Zkušenosti z návrhu a realizace mostů na Taiwan High Speed Railway

V době svého zrodu šlo o kvalitativně nový dopravní prostředek, který změnil zvyky lidí v cestování. Zejména při cestách na střední vzdálenosti (300-500 km) přispěly vysokorychlostní vlaky k renesanci kolejové dopravy a k obnovení její plné konkurenceschopnosti s leteckou dopravou. Až doposud byl tento fenomén spojován zejména s Japonskem a se zeměmi západní Evropy (Německo, Francie, Španělsko), kde se vlaky Shinkanzen, TGV a ICE staly pojmem a součástí běžného života obyvatel těchto zemí. S postupujícím šířením blahobytu v některých dalších oblastech zeměkoule se však s tímto již osvědčeným dopravním prostředkem budeme setkávat i v dalších zemích.
Takovou zemí je i Taiwan, nebo správněji řečeno Čínská republika na Taiwanu, jak se tento stát sám nazývá. Po celou dobu existence dvou čínských států je mezi ČLR a Taiwanem přítomno latentní napětí a rivalita, která se zhmotňuje mj. i při ?dokazování si?, kdo je lepší. Prestižní stavební projekty jsou pak v tomto typu soupeření velmi vítanou zbraní. I tento aspekt, stejně jako impozantní výkon ekonomiky Taiwanu, sehrál jistě svou roli při rozhodování o uskutečnění projektu Taiwan High Speed Railway (THSR).
Samozřejmě nejen to. Podíváme-li se na mapu Taiwanu, zjistíme, že na ploše 36 tisíc km² žije 23 miliónů obyvatel, což je více než dvojnásobek obyvatel ČR při méně než poloviční rozloze. Navíc téměř 70 procent rozlohy ostrova tvoří neprostupné a víceméně neobydlené hory, a většina obyvatelstva je tedy doslova namačkána na východním pobřeží, v pruhu širokém asi 30-40 km, táhnoucím se od severu k jihu ostrova mezi hlavním městem Taipei a druhým největším městem Kaohsiungem. Cestování v takovýchto podmínkách by tak bylo bez kvalitní dopravní infrastruktury velmi problematické. Již v 70. a 80. letech taiwanský stát započal s výstavbou dálnic, nicméně i když je v současnosti tento systém téměř dokončen, cesta z Taipei na jih ostrova stále trvala po pozemních komunikacích pět i více hodin - ať jste zvolili automobil nebo vlak (s rozchodem 1067 mm). Proto bylo rozhodnuto o realizaci velmi drahého projektu vysokorychlostní trati THSR. Celková cena 360 km dlouhé trati se vyšplhala na celých 17 miliard USD a byla financována metodou BOT. Trať a veškeré příslušenství patří soukromé společnosti zvané Taiwan High Speed Railway Corporation (dále jen THSRC), která bude celý systém provozovat a spravovat 35 let a pak jej předá státu. Stavba byla zahájena v roce 2000 a trvala sedm let, z čehož první čtyři roky zabrala realizace vlastní konstrukce trati, zejména mostů a tunelů, zbývající tři roky pak realizace železničního svršku a poměrně dlouhý testovací provoz. Nyní je trať v plném provozu. Cestovní doba z Taipei do Kaohsiungu se zkrátila na 90 min (cena jízdného je cca 1000 Kč).

Stavba vysokorychlostní trati THSR

¤ Obr. 2. Trasa THSR s rozdělením na stavební úseky
Celá stavba vysokorychlostní trati byla rozdělena na 10 stavebních úseků, označených C210 až C295 (obr. 2). Každý z úseků byl dlouhý 30-35 km, přičemž na každý byla vypsána veřejná soutěž. Vítězná sdružení stavebních firem musela za vysoutěženou cenu jednotlivý úsek vyprojektovat a postavit až po úroveň mostovky, resp. železničního spodku. Pak následovala další veřejná soutěž na dodávku železničního svršku, kdy se postupovalo obdobným způsobem.
Specifikace, které byly vytvořeny v předstihu, stanovovaly normy a podmínky pro návrh a stavbu a jednotliví dodavatelé se jimi museli řídit.
THSRC stanovila závazné směrové řešení celé trasy i pomocných tratí (depa) a vykoupila v trase stavby pruh půdy široký 18 m (9 m na každou stranu od osy trati), do kterého se veškeré trvalé i dočasné konstrukce dráhy musely vejít. To bylo dosti obtížné, neboť například při rozměrech některých mostních základů 12x12 m nezbývalo dost místa na staveništní komunikace a další zařízení stavby. Vzhledem k extrémnímu nedostatku a ceně půdy na Taiwanu také nepřipadal v úvahu dočasný zábor mimo tento pruh.
Na druhou stranu výškové řešení, které bylo determinováno velkým množstvím podcházejících křižujících komunikací, bylo do značné míry ponecháno na návrhu zhotovitele každého úseku.

Umístění trati

Celá trať je navržena jako dráha normálního rozchodu (1435 mm), pro maximální rychlost 350 km/h, s deseti stanicemi. Každá stanice obsluhuje zhruba jeden taiwanský administrativní kraj a je zároveň terminálem regionální dopravy, která dopravuje cestující po území kraje. Většina délky trati (celých 76 %) vede na mostních viaduktech (většinou z prostých nosníků o rozpětí 30-35 m (obr. 4) nad rovinou s rýžovými poli, vklíněnými mezi domy, patřícími k jednotlivým do sebe vrůstajícím aglomeracím (obr. 3). Tam, kde trať přetíná příčné hřebeny, jsou vybudovány tunely (14 % délky trati), a jen velmi krátké úseky jsou postaveny na rostlém terénu.

¤ Obr. 3. Typický obrázek THSR v krajině

¤ Obr. 4. Nekonečné pole standardních viaduktů o rozpětí 30 nebo 35 m

Návrh mostních staveb

Specifikace pro návrh mostních objektů předepisovaly, jakou normu je nutné na každou část projektové dokumentace použít (šlo z větší části o kombinaci AASHTO a japonských norem), případně přímo předepisovaly postup výpočtu - to platilo zejména u návrhu konstrukcí na zemětřesení, neboť seizmické zatížení bylo v místních podmínkách vlivem, jenž determinoval z rozhodující části parametry návrhu. Taiwan je totiž silně zemětřesnou oblastí a právě nedlouho před zahájením stavby (11. září 1999) zde došlo ke katastrofálnímu zemětřesení stupně 8 Richterovy stupnice, které stálo životy tisíců lidí a způsobilo velké materiální škody. Tento fakt také velmi ovlivnil průběh návrhu mostních objektů stavby. Nedlouho po zahájení projekčních prací byly specifikace projektu ve vztahu k seizmicitě velmi zpřísněny, což vedlo k významnému zdražení stavby a komplikacím v projekčních i prováděcích pracích. Největší změnou bylo zvýšení PGA (návrhové seizmické zrychlení), a to v některých úsecích velmi významně (z 0,28 na 0,40), avšak zpřísnění se týkalo i kritérií pro návrh pilot, ložisek a dalších konstrukčních prvků.
Bylo nutné přeprojektovat již navržené úseky, což vedlo ke zpoždění zahájení prací a následné nutnosti termíny dohnat v průběhu výstavby.
Konstrukce viaduktů byly navrženy tak, aby vydržely katastrofické zemětřesení s periodou návratu 950 let, tedy obdobné, jako postihlo zemi v roce 1999. Při takovémto zemětřesení nesmí dojít k neopravitelnému poškození, natož ke zřícení konstrukce, nicméně vytvoření lokálních poruch je přípustné. Vlak, jehož vykolejení se v takovém případě očekává, by byl zachycen na mostovce prostřednictvím záchytných stěn, tedy masivního betonového svodidla, které je umístěno vedle koleje po celé délce trasy. Dále muselo být zajištěno, aby při zemětřesení o síle třetiny katastrofického vlak z plné rychlosti bezpečně zastavil (bez vykolejení).

Realizace mostů

Vzhledem k obrovskému rozsahu stavby a neobvykle velkému podílu mostních objektů na ní bylo nutné přikročit k typizaci rozhodujících prvků stavby a jejich prefabrikaci na každém úseku. Uprostřed každé stavby (C210 až C295) byla vybudována výrobna, na které se soustřeďovaly rozhodující operace důležité pro chod stavby. Byly zde umístěny kanceláře vedení stavby, veškeré sklady materiálu, výrobna výztuže, kompletovaly se zde armokoše pilot. Srdcem komplexu byla betonárka s výrobnou standardních polí. Převážná část délky mostních konstrukcí byla budována z plně prefabrikovaných mostních polí. Celá mostní pole (komorové nosníky výšky 3,65 m) pro konkrétní úsek stavby byla armována, betonována a předpínána v jednom taktu v jedné ze tří forem (obr. 7). Formy byly vyrobeny na délku pole 35 m, jedno z čel však bylo pohyblivé až o 5 m směrem do formy, tak aby bylo možno vyrábět pole o rozpětí 30 a 35 m.

¤ Obr. 7. Výroba kompletního mostního pole ve formě

Produkce viaduktů byla urychlena na nejvyšší míru pomocí spe- ciálních receptur betonu. Již několik hodin po betonáži se předpínaly kabely první fáze, aby bylo možno konstrukci z formy vyzvednout, uložit na skládku, a uvolnit tak formu pro další pole. Druhá fáze předpínání a injektáž kanálků následovala do 72 hodin po betonáži. V nejkratším možném čase bylo poté každé pole o hmotnosti až 830 t naloženo pomocí portálového jeřábu na speciální těžký transportér (obr. 8), který pendloval po již dokončeném úseku mostovky z výrobny na konec úseku a dopravoval jednotlivá mostní pole na místo určení. Tam již čekal portálový pokladač, který pole uložil do finální polohy na mostní pilíře (obr. 9) a posunul se ihned po právě položené mostovce o pole dál. Takto bylo možno dosáhnout velmi vysoké produktivity a pokládat (po zaběhnutí výroby) až 10 polí (350 m mostu) za týden.
V průběhu výstavby se na některých úsecích ukázalo, že dvě formy pro výrobu mostů nestačí, a proto, aby nebyl ohrožen postup výstavby, bylo rozhodnuto o přidání třetí formy. Tak byly oba limitující parametry (rychlost výroby a rychlost pokládky) v rovnováze. Jak již bylo řečeno, projekt standardních viaduktů se skládal z polí o rozpětí 30 a 35 m, jejichž vzájemná skladba byla navrhována tak, aby bylo možno překročit všechny stávající překážky (zejména pozemní komunikace) bez přeložek a s nulovým záborem mimo vymezený pás stavby. Ne vždy to bylo možné.

¤ Obr. 8. Nakládání vyrobeného mostního pole na transportér

¤ Obr. 9. Ukládání pole do finální polohy

Tam, kde bylo nutné překonat překážku mostem nestandardního rozpětí (zpravidla dálnici nebo hlavní silnici), byly viadukty řešeny spojitými nosníky o rozpětí 50+80+50 m nebo 35+50+35 m. Tyto viadukty byly budovány letmou betonáží symetricky ze středních pilířů. Všechny tyto konstrukce (zejména v blízkosti centrální výrobny) musely být budovány co nejdříve v předstihu tak, aby v okamžiku, kdy se souprava pokládající standardní viadukty dostane k místu křížení, nemusela čekat na dokončení a mohla plynule přejet na následující úsek.
Kromě symetrické konzoly byly na některých místech pro konstrukce nestandardních mostů, použitých pro překonávání větších překážek, využity vysouvané mosty, ocelové příhradové mosty (obr. 1), mosty s rámovými stojkami apod.
V Kaohsiungu vede část trati dokonce nad místní komunikací, pro jejíž překonání bylo použito velmi neobvyklé konstrukce (obr. 1). Samostatnou kapitolou byly tzv. horské mosty na některých úsecích. Šlo o úseky, kde trasa železnice protínala příčné hřebeny vybíhající z hlavního masivu a kde se střídaly mosty a tunely. Zde nebylo možno využít pokládky standardní metodou FSPLM, protože šlo o izolované, relativně krátké mosty. Vzhledem k tomu, že terén byl v těchto úsecích obtížně přístupný, byla snaha o koncentraci stavebních činností na jednom místě. I proto byly tyto mosty často budovány jako betonové vysouvané, i když jejich délky byly často menší, než je pro tyto konstrukce pokládáno za ekonomické (obr. 10). Tato nevýhoda byla vyvážena možností opakování, kdy pro 2-3 mosty byla použita jedna forma, přestěhovaná vždy po dokončení výsunu předchozího mostu na novou pozici.

¤ Obr. 10. Celkový pohled na jeden z vysouvaných "horských" mostů

Velmi důležitou součástí návrhu mostních konstrukcí je návrh ložisek a antiseizmických zařízení. V případě THSR však rozhodnutí o tom, jaký systém podepření konstrukcí použít, hrálo nemalou roli pro samotný úspěch projektu. Velké seizmické síly, jež bylo nutno přenášet v kombinaci s celkovým počtem opakování tohoto detailu, způsobily, že každá chyba v návrhu mohla stát (a stála) nemalé finanční prostředky.
¤ Obr. 6. Tlumič nárazu použitý v místech spojitých polí
Na většině stavebních úseků bylo rozhodnuto používat pro podepření každého pole čtyři všesměrná ložiska a přenášet vodorovné síly od zemětřesení i od ostatních vlivů pomocí samostatných zařízení, přenášejících pouze horizontální síly (tzv. shear keys), umístěných mezi oběma ložisky na každé podpoře. Tato samostatná zařízení byla buďto betonová, velmi silně armovaná a sepnutá s jedním ze sousedících polí předpínacími tyčemi, nebo naopak ocelová, připomínající masivní mostní ložiska. Každý z těchto přípravků musel přenést sílu až 9000 kN v horizontálním směru. Není proto divu, že jejich cena byla, při potřebném počtu, významnou položkou v rozpočtu každé zhotovitelské organizace. Z důvodu výrazného cenového nárůstu stavby při použití těchto zařízení bylo na některých úsecích v průběhu stavby rozhodnuto o změně typu z ocelových seizmických ložisek na betonové ozuby.
Pro konstrukce spojitých mostů, potřebných zejména ve staničních úsecích (tj. pod výhybkami), byly pro přenos seizmických sil použity speciální tlumiče nárazu (obr. 6), které přenášejí okamžité síly od zemětřesení, brzdné síly a větru, ale nepůsobí jako fixace pro dlouhodobé účinky (například při změnách teploty může konstrukce volně dilatovat).
Po položení mostních polí přišlo na řadu příslušenství a stavba svršku. V průběhu projektu došlo ke změně specifikace svršku z průběžného kolejového lože na betonovou jízdní dráhu, z čehož vyplývaly některé úpravy projektu příslušenství. Jak již bylo dříve řečeno, svršek byl v příčném směru ohraničen betonovými svodidly, která byla dimenzována na účinek nárazu vykolejené vlakové soupravy. Mezi touto stěnou a betonovým zábradlím byly umístěny kanály pro sdělovací kabely, sloupy trakčního vedení, jednotky pro ovládání výhybek apod. Rozmístění jednotlivých prvků dráhy je patrné z příčného řezu na obr. 5.

¤ Obr. 5. Vzorový příčný řez mostovkou na viaduktu

Svršek byl na jednotlivých částech stavby řešen odlišně, převažoval však systém zobrazený na obr. 11. Jízdní dráha byla sestavena z prefabrikovaných vylehčených panelů, které byly nivelovány do správné polohy tak, že mezi ně a podklad byla vložena speciální vložka ze syntetického materiálu, která se injektovala pomocí epoxidové hmoty, a tak vyrovnávala panel do správné polohy. Horizontálně byl každý panel ukotven pomocí smykového trnu, vyčnívajícího z podkladu (viz obr. 12). Prostor mezi tímto trnem a panelem byl vyplněn pryžovou vložkou.

Staniční budovy

Přestože je tento článek věnován především mostním konstrukcím, je na místě se zmínit i o stanicích. Ty byly vzhledem k uspořádání kolejí budovány co nejjednodušší, přizpůsobené taktové dopravě. Většina stanic má pouze dvě průběžné koleje a dvě koleje staniční, umístěné u nástupiště vně traťových kolejí. Staniční budovy byly budovány jako samostatné konstrukce, oddilatované od viaduktu pojížděného vysokorychlostním vlakem (obr. 13).
Z hlediska mostního projektování byly stanice jednou z obtížnějších, nebo alespoň řekněme nestandardních částí trasy. Díky charakteru zhlaví na vysokorychlostní trati s velmi štíhlými výhybkami pro rychlosti 360 km/h v přímé a 120 km/h do odbočky, s délkou až 100 m, bylo nutné prefabrikovaná mostní pole pod těmito výhybkami dodatečně zmonolitňovat a vytvářet z nich spojité nosníky, neboť není přípustno ponechat dilatační závěr v místě výhybky. Délka spojitých nosníků však byla omezena na 120 m tak, aby nebylo nutno instalovat kolejové dilatační zařízení. Rozšíření konstrukce ve stanici (most pro čtyři koleje místo pro dvě) bylo obvykle řešeno kombinací zdvojeného standardního viaduktu s monolitickými přibetonovanými nosníky v místech rozšiřování zhlaví.

¤ Obr. 13. Staniční budova

Závěr

Dnes již taiwanská vysokorychlostní trať slouží svému účelu (obr. 14). Stala se součástí života místních obyvatel a opět o trochu zkvalitnila jejich život. Doufejme, že v historicky krátké době přijde čas, kdy se budeme moci podobným vlakem svézt i u nás.

¤ Obr. 14. Vlak vjíždí do stanice Taichung

Základní údaje o stavbě
Stavba: Taiwan High Speed Railway
Investor: Taiwan High Speed Railway Corporation (THSRC)
Projektant: Bilfinger + Berger, LAP, Maunsell, TYLin, Sinotech a další
Dodavatel: Každý úsek měl svého dodavatele, který byl zároveň často i projektantem - Fu Tsu Construction Co, Chiu Tai General Contractor Co, Kou Kai Construction Co, Chung Li General Contractors, Pan Asia Corporation, Continental Engineering Corporation, International Engineering & Construction Corporation, Evergreen Construction Corporation and Pacific Electric Wire and Cable Company with foreign companies Obayashi (Japan), Daiho Corporation (Japan), Hyundai Engineering & Construction Co (Korea), Zen Pacific (Hong Kong), Hochtief AG (Germany), Nedam International BV (Netherlands), Bilfinger & Berger (Germany), Samsung (Korea), Hanjung Industries & Construction Co (Korea), Shimizu Corporation (Japan) and Italian-Thai Development Public Company (Thailand)
Supervize: IREG (konsorcium MottMacDonald, D-Consult, Sistra)
Cena: 17 miliard USD
Doba výstavby: 2000-2007

Technické údaje o stavbě
Celková délka: 360 km
Počet úseků: 12