Тоннели
Технологии мостостроения на линии Эрфурт — Лейпциг/Галле В настоящее время продолжается строительство новой высокоскоростной железнодорожной линии между немецкими городами Эрфурт и Лейпциг, расстояние между которыми составляет 120 км, а ответвление до Галле 3 км. На этом участке предусмотрено строительство шести путепроводов общей протяженностью 13 км, четыре из них создаются по новым технологиям. Строительство новой железнодорожной линии между городами Эрфурт и Лейпциг с ответвлением в Галле (рис. 1) — это один из этапов «Транспортного проекта единой Германии» (VDE projects), который стартовал в 1990 г. с целью создания новой сети автомобильных и железных дорог. Этот маршрут имеет обозначение VDE 8.2 и является частью линии между Берлином и Вероной в трансъевропейской сети высокоскоростных
коридоров (TEN), поэтому должен соответствовать требованиям технических спецификаций по эксплуатационной совместимости TSI. Южный конец новой магистрали соединяется с частично модернизированной и частично новой линией Нюрнберг — Эбенсфельд — Эрфурт. Эта линия рассчитана для движения как пассажирских, так и грузовых поездов. Максимально допустимая скорость составляет
За
Магдебург
д во ро ер теп ст Пу Эль е—
ал
Берлин
Галле
Берлин
теп
Пу
ц ни тёб дШ во рг ро бе т теп ер ру т т с Пу нш ьО У ра ел од иб нн ов Б То пр ах ь е т уб ел Пу За нн е То вод нн Фи ро
N
ь ел
Небра
Лейпциг
Вайссенфельс
Дрезден
Гримм
Бад-Бибра
е
нд
ко ер
х ба
зе
ен
дГ
во
дШ во ро теп
Пу
ро теп
Пу
нн То
Мерзебург
Наумбург
Хемниц
Кассель
Эрфурт
Веймар
Новая линия на Нюрнберг и Мюнхен
Херренгоссерштедт Линии: новая существующая
Рис. 1. Схема новой линии Эрфурт — Лейпциг с ответвлением в Галле
300 км/ч. Расстояние между осями смежных путей 4,5 м при максимальном уклоне 12,5 ‰ и минимальном радиусе кривых 6300 м. Магистральные пути создаются по безбалластной технологии. Участок от Эрфурта до Гроберса будет оснащен контактной подвеской типа Re330. На уже действующем в настоящее время участке между Гроберсом и Лейпцигом используется контактная подвеска типа SICAT 1.0. Для выполнения функций локомотивной сигнализации предусмотрена европейская система управления движением поездов ETCS уровня 2, а беспроводные телекоммуникации будут организованы на базе сети радиосвязи стандарта GSM-R.
Конструкции путепроводов на новой линии Эрфурт — Лейпциг Новая линия начинается в Эрфурте, нулевой километр находится на высоте 200 м над уровнем моря. Максимальная отметка — 230 м расположена в тоннеле Финне между 41 и 75 км, после чего линия спускается до 120 м над уровнем моря. Далее пути проходят примерно на такой же высоте с перепадами не более 20 м (рис. 2). Новый участок железнодорожной линии включает три тоннеля общей протяженностью 15,5 км и шесть путепроводов, суммарная длина которых 13,4 км. Последовательность расположения и длина путепроводов на линии: Шерконде — 577 м, Гензебах — 1001 м, Заубах — 248 м, Унштрут — 2668 м, Штёбниц — 279 м, Заале — Эльстер — 2112 м (с веткой на Галле — 6465 м). Путепроводы Шерконде, Гензебах, Унштрут и Штёбниц строятся по новым интегральной и полуинтегральной технологиям. Остальные мосты в основном создаются по традиционным проектам для новых линий железных дорог Германии
68 Железные дороги мира — 2013, № 8
Тоннели
Путепровод Заубах
Путепровод Шерконде Путепровод Гензебах
Тоннель Финне
Путепровод Унштрут
Тоннель Бибра
Путепровод Штёбниц
Тоннель Остерберг
Путепровод Заале — Эльстер
320 м
0м
Рис. 2. Продольное сечение новой линии Эрфурт — Лейпциг
(DB) с возможными небольшими отклонениями. Все путепроводы первоначально были разработаны как часть программы развития сети железных дорог Германии, в соответствии с которой в 1991 г. было завершено строительство двух новых линий Ганновер — Вюрцбург и Мангейм — Штутгарт. Одними из ключевых параметров в конструкции путепроводов, создаваемых по этой программе, являются величина пролета 44 м и использование коробчатых однопролетных железобетонных балок с предварительным напряжением арматуры; также допускалось применение неразрезных балок. Что касается конструкции пути, то единственным видом тогда был балластный путь. В соответствии с техническими требованиями этой программы были построены мосты на железнодорожной линии Фулда — Вюрцбург, введенной в эксплуатацию в 1988 г. В 1990‑е годы недостаточное финансирование привело к серьезному отставанию темпов строительства. Между разработкой проектов и началом работ прошло много времени, в этот период появились новые требования, содержащиеся в техническом отчете DIN 101, были введены в действие технические спецификации эксплуатационной совместимости TSI, в связи с чем возникла необходимость пересмотра проектов. Кроме того, DB приняли решение уделять больше внимания конструкционным аспектам проектируемых железнодорожных мостов. Для этого в 2007 г. была создана консультативная группа по мостам.
В компетенции этого органа находится контроль исходных экономических и конструкционных параметров при проектировании и строительстве новых мостов для DB, и все существовавшие проекты были отправлены на ревизию в консультативную группу. С целью совершенствования эстетики мостов и при этом минимизации затрат на их содержание единственным очевидным решением было принять новый полуинтегральный тип конструкции мостов. Тип моста называют интегральным, если пролетные строения моста образуют монолитную конструкцию с опорами и устоями. Целостная структура обходится без каких‑либо узлов скольжения или шарниров. Полуинтегральный тип означает, что балки моста частично выполнены в виде консолей, при этом остальная часть моста делается монолитной и служит основой конструкции. Выбор между этими двумя типами мостов продиктован соображениями наибольшей гармоничности конструкции. В сравнении с автомобильными мостами, где эти технологии себя уже хорошо зарекомендовали, выбор параметров железнодорожных мостов должен осуществляться с учетом значительных продольных нагрузок при торможении и трогании с места поездов, а также с учетом особенностей безбалластной конструкции пути. Основные условия, которые учитывались при рассмотрении существующих проектов, — это отсутствие необходимости повторной оценки проекта, а также сохранение
уровня затрат и отсутствие ограничений по использованию. На основе рекомендаций консультативной группы проекты путепроводов Шерконде и Унштрут были изменены и приняты варианты с полуинтегральной конструкцией. Конкурсные заявки по путепроводам Гензебах и Штёбниц были составлены по первоначальным проектам, но впоследствии были также изменены. Путепровод Шерконде Путепровод Шерконде длиной 577 м находится в прямой с постоянным уклоном 12,5 ‰ и проходит вдоль южной оконечности водоема, питающего ручей Шерконде (рис. 3). В соответствии с изменениями, внесенными в проект в 2007 г., этот путепровод построен по полуинтегральной технологии. Пролет 44 м между средними опорами хорошо сочетается с рельефом долины и высотой моста. Между крайними опорами этот интервал уменьшен до 36,5 и 27 м. В результате реализована следующая схема моста: 27,0+2×36,5+10×44+36,5=576,5 м. Максимальная высота над уровнем земли составляет 34 м. Пролетное строение представляет собой единое железобетонное балочное перекрытие с предварительно напряженной арматурой, сплошное в поперечном сечении. Таким образом, получается неразрезная ферма на всю длину путепровода при ширине 13,91 м для укладки двух путей. Толщина конструкции равна 2 м над пролетами и 3,5 м над
Железные дороги мира — 2013, № 8 69
Тоннели
Рис. 3. Путепровод Шерконде (фото: DB)
опорами моста. Пролетное строение выполнено с предварительным продольным напряжением в сочетании с напряженными внешними натяжными элементами. Учитывая его достаточную поперечную жесткость, не было необходимости в поперечном преднапряжении. Мост монтировался с применением технологии надвижки балок. Опоры моста выполнены в виде железобетонных кессонов. В
пролетных строениях предусмотрены компенсационные зазоры. На двух опорах с восточной стороны концы пролетных строений через поперечную балку опираются на подвижные в продольном направлении и неподвижные в поперечном узлы скольжения (рис. 4). Учитывая значительные продольные нагрузки, возникла необходимость установить по два скользящих элемента на каждой из опор,
а в западной части для восприятия горизонтальных нагрузок возведена вторая опорная стена. Большинство узких опор, монолитно прикрепленных к пролетным строениям, регулярно требуют небольшого обслуживания. Конструкцией предусмотрен доступ к соответствующим узлам. Каждая опора установлена на фундамент в виде свайного ростверка на буронабивных сваях диаметром 1,2 м. На симпозиуме по мостостроению в Дрездене создатели этой технологии награждены призом в категории автомобильных и железнодорожных мостов за 2012 г. Жюри высоко оценило полуинтегральную технологию как выдающуюся инновацию в строительстве железнодорожных мостов. Путепровод Гензебах
Рис. 4. Подвижные соединения на опорах путепровода Шерконде
Путепровод Гензебах перекрывает плоскую долину на высоте 20 м (рис. 5). В первоначальном проекте была предложена конструкция с одиночными фермами на толстых опорах с шириной пролетов 44 м. В новом варианте проекта сохранилась монолитная структура, но ширина
70 Железные дороги мира — 2013, № 8
Тоннели
пролетов уменьшена и массивные опоры заменены на отдельные круглые колонны, что визуально сделало конструкцию более воздушной. Круглые колонны стандартного диаметра 1,1 м установлены парами, в местах соединения конусная часть уменьшает диаметр до 0,95 м. Колонны соединены монолитно с пролетными строениями и фундаментом. Технической особенностью проекта является конструкция из десяти неразрезных балок с переменной величиной пролетов от 12,0 до 24,75 м. Два концевых блока имеют длину по 52,5 м, а восемь средних — по 112 м. Каждый из средних блоков, перекрывающий пять пролетов, в средней своей части опирается на двойную V-образную опору, предназначенную для поглощения энергии торможения поезда (рис. 6). Благодаря коротким пролетам толщина двутавровых балок из предварительно напряженного железобетона всего 2,08 м. Рабочая поверхность моста не имеет
поперечного преднапряжения, однако неразрезные балки оснащены жесткими поперечинами, через которые они опираются на пару столбов. Между неразрезными балками оставлены открытые стыки. Грунт под путепроводом состоит из глины, ила, мелкого песчаника и известковых отложений. Поэтому фундамент выполнен из пробуренных свай диаметром 1,2 и глубиной от 10 до 18 м, сверху на них уложены толстые крышки диаметром 1,5 м. Две соседние секции пролетных строений опираются на один блок фундамента. Фундамент под V-образные двойные опоры выполнен из четырех свай, наклоненных под тем же углом, что и колонны опоры. Путепровод Заубах Путепровод Заубах длиной 248 м пересекает русло одноименной реки и автомагистраль и расположен на высоте около 43 м (рис. 7). С восточной стороны путепровод примыкает
к тоннелю Бибра, где расстояние между осями путей составляет 20 м. Для стыковки с однопутными тоннелями путепровод выполнен в виде двух однопутных мостов. В конструкции используются однообъемные коробчатые предварительно напряженные железобетонные балки шириной 9,77 и толщиной 3,6 м, перекрывающие сразу шесть пролетов. Для облегчения обслуживания сооружения внутри балок предусмотрено электроснабжение и освещение. Каждый мост оборудован по обеим сторонам боковыми дорожками шириной 1,2 м. Схема моста 37+4×44+35 м. Пустотелые вертикально конические опоры имеют в основании размеры 5,5×2,7 м. Для опор на песчаном грунте необходим фундамент глубокого заложения, поэтому применены буронабивные сваи диаметром 1,2 м. Под опорами и опорными стенами в других частях долины использованы фундаменты мелкого заложения. Они выполнены в виде кессонов с выступающими
Рис. 5. Переработанный проект путепровода Гензебах
Рис. 6. Путепровод Гензебах
Железные дороги мира — 2013, № 8 71
Тоннели
Рис. 7. Вид путепровода Заубах с устьем тоннеля Бибра
консолями. Элементы пролетных строений с разных сторон опираются на узлы скольжения балансирных опор моста. Если поезд движется с востока на запад, в сторону тоннеля Финне (рис. 8), то неподвижная точка крепления пролетных строений расположена на западной, а компенсаторный узел на восточной опоре. Этот путепровод был построен в 2004 – 2007 гг. с использованием метода надвижки ферм. В это время строился тоннель Бибра, и один из двух мостов, расположенный севернее, использовался для доступа к строительной площадке. Как только новая линия будет пущена в эксплуатацию, ровная рабочая поверхность на обоих мостах будет использоваться для доступа дорожной техники к строительной площадке этого тоннеля. Путепровод Унштрут Участок линии длиной 2668 м на путепроводе Унштрут в плане представляет собой кривую с радиусами 8000 и 11 000 м. Сначала линия спускается с уклоном 12,5 ‰, а потом
поднимается с крутизной 12 ‰ . Максимальная высота путепровода 50 м (рис. 9). Первоначальный проект 1995 г. предусматривал строительство двухпутного моста из однообъемных коробчатых балок с пролетами, увеличенными до 58 м, в результате чего получалась схема моста 46×58 м = 2668 м. Расположение опор и фундаментов под ними определялось наличием русла реки и пересекающими его коммуникациями. При расчете высоты моста учитывалось, что будут установлены опоры в виде А-образных арок, в том числе над руслом реки Унштрут, которые предназначены для компенсации продольных горизонтальных сил. Расстояние между этими арками рассчитано с учетом возможного расширения узлов компенсации, и в результате оно составило 10×58 м = 580 м. Пролетные строения сконструированы на основе неразрезных балок, перекрывающих пять пролетов длиной 5×58 м = 290 м с жестким креплением на А-образных арках. На обоих концах виадука предполагалось
использовать неразрезные трехпролетные балки с жестким креплением к опорам. В 2006 г. проект был переработан с целью улучшения эстетического и технического аспектов конструкции, в том числе исключены скользящие элементы и шарнирные узлы, что дало возможность применения тонких колонн. Основные положения первоначального проекта, такие как пролеты величиной 58 м, были сохранены, а изменения коснулись конструкции А-образных арок и неразрезных балок. В новой версии проекта пролетные строения состоят из четырех неразрезных десятипролетных балок по 580 м в длину и двух трехпролетных балок на концах моста. Высота неразрезных балок 4,75 м, ширина 13,95 м. Через каждые 580 м вершины модернизированных А-образных железобетонных арок монолитно прикреплены к балкам пролетных строений. Пролет арки составляет 108 м, что практически в 2 раза больше, чем между другими опорами. Их форма была выбрана из соображений визуального акцента на конструкции сдвоенных арок. Опоры арки выступают за ширину моста, что придает ей большую боковую устойчивость и несущую способность, в результате чего арка может принять большие продольные нагрузки от движения поездов и поперечные от воздействия ветра и температурного расширения (рис. 10). Остальные опоры выполнены в виде тонких плоских конструкций, обеспечивающих эффективную поперечную жесткость для пролетных строений и обладающих достаточным ресурсом для компенсации продольных деформаций. Фундаменты всех опорных элементов расположены на скальном грунте, что в сочетании с высоким уровнем грунтовых вод потребовало применить сваи глубокого заложения.
72 Железные дороги мира — 2013, № 8
Тоннели
Рис. 8. Вид на портал тоннеля Финне со стороны путепровода Заубах (фото: DB)
Рис. 9. Вид путепровода Унштрут
Железные дороги мира — 2013, № 8 73
Тоннели
вдоль моста на расстоянии 6,5 м друг от друга. Жесткое скрепление опор с балками гарантирует равномерное распределение нагрузок, возникающих при торможении поезда. Все колонны опираются на свайный фундамент. Путепровод Заале — Эльстер
Рис. 10. Сдвоенные А-образные арки путепровода Унштрут
Путепровод Штёбниц Путепровод Штёбниц длиной 297 м расположен на уклоне 11,3 ‰. В первоначальном проекте 1996 г. пролетные строения предполагалось монтировать из металлических прокатных балок, залитых бетоном, с максимальной шириной пролета 24 м. В 2008 г. проект был переработан, но величина пролетов осталась прежней. В новом проекте путепровод будет изготовлен из одиночных широких плит — балок толщиной 1,25 м с предварительным продольным напряжением. Последовательное расположение четырех неразрезных балок является
технической особенностью проекта. На концах путепровода будут установлены двухпролетные балки по 46 м (22+24 м), а между ними, одна за другой, две неразрезные балки длиной по 102,5 м с пролетами 24 + 24 + 6,5 +24 + 24 м. Путепровод спроектирован как интегральная конструкция без применения каких‑либо подвижных элементов. Все его балки и опоры монолитно соединены друг с другом. Вместо обычных опор пролетные строения базируются на парных колоннах диаметром 1,5 м (рис. 11). В средней части двух неразрезных 102,5-метровых балок эти круглые колонны расположены
Рис. 11. Вид путепровода Штёбниц
Этот 6465-метровый путепровод на высоте около 20 м проведет железную дорогу над поймой Заале — Эльстер — равнинной сельской местностью, простирающейся от Мерзебурга на юге до Галле на севере. Линия пролегает над несколькими водоемами, действующими и старыми руслами рек Заале и Вайсе-Эльстер, различными заболоченными территориями и тростниковыми зарослями, а также заброшенным гравийным карьером Раттманнсдорфер-Тайх (рис. 12). Пойма является особой экологической территорией, а значительная ее часть природо- и водоохранной зонами. Такие условия продиктовали необходимость принятия специальных мер при строительстве путепровода. Примерно на середине путепровода на 2112‑метровой отметке берет начало ответвление на Галле, здесь путепровод разделяется на два однопутных моста (рис. 13). Один из них ныряет под путепровод основной линии Эрфурт — Лейпциг и проходит под ней на высоте около 10 м от уровня земли. На этом участке линии было решено использовать стальной арочный мост с шириной пролета 110 м. Монолитный безбалластный путь по всей длине путепровода строится с учетом возможности движения по нему специальной техники при необходимости выполнения аварийно-спасательных работ. Пролеты между опорными колоннами составляют стандартные 44 м. Там, где путепровод проходит над реками и дорогами, пролеты пришлось увеличивать до 70 м.
74 Железные дороги мира — 2013, № 8
Тоннели
Пролетные строения будут состоять из предварительно напряженных в продольном направлении железобетонных балок коробчатого сечения высотой 4,0 м, большинство которых однопролетные. Рабочая поверхность под двухпутную линию шириной от 13,85 до 13,95 м выполнена из предварительно напряженного в поперечном направлении железобетона, а под однопутную линию — без предварительного напряжения арматуры шириной 8,9 м. Конструкцией предусмотрено опирание перекрестных балок на консоли опор. В них есть достаточно большие отверстия для возможности контроля подвижного состава и линий питания. Балки пролетных строений опираются на шаровые подвижные элементы. Для распределения горизонтальных сил, воздействующих на мост, на каждой оси применен один жестко закрепленный в поперечном и подвижный в продольном направлении элемент.
В месте пересечения линий рабочая поверхность моста расширяется до 29,21 м, этого достаточно для укладки четырех путей. Два внешних пути далее выходят на однопутные бетонные мосты и опускаются до высоты 10 м. Два внутренних пути линии на Лейпциг остаются на высоте 20 м и проходят по стальному арочному мосту. Мост имеет следующие размеры: пролет 110 м, максимальная высота арки 16,6 м, промежутки между крепежными элементами 10,0 м, а общая ширина, включая консоли, равна 15,8 м. Для передачи горизонтальных усилий от арочного моста предназначена система регулирующих стержней (патент Майера). Это позволяет обойтись без введения в конструкцию пути подвижных стыковочных элементов. Для того чтобы сохранить поперечную подвижность в сочленениях мостовых конструкций, находящихся на небольшом широком участке,
продольно подвижные элементы были расположены в середине. Балки пролетных строений однопутных участков прикреплены к широкой части путепровода с помощью специальных кронштейнов, предназначенных для компенсации действия горизонтальных сил. Если узлы скольжения установлены горизонтально, то температурные расширения элементов пролетных строений могут привести к вертикальному смещению оси пути. Чтобы не допустить этого, поверхности скольжения расположили под таким же углом, что и элементы пролетных строений. При строительстве путепровода были применены значительные меры предосторожности с целью защиты окружающий среды и водоносных слоев. Они применялись на всех этапах реализации проекта, начиная с первичных геолого-разведочных работ и строительства, и будут применяться до ввода линии в эксплуатацию.
Рис. 12. Строительство путепровода Заале — Эльстер (фото: DB)
Железные дороги мира — 2013, № 8 75
Тоннели
Рис. 13. Ответвление на Галле на путепроводе Заале — Эльстер
Например, при проектировании свайных фундаментов строго избегали контактов с четвертичными водоносными слоями. Фундаменты создавались из водонепроницаемых шпунтовых свай, проникающих ниже фильтрующих слоев зоны выветривания пестрого песчаника и третичных отложений. Это необходимо, чтобы защитить верхние слои почвы, где могут находиться горизонты чистой питьевой воды, которая ни в коем случае не должна быть загрязнена. После того как монтаж фундаментов был завершен, все технологические траншеи снова были заполнены местным суглинком, который был сохранен при производстве работ. Эти меры позволили воссоздать покровный защитный слой. 70 м
Копер
Подача Поперечная бетона балка Нижняя часть Выдвижная пролетного опорная рама строения Опалубка
Вспомогательный упор
Ось будущей опоры
Опалубка шпунтовых свай осталась в почве. Соединение бетонного фундамента с шпунтовыми сваями посредством набора болтов позволит перераспределить нагрузку на опалубку свай. Это было подтверждено расчетами и тестовыми испытаниями. Опасение, что шпунтовые сваи могут подвергнуться коррозии, вызвало необходимость привлечения экспертов. В соответствии с их рекомендациями в некоторых элементах конструкции были применены такие дополнительные меры защиты от коррозии, как специальные добавки в материалы. Требования природоохранных органов распространялись от общих запретов производства работ на отдельных участках до приостановки
Готовое пролетное строение Стык блоков
7,46 м
Перспективы После завершения строительства тоннелей и большей части путепроводов в 2012 г. возобновились работы на этой железнодорожной линии в части монтажа безбалластного пути, контактной сети и систем управления движением. Строительство последнего путепровода Заале — Эльстер планируется завершить в текущем году, работы на котором приходилось несколько раз останавливать из‑за наводнений.
Готовая опора
Рабочая платформа 44 м
строительных работ в период размножения птиц каждой весной. Это вызывало необходимость использовать неординарные и дорогостоящие методы строительства. В двух зонах общей протяженностью около 1,2 км были применены прогрессивные методы при производстве фундаментов и свай, а пролетные строения создавались с использованием технологии консольных конструкций (рис. 14).
44 м
3,6 м
44 м
2,7 м
44 м
Рис. 14. Схема консольного метода строительства путепровода Заале — Эльстер
W. Feldwisch et al. Railway Technical Review, 2013, № 2, p. 21 – 27; материалы компании DB Projektbau по проекту VDE8 (www.vde8.de).
76 Железные дороги мира — 2013, № 8