Stabilizacja gruntów przy modernizacji szlaków kolejowych

Stan obecny

Przez lata kolej traktowana była w Polsce po macoszemu. Szczególnie widoczne było to w latach 1989÷2009, kiedy w wyniku niedoinwestowania oraz licznych zaniedbań inwestycyjnych szybko postępowała degradacja szlaków kolejowych. Dość przypomnieć, że od roku 1998 do końca 2009 na infrastrukturę kolejową i drogową przeznaczono łącznie 125,4 mld złotych, z czego 86,1% wszystkich nakładów przypadło na modernizację dróg i budowę autostrad.

W ostatnim dwudziestoleciu sieć kolejowa w Polsce skurczyła się z 24,1 tys. km (1990 r.) do 19,2 tys. km (2008 r.). Szacuje się, że na koniec 2008 roku zaległości remontowe wynosiły 47,4 mld złotych, z czego 36,5 mld złotych przypadało na remonty torów i obiektów inżynieryjnych, 8 mld złotych to konieczne wydatki na urządzenia automatyki i telekomunikacji, a 3 mld złotych na energetykę. Zaległości inwestycyjne przekładają się na obniżenie komfortu podróżowania, na co składają się m.in. wprowadzone ograniczania dopuszczalnych prędkości z jakimi mogą poruszać się pociągi zarówno pasażerskie jak i towarowe. W tym zakresie panuje bilans ujemny. Jak podaje PKP PLK S.A., w ciągu ostatniej dekady odcinków, na których wprowadzono ograniczenia prędkości, jest trzykrotnie więcej, niż tych, na których w wyniku modernizacji podniesiono prędkość przejazdową. Według stanu na dzień 31.12.2009 r. dopuszczalne prędkości na sieci polskich linii kolejowych wynoszą:

Ocena stanu technicznego przeprowadzona na koniec 2009 r. wykazała, że jedynie 37% linii kolejowych jest w dobrym stanie technicznym, a 38% w stanie dostatecznym. Aż 25% linii znajduje się w niezadowalającym stanie technicznym, co oznacza, że można nimi jeździć pod warunkiem znacznego ograniczenia prędkości. Aby przywrócić im pełną sprawność techniczną wymagana jest kompleksowa wymiana nawierzchni.

Niedoinwestowanie, a co za tym idzie – degradacja sieci kolejowej powodowała, że kolej stawała się coraz mniej konkurencyjna w stosunku do transportu samochodowego. Gwałtowny i niczym niepohamowany pęd do posiadania własnego samochodu powodował z kolei, że w polskich miastach szybko wyczerpały się zasoby miejsc parkingowych. Duże aglomeracje zaczęły cierpieć z powodu zatorów na trasach dojazdowych do centrów miast (pomimo budowy nowych dróg i obwodnic miast). Poza miastami też nie jest najlepiej. Wiele polskich dróg obciążonych jest ponad miarę, a podróżowanie po Polsce do łatwych zadań nie należy.

Kłopoty komunikacyjne na drogach spowodowały, że ponownie zaczęto doceniać przewozy kolejowe i kolej jako taką. Już sam fakt, że pociągiem dociera się do centrum miast bez uciążliwego stania w korkach, dla wielu podróżnych jest ogromną zaletą kolei. Dla rozwoju kolejnictwa nie bez znaczenia jest też wstąpienie Polski do Unii Europejskiej. W starych krajach Unii już od dawna promuje się transport kolejowy, gdyż na średnich dystansach szybka kolej z powodzeniem konkuruje z transportem powietrznym. Niesie przy tym ze sobą zdecydowanie mniejsze obciążenie dla środowiska naturalnego niż transport samochodowy lub lotniczy.

Idąc z duchem czasu, również w Polsce zaczęto wdrażać program zmierzający do podniesienia statusu transportu kolejowego. Jest nim Wieloletni Program Inwestycji Kolejowych. Obejmuje on 110 projektów rewitalizacji linii kolejowych, na co w latach 2011-2013 wydanych zostanie blisko 21 mld złotych. Spośród tych projektów 89 zadań dotyczy modernizacji 2.284 km linii, a 21 projektów dotyczy prac przygotowawczych, wśród nich znajduje się studium wykonalności dla linii „Y”^[1]. Wszystko to jest kroplą w morzu potrzeb modernizacyjnych, dlatego też niezmiernie ważną rzeczą jest nie tylko, ile pieniędzy przeznaczymy na modernizację danego szlaku kolejowego, ale również – w jak efektywny sposób wykorzystane zostaną posiadane środki.

Ekonomia

Jak powyżej stwierdzono, aż 62% sieci kolejowej w Polsce jest w stanie niezadowalającym ze względu na stan nawierzchni torowej. Dla tej części szlaków kolejowych wymagana jest natychmiastowa modernizacja i rewitalizacja nawierzchni, o ile chcemy, aby pociągi kursowały po niej z zadowalającymi prędkościami. Pojawia się tutaj pytanie, jak daleko powinna sięgać ingerencja w istniejącą infrastrukturę, aby doprowadzić ją do satysfakcjonującego stanu? Czy przy modernizacji nawierzchni ograniczyć się wyłącznie do jej wymiany, czy też iść o krok dalej i wzmocnić również podtorze? A jeśli tak, to jakimi metodami? Tego typu dylematy rozstrzygane są zwykle z punktu widzenia ekonomii. Jeśli wziąć pod uwagę nie tylko koszty związane z samą modernizacją, ale również te, które obejmują nakłady pieniężne konieczne na utrzymanie sprawności technicznej zmodernizowanej linii, to okazuje się, że prace budowlane nie powinny ograniczać się wyłącznie do wymiany nawierzchni kolejowej, lecz powinny iść o krok dalej, a więc obejmować również wzmocnienie podtorza, gdyż tylko stabilne i nośne podtorze gwarantuje wysoką jakość nawierzchni kolejowej i jej bezawaryjną eksploatację.

Dlaczego wzmocnienie podtorza? Dlatego, że współczesne techniki wzmacniania gruntów poprzez ich ulepszenie i stabilizację są nie tylko wydajne i skuteczne, ale również dlatego, że ich zastosowanie jest uzasadnione ekonomicznie, nawet w tych przypadkach, gdy wydaje się, że nośność podtorza jest wystarczająca, gdyż przekracza 60 MPa. W przypadku stabilizacji, stosując odpowiednio dobrane do gruntu spoiwo, jesteśmy w stanie bez większych problemów podnieść nośność podtorza do wartości przekraczającej 80-120 MPa (w zależności od wymagań inwestora), a to oznacza oszczędności materiałowe na kolejnych warstwach nawierzchni. Dodatkowo należy wspomnieć, że grunty stabilizowane wapnem i/lub cementem są mrozo- i wodoodporne, co przekłada się na ich dużą żywotność.

Modernizacja linii LK 96

Linia 96 łącząca stację Tarnów z przejściem granicznym Muszyna/Plavec uruchomiona została w 1876 roku. Głównym przyczynkiem do jej budowy była chęć połączenia Galicji z sąsiednimi regionami. Jakkolwiek linia 96 jest zaliczana do linii magistralnych, to jej przebieg wcale nie wskazuje na takie przeznaczenie. W wielu miejscach sąsiaduje bezpośrednio z rzekami Białą oraz Popradem, wijąc się dolinami rzek wśród wzgórz Beskidu Sądeckiego. W czerwcu 2010 roku, gwałtowne ulewy na terenie Polski Południowej spowodowały podmycie torów i osunięcie skarp. Uniemożliwiło to prowadzenie ruchu pociągów na całej długości linii. Przez kolejne miesiące prowadzono intensywne prace, aby przywrócić przejezdność.

W 2011 roku PKP PLK S.A. ogłosiła przetarg na modernizację linii 96 na odcinku Tarnów – Stróże. Długość modernizowanego odcinka wynosiła 42 km. Celem projektu było:

Stabilizacja podtorza spoiwami

Wyjątkowość prac budowlanych prowadzonych na linii 96 podczas jej modernizacji polegała na tym, iż po raz pierwszy w Polsce na szeroką skalę przeprowadzono stabilizację gruntu spoiwami typu wapno oraz cement portlandzki. „Szeroka skala” oznacza, że stabilizacja gruntu nie ograniczyła się jedynie do punktowego wzmocnienia podtorza, lecz swoim zasięgiem objęła ponad 8 km jego długości. „Szeroka skala” oznacza również, że do prac stabilizacyjnych wykorzystano profesjonalny sprzęt, podobny do tego, jaki stosowany jest przy budowie dróg i autostrad.

W założeniach projektowych przyjęto, iż konieczne jest doprowadzenie najsłabszych miejsc podtorza do minimalnej nośności równej 80 MPa, co ma przełożyć się na znaczące podwyższenie prędkości pociągów. Przyjęto, że dozowanie wapna palonego w stosunku do masy gruntu nie powinno przekroczyć 4%, a cementu portlandzkiego 6%. Rzeczywiste zanotowane dozowanie wynikało ze stanu gruntu, a więc jego wilgotności naturalnej oraz nośności i nie przekroczyło dla wapna 2%, a dla cementu portlandzkiego 4%.

Modernizację nawierzchni rozpoczęto od rozebrania torów oraz usunięcia podkładów. W kolejnym kroku usunięto także podsypkę, która następnie była oczyszczona na przesiewaczu z części organicznych oraz z zanieczyszczeń typu butelki PET, puszki, torby foliowe, itd.

Po usunięciu podsypki okazało się, że podtorze zbudowane było z wielu różnych materiałów. Obok piasków gliniastych i glin piaszczystych zalegały też duże ilości gliny. W wielu miejscach nasyp kolejowy wykazywał bardzo niską nośność, co powodowało, że prace stabilizacyjne należało prowadzić z bardzo dużą ostrożnością. W zależności od rodzaju gruntu stosowano albo cement, albo wapno. Gdy jednak przyszły intensywne opady deszczu (a tych w lipcu bieżącego roku nie brakowało), do przesuszenia gruntu najpierw stosowano wapno, i dopiero tak uzdatniony grunt poddawano dalszej obróbce cementem. Spoiwo rozsiewano profesjonalnym rozsiewaczem podczepionym pod ciągnik o dużej mocy.
Po tej operacji kolejnym etapem było przemieszanie gruntu ze spoiwem za pomocą recyklera, którego dzienna wydajność pozwalała na postęp prac na długości ok. 350 – 400 mb. Głębokość mieszania w przypadku wapna palonego wynosiła min. 35 cm. Dla gruntów stabilizowanych cementem portlandzkim było to min. 20 cm.
W kolejnym kroku podtorze zostało wyrównane równiarką oraz zagęszczone walcem wibracyjnym.

Po 7 dniach od przeprowadzenia stabilizacji dokonywano pomiarów nośności podtorza. Wszystkie uzyskane wyniki pokazały, że udało się uzyskać założone parametry, tzn. nośność podtorza wynosiła minimum 80 MPa. Na tak przygotowanym podtorzu ułożono geowłókninę oraz kolejne warstwy ochronne, na których odtworzono nawierzchnię.

Reakcje gruntu z wapnem palonym

Oddziaływanie spoiwa wapiennego, jakim jest wapno palone, można podzielić na dwa etapy. Pierwszy etap polega na obniżeniu naturalnej wilgotności gruntu do wartości optymalnej określonej w badaniu Proctora.
Przyjmuje się, że każdy procent wapna dodany do gruntu powoduje spadek jego wilgotności o 1÷3%. Spadek zawartości wody w gruncie powoduje, że staje się on mniej plastyczny. Oprócz spadku wilgotności gruntu, dodatkowo dochodzi w nim do wymiany jonowej, w której jony Ca²⁺ zastępują jony Na⁺. Towarzyszy temu zjawisko flokulacji oraz aglomeracji cząstek gruntu, w wyniku czego grunt plastyczny ulega przekształceniu w grunt quasi-piaskowy dający się łatwo zagęszczać. Zmiany tekstury gruntu wpływają również na zmianę wskaźnika CBR.

W dłuższym czasie w gruncie zachodzą również inne zjawiska, których finalnym skutkiem jest wzrost wytrzymałości gruntu. Dodanie wapna palonego do gruntu powoduje wzrost jego pH do wartości powyżej 12. W wytworzonym w gruncie środowisku zasadowym znacząco wzrasta rozpuszczalność krzemionki oraz trójtlenku glinu, stąd też mogą one wchodzić w reakcję z jonami wapnia. Wynikiem tego jest tworzenie faz CSH oraz CAH powodujących sklejenie cząstek gruntu i stały wzrost jego wytrzymałości na ściskanie. Badania polowe wskazują, że niektóre kombinacje spoiwo wapienne – grunt mają zdolność do systematycznego przyrostu nośności i wytrzymałości nawet przez 10 lat od momentu wykonania stabilizacji.

Podsumowanie

Po drogach i autostradach, podtorza kolejowe są kolejnym miejscem, gdzie stabilizacja gruntu staje się ważną technologią podczas modernizacji i rewitalizacji szlaków kolejowych. Zdobywa sobie kolejnych zwolenników, czego przykładem jest modernizacja linii kolejowej 96. Inwestorowi oferuje niskie nakłady finansowe, dając mu w zamian gwarancję uzyskania podtorza o nośnościach przekraczających 120 MPa (warunkiem jest zastosowanie przez wykonawcę odpowiedniego dla danego gruntu spoiwa, jak również dokładne dozowanie i mieszanie go z gruntem). Natomiast wykonawcy, stabilizując grunt profesjonalnym sprzętem, mają gwarancję szybkiego postępu prac budowlanych oraz uzyskanie nośności gruntu wymaganych projektem budowlanym.

Wapno palone, dzięki swoim właściwościom, doskonale sprawdza się zarówno przy budowie nowych szlaków kolejowych, jak i modernizacji istniejących już podtorzy. Właściwości osuszające oraz reakcja pucolanowa, jakie są udziałem spoiwa wapiennego, powodują, że produkt ten jest niezastąpiony we wszelkiego rodzaju pracach ziemnych prowadzonych na podtorzach zbudowanych z gruntów spoistych i średniospoistych.

Zdjęcie 1. LK 96. Pierwszy etap po rozebraniu torów i podkładów – usuwanie podsypki

Zdjęcie 2. Rozsiewanie spoiwa

Zdjęcie 3. Mieszanie spoiwa z gruntem

Zdjęcie 4. Wyrównywanie podtorza równiarką

Zdjęcie 5. Zagęszczanie gruntu walcem wibracyjnym

Zdjęcie 6. Odcinek stabilizowany wapnem palonym, przed jego ostatecznym wyprofilowaniem

^[1] Linia szybkiej kolei Y – planowana linia kolei dużych prędkości łącząca Warszawę, Łódź, Kalisz/Ostrów Wielkopolski, Wrocław oraz Poznań.