13 Jahre erfahrung mit gleisgebundener Untergrund …...13 Jahre erfahrung mit gleisgebundener...

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817ETR | DEzEmbER 2007 | NR. 12

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13 Jahre erfahrung mit gleisgebundener Untergrund- sanierung im netz der ÖBBim netz der Österreichischen Bundesbahnen (ÖBB) erfolgt die sanierung von Gleisen mit Untergrundproblemen seit 1994 bevorzugt mit den Gleisbaumaschinen AHM 800 R und RPM 2002. Der erfolg der Maßnahmen kann wirtschaftlich auf Basis von Lebenszykluskosten und technisch anhand der Oberbaumessschriebe gezeigt werden.

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-Kom-

ponenten und nicht selten in einer temporä-ren Herabsetzung der zulässigen Geschwin-digkeit. Probleme mit dem Untergrund sind so alt wie die Eisenbahn. Zu Beginn des Ei-senbahn-Zeitalters wurden Packlagen aus geschlichteten Steinquadern unter das Gleis in Abschnitten mit setzungsempfindlichen

Böden verlegt. Bagger und Lastkraftwagen er-laubten später den Einbau von mineralischen Tragschichten unter dem Gleis. Die gestie-genen Belastungen und Geschwindigkeiten sowie betriebliche Faktoren führten zur Ent-wicklung von gleisgebundenen Untergrund-sanierungsmaschinen. 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 gleisge-bundene Tragschichteinbau weist gegenüber der konventionellen Methode verschiedene Vorteile, wie z.B.: höhere Arbeitsleistungen, der Einbau der Tragschicht ohne Abbau des

>[email protected]

Dipl.-Ing. Florian Auer Oberbautechniker ÖBB Betrieb AG, ÖBB Bau AG, Wien

[email protected]

Dipl.-Ing. Michael Zuzic ehem. Geschäftsbereichsleiter Fahrweg ÖBB, Wien

[email protected]

Dipl.-Ing. Dr. Rudolf Schilder Geschäftsbereichsleiter Bau und Instandhaltung, ÖBB Infrastruktur, Bau AG, Wien

[email protected]

Dipl.-Ing. Dr. Helfried Breymann Sachverständiger für Geotechnik, Radstadt

Tabelle 1: einflussfaktoren Geotechnisches streckenband

Oberbau • schlechte Gleislage örtliche Erfahrung

• hoher Wartungsaufwand

• nasser Gleisschotter

• verunreinigter Gleisschotter

• schlechte Belüftung

• nasser Gleisschotter Georadar

• verunreinigter Gleisschotter

Verschlechterungsrate • Messdaten Oberbaumesswagen

Unterbau • Tragschicht Datenbank

• kurzes Stopfintervall örtliche Erfahrung

• Sutten

• Spritzstellen

• Frostaufzüge

• Damm Geotechnische Begehung

Untergrund • Dammaufstandsfläche Geotechnische Begehung

• geländegleich

• Einschnitt

Wassersituation • Damm Geotechnische Begehung

• geländegleich

• Einschnitt

• Entwässerungsanlage

• Grundwasser

• Sickerwasser

• Schicht- bzw. Stauwasser

• Hangwasser

• Kapillarwasser

818 ETR | DEzEmbER 2007 | NR. 12

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bestehenden Gleises, keine Störung des Nachbargleises usw. auf.Der vorliegende Artikel stellt einen Erfah-rungsbericht über 13 Jahre gleisgebundenen Einbau von Tragschichten im Netz der ÖBB dar.

1. ZusTandsbewerTung des Fahrwegs

Die Zustandsbewertung des Gleises erfolgt bei den ÖBB durch Vernetzung verschiedener Analysemöglichkeiten. Zur Grobeinteilung des „erweiterten Fahrwegs“ (Summe der An-lagen mit Einfluss auf die Gleislage) in 100 m-Schritten wird das geotechnische Strecken-band verwendet. Der Oberbaumesswagen liefert verschiedenste Gleislageparameter, wobei das Signal Längshöhe negative Ein-flüsse aus dem Untergrund am besten wi-derspiegelt. Die Veränderungsrate des Längs-höhensignals stellt eine objektive Grundlage zur Beurteilung der Gleislagestabilität dar. 2D-Georadarauswertungen ermöglichen eine einfache Darstellung des Gleis-Längs-schnittes bezüglich Feuchtigkeitsgehalt des Schotters und Untergrundes, der Schotter-

verschmutzung und der eingebauten Trag-schichten.

1.1. GEoTEchNischEs sTREckENbaND

Zur Grobdiagnose des „erweiterten Fahr-wegs“ (Überbegriff für die Summe der Ober-bau- und Unterbauanlagen mit Einfluss auf die Gleislage) wird bei den ÖBB das so ge-nannte Geotechnische Streckenband einge-setzt (siehe Tabelle 1) [1].Dabei werden verschiedene Informationen, von der Oberbauqualität bis zum Unterbau-zustand, gemeinsam in einer Matrix kom-biniert und daraus die geotechnische Zu-standsziffer abgeleitet.Die geotechnische Zustandsziffer, eine Zahl zwischen 0 und 100 %, wird für 100 m-Ab-schnitte erarbeitet und gibt den Handlungsbe-darf an Wartung und Maßnahmenplanung im Bereich des „erweiterten Fahrwegs“ wieder.

Klasse Handlungsbedarf

I kein

II langfristig

III mittelfristig

IV unmittelbar

Tabelle 2: ergebnis Geotech-nisches streckenband

Klasse IV bedeutet nicht, dass bereits ein Si-cherheitsproblem aufgetreten ist, sondern vielmehr, dass rasch Maßnahmen zur Ver-besserung des Anlagenzustands ins Auge ge-fasst werden sollen.

1.2. GlEislaGEbEwERTuNG

Die Sicherstellung einer ausreichenden Gleis-lagequalität ist die Hauptaufgabe der Gleis-lageinstandhaltung. Dazu wird die Gleislage in regelmäßigen Abständen mit dem Ober-baumesswagen gemessen, die wichtigsten Signale sind dabei die Spurweite, die Gleis-verwindung, Längshöhe, Richtung und Quer-höhe. Für den Setzungsverlauf des Gleises ist das Längshöhensignal (Bild 1) der wichtigste Parameter, da dieses Signal die Relativ-Set-zungen des Gleises widerspiegelt. Das absolute Maß der Setzung wird vom Messwagen nicht detektiert, da langwellige Gleislageunregelmäßigkeiten aus dem Roh-signal gefiltert werden (Bild 2).Mit Hilfe von gleitend berechneten Standard-abweichungen des zum jeweiligen Messda-tum bestimmten Längshöhensignals ist es möglich, die Veränderungstendenzen der Gleislage in einfacher und anschaulicher Weise nachzuvollziehen (Bild 3).Die linear angenäherte zeitliche Verände-rung der Relativsetzungen des Gleises (die „Verschlechterungsrate“ der Standardabwei-

bild 1: Typischer Längshöhenfehler

bild 3: Anschauliche Darstellung der Gleislageveränderungen mittels gleitend berechneter standardabweichungen der Längshöhe

bild 4: Beispiel eines 2D-Georadarbildes

bild 2: Das Längshöhensignal spiegelt die relative setzung des Gleises wider

Ausgangs-Gleislage

2004200520062007

absolute Setzung

relative Setzung


bild 5: Zusam-menführung des Längshöhensi-gnals mit den 2D-Georadar-auswertungen vermittelt ein gutes Bild über die Gleislagever-änderungen

chung der Längshöhe in mm/Jahr) stellt ein objektives Signal zur Bestimmung der verti-kalen Gleislagestabilität dar. Dies wurde in das neue Gleislageanalysesystem der ÖBB ebenfalls integriert (Bild 5).

1.3. 2D-GEoRaDaRiNfoRmaTioNEN

Bei der Erstellung des geotechnischen Stre-ckenbandes (Kapitel 2.1) werden auch Geo-radarbefahrungen durchgeführt. Die vormals für Oberbautechniker schwer leserlichen Radargramme werden neuerdings schon im übersetzten 2D-Format angeliefert. Infor-mationen von Tragschichten, Verschmut-zungszonen und Feuchtigkeitsbereichen im Schotter bzw. im Untergrund sind dadurch in einem neuen Erscheinungsbild verfügbar (Bild 4).

1.4. kombiNaTioN GlEislaGE-qualiTäT / 2-D GEoRaDaR

Ein wichtiger Schritt in der Zustandsbewer-tung 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 augen-scheinlich. Tragschichten können ihre Funk-tion 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 aus-reichenden Entwässerung ist nicht zielfüh-

rend. 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 „Stra-tegie Fahrweg“ [2] wurden verschiedene Stu-dien 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 Erhaltungs-kosten und Betriebserschwerniskosten eines durchschnittlichen Gleises bei unterschied-licher Verkehrsbelastung.Das Ziel der Instandhaltungsplanung, die Reduktion der LCC-Kosten für das Gleis, kann am effektivsten über eine Verlängerung der Nutzungsdauer (ergibt Reduktion der Ab-

schreibung) und eine Reduktion der betrieb-lichen Einschränkungen erfolgen. Die reinen Erhaltungskosten nehmen den kleinsten LCC-Anteil ein. Eine Reduktion der Gleisinstand-haltung bei Verringerung der Nutzungsdauer ist damit nicht zielführend.Generell können damit die Ergebnisse für Gleise und Weichen sehr einfach zusammen-gefasst werden:

> Eine hohe Ausgangsqualität ist der Schlüssel zum Erfolg.

> Langsamfahrstellen sind extrem unwirt-schaftlich.

> 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 Lebenszykluskos-ten des Gleises bei sehr schlechtem Unterbau – im Vergleich zu gutem Unterbau – um den

bild 6: Die Abschreibung ist der Kostentreiber des Gleises

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Faktor 2 bis 3, bei stark belasteten Hauptstre-cken um den Faktor 8.Die Strategieansätze für verschiedene Unter-bauzustände wurden weiter verfeinert. Die Unterbauqualität wurde dabei neben dem guten Untergrund schulnotenartig ein-klassifiziert:

> Unterbau „5“ – sehr schlechter Unterbau, der zu Frostaufzügen, jährlich 2 Monaten Verringerung der zulässigen Geschwin-digkeit und entsprechend intensiver In-standhaltungstätigkeit sowie einer Re-duktion der Liegedauer führt.

> Unterbau „4“ – geringfügig besserer Un-terbau, der zwar eine ähnliche Intensität der Instandhaltungstätigkeiten nach sich zieht, damit jedoch annähernd die Nutzungsdauer des Oberbaus auf gutem Unterbau erlaubt und keine länger dau-ernden Langsamfahrstellen erfordert so-wie

> Unterbau „3“ – der ebenfalls keine tem-poräre Definition von Langsamfahrab-schnitten erfordert und auch mit einer deutlich geringeren Anzahl an Instand-haltungstätigkeiten bei voller Nutzungs-dauer das Auslangen findet.

Die optimierten Strategieansätze sind stark von den Betriebserschwerniskosten be-stimmt. 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 Ver-kehrsbelastungen sinnvoll (Zuganzahl größer 50 Züge/Richtung und Gleis).

> Die Sanierung der Unterbauklasse „5“ ist im Kernnetz auch bei geringsten Ver-kehrsbelastungen wirtschaftlich.

2.2. VERGlEich miT koNVENTio-NEllER uNTERGRuNDsaNiERuNG

Aufgrund der vielen Vorteile der gleisgebun-

denen Untergrundsanierung, wie etwa hohe Arbeitsleistung, keine Beeinträchtigung des Nachbargleises etc. – siehe Kapitel 4.1 – wer-den Untergrundsanierungen im Netz der ÖBB grundsätzlich maschinell mittels AHM 800 R bzw. RPM 2002 durchgeführt. Nur in Aus-nahmefällen (keine Maschine verfügbar, sehr hoher Anteil an Brücken im Sanierungsab-schnitt) kommt weiterhin die konventionelle Untergrundsanierung mittels Bagger und Lkw zum Einsatz.

3. gleisgebundenes einbauverFahren

3.1. allGEmEiNEs

Bei den Österreichischen Bundesbahnen wur-den schon frühzeitig mechanisierte Verfah-ren zur Untergrund-Verbesserung erarbeitet.

> Einbau einer Tragschicht aus Kiessand mittels einer Bettungsreinigungsmaschi-ne ab 1960 [3].

> Einbau einer Tragschicht aus Kiessand und Vlies mittels Bettungsreinigungs-maschine 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 Gleisbau-maschine 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 ge-fordert wurde,

> höchste Verdichtungsanforderungen an die Tragschicht (nur mit Wasserzugabe erreichbar),

> Recycling des Oberbauschotters,> ein Befahren des Gleises auf der Trag-

schicht nach dem Maschineneinsatz mit 10 km/h.

Es wurde eine Aushubmaschine mit einer Durchsatzleistung von 800 m3/h und mit einer Recyclingmöglichkeit für den Altschot-ter entwickelt, der Name lautete AHM 800 R (Bild 7) [7] und [8].Die wesentliche Verbesserung gegenüber den bis dahin bekannten Verfahren lag in der Um-setzung des Recyclinggedankens und in der optimierten Verdichtung des Tragschichtma-terials durch eine gezielte Wasserzugabe in der Maschine. Seit 2002 werden einzelne Ab-schnitte auch mit der RPM 2002 saniert. Ins-gesamt wurden mit den Gleisbaumaschinen AHM 800 R und RPM 2002 von 1994 bis 2007 542 km bearbeitet.Die Vorteile der gleisgebundenen Sanierung sind: > Einbau der neuen Tragschicht ohne Ab-

bau des bestehenden Gleises,> Recycling des alten Gleisschotters zur

Verwendung als Tragschichtmaterial,> Verdichten bzw. Glätten des Unterbau-

planums mit der Maschine,> Möglichkeit des gleichzeitigen Einbaus

von Geokunststoffen und Tragschicht> hohe Arbeitsleistung (im Mittel 40 lfm/h),> Auf 2-gleisigen Abschnitten ist die Be-

triebsabwicklung am Nachbargleis mög-lich,

> kurze offene Baugrube,> verschiedene Einbaustärken (bis 50 cm

Tragschichtstärke) können in einem Ar-beitsgang hergestellt werden,

> Einsparung bis zu 50 % Neumaterial durch Beimischung des Recyclingmateri-als,

> Verringerung der Sperrzeiten bis zu 50 %,

> kein Anlegen von temporären Zufahrts-straßen.

3.2. VoRaRbEiTEN / NEbENaRbEiTEN [9]

Die hohen, zu befördernden Materialmengen erfordern eine detaillierte Maschineneinsatz-planung. Zur Erreichung des gewünschten Anlagenzustandes nach der Arbeit ist die Beachtung von verschiedenen Aspekten not-wendig:

bild 7: Darstellung des Arbeitsablaufes in der Maschine AHM 800 R


Tragschichteinbau separat zu sanieren. Eine Sanierung nach dem Tragschicht-einbau kann den Erfolg der Maßnahme gefährden.

3.3. TRaGschichTmaTERial

Das Tragschichtmaterial besteht aus einem Gemisch von rückgewonnenem Oberbau-schotter und zugefügtem Neumaterial. Da-durch lässt sich eine Einsparung von bis zu 50 % an Neumaterial erzielen. An das Korngemisch werden höchste Anfor-derungen 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 ge-

samten ÖBB-Bereich von wenigen zugel-assenen Werken geliefert. In diesen Wer-ken wird das Tragschichtmaterial bereits befeuchtet (optimaler Wassergehalt) in die Container verladen.

liche Sichtweise allen Fachlinien zu ver- mitteln.

> Besonderes Augenmerk ist auf die Einbin-dung in die bestehende bzw. neu erstellte Entwässerungsanlage zu legen. Mängel in der Ausführung führen zu einer Her-absetzung 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 Tragschicht-einbau erlaubt. Die durch das nachträg-liche „Aufreissen“ der Tragschicht (Bild 9) entstehenden Unstetigkeiten sind Aus-löser 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 Zunah-me des Längshöhenfehlers pro Jahr ein für die zulässige Geschwindigkeit erlaubtes Maß, ist es notwendig, die Brückenanschlussbereiche vor dem

> Der Tragschichteinbau erfolgt nur nach Erstellung eines geotechnischen Gutach-tens. Bodenmechanische Erkenntnisse aus den Aufschlüssen, unter Einbindung der Ergebnisse aus der Zustandsbewer-tung des Gleises (Verschlechterungsra-te, Georadarinformation, Stopfintervalle etc.), führen zur Definition der Trag-schichtstärke und des notwendigen Geo-kunststoffs.

> Adaptierungen im Querprofil sind dann notwendig, wenn die Lage der Rand-wege, der Lärmschutzwände, der Fahr-leitungsmasten, der Verkabelungen und der Entwässerungseinrichtungen nicht aufeinander abgestimmt sind. Wurde bei-spielsweise das Fundament eines Fahrlei-tungsmasts in eine Drainage gelegt, führt die fehlende Entwässerungsmöglichkeit zu einer punktuellen Herabsetzung der Tragfähigkeit und damit zu einem erhöh-ten Erhaltungsaufwand auf der Gleisebene (Stopfen). Trotz hoher Qualität der Trag-schicht stellt sich das gewünschte Ergeb-nis auf dem Messschrieb dann nicht ein. Es gilt dieses Verständnis für die ganzheit-

bild 8: einbindung der Tragschicht in die vorher einge-baute Drainage erhöht die Qualität

bild 9: nachträglich eingebaute Querungen sind Auslöser für punktuelle Gleislagefehler, die auch durch mehrfaches stopfen nicht nachhaltig entfernt werden können

bild 10: Gefor-derte sieblinie (obere und untere Grenze) für das Tragschichtma-terial

Sieb Durchgang M %[mm] von bis

0.02 0 30.063 3 80.125 4 110.25 5 140.5 6 171 11 282 19 364 28 508 40 6016 61 7922.4 83 9231.5 100 100

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

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bild 13: Modell für das Konsoli-dierungsverhal-ten feinkörniger Böden

3.5. TRaGschichTEiNbau

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 Verdich-tungswert D

Pr,min und den minimalen Verfor-

mungsmodul Ev,1

bzw. Ev,2

:

V > 160 km/h DPr,min

= 97 % Ev,1

> 35 MN/m2 E

v,2 > 80 MN/m2 E

v,2/E

v,1 ≤ 2,5

V ≤ 160 km/h DPr,min

= 95 % Ev,1

> 20 MN/m2 E

v,2 > 50 MN/m2 E

v,2/E

v,1 ≤ 2,6

Zur Erzielung des geforderten Verdichtungs-wertes wird der optimale Wassergehalt (ent-sprechend Laborprüfbericht 7,4 %) durch gezielte Beimengung von Wasser in der Zwi-schensiebanlage eingestellt. Der optimale Wassergehalt beträgt gemäß dem Laborprüf-bericht 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 Trag-

schicht beträgt im Mittel 100,6 %. Die Gleichmäßigkeit der ausgeführten Trag-schicht wird durch ein Befahren des Unterbau-planums, wie es beim konventionellen Trag-schichteinbau erforderlich ist, nicht gestört.

3.6. wEichENbEREichE

Aufgrund der höheren Vertikal-Dynamik und damit höheren Lasten ist es gerade in Weichenabschnitten notwendig schlechte Untergrundabschnitte zu sanieren. Die Wei-chen werden dabei temporär abgetragen und gegen Gleisfelder getauscht. Die maschinelle Untergrundsanierung erfolgt unter Zuhilfe-nahme des eingebauten Gleisfeldes. Nach erfolgtem Tragschichteinbau werden die be-stehenden oder neuen Weichen wieder ein-gebaut.

4. geoTechnischer aspekT

4.1. allGEmEiNEs

Das Gleisrost-Gleisschotter-Tragschicht-Sys-tem hat die Aufgabe, die dynamischen Lasten aus dem Fahrbetrieb in den Untergrund derart einzuleiten, dass weder die Scherfestigkeit noch das Verformungsverhalten des Unter-grundes zu einem plötzlichen oder langfristi-gen Verlust der Tragfähigkeit und Gebrauchs-tauglichkeit des Fahrweges führen (Bild 13).Für die gleisgebundene Untergrundverstär-kung steht nur ein begrenzter, sanierbarer

3.4. GEokuNsTsToffE

Seit Beginn des Einsatzes der AHM 800 R werden Geokunststoffeinlagen zwischen dem anstehenden Mutterboden und der Tragschicht eingebaut. Bezüglich der mecha-nischen Eigenschaften hat der Geokunststoff drei Aufgaben zu erfüllen.

> Stabilisierung der Tragschicht während der Verdichtungsphase,

> Trennen und Filtern in der Betriebsphase,> neben diesen mechanischen Anforde-

rungen werden auch besonders hohe Anforderungen an die hydraulischen Ei-genschaften, v. a. der Vliese gestellt, weil

das Vlies in Verbindung mit dem beim gleisgebunden hergestellten Quergefälle die Ableitung von Niederschlagswasser bzw. von Sicker- oder Kapillarwasser för-dern. Laut Regelzeichnung in der Ober-bauvorschrift 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/m2

eingesetzt, in Sonderfällen kommen Geogit-ter mit zusätzlicher mechanischer Beweh-rung zum Einsatz [10].

bild 11: Das Vlies muss laut Regelzeichnung über die Tragschichtunterkante reichen

bild 12: Die entwässernden eigenschaften des Geokunst-stoffs können nur bei einbau bis über Tragschicht-unterkante reali-siert werden


bild 15: Hohe Gleichmäßigkeit bei der Plattenverdichtungbild 14: Günstiger Tragschichtaufbau der steifigkeit (Mit-telwert aus bestehenden erdbautechnischen Regelwerken)

Verlauf der Steifigkeit Evd Werte der Tragschichtabschnitte in

MN/m2

Mittelwert aus verschiedenen Vorschriften

Logarithmisch

Tie

fe in

cm

ab

Sch

wO

K

Bereich von ca. 0,5 m zur Verfügung, in dem Tragschichten als „schwimmende“ Erdkör-per eingebaut werden können. Die Stärke der Tragschicht ist einerseits hinsichtlich Tragfä-higkeit und andererseits hinsichtlich Frost-empfindlichkeit zu bemessen. Der größere der beiden ermittelten Werte ist maßgebend. Im Straßenbau haben sich bei den in Österreich gegebenen Klimaverhältnissen Frostschutz-schichten mit Stärken von mind. 40 bis 50 cm bewährt. Ausgehend von üblichen Annah-men für die Frosteindringtiefe zwischen 80 und 100 cm werden für den gleisgebundenen Tragschichteinbau bei den Österreichischen Bundesbahnen im Regelfall Tragschichtmäch-tigkeiten von ≥ 40 cm eingesetzt, was auch der maximal möglichen Aushubleistung der ein-gesetzten Gleisbaumaschinen von 40 bis ma-ximal 50 cm entspricht. Nur bei nachgewiesen frostunempfindlichem Untergrund, welcher im Regelfall jedoch auch günstige Festigkeitsei-genschaften und somit insgesamt geringe Un-terbauprobleme aufweist, ist in Sonderfällen (z. B. Gleisneulage mit Tragschichteinbau zur Herstellung eines ebenen Planums zur Was-serableitung) eine Reduktion der Tragschicht-mächtigkeit auf 20 bis 30 cm möglich [11].

4.2. opTimalER aufbau DEs GlEisEs

Bezüglich der Tragfähigkeit des Gleises ist eine optimale Abstimmung des elastoplasti-schen Verhaltens der einzelnen Tragschicht-abschnitte (Gleisrost-Gleisschotter-Trag-schicht) erforderlich. Entsprechend der mit der Tiefe stetig abnehmenden Vertikalspan-nung sollte für das belastete Gesamtsystem Gleisrost-Gleisschotter-Tragschicht-Unter-grund 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-Vor-schriften) ab Schwellensohle abgeleitet. Bei diesem Steifigkeitsverlauf (Bild 14) werden die Grenzwerte der Scherfestigkeit bei grob-körnigen und feinkörnigen Böden nicht über-schritten.

4.3. VERDichTuNG zum zEiTpuNkT DEs TRaGschichTEiNbaus

Maßgebend für die Qualität und Leistungs-fähigkeit einer Tragschicht ist die Art der Verdichtung, durch die jene optimale Lage-

rungsdichte erreicht wird, welche eine gleich-mäßige Lastübertragung (Korn-zu-Korn–Spannung) ermöglicht. Bei der Verdichtung wird der Großteil der Verdichtungsarbeit auf-gewendet, um die Körner in ihre dichteste La-gerung zu verschieben. Das Porenwasser soll gleichmäßig verteilt an der Oberfläche der Stützkörner gebunden bleiben. Eine beson-dere Aufgabe kommt der geotextilen Trenn-lage zu. Sie dient nicht nur der Trennung zwi-schen Untergrund und Tragschichtmaterial, sondern bewirkt auch eine Stabilisierung der Körner während der Verdichtung.

bild 16: Verbes-serung des Ver-formungsmoduls unmittelbar nach dem Tragschicht-einbau

Zunahme des Evd Wertes nach der Verdichtung am Gleisplanum

Evd Werte am Erdplanum in MN/m2

Evd

Wer

te a

m G

leis

pla

num

in M

N/m

2

»



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 Stabi-lisierung den Einbau einer gut verdichteten und ausreichend steifen Tragschicht auf wei-chem Untergrund (Bild 15). Im Bild 16 sind die Messergebnisse dargestellt,

die diese Verbesserung des Verformungsmo-duls Evd durch die Tragschicht unmittelbar nach Einbau zeigen.Es werden Zuwächse um den zwei- bis fünf-fach höheren E

vd-Wert am Gleisplanum er-

zielt, wenn das Erdplanum Evd

-Werte von 5–15 MN/m2 aufweist. Die prozentuelle Zu-nahme der Tragfähigkeit nimmt bei höheren E

vd-Werten ab.

4.4. NachVERDichTuNG uNTER bETRiEb

Die Nachverdichtung der Tragschicht erfolgt in zwei Schritten:In den ersten Tagen nach dem Tragschicht-einbau kommt es zu einer Austrocknung der Tragschicht. Die Austrocknung führt zu einer Verdichtung der Staubteilchen in den Berühr-punkten und damit zu einer Vergrößerung der wirksamen Fläche der Lastübertragung, wel-che eine Steifigkeitserhöhung verursacht.Die Kornumlagerung unter Betriebsbelas-tung bewirkt langfristig ebenfalls eine Zu-nahme des Steifemoduls. Nachmessungen am Gleisplanum nach einer Betriebsdauer von ca. 2000 Tagen haben fol-gendes gezeigt (Bild 17):

> 2000 Tage nach Tragschichteinbau wer-den durchschnittliche Evd-Werte von 45– 50 MN/m2 auf der Tragschicht erreicht

> Charakteristisch ist, dass die zeitliche Verbesserung durch den Betrieb entspre-chend der Dimensionierung für einen weichen Untergrund (E

vd < 20 MN/m2)

überproportional zunimmt.> In Abschnitten mit E

vd-Werten von

5 MN/m2 Verformungsmodul am Erd-planum wird durch den Fahrbetrieb der ursprünglich erreichte E

vd-Wert von

ca. 20 MN/m2 um den Faktor 2 auf ca. 40 MN/m2 weiter erhöht.

Somit ist das gleisgebundene Tragschicht-Einbauverfahren (40 cm starke Tragschicht) besonders zur Sanierung von Gleisen mit weichen Untergrundverhältnissen (feinkör-nige Böden) geeignet. Im Netz der ÖBB wird in der Regel bei Glei-sen mit einem E

vd-Wert von ca. 5 MN/m2 am

Erdplanum der gleisgebundene Tragschicht-einbau angewendet. Für noch schlechtere Untergrundverhältnisse ist teilweise (abhän-gig vom geotechnischen Gutachten) auch ein konventioneller Tragschichteinbau mit mächtigeren Tragschichtstärken erforderlich.

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 täg-liche Ermittlung der Korngrößenverteilung und des Einbauwassergehaltes des Trag-schichtmaterials. Verdichtungskontrollen der eingebauten Tragschicht wurden bis ca. 1997 vorwiegend mit aufwendigen Statischen Lastplattenversuchen (Bild 18), welche Steh-zeiten der Gleisbaumaschine bedingen, durchgeführt. Fallweise wurden auch der Ver-

bild 18: Verfor-mungsmessung mittels statischer Lastplatte verzö-gert Bauablauf

bild 17: Zunahme des Verformungsmoduls evd nach 2000 Tagen

Verbesserung am Gleisplanum

Erdplanum MN/m2

Gle

isp

lanu

m M

N/m

2

Gleisplanum OK EvD MN/m2

Nachmessung am Gleisplanum EvD MN/m2

Linear (Gleisplanum OK EvD MN/m2)

Linear (Nachmessung am Gleisplanum EvDMN/m2)


bild 20: Mitschnitt Messwagenvideo Timelkam – Redl-Zipf, Gleis 2, km 256,400

bild 21: Das Längshöhensi-gnal zeigt aktuell keine hervor-stechenden einzelfehler bzw. punktuelle höhere Verände-rungstendenzen

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 Plattendruckver-such (Bild 19) mit dem leichten Fallgewichtsge-rät eingeführt. Dies ermöglichte eine raschere und in ausreichender Anzahl zur Verfügung stehende Verdichtungskontrolle. Die Dyna-mischen Plattendruckversuche werden im Regelfall von der Maschinen-Bauaufsicht der Österreichischen Bundesbahnen in einem vor-gesehenen Raster von 100 Laufmeter durchge-führt.Es bestehen folgende Zusammenhänge:

> Erdplanum: Ev2

= 2,11 · Evd

Ev1 = 0,78 · E

vd

> Oberkante Tragschicht: E

v2 = 2,04 · E

vd E

v1 = 0,73 · E

vd.

Ergänzend werden fallweise stichproben-artig Statische und Dynamische Lastplat-tenversuche, radiometrischen Dichte- und Wassergehaltsmessungen sowie Laborunter-suchungen (Korngrößenverteilung, Proctor-versuch) von externen Prüfinstituten durch-geführt.

6. periodische ÜberprÜFung der gleislage

Die periodischen Überprüfungen der Gleisla-gequalität mittels Oberbaumesswagen do-kumentieren den Erfolg des Tragschichtein-baus. Folgend einige Beispiele:

6.1. uNTERGRuNDsaNiERuNG bEi TimElkam im JahR 1997

Im Jahr 1997 wurde auf Gleis 2 des Ab-schnittes Timelkam – Redl-Zipf (Westbahn, km 254,0 – km 258,5; 21 Mio. Gesamtbrut-

totonnen/Jahr) eine Gleisneulage mit Un-tergrundsanierung durchgeführt. Der Trag-schichteinbau (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 da-mit von vorher ca. 2 Jahre auf nunmehr 7 Jah-re angehoben werden.Das Längshöhensignal zeigt aktuell keine her-vorstechenden 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 Aus-gangsqualität von σ

vertikal = 0,4 mm ableiten

(Bild 22).

6.2. 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 Unter-grundsanierung (AHM 800 R) durchgeführt. Zur besseren Lastverteilung wurden Beton-schwellen mit Besohlung eingebaut. Der ge-samte Abschnitt musste vor der Sanierung ca. alle 1 1/2 Jahre gestopft werden, der aktu-elle Stopfzyklus beträgt nun ca. 10 Jahre (Bild 23). Am anschaulichsten ist die Verbesserung in der Veränderung der Standardabweichung der Längshöhe erkennbar (Bild 24).

6.3. VERGlEich miT koNVENTio-NEllEm TRaGschichT-EiNbau

2002 wurde auf beiden Gleisen des Ab-schnittes Zell/See – Saalfelden (km 107,7 – 111,7 der Strecke Zell/See – Wörgl; 8 Mio. Gesamt-bruttotonnen/Jahr) eine Gleisneulage mit Un-

bild 19: Bestimmung des Verformungs-moduls evd mit dem dynamischen Fall-gewicht ohne Bauzeit-Beeinträchtigung

»



tergrundsanierung durchgeführt. Mittels AHM 800 R wurde in Gleis 2 eine durchgehende Tragschichtstärke von 40 cm eingebaut. Im selben Jahr erfolgte in Gleis1 eine konventio-nelle Untergrundsanierung mit Einbau einer 70 cm starken Tragschicht (Bild 25).Trotz der um 30 cm geringeren Tragschicht-stärke im AHM-sanierten Abschnitt weisen beide Gleise aktuell in etwa gleiche Gleisla-ge-Qualität auf (Bild 26). Die Verschlechte-rungsraten sind nahezu ident. Die höhere Qualität bei der gleisgebundenen Herstel-lung gegenüber dem konventionellen Einbau der Tragschicht mittels Bagger und Lkw lässt sich damit ablesen.

7. resummee

Die gestiegenen physikalischen, betrieb-lichen und wirtschaftlichen Anforderungen an das Gleis im Netz der ÖBB, wie etwa hö-here Verkehrslasten, Wunsch nach Reduk-tion von Sperrpausen und Kostendruck in der Gleiserhaltung, führten Anfang der 90er Jahre zur Entwicklung der Gleisbaumaschine AHM 800 R. Diese ermöglicht bei kurzer Ma-schinenlänge einen Tragschichteinbau mit hoher Arbeitsleistung (50 m/h) und hoher Verdichtungsqualität. Gleichzeitig wurde der Recyclinggedanke, die Wiederverwendung des ausgebauten Schotters, umgesetzt.

bild 23: Mitschnitt Messwagenvideo Hallwang-salzburg, Gleis 2, km 306,500

bild 25: Mitschnitt Messwagenvideo Zell/see – saalfelden, Gleis 1, km 110,400

Die Wirtschaftlichkeit der Untergrundsanie-rungen im A-Netz wurde von Prof. Peter Veit an der TU Graz untersucht. Die Ergebnisse sind in die Oberbau-Strategie der ÖBB ein-geflossen und haben zum forcierten gleis-gebundenen Einbau von Tragschichten ge- führt. Die Erfahrungen bezüglich 13 Jahre Unter-grundsanierung mit den Gleisbaumaschi-nen AHM 800 R bzw. RPM 2002 sind die fol-genden:

> Seit 1994 wurden auf einer Länge von 542 km Untergrundsanierungen durch-geführt. Die Stopflängen konnten in die-sem Zeitraum um etwa 45 % reduziert werden, wobei auch andere Maßnahmen (u. a. neue Auswertemethodik der Ober-baumessdaten) zu diesem Erfolg beige-tragen haben.

> Bei der Planung von Untergrundsanie-rungen ist auf die Funktionsfähigkeit der Entwässerung besonderes Augenmerk zu legen. Eine stabile Gleislage stellt sich nur bei tragfähigen und ausreichend ent-wässerten Gleisen ein.

> Das gleisgebundene Tragschicht-Einbau-verfahren ist besonders zur Sanierung von Gleisen mit weichen Untergrundver-hältnissen (feinkörnige Böden) geeignet,

bild 22: Die standardabweichung der Längshöhe betrug zum Zeitpunkt der Gleisneulage ca. σvertikal = 0,4 mm

1997 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

Gleislagequalität als Standardabweichung der Längshöhe

RückgerechneteAnfangsqualität

vertikal = 0,4 mm

erste Stopf-Arbeit

nach 7 Jahren

bild 26: Konven-tionelle Unter-gundsanierung (70 cm) und gleisgebundenes einbauverfahren (40 cm) zeigen in etwa gleiches Verhalten

2003 2004 2005 2006 2007


erste Stopf-Arbeit

Gleis1_konv Gleis2_AHM

bild 24: Reduktion der Verschlechte-rungsrate der Längshöhe zeigt die Aus-wirkungen der Maßnahme am deutlichsten

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007


Gleisneulage mit Untergrundsanierung

Veränderung

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).

deren Evd -Werte im Bereich von etwa 5-20 MN/m2 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. <

Literatur [1] Erhard Klein, „Das Geotechnische Streckenband“, ÖBB-

Schulungsunterlagen [2] Peter Veit, „Projekt Strategie Fahrweg“, Habilitations-

schrift TU Graz 1999 [3] Planumsverbesserung mit Bettungsreinigungsmaschi-

ne, 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 Ver-kehrstechnik 1984

[6] PM 200, Planumsverbesserungsmaschine: Horst Kör-ber, „Planung und Ausführung von Planumsverbesse-rungen“, ÖVG Tagung 1984

[7] Rudolf Schilder, Franz Piereder, „Planumsverbesserung mit der Aushubmaschine AHM 800 R, ETR 09-2000

[8] Rainer Wenty, „Rehabilitation of the Railroad Subgrade“, 84th Annual Meeting of the Transportation Research Board, Washington 2005

[9] Franz Berger, „Wirtschaftliche Unterbausanierung mit integriertem Materialrecycling“, 6. Unterbauexperten-treffen, Wien 2007

[10] Claus Göbel, Klaus Lieberenz, F. Viel, „Beeinflussung des Tragverhaltens von Schichtsystemen durch Geokunst-stoffe“, Organ der Deutschen Gesellschaft für Geotech-nik, Sonderheft Geotechnik 1997

[11] Martin Moser, „Tragschichtdimensionierung beim gleis-gebundenen 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 Associa-tion 2002 Conference, Washington D.C.

Starke Leistung am Gleis.

ROBEL Bahnbaumaschinen GmbH · Industriestraße 31 · 83395 Freilassing · DeutschlandTel: +49 (0) 8654/609-0 · Fax: +49 (0) 8654/609-100 · E-mail: [email protected]

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