Nové prvky a technologie výstavby železničních tratí v České republice

Cíle modernizace a optimalizace železničních tratí

Hlavní cíle modernizace - opatření umožňující zvýšení traťové rychlosti do 160 km/h, dosažení třídy zatížení D4 UIC, prostorové průchodnosti podle ČSN 73 6320, případně optimalizace - opatření odstraňující lokální omezení traťové rychlosti na dané trati (zpravidla na stávajícím zemním tělese) - těchto tratí jsou napojení vybrané sítě na hlavní evropské magistrály, splnění podmínek integrace ČR do evropských struktur, snižování zátěže životního prostředí, zavedení vyšší traťové rychlosti, a tím zkrácení jízdních dob, zvýšení bezpečnosti provozu novými dokonalejšími technologickými zařízeními.
Technické podmínky členění železničních drah do jednotlivých kategorií drah jsou dány požadavky na prostorovou průchodnost a přechodnost drážních vozidel se zřetelem na provozní potřeby drah - dráhy celostátní, regionální a vlečky. Celková délka provozovaných tratí na našem území činí přibližně 9500 km, tj. cca 16 000 km kolejí. Jednou z podmínek zajištění technické propojitelnosti evropského železničního systému je dosažení potřebné únosnosti konstrukce železniční tratě.
Hlavní součástí tratě jsou železniční svršek, který je tvořen z kolejí, výhybek, zvláštních konstrukcí a konstrukčních prvků a železniční spodek, který tvoří těleso železničního spodku, stavby a zařízení železničního spodku, jakož i dopravní plochy. Při volbě typu kolejového svršku se vychází z doporučení předpisu SŽDC S3 ?Železniční svršek?.

Kolejnice

V kolejích železničních drah ve vlastnictví ČR se při vkládání nového materiálu v současné době používají kolejnice tvaru S 49 s hmotností cca 50 kg na metr délky, jejichž výroba byla zahájena v roce 1970, a od roku 1991 kolejnice UIC 60 s hmotností 60 kg na metr délky. Při rekonstrukci vybrané železniční sítě ČR se do traťových kolejí a hlavních staničních kolejí používají kolejnice UIC 60. Na dráze celostátní se zřizuje bezstyková kolej, v současnosti je to v ČR více než 8400 km kolejí. V síti kolejí ČR je v současné době více než 3500 km kolejí s kolejnicemi o hmotnosti 60 kg a více na metr délky. V současné době se na výrobu kolejnic používá kolejnicová ocel jakosti UIC 900A o minimální pevnosti v tahu 880 MPa.

Upevnění kolejnic

Upevnění kolejnic na podporách zajišťuje rozchod koleje v předepsaných tolerancích, tuhé a současně dostatečně pružné spojení kolejnic s podporou. Pro upevnění kolejnic k podkladu se používají typy kolejnicového upevnění, které svou konstrukcí a vlastnostmi odpovídají charakteru provozu a stavebním podmínkám na železničních dráhách ČR a současně využívají prvky používané v zahraničí.
Při výběru typu upevnění musí být zohledněn charakter trati, začlenění trati do celoevropské sítě, její předpokládané dlouhodobé zatížení a výhledové využití. Při rekonstrukci koleje novým materiálem se doporučuje upřednostnit bezpodkladnicová pružná upevnění. Hlavními představiteli těchto typů je upevnění německé firmy Vossloh - W14 a anglické firmy PANDROL - Fastclip. Tyto typy upevnění jsou jednoduché konstrukce, skládají se jen z malého počtu součástí, které lze předmontovat už ve výrobně pražců. Vystrojené pražce se nakládají na speciální vozy obnovovacího vlaku, který ukládá pražce přímo v ose koleje a do upevnění zavádí kolejnicové pásy. Následující mechanizační prostředek přesune předmontované svěrky nebo spony upevňovacího systému do pracovní polohy.
Ve výhybkách se i nadále používá podkladnicové upevnění zpravidla odpovídající systému upevnění v přilehlých úsecích. Například u výhybek vkládaných do kolejí s upevněním W 14 - bezpodkladnicové upevnění pomocí pružných svěrek Skl 14 (obr. 1) se použije upevnění pružné podkladnicové se svěrkami Skl 12 a u výhybek vložených v koleji s bezpodkladnicovým pružným upevněním Fastclip (obr. 2) se použije upevnění podkladnicové pružné se sponami ?e? s adaptérem. U ostatních tratí se navrhuje materiál regenerovaný a převážně podkladnicové tuhé upevnění (K).
Na mostech s průběžným kolejovým ložem se zřizuje upevnění shodné s upevněním v přilehlých úsecích koleje.

¤ Obr. 1a, 1b. Bezpodkladnicové pružné upevnění železničního svršku (W14) s kolejnicemi UIC 60 (S49) na betonových pražcích se svěrkami Skl 14, a) příčný řez, b) pohled

¤ Obr. 2a, 2b. Bezpodkladnicové pružné upevnění železničního svršku s kolejnicemi UIC 60 (S49) na betonových pražcích s bezpodkladnicovým upevněním pomoci pružných spon Fastclip firmy Pandrol, a) příčný řez, b) pohled

Kolejnicové podpory

Příčné pražce vytvářejí spolu s kolejnicovými pásy kolejový rošt, zajišťující stálost rozchodu koleje a roznášení účinků od pohybujících se vozidel z kolejnice do kolejového lože a dále do železničního spodku. Horní plocha pražce se nazývá úložná a spodní plocha ložná. Na vybraných tratích železniční sítě ČR se zásadně navrhují betonové příčné pražce. V místech, kde jejich užití není účelné z hlediska konstrukce železničního spodku nebo kategorie tratě, je možné použít pražce dřevěné. Na koridorové trati v úseku Třebovice v Čechách-Rudoltice v Čechách byl realizován zkušební úsek s konstrukcí pevné jízdní dráhy (PJD) typu Rheda, kterou tvoří betonová deska vyrobená dodatečným zmonolitněním kolejového roštu z upravených dvoublokových pražců s mřížkovou nosnou výztuží s pružným upevněním Vossloh (obr. 3). Stavební náklady na zřízení PJD jsou vyšší než u klasické konstrukce se štěrkovým ložem, ale zkušenosti ukazují, že zejména v úsecích tratě na mostech a v tunelech jsou naopak nižší udržovací náklady. Podle zkušeností DB (Deutsche Bahn) jsou pořizovací náklady o 50 až 75 % vyšší. Odhad životnosti klasické konstrukce jízdní dráhy je asi 30 let, životnost PJD je odhadována až na 60 let.
Jako další nová konstrukce železničního svršku zejména pro regionální tratě se v posledních letech zkouší použití ocelových pražců Y (obr. 4) pro bezstylovou kolej v malých směrových poloměrech. Základní profil pražce je tvaru ?I?. Těleso pražce je spojeno ze dvou hlavních nosníků, které tvoří základní tvar ?Y?, a dvou vedlejších nosníků stejného tvaru. Pro upevnění kolejnic se používá pružné přímé upevnění S 15 firmy Vossloh. Pražce jsou dodávány s kompletně předmontovaným upevněním.

¤ Obr. 4. Zkušební úsek s ocelovými pražci Y

Kolejové lože

Kolejové lože je částí konstrukce železničního svršku, která přenáší silové účinky železničního provozu z kolejnicových podpor na pláň tělesa železničního spodku, slouží ke zpružnění konstrukce železničního svršku, a tím k tlumení dynamických účinků železničního provozu. Podílí se na zajištění dostatečného odporu proti příčnému a podélnému posunu kolejového roštu. Část kolejového lože pod úrovní ložné plochy kolejnicových podpor tvoří spolu s konstrukcí tělesa železničního spodku pražcové podloží. Kolejové lože může být nahrazeno jinou konstrukcí, například v systému pevné jízdní dráhy. Kolejové lože musí splňovat technické podmínky stanovené vyhláškou č. 177/1995 Sb. v platném znění. Základními geometrickými parametry kolejového lože jsou tloušťka kolejového lože měřená mezi plání tělesa železničního spodku a ložnou plochou kolejnicové podpory v místě nepřevýšeného kolejnicového pásu, profil kolejového lože, dále geotechnické vlastnosti kameniva, míra homogenizace kameniva v kolejovém loži a ekologické vlastnosti kameniva. Kamenivo pro kolejové lože železničních drah ČR se podle vlastností a jakosti zařazuje do tříd BI, BII a C. Podmínky pro zařazení kameniva do tříd stanovují OTP (Obecné technické podmínky). V hlavních kolejích na vybraných tratích modernizované železniční sítě se užívá nové přírodní kamenivo třídy BI. V těchto kolejích lze též použít recyklované kamenivo třídy BI v plném profilu kolejového lože na tratích s rychlostmi do 80 km.h^-1, s rychlostí větší než 80 km.h^-1 a menší nebo rovnou 160 km.h^-1 ve spodní vrstvě kolejového lože, nejvýše 50 mm pod úroveň ložné plochy pražců při konečné niveletě koleje, na tratích s rychlostí nad 160 km.h^-1 se použití recyklovaného kameniva nepřipouští.

Konstrukce železničního spodku

Železniční spodek je jednou ze základních částí konstrukce železniční tratě. Těleso železničního spodku slouží k uložení konstrukce železničního svršku. Těleso železničního spodku musí být dostatečně únosné, aby byla trvale zajištěna geometrická poloha koleje i v případě účinků nepříznivých atmosférických činitelů.
Těleso železničního spodku musí být navrženo tak, aby jeho konstrukce trvale zabezpečovala předepsanou geometrickou polohu a zajistila přenášení dynamického zatížení železničních vozidel bez trvalé deformace pláně tělesa železničního spodku. Při volbě konstrukce tělesa železničního spodku se vychází z druhu zeminy a horniny zemní pláně, z únosnosti zeminy zemní pláně, z předepsané únosnosti pláně tělesa železničního spodku a z nejvyšší předepsané rychlosti jízdy vlaků. Přihlíží se též k vodnímu a teplotnímu režimu.
Únosnost konstrukce tělesa železničního spodku se vyjadřuje hodnotou modulu přetvárnosti, který se zjistí na základě statické zatěžovací zkoušky pomocí tuhé kruhové desky o průměru 0,3 m podle předpisu SŽDC S4 Železniční spodek. Únosnost pláně tělesa železničního spodku musí dosahovat alespoň požadovaných hodnot modulu přetvárnosti (tabulka 1).
Pro dosažení požadované únosnosti na pláni tělesa železničního spodku se navrhují konstrukční vrstvy, které spolu s kolejovým ložem pod ložnou plochou pražce vytvářejí pražcové podloží. Pro návrh konstrukční vrstvy tělesa železničního spodku je rozhodující její tloušťka, druh materiálu, dosažená míra zhutnění materiálu konstrukční vrstvy tělesa železničního spodku a hodnota modulu přetvárnosti zemní pláně v klimaticky nejnepříznivějším ročním období. V případě, že modul přetvárnosti zemní pláně na koridorových tratích nedosahuje hodnot podle tabulky 1, je možné nahradit neúnosnou zeminu zemní pláně materiálem únosnějším, stabilizovat horní vrstvu zeminy zemní pláně (obr. 5), uložit na zemní pláni výztužné geotextilie nebo geomřížky (obr. 6; výztužné geotextilie nebo geomřížky je možné použít pouze v případě, že zjištěná hodnota modulu přetvárnosti zemní pláně je alespoň 60 % hodnoty podle tabulky 1), použít podkladní vrstvu ze štěrkodrtě. Předpis SŽDC S4 uvádí šest základních typů konstrukce pražcového podloží. Návrh konstrukce pražcového podloží s betonovými deskami se na těchto tratích nepřipouští.
Při stavbě koridorových tratí byly též použity zahraniční strojové komplexy, které umožňují zesílit konstrukci pražcového podloží bez snesení železničního svršku, například AHM 800R nebo RPM 2002.
Novou technologií výstavby železničního spodku je také zárubní zeď z armované zeminy v Mlčechvostech nebo používání gabionů pro rozšíření tělesa železničního spodku, ochranu zemních svahů nebo jako opěrné, resp. zárubní zdi (obr. 7). K zabezpečení skalních zářezů se rozšířilo používání ocelových sítí.

¤ Tab. 1. Požadované hodnoty modulu přetvárnosti v kolejích vybrané železniční sítě ČR

¤ Obr. 5. Využití zemní frézy pro stabilizaci vrstvy zemní pláně vápnem

¤ Obr. 6. Uložení geotextilie a výztužné geomřížky na zemní pláň

¤ Obr. 7. Pohled na zárobní zeď z gabionů

Konstrukční prvky pro ochranu životního prostředí

Vlivem železničního provozu vzniká hluk a vibrace, které se šíří do okolí, a zasahují tak nepříznivě okolí železniční tratě a negativně ovlivňují životní prostředí.
Proti nepříznivému šíření hluku z železničního provozu se zřizují protihlukové stěny a valy. Protihlukové stěny se zřizují jako pohltivé nebo odrazivé. Jejich výška se určuje podle výsledků akustického měření nebo výpočtem. Volba materiálu závisí na účelu a umístění stěny. Převážně se užívá konstrukce stěn, které se skládají z ocelových nebo betonových žebrových sloupů a výplňových panelů z betonu, ocelových plechů, dřeva, plastů, průhledných tabulí ze skla nebo organického skla, cihlářských výrobků apod. (obr. 8).
Protihlukové valy se budují ze zemin ve formě násypu podél železniční trati. Šířka valu v koruně je min. 2,0 m. Na povrchu valu se zřizuje vegetační ochrana (travní porost, keře, stromy). Ke zřizování valů se užívá také zemina vyztužená geosyntetickými materiály, které umožňují zřizovat val se strmými sklony svahů, a tím snížit zábor pozemků nutných ke zřízení protihlukových valů podél železnice.
Pohybem kolejových vozidel vzniká hluk, který se šíří do okolí tratě vzduchem a současně se hluk šíří z kolejového roštu do pražcového podloží. Ten se projevuje především vibracemi a otřesy. Opatření k ochraně okolí železničních tratí proti zemnímu hluku spočívají zpravidla v omezení přenosu vibrací a otřesů vložením pružného materiálu do konstrukce pražcového podloží - antivibrační rohože (obr. 9).

¤ Obr. 8. Příklad ochrany obytné zástavby protihlukovou zdí

¤ Obr. 9. Příklad použití antivibračních rohoží v pražcovém podloží na jednokolejné trati

Závěr

Antivibrační rohože jsou plošné prvky ve tvaru desek nebo pásů zpravidla o tloušťce 10-50 mm. Povrch antivibračních rohoží může být hladký, rýhovaný nebo s výstupky. Pro zvýšení pružnosti se vyrábějí antivibrační rohože s podélnými dutinami (obr. 9). Závěrem je možné konstatovat, že postupnou rekonstrukcí vybraných tratí železniční sítě ČR se výrazně zvýšila technická úroveň konstrukce železničních tratí a na realizovaných úsecích došlo ke zvýšení traťové rychlosti a k současnému zkrácení jízdních dob.

Použitá literatura
[1] Zásady modernizace a optimalizace vybrané železniční sítě ČR, Směrnice GŘ č. 16/2005
[2] Koncepce používání jednotlivých tvarů kolejnic a typů upevnění v kolejích železničních drah ve vlastnictví České republiky, Směrnice GŘ č. 28/2005
[3] CIDEAS 0952607 ?Metodika použití recyklovaných a odpadních materiálů v konstrukčních vrstvách kolejových staveb?, Závěrečná zpráva 2007, ČVUT v Praze, SŽDC S4 Železniční spodek
[4] SŽDC (ČD) S3 Železniční svršek