böden nicht überschritten Verdichtung zum Zeitpunkt des Tragschichteinbaus Evd Werte am Gleisplanum in MN/m 2 Zunahme des Evd Wertes nach der Verdichtung am Gleisplanum Evd Werte am Erdplanum in MN/m 2 Maßgebend für die Qualität und Leistungsfähigkeit einer Tragschicht ist die Art der Verdichtung, durch die jene optimale Lagerungsdichte erreicht wird, welche eine gleichmäßige Lastübertragung (Korn-zu-Korn Spannung) ermöglicht. Bei der Verdichtung wird der Großteil der Verdichtungsarbeit aufgewendet, um die Körner in ihre dichteste Lagerung zu verschieben. Das Porenwasser soll gleichmäßig verteilt an der Oberfläche der Stützkörner gebunden bleiben. Eine besondere Aufgabe kommt der geotextilen Trennlage zu. Sie dient nicht nur der Trennung zwischen Untergrund und Tragschichtmaterial, sondern bewirkt auch eine Stabilisierung der Körner während der Verdichtung. Bild 16: Verbesserung des Verformungsmoduls unmittelbar nach dem Tragschichteinbau» ETR Dezember 2007 NR

8 ETR Austria Wissen Verbesserung am Gleisplanum 4.4. Nachverdichtung unter Betrieb Gleisplanum MN/m 2 Erdplanum MN/m 2 Gleisplanum OK EvD MN/m 2 Nachmessung am Gleisplanum EvD MN/m 2 Linear (Gleisplanum OK EvD MN/m 2 ) Linear (Nachmessung am Gleisplanum EvD MN/m 2 ) Die Nachverdichtung der Tragschicht erfolgt in zwei Schritten: In den ersten Tagen nach dem Tragschichteinbau kommt es zu einer Austrocknung der Tragschicht. Die Austrocknung führt zu einer Verdichtung der Staubteilchen in den Berührpunkten und damit zu einer Vergrößerung der wirksamen Fläche der Lastübertragung, welche eine Steifigkeitserhöhung verursacht. Die Kornumlagerung unter Betriebsbelastung bewirkt langfristig ebenfalls eine Zunahme des Steifemoduls. Nachmessungen am Gleisplanum nach einer Betriebsdauer von ca Tagen haben folgendes gezeigt (Bild 17): > 2000 Tage nach Tragschichteinbau werden durchschnittliche Evd-Werte von MN/m 2 auf der Tragschicht erreicht > Charakteristisch ist, dass die zeitliche Verbesserung durch den Betrieb entsprechend der Dimensionierung für einen weichen Untergrund (E vd < 20 MN/m 2 ) überproportional zunimmt. > In Abschnitten mit E vd -Werten von 5 MN/m 2 Verformungsmodul am Erdplanum wird durch den Fahrbetrieb der ursprünglich erreichte E vd -Wert von ca. 20 MN/m 2 um den Faktor 2 auf ca. 40 MN/m 2 weiter erhöht. Bild 17: Zunahme des Verformungsmoduls E vd nach 2000 Tagen Bild 18: Verformungsmessung mittels statischer Lastplatte verzögert Bauablauf Somit ist das gleisgebundene Tragschicht- Einbauverfahren (40 cm starke Tragschicht) besonders zur Sanierung von Gleisen mit weichen Untergrundverhältnissen (feinkörnige Böden) geeignet. Im Netz der ÖBB wird in der Regel bei Gleisen mit einem E vd -Wert von ca. 5 MN/m 2 am Erdplanum der gleisgebundene Tragschichteinbau angewendet. Für noch schlechtere Untergrundverhältnisse ist teilweise (abhängig vom geotechnischen Gutachten) auch ein konventioneller Tragschichteinbau mit mächtigeren Tragschichtstärken erforderlich. Diese Stützwirkung ermöglicht den Eintrag der Verdichtungsarbeit auch dann, wenn der Untergrund (Erdplanum) weich und in seiner Konsistenz breiig ist. Diese behutsame Verdichtungsarbeit mittels Plattenverdichter ermöglicht bei der gleisgebundenen Stabilisierung den Einbau einer gut verdichteten und ausreichend steifen Tragschicht auf weichem Untergrund (Bild 15). Im Bild 16 sind die Messergebnisse dargestellt, die diese Verbesserung des Verformungsmoduls Evd durch die Tragschicht unmittelbar nach Einbau zeigen. Es werden Zuwächse um den zwei- bis fünffach höheren E vd -Wert am Gleisplanum erzielt, wenn das Erdplanum E vd -Werte von 5 15 MN/m 2 aufweist. Die prozentuelle Zunahme der Tragfähigkeit nimmt bei höheren E vd -Werten ab. 5. Qualitätssicherung der Tragschicht Im Rahmen von gleisgebundenen Baustellen mit der AHM 800 R oder der RPM 2002 werden intern routinemäßige Qualitätskontrollen durchgeführt. Diese umfassen eine laufende Kontrolle von Aushubtiefe, Tragschichtstärke und Planums-Querneigung sowie die tägliche Ermittlung der Korngrößenverteilung und des Einbauwassergehaltes des Tragschichtmaterials. Verdichtungskontrollen der eingebauten Tragschicht wurden bis ca vorwiegend mit aufwendigen Statischen Lastplattenversuchen (Bild 18), welche Stehzeiten der Gleisbaumaschine bedingen, durchgeführt. Fallweise wurden auch der Ver- 824 ETR Dezember 2007 NR. 12

9 dichtungsgrad sowie der Einbauwassergehalt durch radio-metrische Messungen mit einer Isotopensonde (Troxlersonde) ermittelt. Aufgrund der guten Korrelation zwischen den Verformungsmoduln E v1 -E vd und E v2 -E vd und der zeitlichen Ersparnis während der Messung wurde 1998 der dynamische Plattendruckversuch (Bild 19) mit dem leichten Fallgewichtsgerät eingeführt. Dies ermöglichte eine raschere und in ausreichender Anzahl zur Verfügung stehende Verdichtungskontrolle. Die Dynamischen Plattendruckversuche werden im Regelfall von der Maschinen-Bauaufsicht der Österreichischen Bundesbahnen in einem vorgesehenen Raster von 100 Laufmeter durchgeführt. Es bestehen folgende Zusammenhänge: > Erdplanum: E v2 = 2,11 E vd E v1 = 0,78 E vd > Oberkante Tragschicht: E v2 = 2,04 E vd E v1 = 0,73 E vd. Ergänzend werden fallweise stichprobenartig Statische und Dynamische Lastplattenversuche, radiometrischen Dichte- und Wassergehaltsmessungen sowie Laboruntersuchungen (Korngrößenverteilung, Proctorversuch) von externen Prüfinstituten durchgeführt. 6. Periodische Überprüfung der Gleislage Die periodischen Überprüfungen der Gleislagequalität mittels Oberbaumesswagen dokumentieren den Erfolg des Tragschichteinbaus. Folgend einige Beispiele: 6.1. Untergrundsanierung bei Timelkam im Jahr 1997 Im Jahr 1997 wurde auf Gleis 2 des Abschnittes Timelkam Redl-Zipf (Westbahn, km 254,0 km 258,5; 21 Mio. Gesamtbruttotonnen/Jahr) eine Gleisneulage mit Untergrundsanierung durchgeführt. Der Tragschichteinbau (40 cm) erfolgte mittels AHM 800 R (Bild 20). Die Gleislagequalität (Längshöhe) ist 10 Jahre nach der Gleisneulage in einem sehr guten Zustand. Das Gleis musste erst ein Mal (2003) gestopft werden. Der Stopfzyklus konnte damit von vorher ca. 2 Jahre auf nunmehr 7 Jahre angehoben werden. Das Längshöhensignal zeigt aktuell keine hervorstechenden Einzelfehler bzw. punktuelle, höhere Veränderungstendenzen (Bild 21). Die Oberbaumessdaten werden seit 2002 in der ÖBB-Datenbank ( Gläserner Fahrweg ) abgespeichert [12]. Aus den zur Verfügung stehenden Messdaten lässt sich eine Ausgangsqualität von σ vertikal = 0,4 mm ableiten (Bild 22) Untergrundsanierung bei Hallwang im Jahr 2003 Im Abschnitt Hallwang-Elixhausen nach Salzburg-Maria Plain (Westbahn, km 305,8 km 309,2; 21 Mio. Gesamtbruttotonnen/Jahr) wurde 2003 eine Gleisneulage mit Untergrundsanierung (AHM 800 R) durchgeführt. Zur besseren Lastverteilung wurden Betonschwellen mit Besohlung eingebaut. Der gesamte Abschnitt musste vor der Sanierung ca. alle 1 1/2 Jahre gestopft werden, der aktuelle Stopfzyklus beträgt nun ca. 10 Jahre (Bild 23). Am anschaulichsten ist die Verbesserung in der Veränderung der Standardabweichung der Längshöhe erkennbar (Bild 24) Vergleich mit konventionellem Tragschicht-Einbau 2002 wurde auf beiden Gleisen des Abschnittes Zell/See Saalfelden (km 107,7 111,7 der Strecke Zell/See Wörgl; 8 Mio. Gesamtbruttotonnen/Jahr) eine Gleisneulage mit Un-» Bild 19: Bestimmung des Verformungsmoduls E vd mit dem dynamischen Fallgewicht ohne Bauzeit-Beeinträchtigung Bild 20: Mitschnitt Messwagenvideo Timelkam Redl-Zipf, Gleis 2, km 256,400 Bild 21: Das Längshöhensignal zeigt aktuell keine hervorstechenden Einzelfehler bzw. punktuelle höhere Veränderungstendenzen ETR Dezember 2007 NR

10 ETR Austria Wissen Gleislagequalität als Standardabweichung der Längshöhe Rückgerechnete Anfangsqualität erste Stopf-Arbeit nach 7 Jahren vertikal = 0,4 mm Bild 22: Die Standardabweichung der Längshöhe betrug zum Zeitpunkt der Gleisneulage ca. σ vertikal = 0,4 mm Bild 23: Mitschnitt Messwagenvideo Hallwang-Salzburg, Gleis 2, km 306,500 Veränderung Gleislagequalität als Standardabweichung der Längshöhe Gleisneulage mit Untergrundsanierung Bild 24: Reduktion der Verschlechterungsrate der Längshöhe zeigt die Auswirkungen der Maßnahme am deutlichsten Bild 25: Mitschnitt Messwagenvideo Zell/See Saalfelden, Gleis 1, km 110,400 Gleis1_konv Gleis2_AHM Gleislagequalität als Standardabweichung der Längshöhe erste Stopf-Arbeit Bild 26: Konventionelle Untergundsanierung (70 cm) und gleisgebundenes Einbauverfahren (40 cm) zeigen in etwa gleiches Verhalten Die Wirtschaftlichkeit der Untergrundsanierungen im A-Netz wurde von Prof. Peter Veit an der TU Graz untersucht. Die Ergebnisse sind in die Oberbau-Strategie der ÖBB eingeflossen und haben zum forcierten gleisgebundenen Einbau von Tragschichten geführt. Die Erfahrungen bezüglich 13 Jahre Untergrundsanierung mit den Gleisbaumaschinen AHM 800 R bzw. RPM 2002 sind die folgenden: tergrundsanierung durchgeführt. Mittels AHM 800 R wurde in Gleis 2 eine durchgehende Tragschichtstärke von 40 cm eingebaut. Im selben Jahr erfolgte in Gleis1 eine konventionelle Untergrundsanierung mit Einbau einer 70 cm starken Tragschicht (Bild 25). Trotz der um 30 cm geringeren Tragschichtstärke im AHM-sanierten Abschnitt weisen beide Gleise aktuell in etwa gleiche Gleislage-Qualität auf (Bild 26). Die Verschlechterungsraten sind nahezu ident. Die höhere Qualität bei der gleisgebundenen Herstellung gegenüber dem konventionellen Einbau der Tragschicht mittels Bagger und Lkw lässt sich damit ablesen. 7. ResummeE Die gestiegenen physikalischen, betrieblichen und wirtschaftlichen Anforderungen an das Gleis im Netz der ÖBB, wie etwa höhere Verkehrslasten, Wunsch nach Reduktion von Sperrpausen und Kostendruck in der Gleiserhaltung, führten Anfang der 90er Jahre zur Entwicklung der Gleisbaumaschine AHM 800 R. Diese ermöglicht bei kurzer Maschinenlänge einen Tragschichteinbau mit hoher Arbeitsleistung (50 m/h) und hoher Verdichtungsqualität. Gleichzeitig wurde der Recyclinggedanke, die Wiederverwendung des ausgebauten Schotters, umgesetzt. > Seit 1994 wurden auf einer Länge von 542 km Untergrundsanierungen durchgeführt. Die Stopflängen konnten in diesem Zeitraum um etwa 45 % reduziert werden, wobei auch andere Maßnahmen (u. a. neue Auswertemethodik der Oberbaumessdaten) zu diesem Erfolg beigetragen haben. > Bei der Planung von Untergrundsanierungen ist auf die Funktionsfähigkeit der Entwässerung besonderes Augenmerk zu legen. Eine stabile Gleislage stellt sich nur bei tragfähigen und ausreichend entwässerten Gleisen ein. > Das gleisgebundene Tragschicht-Einbauverfahren ist besonders zur Sanierung von Gleisen mit weichen Untergrundverhältnissen (feinkörnige Böden) geeignet, 826 ETR Dezember 2007 NR. 12

11 deren Evd -Werte im Bereich von etwa 5-20 MN/m 2 liegen. > Das gleisgebundene Verfahren zeichnet sich durch seine Gleichmäßigkeit aus. Ein Versuchsabschnitt zeigt die gleichen Ergebnisse bei 40 cm gleisgebundenem Tragschichteinbau und herkömmlichem Einbau einer 70 cm starken Tragschicht. < [9] Franz Berger, Wirtschaftliche Unterbausanierung mit integriertem Materialrecycling, 6. Unterbauexpertentreffen, Wien 2007 [10] Claus Göbel, Klaus Lieberenz, F. Viel, Beeinflussung des Tragverhaltens von Schichtsystemen durch Geokunststoffe, Organ der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik, Sonderheft Geotechnik 1997 [11] Martin Moser, Tragschichtdimensionierung beim gleisgebundenen Einbau, Innotrans, Berlin 2004 [12] Werner Hanreich, Paul Mittermayr, Gerard Presle: Track Geometry Measurement Database and Calculation of Equivalent Conicities of the OBB Network. American Railway Engineering and Maintenance of Way Association 2002 Conference, Washington D.C. Literatur [1] Erhard Klein, Das Geotechnische Streckenband, ÖBB- Schulungsunterlagen [2] Peter Veit, Projekt Strategie Fahrweg, Habilitationsschrift TU Graz 1999 [3] Planumsverbesserung mit Bettungsreinigungsmaschine, UIC Merkblatt 722 E [4] Sandstopfung: UIC Merkblatt 722 E (Anlage 8) [5] Puscal, Umbauzug für Bettungssanierung: Fritz Bühler und Alfons Welz, Der Umbauzug für Bettungsreinigung PUSCAL II, Zeitschrift für Eisenbahnwesen und Verkehrstechnik 1984 [6] PM 200, Planumsverbesserungsmaschine: Horst Körber, Planung und Ausführung von Planumsverbesserungen, ÖVG Tagung 1984 [7] Rudolf Schilder, Franz Piereder, Planumsverbesserung mit der Aushubmaschine AHM 800 R, ETR [8] Rainer Wenty, Rehabilitation of the Railroad Subgrade, 84th Annual Meeting of the Transportation Research Board, Washington 2005 Summary Thirteen years of experience of substructure remediation on the network of the ÖBB using rail-based equipment Since 1994, remediation work on tracks with substructure problems has been carried out on the network of the Austrian Federal Railways (ÖBB) preferentially with the AHM 800 R and RPM 2002 rehabilitation machines. The authors show that these measures have been successful in both economic terms (based on life-cycle costs) and technical terms (based on records of track measurements). ETR :05 Uhr Seite 1 Trennen hat einen Namen. ROBEL. Starke Leistung am Gleis. ROBEL Bahnbaumaschinen GmbH Industriestraße Freilassing Deutschland Tel: +49 (0) 8654/609-0 Fax: +49 (0) 8654/ info@robel.info