Karin Edvardsson
Ragnar Hedström
Bankonstruktionens egenskaper
och deras påverkansgrad på
nedbrytningen av spårfunktionen
VTI r apport 864 | Bank onstruktionens egenskaper och der
as påv erkansgr ad på nedbrytningen av spårfunktionen www.vti.se/publikationer
VTI rapport 864
Utgivningsår 2015
VTI rapport 864
Bankonstruktionens egenskaper och deras
påverkansgrad på nedbrytningen av
spårfunktionen
Karin Edvardsson
Ragnar Hedström
Diarienr: 2012/0725-28
Omslagsbilder: Thinkstock, Hejdlösa Bilder AB Tryck: LiU-Tryck, Linköping 2015
Referat
Syftet med rapporten är att identifiera de faktorer som påverkar nedbrytningen av banöverbyggnad och banunderbyggnad samt påverkansgraden av dessa. Projektet har genomförts som en jämförande studie, där nedbrytande egenskaper och effektsamband som identifierats genom litteraturstudier har jämförts med motsvarande resultat erhållna genom kvalitativa studier, det vill säga djupintervjuer med experter inom området.
För att kunna kostnadseffektivisera järnvägsunderhållet finns ett stort behov av att förbättra möjligheten att bedöma tillståndet och förutspå den framtida tillståndsutvecklingen för olika
anläggningstyper i ett livscykelperspektiv. Idag kopplas dock inte den tillståndsdata som kontinuerligt mäts på anläggningen, till nedbrytningsmodeller på tillräckligt djup nivå. Många komponenter i anläggningen har komplicerade nedbrytningsprocesser och det är viktigt att titta på vilka delar som är förknippade med höga kostnader, där både kostnaden för åtgärd och frekvensen av åtgärd analyseras. Störst inverkan av de faktorer som bedöms påverka nedbrytningen av bankonstruktionen har själva trafikbelastningen, där både lasten och frekvensen av denna påverkar. Sedan följer i fallande ordning, dränering, dräneringssystemet, nedbrytningen av ballast, räl och sliprar, ballastförorening, spårläges-fel, förekomsten av skarvar, undergrundens stabilitet samt fordonsegenskaper.
I princip leder de faktorer som bedömts påverka nedbrytningen av bankonstruktionen till någon av följande effekter, varav den första är absolut vanligast: Spårlägesförändring, materialutmattning, rälsskada/rälsbrott, översvämning, ras och skred.
Olika uppgifter förekommer i litteraturen avseende påverkansgraden/ nedbrytningshastigheten av de dynamiska påkänningar som uppkommer på grund av axellast och hastighet. Detta skulle behöva studeras närmare. Det är till exempel oklart i vilken grad överbelastning forcerar nedbrytningen i kontrast till normal förväntad belastning.
Titel: Bankonstruktionens egenskaper och deras påverkansgrad på nedbrytningen
av spårfunktionen
Författare: Karin Edvardsson (VTI)
Ragnar Hedström (VTI)
Utgivare: VTI, Statens väg och transportforskningsinstitut
www.vti.se
Serie och nr: VTI rapport 864
Utgivningsår: 2015
VTI:s diarienr: 2012/0725-28
ISSN: 0347-6030
Projektnamn: Förstudie banöverbyggnadens nedbrytning.
Uppdragsgivare: Trafikverket
Nyckelord: Järnväg, banöverbyggnad, banunderbyggnad, nedbrytning, underhåll
Språk: Svenska
Abstract
The aim in this report was to identify and quantify factors that contribute to the degradation of railway superstructures and substructures. The project has been carried out as a comparison study where degradation properties and their effects, identified through literature studies, have been compared with equivalent results obtained through qualified studies such as in-depth interviews with industry experts. In order to increase the cost-effectiveness of railway maintenance, improvements must be made to the procedures used to determine the current and future conditions of the railway infrastructure. Current procedures do not effectively use the available, continuously measured, condition data in relevant degradation prediction models. Many of the components that make up the infrastructure are subject to complicated degradation processes. It is important to identify and analyze the components that require high-cost or frequent maintenance measures.
From the identified factors, vehicle load and vehicle frequency were determined to have the greatest impact on infrastructure degradation. Other identified degradation factors, in descending order of impact, were flooding, drainage system failure, degradation of ballast, rails and sleepers, ballast contamination, track irregularities, track joint failure, subgrade instability, and vehicle characteristics. In principle, the factors that were determined to have a detrimental effect on the condition of the infrastructure lead to effects such as track irregularities (the most common effect), material failure, track damage or breakage, flooding, and land-slides.
Different opinions exist in the literature regarding the rate of degradation caused by dynamic stresses induced by factors such as axle-load and vehicle speed. Further studies of these effects are required. For example, the relationship extent between increasing axle-load and rate of degradation is not clear.
Title: The structural characteristics of railway construction and their degree of
impact on the degradation of the tracks function
Author: Karin Edvardsson (VTI)
Ragnar Hedström (VTI)
Publisher: Swedish National Road and Transport Research Institute (VTI)
www.vti.se
Publication No.: VTI rapport 864
Published: 2015
Reg. No., VTI: 2012/0725-28
ISSN: 0347-6030
Project: Pre-study of superstructure degradation.
Commissioned by: Swedish Transport Administration
Keywords: Railway, superstructures, substructures, degradation, maintenance
Language: Swedish
Förord
Rapporten ”Bankonstruktionens nedbrytande egenskaper och deras påverkansgrad på nedbrytningen av spårfunktionen” innehåller en sammanställning av de egenskaper som påverkar nedbrytningen av spårfunktionen, där en prioritering avseende deras påverkansgrad har tagits fram. Rapporten innehåller också en sammanställning över de tillståndsdata som samlas in samt de underhållsåtgärder som görs på spåranläggningen idag. Rapporten utgör en förstudie inför fortsatt arbete med att ta fram över-gripande underhållsstrategier och livscykelkostnadsmodeller för järnvägsanläggningen.
Projektet har finansierats av Trafikverket och arbetet har skett i nära samarbete med referensgruppen, bestående av följande personer på Trafikverket: Kenneth Natanaelsson, Anders Gustafsson, Eva-Lotta Olsson, Jan Spännar och Joel Åkesson.
Från VTIs sida har Karin Edvardsson, Ragnar Hedström och Sigurdur Erlingson medverkat. Inom projektet har också följande två examensarbetare från Högskolan Dalarna arbetat: Maria Eriksson och Petra Stenberg.
Ett varmt tack riktas till Björn Paulsson, vid Trafikverket i Borlänge, som lämnat synpunkter på arbetet samt till de intervjupersoner som deltagit i studien och delat med sig av sina erfarenheter inom området:
Torgny Nilsson, Trafikverket Luleå Malin Syk, Trafikverket Luleå Björn Åstedt, Trafikverket Malmö Björn Schelin, Trafikverket Malmö Sven-Erik Wall, Trafikverket Gävle Lennart Holmgren, Trafikverket Göteborg Tryggve Olsson, Trafikverket Kristianstad.
Borlänge och Linköping, april 2015
Kvalitetsgranskning
Granskningsseminarium genomfört 18 juni 2013 där Kenneth Natanaelsson var lektör. Ragnar Hedström har genomfört justeringar av slutligt rapportmanus. Forskningschef Anita Ihs har därefter granskat och godkänt publikationen för publicering 30 april 2015 De slutsatser och rekommendationer som uttrycks är författarens/författarnas egna och speglar inte nödvändigtvis myndigheten VTI:s uppfattning.
Quality review
Review seminar was carried out on 18 June 2013 where Kenneth Natanaelsson reviewed and
commented on the report. Ragnar Hedström has made alterations to the final manuscript of the report. The research director Anita Ihs examined and approved the report for publication on 30 April 2015. The conclusions and recommendations expressed are the author’s/authors’ and do not necessarily reflect VTI’s opinion as an authority.
Använda definitioner
Nedbrytning Definieras som tillståndsförändringen hos
anläggningen.
Nedbrytning av spårgeometrin Nedbrytning (dvs. tillståndsförändring) av en eller flera komponenter som ingår i bankonstruktionen och som påverkar spårgeometrin.
Spårkvalitet Den avvikelse som hjulet känner av, dvs. avvikelser i rälyta (korrugering) och spår.
Spårstyvhet Hela bankroppens styvhet (axellast / förskjutning av räl) (Banverket, 2008a).
Teknisk livslängd Den teoretiska livslängd ett system kan ha med acceptabel nivå på antal underhållsåtgärder per år och rimliga reparationskostnader (Trafikverket, 2013). Dräneringssystemet Innefattar diken och trummor.
Innehållsförteckning
Sammanfattning ...11 Summary ...13 1. Bakgrund ...15 1.1 Syfte ...15 1.2 Avgränsningar ...15 1.3 Genomförande ...16 1.4 Disposition ...17 2. Bankonstruktionen ...18 2.1. Bankonstruktionens beständighet ...20 3. Bankonstruktionens nedbrytning ...21 3.1. Trafikpåverkan ...21 Trafikbelastning ...21 Dynamiska påkänningar...22 Fordonsegenskaper ...23 3.2. Räl ...24 3.3. Befästningar ...25 3.4. Sliprar ...25 3.5. Ballast ...26 Ballastförorening ...27 Vegetation ...283.6. Spårgeometri och styvhetspåverkan ...28
3.7. Undergrundens stabilitet ...29
Tjäle ...29
3.8. Dränering ...30
4. Tillståndsmätning/ mätning av nedbrytning ...31
4.1. Tillståndsparametrar ...31 4.2. Okulärbesiktningar ...36 4.3. Datainformationssystem/ databaser ...38 4.4. Projektet ePilot119 ...39 5. Underhållsåtgärder ...40 5.1. Spår ...40 5.2. Räl ...41 5.3. Befästningar ...41 5.4. Slipers ...41 5.5. Ballast ...42 5.6. Undergrund ...42 5.7. Dräneringssystemet ...43 5.8. Förstärkningsåtgärder ...43 5.9. Sekundäreffekt av underhållsåtgärder ...44 6. Nedbrytande egenskaper ...45 6.1. Intervjustudie ...45
6.2. Effektsamband och ranking av nedbrytande egenskaper ...49
Referenser ...53 Bilaga 1. Fullständiga intervjuer...57
Sammanfattning
Bankonstruktionens egenskaper och deras påverkansgrad på nedbrytningen av spårfunktionen av Karin Edvardsson (VTI) och Ragnar Hedström (VTI)
Det finns i Sverige idag ungefär 15 000 km järnväg, varav 13 600 km förvaltas av Trafikverket. Trafikverket saknar idag övergripande underhållsstrategier för järnvägsanläggningen som beskriver hur underhållet ska bedrivas för bästa kostnadseffektivitet. Det föreligger därför ett behov av att förbättra möjligheten att bedöma tillståndet och förutspå framtida tillståndsutveckling för olika
anläggningstyper i ett livscykelperspektiv. Först och främst behövs underlag i form av de tillståndsdata som samlas in idag och en övergripande identifikation av de nedbrytande egenskaper som påverkar järnvägsanläggningen, deras grad av påverkan och effektsamband.
Syftet med rapporten är att identifiera de egenskaper som påverkar nedbrytningen; definierat som tillståndsförändringen, hos banöverbyggnad och banunderbyggnad samt gradera påverkansgraden av dessa. Avsikten är även att redogöra för effektsamband i den mån detta är möjligt.
Identifierade nedbrytande egenskaper innefattar alltså sådana som påverkar banöverbyggnad och banunderbyggnad, däremot ingår inte spårväxlar, kanalisation, el, signal eller tele.
Projektet har genomförts som en jämförande studie, där nedbrytande egenskaper och effektsamband som kunnat identifieras genom litteraturstudier har jämförts med motsvarande resultat erhållna genom kvalitativa studier, det vill säga djupintervjuer med experter inom området.
För att kunna skapa tillförlitliga livscykelkostnadsmodeller som möjliggör prioritering och planering av underhållsåtgärder på ett kostnadseffektivt sätt behöver mycket fokus läggas på indata till
modellen. Många komponenter i anläggningen har komplicerade nedbrytningsprocesser. Det är också viktigt, vid valet av underhållsstrategi, att titta på vilka delar som är förknippade med höga kostnader, där både kostnaden för åtgärd och frekvensen av åtgärd betraktas.
Störst inverkan, av de faktorer som bedömts påverka nedbrytningen av bankonstruktionen, har trafikbelastningen, där både lasten och frekvensen av denna påverkar. Sedan följer, i fallande ordning, dränering, dräneringssystemet, ballast, räl och sliprar, ballastförorening, spårgeometri (kurvor och övergångskonstruktioner), förekomst av skarvar, undergrundens stabilitet och fordonsegenskaper. Faktorer som bedömts ha en viss påverkan på nedbrytningen inkluderar ålder (gällande träspår), spänningsfri temperatur, underhållsåtgärder (spårriktning), tjäle (beroende av geografi) och vegetation. Faktorer som bedömts ha liten påverkan inkluderar ballastdjup, rälsvikt och slipersavstånd.
I princip leder de faktorer som bedömts påverka nedbrytningen av bankonstruktionen till någon av följande effekter, varav den förstnämnda är absolut vanligast:
spårlägesförändring materialutmattning rälsskada/ rälsbrott översvämning ras och skred.
Summary
The structural characteristics of railway construction and their degree of impact on the degradation of the tracks function
by Karin Edvardsson (VTI) and Ragnar Hedström (VTI)
In Sweden there are currently about 15,000 km of railway, of which 13 600 km are administered by the Swedish Transport Administration. For this railway facility, there is today a lack of overall maintenance strategies that describes how the maintenance should be carried out for optimal cost efficiency. There is therefore a need to improve the ability to assess the condition and predict the future condition development for different track types in a lifetime perspective. First of all, basic knowledge regarding the condition data collected today and a comprehensive identification of the degradation characteristics affecting the railway facility, as well as the degree of their influence and their effect relationship, are needed.
The main objective of the report is to identify the characteristics that influence the degradation; defined as the condition change, of the super- and substructure of the railway construction. The objective is also to rate the degree of influence of these properties as well as give an account for the effect relationships to the extent that this is possible.
Identified degradation properties include such that affect the super- and substructure but does not include switches, ducting, electrical systems, signal systems or telecommunication.
The project was done as a comparative study, where degradation properties and effect relationships identified through literature studies have been compared with the corresponding results obtained by qualitative studies, i.e. interviews with experts in the field.
To create reliable life cycle cost models, that enable prioritization and planning of maintenance operations in a cost optimal way, focus on the data inputs to the model is required. Many components of the railway system have complex degradation processes. It is also important, when choosing maintenance strategy, to look at the parts that are associated with high costs, where both the cost of operation and frequency of operation are considered.
The greatest impact, of the properties assessed to affect the degradation of the railway construction, has traffic load; where both the load and the frequency are of importance. Then follows, in descending order; drainage, the drainage system, degradation of ballast, rails and sleepers, ballast pollution, track geometry (curves and joints), presence of joints, subgrade stability and vehicle characteristics.
Properties assessed to have some impact on the degradation include age (concerning wood tracks), rail neutral temperature (stress free temperature), maintenance (using ballast tamping and lining machine), frost (depending on geography) and vegetation. Properties assessed to have little impact include ballast depth, rail weight and sleeper distance.
In principle, all characteristics assessed to affect the degradation of the railway construction lead to any of the following effects, of which the former is far the most common:
Track settlement, Fatigue of materials Rail damage / broken rails Flooding
1.
Bakgrund
Det finns i Sverige idag ungefär 15 000 km järnväg, varav 13 600 km förvaltas av Trafikverket. Det finns en tydlig trend med ett minskat förebyggande underhåll och ett ökat avhjälpande underhåll. Detta är en oroande utveckling eftersom konsekvensen är att livslängden minskar samt att antalet fel och trafikstörningar på anläggningen ökar. Ett av hindren för att kunna schemalägga och kontrollera underhåll är avsaknaden av en övergripande modell som förutsäger nedbrytning och dess effekter över tid.
Trafikverket saknar idag övergripande underhållsstrategier för järnvägsanläggningen som beskriver hur underhållet av anläggningen i stort och de olika ingående komponenterna, ska bedrivas. Det finns heller inga livscykelkostnadsmodeller (LCC-modeller) för att kunna prioritera och planera
underhållsåtgärder på ett kostnadseffektivt sätt.
För att kunna kostnadseffektivisera järnvägsunderhållet finns det ett stort behov av att förbättra möjligheten att bedöma tillståndet och förutspå framtida tillståndsutveckling för olika anläggnings-typer i ett livscykelperspektiv. Av stort intresse är då modeller för nedbrytning av spårfunktionen. Tillståndet hos sliprar, befästningar, ballast, etc. har givetvis betydelse för nedbrytningshastigheten. Ett dåligt tillstånd accelererar nedbrytningshastigheten. Idag kopplas dock inte den tillståndsdata som kontinuerligt mäts på anläggningen, till nedbrytningsmodeller på tillräckligt djup nivå. Det är också oklart om viss data saknas.
Modeller för nedbrytning av spårfunktionen ska kunna ligga till grund för framtida arbete med att definiera effektsamband mellan nedbrytning av spårfunktionen och de faktorer som påverkar nedbrytningen, vilket i sin tur sedan kan kopplas till kostnader. I förlängningen kan detta leda till framtagande av en långsiktigt hållbar underhållsstrategi.
För att veta var underhållsåtgärder ska sättas in för att erhålla mesta möjliga nytta behövs underlag i form av de tillståndsdata som samlas in idag och en övergripande identifikation av de nedbrytande faktorer som påverkar järnvägsanläggningen, deras effektsamband och grad av påverkan. Information om de åtgärder som görs och deras effekt är också nödvändig.
1.1
Syfte
Syftet med rapporten är att identifiera de faktorer som påverkar nedbrytningen1 av banöverbyggnad
och banunderbyggnad samt gradera påverkansgraden av dessa. Syftet är vidare att redogöra för effektsamband i den mån detta är möjligt.
Ett ytterligare syfte är även att inventera vilken mätdata för tillstånd som samlas in idag, mätosäker-heten och periodiciteten hos mätdata samt vilken mätdata som saknas för att möjliggöra utformandet av prognosmodeller för tillståndsutveckling. Ett sekundärt syfte är också att redogöra för de åtgärder som görs för att reducera nedbrytningen och hur dessa åtgärder påverkar anläggningen på olika sätt, dvs. åtgärdernas effekter.
1.2
Avgränsningar
Identifierade nedbrytande faktorer innefattar sådana som påverkar banöverbyggnad och banunder-byggnad. Däremot ingår inte spårväxlar, kanalisation, el, signal eller tele. Beskrivna faktorer och metoder gäller för svenska förutsättningar avseende klimat, material, konstruktiv utformning, tillståndsmätning och underhållspraxis.
1.3
Genomförande
Projektet har genomförts som en jämförande studie, där nedbrytande egenskaper och effektsamband som kunnat identifieras genom litteraturstudier har jämförts med motsvarande resultat erhållna genom kvalitativa studier, dvs. djupintervjuer med experter inom området.
Intervjupersonerna har valts ut i samråd med Trafikverkets kontaktpersoner i projektet. Totalt har sju personer intervjuats; alla vid Trafikverket:
Torgny Nilsson, Luleå Malin Syk, Luleå Björn Åstedt, Malmö Björn Schelin, Malmö Sven-Erik Wall, Gävle Lennart Holmgren, Göteborg Tryggve Olsson, Kristianstad
Intervjuerna har skett i form av öppna frågor, dvs. intervjupersonerna har inledningsvis själva fått prata fritt om de nedbrytande egenskaper som påverkar spåranläggningen. Därefter har kompletterande frågor ställts för att undersöka intervjupersonens syn på nedbrytande effekt av påverkansfaktorer som personen inte själv nämnt (se Tabell 1). Intervjupersonerna har därefter ombetts att ranka de
nedbrytande faktorerna med avseende på påverkansgrad. Slutligen har intervjupersonerna fått verifiera/revidera den ranking av påverkansgrad som nedtecknats under intervjun.
Tabell 1. De påverkansfaktorer som intervjuaren förde på tal om inte intervjupersonen själv tog upp dem.
Komponent Eventuella påverkansfaktorer
Trafik Axellast/fordonslast/vagnslast, ackumulerat tonnage (EMGT), antalet
axelpassager (antalet lastcykler), tiden mellan passager, typ av fordon och dess styrningsegenskaper, boggikonstruktion, hastighet, acceleration/retardation, hjulprofil, hjulmaterial och hjulskador.
Miljö Fukt/vattenkvot, nederbörd, temperatur, frysning och tjäle, närvaro
av sand och korrosiv miljö.
Räl Rälstyp, rälsvikt, spänningsfri temperatur, skarvar (isolerskarvar och
termitsvetsskarvar), styvhet, kurvradie.
Befästning Typ
Mellanlägg
Sliprar Material, vikt, kvalitet, hängande sliprar, slipersavstånd.
Ballast Typ (makadam, grus), materialegenskaper (kornstorleksfördelning,
kornform, textur, styrka), lagertjocklekar, för lite ballast, vegetation. Undergrund
Dränering och dräneringssystem Förorening, undergrund bestående av silt och ler, kulvertar, diken, vegetation.
Underhåll Nedbrytande effekt av åtgärd, tid sedan föregående
underhållsaktivitet.
Rapporten har skickats ut till intervjupersonerna och dessa har ombetts att kontrollera riktigheten och att de inte blivit felciterade.
1.4
Disposition
Rapporten är uppbyggd på följande sätt:
I kapitel 2 beskrivs bankonstruktionens uppbyggnad och beständighet.
Kapitel 3 beskriver bankonstruktionens nedbrytning enligt funnen litteratur. Kapitlet har en underindelning avseende olika nedbrytande parametrar.
Kapitel 4 redogör för de tillståndsmätningar som görs på järnvägsnätet och de mätningar som kan användas för att beskriva nedbrytning av bankonstruktionen.
Kapitel 5 innehåller en sammanställande beskrivning av de åtgärder som görs för att säkerställa banans önskade tillstånd.
I kapitel 6 redovisas resultaten från en intervjustudie avseende nedbrytande faktorer på bankonstruktionen och redovisas efter deras upplevda påverkansgrad. Kapitlet innehåller också en sammanfattande tabell avseende effektsamband för nedbrytning av olika
komponenter, dess effekt för bankonstruktionen i stort och hur tillståndsmätning genomförs. Slutligen, i kapitel 7, ges slutsatser och förslag på fortsatt arbete.
2.
Bankonstruktionen
Figur 1 visar en bankonstruktion i tvärsektion. De konstruktionsmaterial som används till ingående komponenter är höghållfast stål till rälen och betong alternativt trä till sliprarna. Makadamballasten, liksom underballasten, består av kvalitetssorterat bergkrossmaterial. Underballasten har dock inte fullt så högt ställda kvalitetskrav som för makadamballasten (Trafikverket, 2012).
Figur 1. Tvärsektion av en bankonstruktion med järnvägstekniska benämningar (Trafikverket, 2012). Figur 2 visar ett tvärsnitt av en räl. Rälen finns i tre olika standardtyper; 43 kg/m, 50 kg/m och 60 kg/m. De spår som fortfarande har 43 kg/m i rälsvikt kan dock i princip inte underhållas längre eftersom inga reservdelar tillverkas. Allt underhåll på sådana spår bygger på att använda material som tas från spår som demonteras (Trafikverket, 2013).
Figur 2. Vignolrälens profil.
Sliprar kan vara av betong, trä (furu) eller hårdträ (ek eller bok). Betongsliprar finns huvudsakligen i spår tillhörande bantyp 1–3 (betydande mängd trafik), medan träsliprar finns i bantyp 4–5 (låg trafikbelastning). Viss uppgradering till betongsliprar har också skett på bantyp 4–5 sedan mitten av 90-talet. Träsliprar med Heyback-befästningar används i bantyperna 1–3 (betydande mängd trafik). Träsliprar med spikbefästning används framförallt i bantyperna 4–5 (liten trafikbelastning). Hårdträ används vid speciella tillämpningar, t.ex. på broar och i spårväxlar (Trafikverket, 2013).
Sedan 2008 är befästningen Pandrol Fastclip standard vid nybyggnation. Vanligast förekommande befästning i befintliga spår är Pandrol e-clip, följt av rälspik, Heyback, Hambo och Fist. Rälspik används med träsliper i skarvspår. Hambo och Fist befästningarna har bister och har i princip nu nått
sin tekniska livslängd, varför de är under avveckling. I befästningssystemet ingår även mellanlägg mellan räl och sliper samt isolatorer mellan befästning och rälsfot. Tabell 2 visar sex olika spårsystem utifrån val av räl, befästning och sliper (Trafikverket, 2013).
Tabell 2. Uppdelning av spår i olika system, deras förekomstfrekvens och medelålder (Trafikverket, 2013). Befästnings-system Räl-vikt (kg/m) Skarv-fritt spår Sliper-typ Bantyp 1-3 Bantyp 4-5 Normal huvudspår (km) Avvikande huvudspår (km) Medel-ålder2 (år) Pandrol 60 Ja Betong 36 % 3 % 4 687 141 13,3 Pandrol 50 Ja Betong 19 % 5 % 2 793 225 20,0 Heyback 50 Ja3 Trä 7 % 1 % 1 108 26 30,5 Hambo 50 Ja Betong 5 % 2 % 717 266 24,7 Fist 50 Ja Betong 2 % 0 % 241 6 38,2 Spik 41-50 Nej Trä 2 % 16 % 2 087 176 39,0 Övrigt 221 42 Totalt 11 765 882
Tre typer av makadamballast förekommer; nämligen M1 (makadamballast klass I; 31,5–63 mm), M2 (makadamballast klass II; 11,2–31,5 mm) och grus. I princip används M1 på linjen och M2 i första hand på rangerbangårdar och i viss mån inne på driftplatser. Grus förekommer på gamla linjer där åtgärder inte gjorts (Trafikverket, 2013).
Makadamballastlagrets tjocklek under slipers underkant ska vara minst 30 cm, dvs. totalt 50 cm från överytan. Makadamballastens livslängd ska motsvara spårkonstruktionens livslängd, dvs. 40 år, vilket ställer höga krav, t.ex. tillräcklig bredd och tjocklek, hårda bergmaterial, hög inre friktion, stor hålrumsvolym och korn med kubisk form (Trafikverket, 2012).
Underballasten ska bestå av minst 0,8 m underballast för förstärkning enligt AMA Anläggning. Vid terrassyta av berg eller jord av materialtyp 2 kan tjockleken minskas till 0,5 m. Underballasten ska utföras i ett eller två lager, bestående av förstärkningslager och frostisoleringslager. Används två lager ska det under 0,8 m underballast för förstärkning finnas underballast för frostisolering ner till den frostfria terrassen. Terrassytan utförs normalt med en tvärlutning på 2 % så att avrinning erhålls (Trafikverket, 2012).
Dräneringssystemet ska samla upp och avleda dagvatten och grundvatten från järnvägskonstruktionen och dess omgivning. Dräneringssystemet innefattar diken och trummor. För att dräneringen ska anses som god ska grundvattennivån ligga minst 1,3 m under sliperns överkant. Nya trummor under järnväg kan bestå av betong, stål, plåt eller plast. Trummor dimensioneras för aktuella belastningar från trafik, jord, grundvatten, temperatur och ojämna sättningar (Trafikverket, 2012; Trafikverket, 2013).
2 Medelålder beräknas baserat på spårlängd*ålder för varje delsträcka. 3 Heyback kan även finnas i skarvspår (undantagsvis).
Många av befintliga järnvägar är idag gamla och är avsedda för helt andra transportvillkor, såsom axellaster och hastigheter, än de som råder idag.
2.1.
Bankonstruktionens beständighet
Makadamballast av typen M1 ger spåret en längre livslängd än M2 och grus eftersom den är bättre på att hålla bankroppen dränerad och är mer hållfast för högre laster. Själva ballasten, förutsatt att den är väl underhållen med avseende på ballastreningsåtgärder, kan ha en livslängd på över 500 Mbrt (miljoner bruttoton), dvs. ca 50 år med en trafik på 10 Mbrt/år (Trafikverket, 2013).
Behovet av slipersbyte fastställs idag via okulärbesiktning. Träsliprar har en teknisk livslängd4 på
storleksordningen 30–40 år. Sliprarna börjar ofta ruttna, vilket i regel sker inifrån utan synliga skador. Enligt Trafikverket är livslängden för betongsliprar minst 50 år. Eftersom befästningssystemet är integrerat i betongslipern är i regel dess livslängd dimensionerande för den tekniska livslängden. Fist och Hambo-befästningar har en teknisk livslängd, i normalhuvudspår, på 38–40 år (Trafikverket, 2013).
Huvudhärdad räl, av typen 60E1 (R350), som underhålls med preventiv slipning har i rakspår en livslängd på över 650 Mbrt, vilket betyder att det i rakspår är sliprar och ballast som begränsar spårets livslängd. I kurvor med radier ner mot 900 meter kan ytdefekter reducera livslängden och i snävare kurvor (400–800 m) är sidoslitaget så stort att detta begränsar livslängden (Trafikverket, 2013). För äldre spår, där slipning inte gjorts i tillräckligt stor omfattning, har konstaterats att antalet OFP-fel5
i 50E3-räl ökar när rälens tekniska livslängd är uppnådd. Därför används 400–500 Mbrt som en gräns för att byta hela spåret (Trafikverket, 2013).
Beträffande dräneringssystemet varierar livslängden allt mellan ca 40 år för plåttrummor till ungefär 150 år för befintliga stentrummor. Trafikverkets trumbestånd är idag i princip 100 år gammalt.
4 Teknisk livslängd är den teoretiska livslängd ett system kan ha med acceptabel nivå på antal underhållsåtgärder
per år och rimliga reparationskostnader (Trafikverket, 2013).
5 Oförstörande provning (OFP) är en metod där ultraljud används för att lokalisera sprickor/skador i rälen innan
3.
Bankonstruktionens nedbrytning
Bankonstruktionens nedbrytning påverkas av ett flertal faktorer mellan vilka det råder ett komplext samband. Några av dessa faktorer och samband är mer kända medan det för andra saknas kunskap för en mer djupgående analys avseende exempelvis effektsamband.
3.1.
Trafikpåverkan
Utan tågtrafiken skulle bankonstruktionens nedbrytning givetvis vara betydligt mindre men det skulle heller inte finnas något behov av själva bankonstruktionen. Man kan ur det perspektivet se det som att tågtrafiken (förutsatt optimala fordon och optimalt underhåll av både bana och fordon) tillsammans med tid, miljö- och klimatfaktorer genererar en teoretiskt optimal nedbrytning utifrån ekonomiskt och tekniskt kriterium. Medelst denna optimala nedbrytning erhålls en optimal livslängd, dvs. en teoretisk livslängd hos såväl enskilda komponenter som hela bankonstruktionen. Livslängden hos enskilda komponenter kan dock vara signifikant kortare än livslängden för hela bankonstruktionen.
Beträffande trafikens påverkan på nedbrytningen av bankonstruktionen kan den delas in i tre olika delar; trafikbelastning, dynamiska lasttillskott samt fordonsegenskaper.
Trafikbelastning
En ökning av axellast, antal lastcykler och metervikt accelererar nedbrytningen av spåret. Axellasten hos fordonen anses framförallt påverka graden av utmattning och sättningar i spåret. Resultat baserat på nedbrytningsmodeller, som redovisas av Sadeghi och Askarinejad (2007), tyder på ett nästan linjärt förhållande mellan axellast och sättningar i spåret. Spårets nedbrytning tycks också mer känslig för ändringar i antalet lastcykler vid högre axellaster. En ökning i antalet lastcykler från 100 till 10 000 resulterar i en ökning av sättningar med 166 procent. En ändring av axellasten från 16 till 22 ton resulterar i 77 % ökning.
Det finns dock fältstudier som tyder på att axellasten inte har så stor inverkan på nedbrytningen. Ett försök med ökade axellaster, från 22,5 till 25 ton, (med reducerad hastighet) på sträckan Hofors– Hällefors, som Banverket gjorde 1997, visade ingen negativ påverkan på någon del av banan till följd av den ökade axellasten (Larsson, 2004).
I den nötningsmodell som är vanligast använd är spårnötningen vid en given tidpunkt proportionell mot energiförlusten beroende av friktionen (Larsson, 2004). Energiförlusten är då proportionell mot tonnaget och ändras/påverkas inte av axellasten. Zhang et al. (2000) använder istället en nötnings-modell där nötningen är proportionell mot den vertikala axellasten och hjulets attackvinkel mot spåret. Det geometriska tillståndet, dvs. spårläget, hos spåret har en högre nedbrytningshastighet än det strukturella tillståndet, dvs. lagertjocklekar, bärighet, etc. (Sadeghi och Askarinejad, 2010). De stora belastningar som spåret utsätts för orsakar sättningar i såväl under- och överbyggnad som undergrund vilket resulterar i avvikelser från den önskade spårgeometrin (Selig och Waters, 1994). Då dessa avvikelser oftast är oregelbundna leder detta till sämre komfort för tågpassagerare och ökade dynamiska tillskottsbelastningar, vilket i sin tur resulterar i ytterligare spårlägesfel.
Med hjälp av nedbrytningsmodeller har Sadeghi och Askarinejad (2007) analyserat olika
effektsamband. Ballastens nötningsegenskaper och undergrundens beskaffenhet tycks ha en signifikant påverkan på uppkomsten av spårlägesfel. Förutsatt spårlägesfel på samma nivå, visar resultaten också att tillåten trafikbelastning för ett skarvfritt spår är fem gånger högre än det hos ett skarvspår.
Resultaten visar också att hastigheten i hög grad påverkar uppkomsten av spårlägesfel. Förändringar i hastigheten tycks ha större relativ påverkan än förändringar i trafikbelastningen.
Dynamiska påkänningar
Den last som går ner i slipern består av en statisk lastdel som härstammar från axellasten och en dynamisk lastdel som är beroende av tåghastigheten och som i huvudsak härstammar från ojämnheter på räl och hjul samt från spårlägesfel. Det dynamiska lasttillskottet för sliperslasten kan vara
betydande (Ramböll, 2010).
Paulsson (2013) menar att dynamiska påkänningar utgör den helt dominerande effekten för
banöverbyggnadens nedbrytning och att merparten av befintliga prognosmodeller inom järnväg därför är uppbyggda kring dessa.
Enligt Ramböll (2010) är de faktorer som påverkar det dynamiska lasttillskottet: axellast
axelavstånd tåghastighet
ostadig fordonsrörelse
fordonsboggins dynamiska egenskaper
hjuldefekter (excentricitet, obalans och hjulplattor) motorstörningar
rälsdefekter
avstånd mellan rälsskarvar växlar
kurvor (centrifugalkrafter)
sliprarnas geometri, styvhet och avstånd ballastens geometri, styvhet och inhomogenitet undergrundens styvhet och geometri.
Förutom storleken på den dynamiska lasten, enligt ovan, påverkas nedbrytningshastigheten även av antalet axelpassager och tiden mellan passager påverkar (Trafikverket, 2013).
I samband med höjning av axellasten från 25 till 30 ton på Malmbanan utfördes mätningar som visade att motsvarande dynamisk tillskottsfaktor erhölls oavsett 25 eller 30 tons axellast (Hammarlund, 1996). Den nedbrytningsmodell som användes vid övergången till 30 tons axellast på Malmbanan baserades på ett Nordamerikanskt angreppssätt där en skadefaktor beroende av axellast ändå finns med:
Nedbrytningen = (P/P0)n x M x SM x G x L
där;
(P/P0)n = skadefaktor beroende av axellast där P är den nya (högre) lasten, P0 är den gamla
(existerande) lasten och n är en skadeexponent för axellasten,
M = fordonsfaktor SM = hastighetsfaktor G = nötningsfaktor
L = smörjningsfaktor (ZETA-TECH Associates, 1996).
I extrema fall kan ökningen av dynamiska påkänningar vara sex gånger den statiska lasten. Det dynamiska tillskottet ökar vid ökad hastighet och försämrad spårkvalitet, där spårkvaliteten definieras som den avvikelse som hjulet känner av, dvs. avvikelser i rälyta (korrugering) och spår. Stora
dynamiska tillskott vid hjulpassage från avvikelser i termitsvetsskarvar erhålls t.ex. redan vid
skarvar förekomma men då handlar det istället om felaktigt mått på skarvöppningen. I båda fallen är det frågan om avvikelse i förhållande till, enligt föreskrifterna, gällande toleranskrav (Esveld, 2001).
Fordonsegenskaper
I Sverige har vi som följd av vårt stora spårnät i förhållande till befolkning och förhållandevis lågt transportarbete på järnvägen generellt sett, fler kurvor och kanske inte lika bra spår som i andra länder med större trafikunderlag. Därför har vi haft en tradition av att bygga fordon anpassade för dessa spår, dvs. spårvänliga fordon med avseende på nedbrytning av rälen, som kan trafikera dessa spår utan att orsaka stora skador och slitage. Detta har lett till den paradoxala situationen att, i och med att fler utländska fordon kommer in, nyare och modernare fordon med en konstruktion som ibland sliter mer än gamla befintliga fordon. När man jämför spårvänligheten hos olika fordon är det dock viktigt att påpeka att transportuppgiften skiljer mellan olika fordon, dvs. fordonen har olika förutsättningar, och att spårvänligheten är ett relativt mått. Det kan vara så att en transport med ett spårovänligt tåg ändå resulterar i mindre slitage jämfört med ett spårvänligt fordon som har fler vagnar, kör fler omlopp, har högre hastighet, etc. Jämförelser av slitage mellan olika fordon per tonkm är relevant men den
specifika transportuppgiften kan alltså leda till andra slutsatser (Thalén, 2013).
Den dominerande parametern beträffande rälsslitage är axellasten. Utöver detta är det kombinationen lagerboxstyvhet/axelavstånd i boggin (eg. stel boggi och långt axelavstånd) samt en hög oavfjädrad massa som är kostnadsdrivande. Även antalet axlar är viktigt; dvs. hur fordonens vikt fördelas. Treaxliga styva boggier eller ramverksfordon kan vara speciellt spårovänliga, i synnerhet i
kombination med höga axellaster. Det är dock inte alltid så att ett stort avstånd mellan hjulparen (t.ex. tre axlar) är sämre än ett kortare (t.ex. två axlar) eftersom de andra ovannämnda parametrarna också påverkar (Thalén, 2013).
Utöver detta så innebär ökad hastighet och ökad rälsförhöjningsbrist att krafterna och därmed nedbrytningen ökar men dessa parametrar bedöms inte ha lika stor påverkan som de parametrar som nämns ovan. Hastigheten och rälsförhöjningsbristen kan dock vara av större betydelse för lätta fordon eller tomma godsvagnar jämfört med exempelvis en tom timmervagn. Även en hög tyngdpunktshöjd påverkar slitaget eftersom detta medför att krafterna ökar i kurvor. Nedan beskrivs fordonsegenskaper för olika fordonstyper (Thalén, 2013).
X40: X40 lider av att axellasten är hög och att boggin är stel, även tyngdpunkten ligger högt. Om fordonet trafikerar spår med få och stora kurvor kommer betydelsen av att axeln är stel att vara liten. X2: X2 har en lägre axellast än X40. Om det liknas med ett helt motorvagnståg så har det en ännu lägre axellast jämfört med X40. Boggin är radialstyrande, vilket sammantaget ger ett spårvänligt fordon trots att hastigheten/rälsförhöjningsbristen är hög.
X50: X50-serien (och X31 Öresundtåget) har relativt låg axellast och en länkarm mellan boggi och axel som ger en bättre radialstyrande förmåga än traditionella boggikonstruktioner. Därför är de att betrakta som spårvänliga.
X60: X60-serien har Jakobsboggier och därmed både ett större axelavstånd och en högre axellast och dessutom tyngre ändvagnar som driver upp genomsnittlig axellast.
Rc-lok: Rc-loken har ca 20 tons axellast. Det gör skillnad vilken hastighet de är växlade för. De har även relativt styva boggier.
TRAXX/ EL19/ Re/ HR241: TRAXX/ EL19/ Re/ HR241 m.fl. är lok med tasslager och ganska hög oavfjädrad massa, dvs. vikten av hjul, hjulaxlar och transmission är förhållandevis hög i relation till axellasten. Detta påverkar de dynamiska impulskrafterna till spåret som skadar räls och ballast. Generellt är oavfjädrad massa ganska viktig och ofta hög på lok.
Hur fordonen underhålls påverkar givetvis också hur spårvänliga de är; dåligt underhållna fordon orsakar högre slitage (Thalén, 2013). Ojämnheter på hjul och räl orsakar ett dynamiskt lasttillskott
men även avvikelser från ideala spårlägen, hjullastomlagringar på grund av drag- eller bromskrafter samt kurvor kan bidra till lasttillskottet på spåret. Det dynamiska tillskottet, orsakat av ojämnheter på hjul eller räl, kan uppgå till 50–300 %. Storleken på det dynamiska lasttillskottet påverkas främst av axellasten, hastigheten, ojämnheternas storlek, spårets elasticitet samt fordonets dynamiska beteende (Sahlin och Sundquist, 1995; Möller et al., 2000; Dahlberg, 2004).
Storleken på det slitage som uppstår kring interaktionen mellan hjul och räl beror i huvudsak på två faktorer. Den första anknyter till kontaktmekanik och materialteknik. Den andra faktorn anknyter till hur väl hela systemet räl/ hjul/ boggi samverkar, dvs. vagnens gångdynamik. Länken mellan dessa faktorer är rälens och hjulens profiler (Esveld, 2001; Åhrén, 2002).
Hjulplatta, dvs. ojämnheter på hjulen, uppstår när hjul låses vid inbromsningar och därmed glider på rälen. Hjulplatta orsakar stötkrafter med kort varaktighet men med en storleksordning som kan vara flera gånger större än den statiska last som orsakas av tågets vikt (Xiang et al., 1994). Studier har också visat att sprickor som hittats i armerade betongsliprar är starkt relaterade till hjulplattor (Dean et al., 1982).
3.2.
Räl
Klimatpåverkan i form av temperatur, fuktighet, regn och snö samt närvaron av sand påverkar i hög grad nedbrytningen av rälerna (Kumar, 2006). Vintertid ökar styvheten hos rälen vilket kan leda till fler skador på rälen orsakade av krafterna mellan hjul och räl. Hög omgivande temperatur (högre än 25°C) kan orsaka longitudinell utvidgning av rälen, vilket kan leda till bildning av så kallade solkurvor.
Orsaken till solkurvor är ofta eftersatt underhåll eller avvikelser i spårets konstruktion i kombination med solvärme och därmed hög rälstemperaturer vilket resulterar i stora tryckkrafter i rälerna. I många fall kan solkurvor härledas till arbeten utförda i spåret eller spårområdet som därmed påverkat spårstabiliteten. Det är vanligt att en solkurva utlöses i samband med tågpassage,
(www.trafikverket.se).
Sprickor, vanligen orsakade av utmattning, uppkommer i regel som fina horisontella sprickor i överkanten av rälshuvudet men utmattning som initieras i centrum på rälfoten kan också uppkomma. De senare är delvis ett resultat av höga böjdragspänningar i denna punkt (Ramböll, 2010; Paulsson, 2013).
Åldern hos rälen kan ha betydelse eftersom materialet åldras och dess egenskaper därmed ändras (Kumar, 2006). Även stålsorten har betydelse för rälslitaget (Hammarlund, 1996). Ett hårdare stål ger mindre rälsslitage men ökar ofta problemen med ytutmattning, bland annat pga. lägre brottseghet. Slitage och utmattning är exempel på två faktorer som påverkar nedbrytningen av rälerna. I små kurvradier dominerar nedbrytning orsakad av sidoslitaget och på raksträckor dominerar nedbrytning orsakad av utmattning (Fig. 3). Förutom kurvradien påverkas sidoslitaget signifikant av smörjning av rälen och fordonens styrningsegenskaper. Om rälen smörjs minskas slitaget (Larsson, 2004).
Figur 3. Nedbrytningsindex för nötning respektive utmattning som funktion av kurvradien (Larsson, 2004). Nedbrytningsindex motsvarar en relativ nedbrytningshastighet.
Om fordonshastigheten är högre än den dimensionerade hastigheten i kurvor, med avseende på rälsförhöjning, kommer den yttre, högre rälen att nötas mer av fordonshjulen. Om fordonshastigheten å andra sidan är lägre än den dimensionerade i kurvor kommer accelererad nedbrytning att ske på den inre, lägre rälen (IHHA, 2001).
Rälsskador är också vanligare på skarvspår än på helsvetsat spår. Orsaken är dels att spårläget på skarvspår ofta är sämre än på helsvetsat spår, dels att spårstyvheten med tiden avviker från den avsedda. När rälen, vid för hög styvhet, måste ta upp hela den dynamiska lasten ökar tillväxten av sprickor (Trafikverket, 2013) .
När en rälsskada väl uppstått ersätts ofta en 6–8 m rälsbit med nytt material (Trafikverket, 2013). Detta leder till att två nya termitsvetsar erhålls. Eftersom antalet svetsar därmed ökar med tiden och termitsvetsarna är en vanlig startpunkt för sprickor ökar också antalet OFP-fel med tiden. Skadade räler kan också orsaka nedbrytning av fordonshjulen (Kumar, 2006).
Om skarvöppningarna stängs eller öppnas helt vid små temperaturändringar kommer det att leda till accelererad nedbrytning av rälsändarna (Lichtberger, 2005).
3.3.
Befästningar
I Sverige förekommer följande typer av befästningar; Pandrol E-clip, Pandrol Fast-clip, Fist, Heyback, K-fäste, Rälsspik och Fjäderspik (Banverket, 2008a). Vanligt förekommande fel hos befästningar är att de lossnar, utmattas eller spricker. Det förekommer också att mellanlägg och isolator saknas eller gått sönder. Saknade eller brustna befästningar leder till att rälen inte fixeras som den ska.
3.4.
Sliprar
Betongsliprar är speciellt känsliga för dynamiska laster. Sliperstöjningen kan dock ungefärligen halveras vid användande av mjuka mellanlägg jämfört med normala mellanlägg (Esveld, 2001). Sprickbildning på betongsliprar kan leda till att vatten tränger in och armeringen korrugerar. Allvarligaste skadorna uppkommer då slipern blir överbelastad genom dynamiska lasttillskott på grund av rälsskador eller vid förorenad ballast (Ramböll, 2010). Den hårdast belastade delen på slipern är direkt under rälen. Nedbrytning av sliperns underyta kan uppkomma på ställen med höga
ballastspänningar, exempelvis vid tunt ballastlager direkt på berg eller vid övergång mellan bro och bank.
Kontaktytan mellan sliper och de enskilda ballastkornen är uppskattningsvis endast 5–10 % av sliperns totala underyta. Detta genererar stora tryck i de enskilda kontaktpunkterna, vilket kan leda till
nedbrytning av både ballastkorn och sliprar, med spårlägesförändringar som följd (Möller et al., 2000).
Tidigare mätningar visar att små hålrum mellan sliper och ballast är vanligt förekommande (Olsson och Zackrisson, 2000). Så mycket som 50 % av alla sliprar kan vara mer eller mindre ”hängande” (Augustin et al., 2003), vilket kan leda till oönskade dynamiska påkänningar på såväl ballast som sliprar och därmed påverka nedbrytningsprocessen (Lundqvist och Dahlberg, 2004). En hängande sliper med så lite som 1 mm mellanrum till ballastbädden kan orsaka uppemot 70 % ökning av kontakttrycket under de närmast intilliggande sliprarna. Detta resulterar också i att den vertikala förskjutningen av de närliggande sliprarna ökar med 40 %. Dessutom kan den oregelbundna belastningen av spårbädden leda till ojämna sättningar och därmed spårlägesfel.
3.5.
Ballast
Spårlägesförändringar sker framförallt pga. krossning av ballastpartiklar. Partiklarnas nedbrytning är en komplex mekanism som börjar vid partiklarnas kontaktpunkter och kornens svaghetspunkter och fortsätter med komplett nedbrytning av vekare partiklar när lasten ökar. Detta leder till deformationer samt att befintliga hålrum fylls med finmaterial, vilket medför nedsatt dräneringsförmåga.
Generellt kan de faktorer som huvudsakligen påverkar partikelnedbrytningen kategoriseras i tre olika grupper:
1. egenskaper relaterade till stenmaterialet/bergart (såsom hårdhet, nötningsbeständighet, densitet, vittringsbenägenhet, minerologisk sammansättning, interna bindningar och korntextur)
2. fysiska egenskaper hos de enskilda kornen (såsom kornform, krossytegrad, kornstorlek, ytjämnhet)
3. faktorer relaterade till kornsammanslutningar och belastningsegenskaper (såsom
tryckhållfasthet, kompaktdensitet, tjocklek hos ballastlagret, gradering, närvaro av vatten eller ballastens fukthalt, cyklisk belastning i form av lastens amplitud och frekvens). (Indraratna et al., 2009).
Sättningar uppkommer i ballast bl.a. på grund av trafikbelastningen. För detta finns ett flertal modeller som vanligtvis har ett logaritmiskt förhållande, dvs. de utgår från en initialt stor deformation som sedan avklingar och närmar sig ett asymptotiskt värde. Permanenta deformationer i granulära material påverkas av ett stort antal egenskaper; bl.a. spänning (spänningsnivå, huvudspänningsrotation, spänningshistorik), belastning (magnitud, antalet belastningar, belastningstid, frekvens, belastnings-ordning), fukt (fukthalt, permeabilitet i materialet, vattenmättnadsgrad), ballast (typ av ballast, partikelform, kornkurva, finjordshalt, maximal kornstorlek) och frys-tö-påverkan. Sättningarna leder till spårlägesfel i allmänhet, i synnerhet vid övergångskonstruktioner. (Ramböll, 2010).
Storleken på plastiska deformationer ökar med ett ökat antal överfarter (Nålsund, 2010). Genom att generera en mer välgraderad kornstorleksfördelning kan de permanenta deformationerna reduceras. Understoppning, vid t.ex. spårriktning, är den största källan till nedbrytning av ballasten. Enligt beräkningar av Sadeghi och Askarinejad (2007) orsakar en spårriktningsåtgärd, med en höjning av spåret från 4 till 40 mm, en ökning på 133 % av sättningen i spåret.
Nedbrytning av ballastmaterialet sker i större eller mindre omfattning under både bygg- och
driftskedet genom krossning, transport, packning, byggnadstrafik och trafikbelastning. Nedbrytningen kan delas in i två olika typer; nedkrossning och nötning. De viktigaste faktorerna som orsakar
nedkrossning är kornfördelning, kornform, andel spröda mineral, mineralens kornstorlek och orientering samt belastningsnivå. Ett ensgraderat material är känsligare för nedkrossning än ett välgraderat, dvs. belastningsnivån för välgraderade material måste vara högre än för ett ensgraderat material för att uppnå likartad nedkrossning. En påtaglig nedbrytning av underballasten sker först vid belastningar uppemot 5–10 MPa vilket kan jämföras med den, för svenska förhållanden, vanliga
belastningsnivån på ungefär 50 kPa. Ett stort antal belastningscykler kommer ändå att leda till nedbrytning och finjordsbildning (Sundquist, 2000; Dehlbom, 2003).
Den inre friktionen och den stora hålrumsvolymen hos ballasten försämras med tiden då materialet bryts ned och genererar finkornigt material, det vill säga korn som är mindre än 31,5 mm i diameter (Trafikverket, 2012). Material inom kornfraktionen 0–11,2 mm i kombination med att vatten samlas i ballastlagret försämrar funktionen hos ballastlagret ytterligare. Dessutom sker 2,5–5 gånger mer nednötning i ett fuktigt material än i torrt material (Dehlbom, 2004).
Ballastförorening
Ballastens livslängd är beroende av hur mycket finmaterial som finns i ballasten. Tabell 3 redovisar möjliga orsaker till finjordsförorening av ballasten. De två viktigaste faktorerna för höjning av finmaterialhalten är att ballasten mals ner på grund av trafik och underhållsåtgärder (spårriktning och stoppning) samt intransport av finmaterial med hjälp av vatten eller växtlighet (Trafikverket, 2013).
Tabell 3. Möjliga orsaker till finjordsförorening av ballast (Selig och Waters, 1994).
1. Nedbrytning av ballast a. Hantering
i. Vid täkten ii. Under transport iii. Vid utläggning
b. Frostsprängning (mekanisk vittring) c. Kemisk vittring
d. Skador från understoppningsarbeten e. Trafikbelastning
i. Upprepade belastningar ii. Vibrationer
iii. Hydraulisk inverkan av finjordsvälling f. Från komprimeringsmaskiner
2. Infiltration från ytan
a. Transporterad med ballasten b. Från passerande tåg
c. Vindtransporterat jordmaterial d. Vattentransporterat jordmaterial
e. Stänk från närliggande skvättfläckar (Fig. 4) 3. Nedbrytning av sliper
4. Infiltration från underliggande granulära lager a. Sönderdelning av gammal spårbädd
b. Vandring av underballastpartiklar beroende på bristfällig kornstorleksfördelning 5. Infiltration från undergrund/ leruppumpning
Figur 4. Skvättfläckar. (Foto: Torgny Nilsson, Trafikverket).
Finjordsförorening av ballasten leder till att dess funktion försämras med avseende på bärighet och dräneringsförmåga (Holm et al., 2002; Selig och Waters, 1994). Selig och Waters (1994) menar dock
att kornstorleken på det nedbrutna materialet har stor betydelse för ballastens egenskaper. Sandigt och grusigt nedbrytningsmaterial kan till och med förbättra egenskaper som skjuvhållfasthet och styvhet. Även tjälmotståndet kan förbättras. Består däremot det nedbrutna materialet av silt- och lerpartiklar kommer en lervälling att kunna bildas i kombination med vatten. I takt med att halten finjordspartiklar i ballasten ökar kommer också underhållsåtgärder som understoppning att bli mindre effektiva för att vidmakthålla stabilt spårläge. I torrt tillstånd kommer vibrationerna att leda till att ballastpartiklarna kommer i ett lösare tillstånd och i vått tillstånd kommer finjorden att fungera som ett smörjmedel som försämrar strukturen och egenskaperna hos ballasten.
Vegetation
Utvecklingen av olika vegetationstyper styrs blad annat av tillgången på ljus, vatten, värme och näringsämne (Trafikverket, 2012). Förekomsten av växtlighet på bankroppen påverkar framförallt dräneringen. Vegetation på eller intill banvallen kan förhindra dränering samt dra åt sig fukt. Nedbruten växtlighet ger också ett tillskott på finmaterial.
3.6.
Spårgeometri och styvhetspåverkan
Olika processer orsakar nedbrytning av olika delar i bankonstruktionen. Nedbrytningen av räler beskrivs ofta genom slitage och utmattning, medan nedbrytning av spårgeometrin6 är relaterat till t.ex.
sättningar hos ballast och undergrund (Berggren, 2009).
Rörelse mellan räl och underlag, dvs. rälsvandring, kan uppkomma i olika gränsskikt. Normalt sker rörelsen i det skikt där motståndet är som lägst. Ballastens sido- och längsmotstånd beror av dess geometri, tyngd och inre friktion. Rälsvandringsmotståndet beror också på befästningens utformning och hållkraft. I spår med fjädrande befästning och 0,65 m slipersavstånd är motståndet i allmänhet ≥ 15 kN/m räl. Storleken på förskjutningen av slipern i ballasten beror av sliperns utformning och tyngd, ballastens typ och mängd, ballastens konsolideringsgrad och huruvida ballasten är frusen eller inte frusen (Ramböll, 2010).
Även spårstyvhetsförändringar orsakar ökade dynamiska krafter; graden av tillskottet beror på bl.a. hastighet, styvhetsskillnad, dämpning och längd på övergångskonstruktion (t.ex. mellan bro och bank på lös lera) (Esveld, 2001). Generellt innebär en hög spårstyvhet en minskad nedbrytning av spåret (Berggren, 2009). En alltför hög spårstyvhet leder dock till högre dynamiska krafter, vilket kan orsaka en snabbare nedbrytning av spåret. En varierande spårstyvhet längs en spårsträcka kan dessutom leda till vibrationsproblem och en differentierad nedbrytning av spårgeometrin. Styvheten för ett fruset spår är ca 1,3–2 ggr högre än för ett ofruset spår (Ramböll, 2010).
Spårstyvheten har visat sig väldigt användbar för att bestämma orsaken till vissa problem relaterade till banunderbyggnaden (Tabell 4). (Berggren, 2009)
6 Nedbrytning av spårgeometrin definieras som nedbrytning av en eller flera komponenter som ingår i
Tabell 4. Förhållande mellan styvhet och spår-problem/-underhåll (Sussmann et al., 2001)
Egenskap Problem Underhåll/ Rehabilitering
Låg spårstyvhet Undermålig undergrund eller
nedkrossad ballast
Underbyggnadens uppbyggnad, stabilisering av undergrund Alltför hög spårstyvhet Dynamiska krafter, nedkrossad
ballast, sättningar
Mjukare mellanlägg, ballastkomplettering
Varierande spårstyvhet Varierande spårunderstöd Byte av mellanlägg, översyn av underbyggnadens uppbyggnad, gummiduk
Hängande sliprar Nedkrossad ballast, lokala
sättningar, dåliga befästningar
Inspektera befästningar, spårriktning, understoppning, ballastrening
3.7.
Undergrundens stabilitet
De huvudsakliga orsakerna till problem i undergrunden har beskrivits av Li och Selig (1995): Lasten: Materialens egenvikt respektive dynamisk fordonslast.
Jorden: Jord med fin gradering (silt och lera) har lägre styrka och permeabilitet än jord med grov gradering (sand och grus).
Fukthalt: Nästan alla undergrundsproblem kan relateras till hög fukthalt i fingraderad jord. Närvaron av vatten i undergrunden kan radikalt reducera styrkan och styvheten hos jorden. Temperatur: Temperaturen hos jorden har betydelse när den orsakar frys-tö cykler.
De två mest frekventa skademekanismerna i undergrunden, orsakade av höga axellaster, är progressivt skjuvbrott och plastiska deformationer (Lord, 1999). Det förstnämnda sker främst i finkorniga jordar och speciellt i jordar med hög lerhalt. Undergrundsjorden skjuvas successivt utåt och uppåt mot markytan vilket leder till en sättning under sliperändan och en lyftning vid sidan om spåret. Den uppträngda jorden vid sidan om spåret hindrar vatten från att dränera ut och medför att vattnet hålls kvar under spåret likt en balja, vilket förvärrar skadorna ännu mer.
Chrismer och Selig (1993) anser att sättningar är den avgörande faktorn vad gäller nedbrytningen av spåret och beror i de flesta fall på plastiska deformationer hos överballasten, underballasten och/eller undergrunden. Plastiska deformationer i undergrunden är mest markant under bankens yttre områden och orsakas av upprepade belastningar (Lord, 1999). Permanenta deformationer kan i sin tur t.ex. orsakas av partikelkrossning och nedsatta dräneringsegenskaper (Selig och Waters, 1994). Sussmann et al. (2001) menar att orsaken till ett instabilt spårläge i regel är en svag undergrund eftersom undergrundens egenskaper är det som påverkar spårläget och spårstyvheten mest. Ibland kan denna svaghet härledas till bristfällig dränering. När väl problemet visar sig på spåret, har det i regel gått så långt att banan måste rekonstrueras för att få ner påkänningarna, från trafiken, på undergrunden till acceptabla nivåer. Alternativt kan förstärkningsåtgärder användas för att öka styrkan och styvheten på undergrunden, exempelvis med hjälp av kalk-/cementpelare.
Ballast och underballast påverkas av styvheten både över och under sig. En ballast som vilar på berg kommer att utsättas för stora tryck-/dragkrafter vid varje fordonspassage jämfört med en ballast som vilar på ett mjukt lerlager (Berggren, 2009).
Tjäle
För att undvika tjällyftningar är det viktigt att ta bort tjälfarlig jord och att se till att ha ett, för platsens klimatförutsättningar, tillräckligt tjockt underballastlager. Tjällyftningar kan ge allvarliga tågstörnings-problem, i synnerhet om tjällyftningarna är ojämna. Problemen innefattar spårläges- och skevningsfel, samt specifika problem vid övergångskonstruktioner (Ramböll, 2010).
3.8.
Dränering
Vattenkvoten har stor inverkan på styvheten (E-modulen) hos granulära material och, i kombination med finjord, materialvandring och förekomsten av skvättfläckar. Brister i dräneringssystemet kan leda till spårlägesfel, sättningar och brott (Ramböll, 2010).
Dikesrensning och renovering av sidodränage och trummor är viktigt med avseende på stabiliteten i bankroppen (Nilsson, 2001). Primära orsaker till att jordmassor som funnits sedan banorna byggdes nu kollapsar kan huvudsakligen tillskrivas den höga graden av vatteninfiltration och relativt låg
packningsgrad på det finkorniga fyllnadsmaterialet. Jorden får därmed en vattenövermättnad som övergår i ett flytande tillstånd (passage av flytgränsen).
Krav på dränering av bankonstruktionen avser: Dränering av geokonstruktioner i bankroppen Dränering av geokonstruktioner i ytterslänter Bortledning (avvattning) av ytvatten.
Upprepade dynamiska belastningar under lång tid kan, förutom risk för utmattningsbrott hos
konstruktionen, leda till att porvattentrycket i täta jordar eller instängda lager höjs stegvis, till följd av att porvattentrycket inte hinner sjunka undan mellan belastningspulsarna, vilket medför att effektiv-spänningen i jorden minskar. (Möller et al., 2000)
Förmågan hos en jordart eller ett material att kunna suga upp vätska kallas kapillaritet. Består jordytan av ett material med stor kapillaritet stiger grundvattnet över grundvattenytan. Vissa jordarter förmår suga upp vatten ända till markytan. Jordarterna delas därför in i olika tjälfarlighetsklasser, beroende på kapillaritet och genomsläpplighet, dvs. förmåga att släppa igenom vatten. Grus och sand har
visserligen stor genomsläpplighet, men knappast någon kapillaritet. De är därför inte tjälfarliga. Jordarterna silt och lera är å andra sidan mycket tjälfarliga eftersom de är både genomsläppliga och har stor kapillaritet. Om vattenövermättade jäsleror utsätts för vibration får de en flytande konsistens och förlorar sin bärighet.
Vattenövermättad finjord, framförallt innehållande fraktionen silt, har förmåga att transporteras upp till överballasten och finjordsförorena denna genom en pumpeffekt. Detta är vanligt i samband med dålig vattenavrinning och undermålig dränering av banvallen. Det är också troligt att problemet kommer att öka till följd av klimatförändringar och ökade tillåtna axellaster och fordonshastigheter (Sundvall, 2005).
4.
Tillståndsmätning/ mätning av nedbrytning
4.1.
Tillståndsparametrar
Genom att använda pålitliga tekniker för att förutsäga tillståndet på järnvägen kan effektiviteten av underhållsåtgärder och trafiksäkerheten höjas. Tillståndet på järnvägsbanorna mäts därför
kontinuerligt, maskinellt, manuellt och/eller via okulärbesiktning. Omfattningen av mätningarna är beroende av banans besiktningsklass, som bygger på hastighet och trafikbelastning (Tabell 5). Tabell 5. Besiktningsklasser och deras användning, (Trafikverket 2012a).
Besiktnings-klass
Används för:
B1 Hastighet: mindre eller lika med 40 km/h.
B2 Hastighet: högre än 40 km/h men mindre än eller lika med 80 km/h Trafikbelastning: mindre än eller lika med 8 Mbrt/spår och år B3 Hastighet: högre än 40 km/h men mindre än eller lika med 80 km/h
Trafikbelastning: högre än 8 Mbrt/spår och år
Hastighet: högre än 80 km/h men mindre än eller lika med 140 km/h Trafikbelastning: mindre än eller lika med 8 Mbrt/spår och år B4 Hastighet: högre än 80 km/h men mindre än eller lika med 140 km/h
Trafikbelastning: högre än 8 Mbrt/spår och år Hastighet: högre än 140 km/h
Trafikbelastning: mindre än eller lika med 8 Mbrt/spår och år
B5 Hastighet: högre än 140 km/h
Trafikbelastning: högre än 8 Mbrt/spår och år
Tillståndsmätningar görs upp till sex gånger per år beroende av besiktningsklass och innefattar t.ex. spårläge, räfflor och vågor (korrugering) på rälen, rälsprofil, ballastprofil samt OFP-data (Tabell 6–9). Tabell 6. Mätningens omfattning för parametrar som skall mätas (Banverket, 2008b)
Besiktnings-klass bana Spårläge (antal/år) Korrugering (antal/år) Rälsprofil (antal/år) Video spår (antal/år) Video omgivning (antal/år) 1 1 0 0 1 1 2 3 1/2 1/2 1 1 3 4 1 1 2 1 4 6 2 1 2 1 5 6 2 1 2 1
Tabell 7. Mätningens omfattning för parametrar som bör mätas (Banverket, 2008b). Besiktnings-klass bana Ballastprofil (anta/år) Besiktningar (räl, befästning, sliper) (antal/år) 1 1/4 1/2 2 1/3 1 3 1 2 4 1 2 5 1 2
Tabell 8. Mätningens omfattning för vegetation om option löses ut (Banverket, 2008b). Besiktnings-klass bana Vegetation (antal/år) 1 1/2 2 1/2 3 1 4 1 5 1
Tabell 9. Mätningens omfattning för mätparametrarna georadar, styvhet och klämkraft om option löses ut (Banverket, 2008b).
Parameter Förväntat antal km/år
Georadar 500 - 1500
Styvhet 500 - 1500
Klämkraft 500 - 1500
Den viktigaste av dessa mätningar mätningen är spårlägesmätningen eftersom ett dåligt spårläge leder till fel i andra delar av infrastrukturen eller kan vara symptom på sådana fel (Innotrack, 2010). Vid spårlägesmätning görs en mätning varje 25:e cm. Vid spårlägesmätningar beräknas punktfel i
förhållande till den anordnade spårgeometrin avseende höjdläge (kortvågigt/långvågigt, höger/vänster räl), sidoläge (kortvågigt/långvågigt, höger/vänster räl), rälsförhöjning, skevning, spårvidd och
kurvatur. Omfattningen av mätningen varierar beroende på besiktningsklass mellan 1 och 6 ggr per år. Reproducerbarheten hos mätningarna ska enligt specifikation vara enligt Tabell 10 nedan.
Tabell 10. Skall-krav för reproducerbarheten (95 % av alla data) av spårlägets mätparametrar enligt SS-EN 13848-2 (Banverket, 2008a).
Parameter Inget filter D17 D28 D3
Höjdläge ± 0,8 mm ± 2 mm ± 5 mm9
Sidoläge ± 1,1 mm ± 3 mm ± 7 mm10
Rälsförhöjning ± 2,5 mm Skevning (6 m) ± 0,5 mm/m
Spårvidd ± 1 mm
För varje punktfel finns gränsvärden som specificerats utifrån säkerhet mot urspårning och baseras på kvalitetsklass, som i sin tur baseras på högsta tillåtna tåghastighet. A-, B- och C-fel anger gräns-värdena för varje kvalitetsklass. A-fel är en gräns för ett nyjusterat spår, B-fel anger en underhålls-baserad gräns och C-fel anger en akutgräns då åtgärder bör sättas in snarast eftersom det finns en risk för urspårning. Överskrids gränsen för C-fel övervägs hastighetsnedsättning innan åtgärd satts in, (Trafikverket 2013b). Det finns även gränser för Urspårningsfarliga fel för parametrarna skevning och spårvidd. Ett problem vid analysen av C-fel är osäkerheten i mätdata som finns i Optram. Osäkerheten finns i positionering och eventuella felmätningar (Spännar, 2013).
Vidare är både Q-tal och K-tal indikatorer på spårens kvalitet och tillstånd, vilket har betydelse för spårets nedbrytning. Dessa beräknas utifrån standardavvikelser över 200 m för spårlägesparametrarna höjdläge, sidoläge, rälsförhöjningens ojämnhet och samverkan som är en sammansatt signal av rälsförhöjnings ojämnhet och sidoläge. Q-talet beräknas som ett vägt index av standardavvikelsen för höjdläge och samverkan, beräknat som avvikelser från den geometriska komfortgränsen för en specifik spårklass. Q-talet beräknas kontinuerligt på 200-meterssträckor. K-talet används för att beskriva hur stor del i procent av den undersökta spårlängden för vilken samtliga standardavvikelser, avseende höjdläge, rälsförhöjningens ojämnhet och sidoläge understiger komfortgränsen (Andersson et al., 2011).
Ett högt värde på Q-talet innebär alltså att spårläget genomsnittligt är bra. Däremot kan det ändå förekomma enstaka stora punktfel och en kortare spårriktning som utförts på en sträcka kommer inte att ge utslag på Q-talet för ett kilometeravsnitt. För att kunna utvärdera effekten av en åtgärd bör istället punktfelen analyseras (Trafikverket, 2013b).
Vid rälsprofilmätningen mäts höjdslitage och sidoslitage. Parmetrarna beräknas genom att jämföra med rälens originalprofil. Sidoslitaget beräknas 14 mm under RÖK (rälsöverkant). Höjdslitaget beräknas vid högsta punkten då hänsyn tagits till rälens lutning. Rälsprofilens ovansida och insida ska mätas och rälsprofilens utsida bör mätas. Onoggrannheten i sidoslitage ska maximalt vara ± 0,7 mm (95 % av alla data). Onoggrannheten i höjdslitage ska maximalt vara ± 1 mm (95 % av alla data). Onoggrannheten i sidoslitage bör maximalt vara ± 0,5 mm, och höjdslitaget ± 0,7 mm (95 % av alla data), (Banverket, 2008a).
Svårigheten med rälsprofilmätningar är trots allt den dåliga repeterbarheten hos metoden. I regel är variationen mellan mätningar större än 1 mm medan rälslitaget är mindre än så. Detta betyder att det är svårt att ur data ta ut någon trend över tid, bortsett från i vissa kurvor där slitaget kan vara större. Om
7 Våglängdsområde 1 m < λ ≤ 25 m 8 Våglängdsområde 25 m < λ ≤ 70 m 9 Våglängdsområde 70 m < λ ≤ 150 m 10 Våglängdsområde 70 m < λ ≤ 200 m
