VALGFAG JERNBANETEKNIKK - LØSNINGSFORSLAG TIL OBLIG 1 Oppgave 1 a) Silt regnes som den mest telefarlige jordarten fordi den både har høyt kapilært sug og høy permeabilitet som sammen gir god vanntilførsel til frysefronten. Silt er klassifisert som meget telefarlig i tabell 6.1 i http://www.jernbanekompetanse.no/wiki/ Underbygning/Frost#Telefarlighetsklassifisering. Leire og morene med stort siltinnhold er forøvrig også svært telefarlige. b) Telehiv kan oppstå alle steder hvor de tre forutsetningene er tilstede: vann, frost og telefarlig materiale. Disse faktorene kan være tilstede i en tunnel. Frost finnes i korte tunneler eller ytterste del av en tunnel, vanligvis er det ikke frost langt inne i fjellet. (Hvis tunnelen er bygget riktig, så skal det imidlertid ikke forekomme telefarlige masser i tunnelen. Men i gamle tunneler med sterkt forurenset og ødelagt ballast kan det likevel skje.) c) For å dimensjonére nødvendig forsterknings- og frostsikringslag bruker vi diagrammet i figur 6.13 i læreboka Underbygning/Frost, antatt at vi bruker sprengstein (ved bruk av grus eller en kombinasjon brukes isteden figur 6.11 og 6.12). Med 25000 timegrader gir dette en tykkelse på ca 1,9 meter for en bane i Rørosområdet og 2,15 meter for en bane i Sandnesområdet. Oppgave 2 Setninger på eksisterende bane er vanskelig fordi trafikken helst skal kunne gå samtidig som man gjør tiltak. Dette hensynet veier ofte tyngre enn kostnader. Ett av følgende tiltak kan i så måte vurderes: Kalksementpeler er kanskje det beste tiltaket fordi det kan utføres uten altfor store påvirkninger på trafikken (trafikk kan pågå med redusert hastighet). Dette tiltaket krever imidlertid tilgang med store maskiner fra sideterrenget. Hvis setningsproblemene er kun på en kort strekning, kan utskifting av eksisterende fylling med lette masser være et alternativ. Sannsynligvis en billigere løsning, men krever helt avstengt spor mens arbeidene pågår, altså stor påvirkning på trafikken. På en ny bane ville vertikaldrenering/forbelastning være høyst aktuelt i tillegg til metodene ovenfor.
Oppgave 3 Et kryssingsspor skal forlenges flere hundre meter. Forlengelsen skal ligge inntil eksisterende spor. a) Utfordringer ved å bygge nært eksisterende spor: Dersom det er løsmasser, må det graves ut for å gi plass til banelegemet for det nye sporet. Graveskråninga kan bli bratt og opptil 2,5-3 m høy avh. av tykkelse på frostsikringslag, og kan derfor gjøre det eksisterende sporet ustabilt. Det kan også tenkes at man får setninger fordi man med gravinga kan komme til å senke grunnvannet. Dersom det er fjell må det sprenges plass. Dette kan forskyve det eksisterende sporet dersom man ikke er forsiktig. Man må sprenge noe dypere enn ballastlaget til eksisterende spor. Stikkrenner må forlenges. Kan føre til problemer med påkobling til eksisterende renne. Ev. bruer må skiftes ut (ev. utvides) til dobbeltsporet bru. Dersom nytt eksisterende spor ligger på fylling som igjen ligger på setningsømfintlige masser, vil et nytt spor på fylling utenpå den gamle fyllinga kunne føre til tilleggslaster. Dette kan i sin tur føre til setninger for både nytt og gammelt spor. Evt. eksterne (kommunen, e-verk, teleselskaper etc.) kabler og rør som går under sporet må tas hensyn til. Fundamentering av kontaktledningsmastre, signaler o.a. må tas hensyn til. Sideterreng inkl. ev. terrenggrøfter og sikringstiltak i skråninger og skjæringer må tilpasses den nye situasjonen med et ekstra spor. b) Tiltak ift. utfordringene under sp.m. a). Bratte og dype graveskråninger i løsmasser nært eksisterende spor ei utfordring som er vanskelig å løse. Noen stikkord: Ha større sporavstand Begrense gravedybde ved å bruke f.eks. XPS til frostisolering (i stedet for granulære materialer) Kan i særlige tilfeller bruke spunt mot eksisterende spor, men er relativt kostbart Etablere mur som støtter opp eksisterende spor. Er også relativt kostbart. Sprenging av byggegrop: Gjøre forsiktig sprenging, ikke sprenge mer enn nødvendig. Ha god kontroll på geometrien til eksisterende spor (unngå sporfeil).
Stikkrenner: Dersom tilstanden er god, kan eksisterende stikkren- ne forlenges. Det bør, hvis mulig, etableres en inspeksjonskum der påkoblingen skjer. Dersom tilstanden er dårlig bør man vurdere å legge ny stikkrenne i stedet. Bru: Stålbruer uten gjennomgående ballast bør skiftes ut. Traubruer i betong kan beholdes dersom tilstanden er god og det er plass til å etablere ny bru ved siden av for sporforlengelsen. Ellers bør man vurdere å bygge ny bru for begge spor. Setningsfare pga. tilleggsslast: Bør vurdere bruk av lette fyllmasser. Viktig å ha god kontroll på sporgeometrien i byggefasen. Kabler og rør: Disse må påvises av dem som eier dem slik at man vet hvor de ligger. Ev. tiltak på disse i forbindelse med sporforlengelsen må skje i samarbeid med eierne (men bekostes av Jernbaneverket). Nye fundamenter (KL og signal): Må planlegges og settes av plass til disse. Bør unngå problemer med stabilitet og setninger der disse plasseres. Sideterreng: Dersom man må skjære seg inn i sideterrenget for å gi plass til det nye sporet må ny sikring av jord- og fjellskjæringer på plass. Likeens må man reetablere fornuftige terrenggrøfter. Oppgave 4 a) Ved ren rulling er hastigheten gitt ved v = ω R = 40 0, 46 m/s = 18, 4 m/s 66, 2 km/h. b) Kurvemotstand er som ordet sier motstand i (krappe) kurver. For en bogie eller en toakslet vogn, vil forreste aksel tvangsstyres gjennom kurven. Dette gir en sidekraft mot skinnen kalt styrekraften. Indre hjul får også noe sliring fordi ytre hjul har en lengre løpebane enn indre. Tilsammen utgjør disse to kurvemotstanden. c) I en 400-meters kurve blir kurvemotstanden ved Røckl s formel W R = 650 400 60 1, 9 o/oo. Oppgave 5 a) Kjøremotstanden er summen av grunnmotstand, kurvemotstand og stigningsmotstand. Grunnmotstand består igjen av rullemotstand og luftmotstand. b) Regner ut spesifikke motstander i promille (N/kN) som deretter ganges med samlet akselkraft for toget: Spesifikk grunnmotstand: w 0 = 1, 9 + 2, 6 ( ) V 2 ( 100 = 1, 9 + 2, 6 120 2 100) 5, 6 N/kN Spesifikk kurvemotstand: w R = 650 R 60 = 650 800 60 0, 9 N/kN Spesifikk stigningsmotstand: w S s = 15 N/kN, der s er stigning i promille
Samlet akselkraft for toget: P = akselkraft ant. aksler = 18000 10 14 = 2520000 N = 2520 kn Kjøremotstand: W = (w 0 + w R + w S ) P [N/kN kn] = (5, 6 + 0, 9 + 15) 2520 N = 54180 N 54, 2 kn Oppgave 6 a) Forundersøkelser: kartlegge bergarter, svakhetssoner, spenninger, vannforhold Trasevurdering: plassere traseen best mulig i forhold til forundersøkelsene og innpass med øvrig infrastruktur og behov. Valg av tunnelkonsept: antall spor, lengde, rømningsveier, metode for tunneldriving Tunneldriving (konvensjonell): oppmåling, boring, forinjeksjon, sprengning, ventilering, utlasting, maskinell og manuell rensk av tunnelveggene, bolting og sprøytebetong (evt full utstøping), ny oppmåling osv. Etterarbeid: bunnrens, masseutskifting, innlegging av rør og kummer, oppbygning av underbygningen for sporet, vann- og frostsikring b) Ulike metoder for frostsikring i tunnel: Frittstående hvelv av betongelementer: Fordeler: Høy kvalitet og lang levetid (100 år). Kan dimensjoneres for å motstå mindre blokknedfall. Ulemper: Det er en viss fare for feilmontering av elementene ved lange tunneler med varierende tverrsnitt. Skader kan utbedres ved utskifting av enkeltelementer, men dette er omfattende.skader kan utbedres ved utskifting av enkeltelementer, men dette er omfattende. Lekkasjer i membranen kan være vanskelig å utbedre. Reetablering av fuger vil være nødvendig i konstruksjonens levetid. Kontaktstøp med drenslag og membran (full utstøping): Fordeler: Høy kvalitet og lang levetid (100 år). Stor mekanisk styrke mot skaderstor mekanisk styrke mot skader - kan dimensjoneres til å tilfredsstille nær sagt alle laster. Høy grad av sikkerhet da en potensiell utrasing vil gi forvarsel i begynnende ødeleggelse av konstruksjonen. Ulemper: Lekkasjer i membranen kan være vanskelig å lokalisere og utbedre. PE-skum med sprøytebetong: Fordeler: Løsningen er fleksibel i forhold til endringer i tverrsnitt og nisjer. Ulemper: Moderat levetid (50 år). Har begrenset evne til å ta opp lastvekslinger. Ikke spesielt reparasjonsvennlig.
Sprøytbar membran (med isolerende mørtel utenpå): Fordeler: Lang levetid (100 år). Potensiell utrasing kan observeres fra tunnelen. Ulemper: Vannlekkasjer vanskeliggjør utførelsen og må håndteres før påføring. Lite dokumentert erfaring med metoden. Ikke dokumentert frostmotstand. Reparasjon og fornyelse av sprøytemembran med dekksjikt må påregnes etter 30-50 år. Oppgave 7 Vannlekkasjer i tunneler er uheldige av flere grunner: grunnvannssenkning og setninger i området rundt tunnelen isdannelse i tunnelprofilet kan medføre frostsprengning og nedfall av stein dersom det drypper på skinnen kan man få korrosjon på skinnen og evt skinnebrudd korrosjon på skinnen gir tilleggskrefter ned i sporet, noe som kan gi vaskesviller (vaskesviller kan også oppstå dersom dreneringen i tunnelen er dårlig) problemer med elektriske anlegg For å unngå vannlekkasjer brukes i all hovedsak forinjeksjon. Som regel injiserer man én skjerm - så sprenger man et par-tre salver før man borer ny injeksjonsskjerm. Hvis man imidlertid ikke har oppnådd god nok tetthet må man bare kjøre på med ny skjerm. Man ønsker å unngå etterinjeksjon da det er veldig vanskelig å få til en bra tetting av fjellet ved etterinjeksjon. Oppgave 8 Eksempelvis: Platebru: Konstruksjonen egner seg for bare små spennvidder; tverrsnittet er massivt med liten tykkelse på platen. Det er av den grunn ikke praktisk og heller ikke nødvendig å utforme noen bjelketyper for disse spennviddene. Mht. bæreevne for en konstruksjon benyttes en parameter som kalles treghetsmoment. Denne parameteren er lav (liten) for plater, men tilstrekkelig for små spennvidder.
Traubru: Kantene i trauet utformes som bjelker og platedekket for overbygningen får opplegg på disse kantbjelkene. Kantbjelkene har høyde og bredde som gir et treghetsmoment som blir tilstrekkelig stort for traubruer med middels spennvidde. For de aktuelle spennvidder får bruene en vekt per meter (tonn/m) som medvirker til en optimalisering av konstruksjonen. Bru med en eller to bjelker: Det vurderes en optimalisering av forholdet spennvidde, bæreevne (ved treghetsmoment) og vekt av konstruksjonen. Det søkes å unngå unødvendig vekt (betongen er ganske tung). Bru med kassetverrsnitt: Må benyttes for store spennvidder og da med oppspent armering (spennarmering). Tverrsnittet gir meget stort treghetsmoment og dermed stor bæreevne ved en optimalisering av vekt. For alle konstruksjonstypene gjelder optimalisering av forholdet vekt per meter (tonn/m), tverrsnitt, spennvidde og bæreevne. Dette gir grunnlaget for hensiktsmessig utforming av tverrsnittet. Oppgave 9 Forskjeller mellom vei- og jernbanetunneler med hensyn på sikkerhet: Transportsystemet Toget er sporbundet og togbevegelser er styrt av signalanlegg for å hindre kollisjoner. Styrken til jernbanen ligger i evnen til å forebygge ulykker på et kvalitativt nivå. Brannbelastning Moderne togmateriell er bygget etter strenge brannforebyggende krav. En (laste)bil utgjør en stor brannbelasting på grunn av drivstoffet. Sannsynligheten for en ulykke med påfølgende brann eller omvendt, som fører til at tunnelen blir blokkert, er betydelig høyere veitunneler enn for jernbanetunneler.
Menneskelig svikt Den viktigste årsaken til ulykker i veitrafikken skyldes menneskelig svikt. Veitrafikken kjennetegnes ved kjøring på sikt, mangel på tekniske sikkerhetsinstallasjoner i kjøretøyene, tilstedeværelse av et stort antall antennbare kilder og brennbart materiale, samt mangel på en brannbeskyttelsesstandard for motorkjøretøy. Dette er ikke tilfelle for jernbanetunneler. Tilleggsrisiko grunnet subjektive og uforutsette handlinger av et stort antall individuelle personer er også typisk for veitrafikken.