Planering av ny järnväg – Förberedelse för ökad kapacitet genom större byggnadsverk
Planning of a new railway - Preparing for increased capacity through larger construction works
Författare: Osama Ahmed och Adam Bhalli Uppdragsgivare: Trafikverket
Handledare: Per Vedin, Trafikverket Magnus Helgesson, KTH ABE
Examinator: Teresa Isaksson, KTH ABE
Examensarbete: 15,0 högskolepoäng inom Byggteknik och Design Godkännandedatum: 2019-02-18
Serienummer: TRITA-ABE-MBT-199
Sammanfattning
Ett samhälle som ständigt utvecklas och växer ställer stora krav på en välfungerande infraktstruktur.
Satsningar på järnväg som en transportlösning för både person- och godstransporter är grunden för en fortsatt gynnsam utveckling i samhället. När en ny järnvägslinje planeras idag sker det på grundvalav långtidsprognoser som baseras på framtida behov av gods- och persontransporter. Prognoser har i vissa fall visat sig vara missvisande och behovet av ökad kapacitet ligger närmare i tiden än väntat.
Arbetets referensprojekt är Norrbotniabanan och studerar att vid nybyggnation utöka byggnadsverk för att i framtiden när behovet uppstår bygga endast järnvägens BEST (Bana, El, Signal och Tele).
Trafikverket har efterfrågat studien för att vara underlag för kommande järnvägsprojekt. Efterfrågan av högre kapacitet har uppkommit tidigare än förväntat. Exempel på detta är Strängnästunneln och Ostkustbanan. Efter 10–15 år att projekten färdigställs har ett parallellt spår byggts. Dessa projekt undersöks i detta arbete.
I detta arbete studeras byggtider, kostnader och kapacitet samt analyseras miljöeffekter för utökning av byggnadsverk i form av järnvägstunnlar och järnvägsbroar. Tre fall studeras, d.v.s. fall.1 byggnation för enkelspårigt byggnadsverk, fall.2 byggnation för dubbelspårigt byggnadsverk vid nybyggnation och fall.3 byggnation av ett parallellt enkelt spårigt byggnadsverk i framtiden.
Investeringskalkyl har upprättats genom nuvärdemetoden och slutvärdemetoden. Resultatet redovisas i form av diagram som visar den procentuella utökningen av byggtider och investeringskostnader samt även en sammanställning av miljöeffekter.
Resultatet av arbetet har konstaterat att det är lönsammare att förbereda byggnadsverk för större kapacitet vid nybyggnation jämfört med en utökning i framtiden, 29 % mer i tillkommande investering och 59 % längre byggtid krävs för fall.2, 100 % mer i tillkommande investering och tidsåtgång för fall.3. Enligt investeringskalkylen i denna rapport är det ekonomisk fördelaktigt att tillkommande investeringen görs om minst 35 år.
Nyckelord: Järnväg, utökning, byggnadsverk, kapacitet, investeringskalkyl, Trafikverket
Abstract
A society that is constantly evolving and growing creates great demands on a well-functioning infraction structure. Railway investments as a transport solution for both passenger and goods
transport are the basis for a continued positive development in society. When a new railway line plans today, it has based on long-term forecasts based on future needs for passenger and goods transport.
Forecasts have proved in some cases misleading and the need for increased capacity is closer than expected.
The study reference project is Norrbotniabanan and is studying that in the case of new construction, it will expand the construction’s works to build the railway's BEST (Rail, Electricity, signal and
telecommunication) in the future when the need arises. The Swedish Transport Administration
(Trafikverket) has requested the study to be the used as guidelines for future railway projects. Demand for higher capacity has come earlier than expected. Examples of this are the Strängnästunneln and the Ostkustbanan. After 10-15 years have the projects been completed, a parallel track has been built.
These projects have investigated in this rapport.
In this report, times-, cost and capacitycalculation are made and environmental effects have been analyzed for the expansion of construction’s works in the form of railway tunnels and railway bridges.
Three cases are studied, namely case1. construction for single track, case 2. construction for double track and case 3. aconstruction of a parallel single track in the future.
Investment calculations have been prepared using the net present value and the final value method.
The result is presenting in the form of diagrams showing the percentage increase in construction times and investment costs, as well as a compilation of environmental effects.
The result of the report has constituted that it is more profitable to prepare the construction works for greater capacity in new construction compared to an expansion in the future. 29% more in additional investment and 59% longer construction time is required for construction for case 2, 100% more in additional investment and time spent on case 3.According to the investment calculation in this report, it is economically advantageous that additional investment made after 35 years.
Keywords: Railway, extension, construction’s works, capacity, investment calculations, the Swedish Transport Administration
Förord
Denna examensrapport utgör avslutningen på högskoleingenjörsutbildning i teknik och ekonomi vid Kungliga Tekniska högskolan. Examensarbetet innefattar 15 högskolepoäng och är skrivet i samarbete med Trafikverket.
Detta arbete är en undersökning av utökning av byggnadsverk i form av järnvägstunnlar och järnvägsbroar. På grund av att en utökning till dubbelspår av nya järnvägar sker närmare i tid än förväntat vilket var en intressant fråga för Trafikverket som har efterfrågat undersökningen.
Vi vill särsilkt rikta ett stort tack till vår handledare Per Vedin från Trafikverket som gav oss
möjligheten att studera och undersöka denna intressanta fråga och med hans tips, råd och information har detta arbete varit möjligt.
Vi vill även rikta ett stort tack till Magnus Helgesson vår handledare från KTH som har varit till stor hjälp och med hans meningsfulla insats har stödjats oss för att uppnå en akademisk rapport med tydligt resultat.
Slutligen vill vi även tacka följande personer för att dem tagit sin tid och ställt upp på intervju: Agneta Davidsson, Leif Haagensen, Jan Malmtorp, Kurt Palmqvist, Kenneth Rosell, Mattias Roslin, Mats Johansson Thelander och Svante Törnblom.
Stockholm, Jan 2019
Osama Ahmed & Adam Bhalli
Innehåll
1. Inledning... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.2 Målformulering ... 1
1.3 Syfte och frågeställningar ... 1
1.4 Avgränsning ... 1
1.5 Rapportupplägg ... 2
1.6 Begrepp och förkortningar ... 3
2. Metod ... 5
3. Nulägesbeskrivning ... 7
3.1 Trafikverket historia, vision och organisation ... 7
3.2 Trafikverkets verksamhetsområde Stora projekt ... 8
3.3 Planering av ny järnväg... 8
4. Teoretisk Referensram... 11
4.1 Banutformning ... 11
4.2 Järnvägsnätet i Sverige... 14
4.3 Tunnelbyggnation ... 15
4.4 Brobyggnation ... 19
4.5 Järnvägskapacitetanalys ... 22
4.6 Tids- och kostnadsbestämning ... 23
4.7 Investeringskalkyl ... 25
4.8 Miljöeffekter ... 25
5. Genomförandet ... 27
5.1 Webbverktyg ... 27
5.2 Litteraturstudie ... 27
5.3 Kvalitativa intervjuer ... 27
5.4 Kostnadsberäkning och miljöeffekter ... 28
6. Norrbotniabanan och jämförbara projekt... 29
6.1 Norrbotniabanan... 29
6.2 Strängnästunnel ... 31
6.3 Ostlänken ... 32
6.4 Ostkustbanan ... 33
7. Resultat ... 37
7.1 Tunnelbyggnation Norrbotniabanan ... 37
7.2 Brobyggnation Norrbotniabanan... 40
7.3 Investeringskalkyl ... 42
8. Analys ... 43
8.1 Analys av kostnader och byggtider ... 43
8.2 Miljöeffekter ... 49
8.3 SWOT-Analys ... 49
8.4 Analys över investeringskalkyl ... 50
8.5 Val av liknande projekt ... 51
8.6 Kapacitetsanalys... 52
9. Diskussion och slutsats ... 53
9.1 Fördelar respektive nackdelar med att utöka byggnadsverk vid nybyggnation ... 53
9.2 Fördelar respektive nackdelar med att bygga ett parallellt spår i framtiden ... 53
9.3 Hållbarhetsutveckling ... 54
9.4 Slutsats ... 55
9.5 Rekommendationer ... 55
Referenser ... 57
Bilagor
1. Inledning
Detta kapitel är ett pilotkapitel som presenterar arbetes bakgrund, målformulering, syftet och avgränsningar.
1.1 Bakgrund
Järnväg har stor betydelse för ett samhälle och dess utveckling. För en fortsatt utveckling i samhället krävs en välfungerande och tillgänglig järnväg. Investeringar på järnväg är även gynnsamt för miljön.
Den har även mindre påverkan på miljön jämfört med bil och flygtransporter.
Planering av en ny järnvägslinje sker på grundval av långtidsprognoser som baseras på framtida behov av gods- och persontransporter. Prognoser har i många fall visat sig vara missvisande och behovet av ökad kapacitet har legat närmare i tiden än förväntat.
Järnvägen består av byggnadsverk med långa livslängder som till exempel järnvägsbroar,
järnvägstunnlar, bankar och skärningar. Dessa dimensioneras utifrån framtida prognoser. Mycket kan förändras under tiden. En möjlighet kan vara större byggnadsverk för att bättre stå emot framtida förändringar.
Flera nya järnvägar är planerade bland annat Norrbotniabanan, Ostlänken, Hässleholm-Lund och Göteborg-Borås. (Trafikverket 2018)
1.2 Målformulering
Målet med detta examensarbete är att efter avslutad studie kontrollera om det är lönsamt miljömässigt, tidsmässigt samt ekonomiskt att utöka byggnadsverk redan vid nybyggnation än utökning i framtiden.
Målet är även att uppnå ett brukbart, tjänligt och praktiskt resultat som ligger till grund för framtida planeringar av järnvägar hos Trafikverket.
1.3 Syfte och frågeställningar
Syftet är att undersöka merkostnad, genomförandetid och analysera effekter rörande miljö för att vid nybyggnation av järnväg utöka omfattningen på byggnadsverk med långa livslängder.
Frågeställningar:
• Hur mycket kostar det att utöka järnvägens byggnadsverk från ett till två spår i efterhand jämfört med att vid nybyggnation förbereda byggnadsverk för två spår?
• Vilka effekter uppstår genom att utöka byggnadsverk gällande följande faktorer; miljö och byggtider?
• Hur långt fram i framtiden är det ekonomiskt fördelaktigt att bygga ett parallellt spår bredvid befintlig med hjälp av en investeringskalkyl i form av nuvärde- och slutvärdemetoden?
• Hur påverkar en dubbelspårig järnväg hållbarhetsutvecklingen?
• Hur påverkar kapaciteten för enkel- respektive dubbelspårig järnväg?
1.4 Avgränsning
Examensarbetet är avgränsat till att endast studera Norrbotniabanan, sträckningen mellan Umeå och Luleå. Arbetet studerar endast järnvägstunnel- och järnvägsbrobyggnation i samband med planering av järnvägen. Skärningar och bankar beaktas inte under detta arbete.
1.5 Rapportupplägg
Tre sträckor har undersökts som är jämförbara med Norrbotniabanan. Anledningen till detta är att analysera dessa projekt utifrån tid, miljö och ekonomi. Två av dessa sträckor har vid nybyggnation varit enkelspåriga och senare utökats med ett parallellt spår och en är projekterat för dubbelspår vid nybyggnation. Dessa projekt ger möjlighet till nyttig och värdefull information för att komma fram till en slutsats. Tabell 1.1 respektive figur 1.1 visar en påtaglig översiktbild över banor som undersöktes under arbetet. En granskning av andra liknande projekt är avgörande och gör det möjligt att dra nytta av dessa projekt och utforska erfarenheter som kan tillämpas på Norrbotniabanan.
Strängnästunnel är ett projekt mellan Strängnäs–Härad som planerades och byggdes för enkelspår.
Efter drygt 10 år var det hög belastning på sträckan. Detta gjorde att det projekterades till för ett parallellt spår, projektet är nu öppen för trafiken. (Trafikverket 2018)
Nya Ostkustbanan är en stäcka mellan Stockholm- Gävle-Sundsvall-Härnösand. Sträckan är enkelspårig järnväg. Efterfrågan har ökats och det råder stor kapacitetsbrist för tillfället och ett parallellt spår har efterfrågats. Projektet är under projekteringsfas för närvarande. (Trafikverket 2018) Ostlänken är en höghastighetsbana där sträckan går mellan Järna och Linköping. Den är planerad för dubbelspår vid nybyggnation. Projektet är under planeringsfas. (Trafikverket 2018)
Figur1.1 Geografisk placering av undersökta banor
Tabell1.1 Undersökta banor
Projekt Placering Beskrivning Fas
A. Norrbotniabanan Umeå-Luleå Enkelspår Planering och
projektering
B. Ostkustbanan Stockholm-
Härnösand
Utökning med ett parallellt spår
Planering och projektering C. Strängnästunneln Strängnäs-Härad Utökning med ett
parallellt spår
Färdigbyggd och öppen för trafiken
D. Ostlänken Järna-Linköping Dubbelspår Planering
1.6 Begrepp och förkortningar
ATC Automatic train control. Mäter hastigheten och vid behov bromsar tåget om föraren inte gör det.
Bank Om banan löper ovanför den naturliga marken kallas det att banan går i bank.
BEST Bana, El, signal och tele.
Byggnadsverk Utomhus stående struktur t.ex. Bro, tunnel, skärning och bank DF Diskonteringsfaktorn, används vid beräkning av nuvärde metoden.
FAG Formning, armering och gjutning
GrV Grundvattennivå
Horisontal kurva Är en kurva som binder ihop två raka linjer som har olika riktningar i planritning.
Kapacitet Antal tåg som per tidsenhet kan trafikera en järnväg.
KF Kapitaliseringsfaktorn, används vid beräkning av slutvärdemetoden.
Magmatisk bergart Är en bergart som bildas via att magma (innehåller bergarts mineral, kristaller och gaser) har hårdnat i jordens utvändigt.
MKB Miljökonsekvensbeskrivning.
Planritning En översiktlig bild över en sträckning, sett ovanifrån.
Profilritning Sträckan upplevt från vertikalt läge sett till marken.
Q-värde Är ett system som används för att definiera bergklass.
Skärning Om järnvägslinjen sträcker sig under den naturliga marken kallas det att banan går i en skärning.
STAX Största tillåtna axel last för ett tåg på järnvägsbanan anges i ton.
STH Största tillåtna hastighet på en viss sträcka.
Stoppsträcka Sträckan som behövs för att fordonet ska stanna helt.
TBb Tillhörande bro byggnations beskrivning.
TBb/geo Tillhörande bro byggnations beskrivning för geoteknisk beskrivning.
TBM Tunnelborrningsmaskin
Tunnelfront
Är en mynning, en position där framdrivningen av tunneln börjar ifrån.
Det kan uppträda flera fronter i ett tunnelprojekt.
Tunnelsalva Antal borrhål som ingår i borrplan, hålen är ihopkopplade till en borrenhet som sätts igång på en och samma tid.
NBB Norrbotniabanan
2. Metod
Detta kapitel presenterar metoden som tillämpades för att bearbeta frågeställningar till detta arbete.
För att besvara denna rapports frågeställningar på bästa sätt har olika metoder använts. Metoderna kan delas in i jämförelse med liknande utförda projekt till Norrbotniabanan, litteraturstudie, kvalitativa metoder i form av intervjuer, genomföra kostnads, byggtids-och investeringskalkyl, analysera miljöaspekter, resultatanalys och ta fram fördelar och nackdelar mellan utökade byggnadsverk vid nybyggnation och utökning i framtiden.
Att analysera projekt där vid ett senare skede kapaciteten utökats genom att bygga ett parallellt spår bredvid befintligt. Dessa kan jämföras med liknande anläggningar där det redan från start byggdes dubbelspår.
Litteraturstudie omfattar tidigare gjorda examensarbeten i form av examensrapporter, Trafikverkets PM, vetenskapliga artiklar som berör ämnet och lämpliga litteratur för att ta reda på teoretiska fakta bakom byggnation av järnvägs-tunnlar och broar, kostandstyper och miljöeffekter.
Kvalitativa metoder i form av intervjuer sker med berörda aktörer inom Trafikverket och andra
verksamheter som jobbar med järnvägplanering och projektering. Denna metod summerar erfarenheter av involverade som deltog i projekten som är jämförbara med Norrbotniabanan och även personer som har varit med tunnel- och bro byggnationsprojekt för att säkerställa praktiska kunskaper bakom
utförandet av sådana komplexa projekt.
Till resultat delen genomförs kostnads-byggtids och investeringskalkyl och därtill även en analys av miljöeffekter med hjälp av insamlade data från Trafikverket och teoretiska fakta.
Till analys- och slutsatsdelen verkställs en analys av jämförelse av investeringskostnader, byggtider och miljöeffekter vid olika fall d.v.s. vid enkelspårig byggnation, en utökning av byggnadsverk till dubbelspår vid nybyggnation och en utökning av byggnadsverk till ett parallellt spår till den befintliga i framtiden samt sammanställning av för- och nackdelar för olika fall.
3. Nulägesbeskrivning
Detta kapitel presenterar kortfattat enheten Trafikverket, uppdragbeställare till detta arbete.
3.1 Trafikverket historia, vision och organisation
Sedan 2010 ansvarar Trafikverket för de uppdrag som tidigare låg hos Banverket, Vägverket, Rikstrafiken, Rederinämnden och vissa uppdrag för SIKA (Statens institut för
kommunikationsanalys). Trafikverkets huvudsakliga uppdrag är den långsiktiga planeringen av transportsystem för järnvägstrafik, vägtrafik, sjöfart och luftfart i Sverige. Trafikverket ansvarar för byggnation, drift och underhåll för statliga järnvägar samt vägar. Visionen som Trafikverket jobbar efter är “alla kommer fram smidigt, grönt och tryggt”. Denna vision är baserad på transportpolitiska målen. (Trafikverket, 2018)
Huvudkontoret ligger Borlänge och 6st regionkontor finns runt om landet i Stockholm, Göteborg, Gävle, Luleå, Eskilstuna och Kristianstad. Figur 3.1 nedan visar en karta över placering av Trafikverkets kontor
Figur 3.1 Karta över Trafikverkets kontor (Trafikverket, 2018)
Sammanlagt har Trafikverket cirka 7000 anställda vilka är verksamma inom centrala funktioner och verksamhetsområden, se figur 3.2. (Trafikverket, 2018)
Figur 3.2 Trafikverkets organisation, (Trafikverket, 2018)
3.2 Trafikverkets verksamhetsområde Stora projekt
Trafikverkets verksamhetsområde Stora projekt genomför investeringsprojekt som är särskilt komplexa eller har en bedömd kostnad som överstiger 5 miljarder. Verksamhetsområdet genomför planering av väg- eller järnvägsplaner samt genomför produktion. I dessa projekt ingår planering av nya vägar, broar, järnvägar och tunnlar. Projekt Norrbotniabanan är ett av de projekt som tillhör verksamhetsområdet (Trafikverket, 2018)
3.3 Planering av ny järnväg
Vägen till en ny järnväg är lång och kan ta flera år. När det har fastslagits genom studier, undersökning och beslut att det finns kapacitetsbrist i transportsystemet börjar arbeta enligt
fyrstegsprincipen. Här undersöks olika åtgärder för att lösa situationen. Steg 1 och steg 2 går ut på att förbättra den vägbestånd som finns genom alternativa transportmöjligheter eller förbättringar och optimeringar av beståndet som finns. Först i Steg 3 inleder åtgärder där det byggs förslagsvis vidgning och förlängande av plattformen. I steg 4 undersöks åtgärder där det investeras i ny trafikplats,
mötesstation eller ny järnväg. (Trafikverket, 2018). Figur 3.3 nedan visar fyrstegsprincipen.
Figur 3.3 Fyrstegsprincipen (Trafikverket, 2018)
Järnvägsplanen tas fram genom planläggningsprocessen som regleras av lagar. Placeringen av järnvägen studeras genom geotekniska undersökningar av området, förslag och synpunkter tas in från allmänheten. En god dialog förs under hela processen mellan samtliga berörda och intressenter såsom kommuner länsstyrelser, näringslivet, markägare och allmänhet. I ett tidigt stadium utreds även konsekvenser av projektet på miljön. Skulle påverkan på miljön vara omfattande kan Länsstyrelsen besluta om att en Miljökonsekvensbeskrivning (MKB) ska tas fram. Detta beslutas i god tid i
planläggningen. (Trafikverket, 2017). Figur 3.4 nedan visar modellen som Trafikverket har tagit fram vid samråd och granskning
Figur 3.4 Samråd och granskning, (Trafikverket, 2018)
MKB:n innehåller projektets påverkan på människor, djur, luft, naturmiljö, kulturmiljö, mark, vatten, råvaror och energi. Åtgärder föreslås och det framförs alternativa sträckningar och dess påverkan. En MKB kan gälla för byggandet, förvaltning samt användning av järnvägen. Efter Länsstyrelsen godkännande läggs MKB:n till Järnvägsplanen. (Trafikverket, 2017) Se (Kapitel 4.7) för mer information om innehåll av MKB. Figur 3.5 nedan visar planläggningsprocessen som Trafikverkets använder sig av.
Figur 3.5 Planläggningsprocessen, (Trafikverket, 2018)
4. Teoretisk Referensram
Detta kapitel presenterar teorin som söktes fram och som har använts och är grund till detta arbete.
4.1 Banutformning
Detta delkapitel behandlar banuppbyggnad och vilka moment som ingår i banutformning
4.1.1 Banöverbyggnad
Banöverbyggnad består av olika delar som tillsammans bildar överbyggnadskonstruktionen. Rälen är det översta element som är gjord av järn, där tåget kör på. Rälen fungerar som farbana och
konstruktionselement. Farbanan ska ge rälen ett lågt rullningsmotstånd och gör att tåget kan rulla störningsfritt. Av konstruktionselementet ska rälen ta upp vertikala laster och överföra dem ner till ballasten genom befästningar och sliprar. Mellanrummet som sträcker sig parallellt mellan rälerna kallas för spårvidd. Spårvidden på svenska järnvägar är alltid 1435mm. (Zilinskis 2018). Figur 4.1 nedan visar ett vanligt förekommande spårvidd i Sverige.
Figur 4.1 Vanligt förekommande spårvidd i Sverige. (Zilinskis, 2018)
Rälerna sitter på sliprar som är antigen tillverkade av betong, stål eller trä. Sliprar som är gjorda av betong är vanligast och används i samband med längre banor som t.ex. Norrbotniabanan. Sliprarnas uppdrag är att sköta spårrummet och spårvidden och se till att ta upp horisontala krafter som orsakas av trafik och temperatur samt transportera de vertikala lasterna från rälerna till ballasten. (Järnväg, 2019)
Mellan rälerna och sliprar finns det mellanlägg och underlagsplattor. 3–10 mm är ett vanligt mått på mellanlägg. (Zilinskis, 2018) Den primära uppgiften för mellanlägg är att filtrera bort hög frekvens av krafter som inträder mellan hjul och räl. Mellanlägg görs av gummimaterial, plast och kork. (Järnväg, 2019). Räler och sliprar fästs ihop med hjälp av rälsbefästningar. Rälsbefästningars uppgift är att klämma fast rälsen och sliprar och därtill även bidra till överföring av krafter från rälen till slipern.
(Zilinskis, 2018). Figur 4.2 visar olika typer av befästningar som används vid banöverbyggnad.
Figur 4.2 Befästningar (Zilinskis, 2018)
Spår är en ett ord för rälen och sliprar tillsammans. Spåret vilar på ballast. Ballast är krossat bergmaterial med hög kvalitén som består av makadam, sand eller grus (Järnvägsskolan, u.å.). Den vanligaste material som används i ballast är makadam som även används vid byggnation av längre banor. Makadam ger banan en extra stabilitet och förhindrar tjälskador eftersom den fungerar som ett bra dräneringsmaterial. Spår och ballast bildar tillsammans banöverbyggnad. (Järnväg, 2019)
4.1.2 Banunderbyggnad
Banunderbyggnad utgörs av allt som ligger under banöverbyggnad. Linjen eller skiktet som skiljer mellan banöverbyggnad och banunderbyggnad kallas för terrassskikt. Terrass är den naturliga marken som ligger under ballasten. Den kan bestå av fyll eller schakt av jordmassor beroende på hur banan är konstruerad och terrängens läge i förhållande till banutformning. Banunderbyggnad kan vara en banvall och kan även vara byggnadsverk som t.ex. en bro. (Zilinskis, 2018). Banvall kan vara i form av en skärning eller en bank. Om järnvägslinjen sträcker sig under den naturliga marken kallas det att banan går i en skärning. Om banan löper ovanför den naturliga marken kallas det att banan går i bank.
(Olsson, H. 1916). Figur 4.3 nedan visar när banan går i bank respektive när banan gåt i skärning.
Tabell 4.1 visar ett vanligt mått på banan och figur 4.4 visar tydligt placering på banöverbyggnad och banunderbyggnad
Figur 4.3 Banvall går i bank respektive skärning (Zilinskis 2018)
Tabell 4.1 Ett vanligt mått på en bana (Zilinskis 2018)
Terras-bredd Ballast-bredd Sliper-bredd Slänt-lutning Ballast-djup Sliper-avstånd
6,5 m 3,3 m 2,5 m 1:1,5 0,3 m 0,6 m
Figur 4.4 Banöverbyggnad respektive banunderbyggnad (Järnväg, 2019)
4.1.3 Fritt utrymme
Lastprofil beskriver det utrymme i höjd och bredd som järnvägen behöver för att sträcka sig säkert utan hinder. Lastprofilen utgör det som kallas för fritt utrymmet. Fritt utrymme beror på spårvidden, hastighet och fordonsmått (Södergren B, 2015). Fria utrymmet påverkas av svängningar,
rälsförförhöjning och obalanserad last av fordon. Rälsförförhöjning betyder att i en horisontal kurva förhöjs ytterrälen i en järnvägsbana i relation till innerrälen. (Pramlid, 2009). Figur 4.5 nedan visar en bild över rälsförhöjning och vad de innebär
Figur 4.5 Rälsförhöjning (Pramlid, 2009)
Lastprofiler i Sverige utgörs av två profiler vilka är lastprofil A och lastprofil C. Lastprofil A har en bredd på 3,4 m och höjd på 4,65 m. Lastprofil C har bredd på 3,6 och höjd på 4,83m. Lastprofil C är den lastprofil som är standard i Sverige. (Trafikverket, 2013). Järnvägsstyrelse är den enhet som bestämmer järnvägens lastprofil A eller lastprofil C. Om det är en dubbelspårig järnväg är avståndet mellan två parallella järnvägsspår 4,5 m från spårets mitt till det andra spårets mitt. (Trafikverket, 2013). Figuren nedan visar tydligt profilernas olika mått
Figur 4.6 Mått på lastprofil A respektive lastprofil C (Trafikverket, 2013).
4.2 Järnvägsnätet i Sverige
Järnvägsnätet i Sverige består av ca 16 500km spår av det förvaltar trafikverket 14 254km. 9056km av detta består av enkelspår och 4103km dubbelspår. Ungefär 80 % av järnvägsbeståndet är elektrifierat.
(Trafikverket, 2018)
4.2.1 Enkelspår
Vid enkelspårig järnväg kan tåg endast mötas i på mötesstationer för att kunna färdas i motsattriktning.
Stor vikt läggs på planering av möten och bytestationer för ett bra flöde av trafiken. Stoppsträckan och accelerationstid vid en mötesstation ger en tidsförlust. Trafiken är väldigt begränsad på en enkelspårig järnvägslinje. Känsligheten för förseningar är stor. I Sverige är 63 % av järnvägen enkelspårig. Flera sträckor idag med enkelspår har stor kapacitetsbrist och stora problem med förseningar förekommer.
(Trafikverket, 2018)
4.2.2 Dubbelspår
Tåg kan färdas i båda riktningarna utan att påverka varandra. För en dubbelspårig järnväg är kapaciteten dubbelt jämfört med enkelspår. Turtätheten och medelhastigheten är väsentligt högre.
(Lindfeldt, 2009)
4.2.3 Mötesstationer
På en mötesstation möts tåg som kör åt olika riktningar eller hastigheter. Avståndet mellan
mötesstationer påverkar kapaciteten. Kortare avstånd mellan mötesstationer ökar tidtabellsflexibilitet och ger ökad kapacitet. För en effektivare tågmöten möts tåg vid stationer vilket underlättar resenärer att byta tåg (Lindfeldt, 2009). Mötesstation varje 12:e km planeras på sträckan Norrbotniabanan kortare avstånd kan förekomma (Vedin et al., 2018).
4.2.4 Partiellt dubbelspår
I partiellt dubbelspår kan tåg som kör i olika riktningar mötas utan att behöva stanna och sedan accelerera. Mötestiden för tåg minskar avsevärt. För att partiellt dubbelspår ska ha en önskad effekt måste punktligheten hos tåg vara hög. 3 km lång sträcka behövs med partiellt dubbelspår för två höghastighetståg ska mötas utan behöva stanna. (2009 Lindfeldt, 8).
4.3 Tunnelbyggnation
Detta delkapitel behandlar teorin bakom tunnelbyggnation.
4.3.1 Bergets tekniska egenskaper
När en tunnel ska konstrueras i projekteringsskedet och utförandeskedet tas till hänsyn bland annat bergets egenskaper, spänningstillstånd och stabilitet. (Isaksson, 2018) Faktorer som huvudsakligen styr kostnader för tunnelbyggnation är bergets hållfasthet och elasticitet. Hållfasthet i sig avgörs av sprickornas frekvens och krosszonens riktning. Vanligaste bergarter i Sverige är granit, gnejs och lerskiffer. (Isaksson, 2018). Se figuren nedan.
Figur 4.7 Vanligaste förekommande bergarter i Sverige. (Sveriges Geologiska Undersökning 2010) Granit är en magmatisk bergart och består av mineralerna kvarts, fältspat och glimmer. Denna förhållandevis enhetliga blandning är gynnsam vid byggnation av tunnlar med stor spännvidd.
(Isaksson, 2018)
Gnejs är mindre lämplig att bygga i eftersom tryck och rörelser i berget gör att kornen blir parallellt fördelade och sprickbildning kan ske vilket minskar draghållfastheten i bergarten i vinkelrät riktning gentemot skiffrighetsplanen. (Isaksson, 2018)
Lerskiffer är väldigt svag och vid byggnation av en tunnel i denna bergart är väldigt komplicerad.
Draghållfastheten vinkelrät mot skiffrighetsplanen är noll eller väldigt låg. Hållfastheten är
approximativt hälften jämfört med granit och gnejs. (Isaksson, 2018). Tabell 4.2 presenterar hållfasthet för olika bergarter
Tabell 4.2 Hållfastheten för olika bergarter. (Isaksson, 2018)
4.3.2 Bergklassificering
Genom bergtekniks och bergmekaniska undersökningar kan bergmassan klassificeras. Bergarter innehåller många oregelbundna bristningar och block vilket försvårar bedömningen av dem mekaniska egenskaper. För en god uppskattning av egenskaper görs genom kunskap och metoder.
Bergklassificeringssystem skapar gynnsammare förutsättningar för val av passande byggmetod och rätt bergförstärkning. Även kostnadsberäkningar grundar sig på detta underlag. Det finns tre bergklassificeringssystem RQD, RMR, och Q-värdesystemet. (Isaksson, 2018)
RQD-index används sedan 1964 och grundar sig på kärnborrningar och redogör för bergmassans kvalitet. (Isaksson, 2018) Summan av bitar som är större än 10cm adderas sedan divideras med totala provets längd.RQD-värdet används inte för beräkning av förstärkning men är en faktor vid RMR och Q-systemets beräkningar. (Isaksson, 2018)
RMR-systemet (Rock Mass Rating) används sedan 1973 och tar till hänsyn följande*: – Bergartens hållfasthet
– RQD-värde – Sprickavstånd – Sprickornas utseende – Grundvattenförhållande – Sprickriktning och orientering
Utifrån summan av parametrarna ovan kan berget klassificeras beroende på RMR-värdet.
Se tabell 4.3.
Tabell 4.3 bergklassificering beroende på RMR-värdet. (Isaksson, 2018)
RMR-värde Bergklass
100–81 Mycket bra
80–61 Bra
60–41 Medel
40–21 Dålig
<20 Mycket dålig
Q-Värdesystemet används sedan 1974, och består av tre kvoter vilka är blockstorlek RQD/Jn,
sprickorna skjuvhållfasthet Jr/Ja och aktiv spänning Jw/SRF. parametrar med värden i Q-systemet som beaktas vid beräkning är följande*:
- RQD-index,
- Antal sprickgrupper Jn - Sprickfyllnad Ja - Sprickråhet Jr - Vatteninnehåll Jw - Spänningssituation (SRF)
*Parametrar med värden kan ses i (Bilaga 7) och (Bilaga 8)
Beroende på klassificering av berget enligt Q-värdesystemet kan lämpliga förstärkningsinsatser bestämmas enligt följande figur:
Figur 4.8 Bergklassificering- permanent förstärkning (Isaksson, 2018)
Enligt värde på Q-värdesystemet kan bergklass i form av förstärkningsklass klassificeras enligt nedanstående tabell
Tabell 4.4 Bergklass i form av förstärkningsklass beroende på Q-värde (Isaksson, 2018)
Q-värde Bergklass
Q ≥ 40 Bergklass 1
4 Q <40 Bergklass 2
1 Q <4 Bergklass 3
Q <1 Bergklass 4
4.3.3 Bergförstärkningar
Primära spänningar i berget rubbas vid sprängning av en tunnel. Sekundära spänningarna som uppstår ger upphov till deformationer och förflyttning av bergblock. Stor del av spänningarna överförs till bergytan närmast hålrummet tills skjuvbrott sker. Perioden emellan sprängning och skjuvbrott måste förstärkning ske av tunneln för att förhindra ras. Förstärkning av berget kan ske genom flera metoder bland annat bergbultar, sprutbetong, armeringsnät och stålbågar. (Isaksson, 2018)
Förstärkning med sprutbetong är en tillfällig förstärkning som gör det möjligt för berget att bli
självbärande då den tar upp normalkraften och reaktionskrafter. Denna metod ger stor flexibilitet över användningsområdet p.g.a. variation i betongens styvhet. (Isaksson, 2018)
Förstärkning med bergbultar sker genom förankring av lösa block med stadigt berg. Det finns olika sätt att bultarna kan verka på bland annat låsstensbultning, balkbildande bultförstärkning, och förankring av enstaka lösa block. (Isaksson, 2018)
Metoden kan användas tillsammans med sprutbetong och armeringsnät. Enkelinstallation, smidigheten och tillsammans med en låg kostnad är bergbultning den vanligaste metoden vid förstärkning av tunnlar i Sverige. (Bjurström et al, 1979
). Se figur nedan som visar sambandet mealln bergets deformation och förstärkning
Figur 4.9 Samband mellan bergets deformation och förstärkning. (Isaksson, 2018)
En förstärkning av berget görs när berget har deformerats ca 1/3 del av den totala deformationen. Detta eftersom huvudsakliga lasten ska belasta berget. Felaktig beräkning av förstärkning kan leda till att den brister eftersom den är för stel samtidigt som kostanden blir högre. (Isaksson, 2018)
4.3.4 Tunneldrivningsmetoder
Vid byggnation av en tunnel måste rätt tunneldrivningsmetod användas. Valet påverkas av markens geologiska egenskaper såsom bergklassificering, hållfasthet, jordart mm. Tid- och kostnadskalkylen är direkt kopplade till metod och geologin. (Isaksson 2018)
Det finns två principer för tunneldrivningsmetoder - Konventionellmetod
- Tunneldrivningsmaskin Konventionella metoden
Det finns tre metoder att använda av sig här:
- Borrning och sprängning - Roadheader och grävare
Borrning och sprängning - En salvborning sker, berget laddat sedan med sprängmedel. Salvan transporteras ut. Området vädras. Sedan förstärks utrymmet och betonginklädnads. När drivning sker med denna metod under grundvattennivån är det nödvändigt att begränsa vatteninsläpp i tunneln. För att undvika detta används injektering. Denna metod kan användas i berg med höghållfasthet. Med en höghållfasthet undviks ras och det blir möjligt att göra förstärkningsåtgärder. (Isaksson 2018)
Roadheader och grävmaskin - Roterande delen av en roadheader längst fram gräver sig fram i jorden.
Jorden lastas ut med band eller lastbil. För att denna metod ska kunna användas är det viktigt att jorden är lös alltså medelhårt bergart och jord. Metoden lämpas sig inte i lera. Om denna metod ska kunna användas under GrV måste dränering av jorden ske alternativt måste jorden frysas. (Isaksson 2018). Se figuren nedan
Figur4.10 Tunneldrivning med roadheader (Isaksson, 2018) För- och nackdelar med Konventionellmetod (Isaksson, 2018):
- Kan användas till olika bergarter och variation i tunnelssektion kan ske.
- Etableringskostnaden är låg.
- Variation i förstärkning kan ske med enkla modifikationer.
- Grundvattennivå kan sänkas vilket kan ge sättningar i byggnadsverk ovan marken.
- Personalen behöver ha erforderlig kunskap.
Tunnelborrningsmaskin
Det finns två olika typer av tunnelborrmaskiner: osköldade och sköldade. Osköldad maskin används främst vid berg av god kvalité. Maskinen tar grep av bergväggen och maskinen främre del driver sig fram genom berget. När bergväggen är av mindre god kvalité används sköldade maskiner. Det finns enkelssköldade och dubbelsköldade TBM. I dubbelsköldad maskin behöver inte arbetet stoppas när förstärkningen sker. Betongelement upprättas för att ta grepp om berget för att göra framdrift. Båda typer av maskinerna kan modifieras för att vara mer lämpad för geologiska förutsättningar som förekommer. (Isaksson 2018).
För-och nackdelar med TBM (Isaksson 2018):
- Hög etableringskostnad, lämpar sig för tunnel av en längre sträcka >1000m.
- Tunnelsektionen kan inte variera.
- Hög framdrift i relativt stabilt berg (tryckhållfasthet 60–300 MPa). Vid större hållfasthet och högre innehåll av kvartshaltigt berg samt i sämre berg (<20 MPa) är metode3n mindre lönsam.
- Etableringstiden är lång.
4.4 Brobyggnation
Detta delkapitel behandlar teorin bakom brobyggnation.
4.4.1 Olika brotyper
En bro är ett konstruerat bärverk som bär upp trafiken och för den över t.ex. vatten eller en befintlig väg. Broarnas särskilda egenskap är att brons huvudlast består av en stor och rörlig trafiklast som kan vara människor, cyklar, bilar eller tåg. Broar kan delas in efter olika benämningar. Inom
trafikbenämningar kan broar delas in till väg-och gatubroar, järnvägs- och spårvägsbroar och gång- och cykelbroar. Broarna kan även indelas efter viktigaste material som bron är tillverkat av. Dessa är sten- och tegelbroar, träbroar, stålbroar, aluminiumbroar och betongbroar. Om olika material
kombineras i en bro kallas den för samverkansbroar. Broarna kan även indelas efter bärs system,
dessa är balkbroar, rambroar, bågbroar, hängbroar och snedkabelbro. (Sundquist H, 2005). Figuren nedan visar brons olika typer
Figur 4.11 Brons olika typer (Weebly, u.å.)
4.4.2 Brokonstruktion
Det finns tre metoder för att representera brokonstruktionen dessa är hängprincipen, balkprincipen och bågprincipen. Balkprincipen räknas som en enkel metod och används vid mindre spännvidder. Båg- och hängprincipen räknas som lite mer komplexa metoder och används vid större spännvidder.
(Sundquist H, 2005). Figur 4.12 nedan visar brokonstruktions olika metoder.
Figur 4.12 Brokonstruktions metoder (Sundquist H, 2005)
4.4.3 Brons beståndsdelar
Överbyggnad
Bro överbyggnad är den del som slits av trafiken, där bron är till för att användas. Överbyggnaden består av brobana som består av beläggning, däck och räcken. Den består även av premiär
konstruktion som är huvudkonstruktion och den är avsedd för bärverken som tar upp krafterna i bron.
Sekundärkonstruktioner är en till del i överbygganden, de är kompletterande konstruktioner som har för uppgift att förflytta trafiklasten till primärkonstruktion exempelvis till brobanplatta. (Sundquist H, 2005)
I överbyggnaden ingår även särskilda förband som kan vara vindförband, bromsförband eller stödförband. Speciella element ingår även i överbyggnaden som är avsedda för trafiken och för bronsunderhåll. Dessa element kan vara dagvattensavlopp för att omhänderta dagvatten från bron.
Gasutlopp för att förhindra blåsbildning då isoleringen sätts fast. För trafiken behövs det belysning stolpar, vägmärken och skyddsräcken. (Sundquist H, 2005)
Underbyggnad
All konstruktion som förflyttar ner belastningen från överbyggnad till jord kallas för underbyggnad.
Den består av landfästen som medverkar till att vara ett vanligt stöd och ändstöd till anslutande väg eller järnväg. Landfästespall är en del som ingår i landfästen, den är en stödkonstruktion som bär upp lagren till brobanan. Frontmur och vingmur är övriga delar i landfästet. Mellanstöd är en del som ingår i underbyggnaden, den bildas oftast av en pelare som består av en bottenplatta, plint och pelarskaftet.
(Sundquist H, 2005)
4.4.4 Byggnation av bro
Byggnation av broar kan ske på två olika sätt antigen på plats d.v.s. platsgjuten eller prefabricering d.v.s. att brons olika bestående delar tillverkas på fabrik och transporteras och monteras på plats.
Prefabricering är en metod som är tidseffektivt då färdiga element kommer färdiga från fabriken och monteras på plats. Metoden medför även minder arbetstimmar vilket i sig motsvarar mindre
omkostnader på byggarbetsplatsetablering gällande bodar, löner, maskiner och även administrativa ärenden.
Platsgjutet är däremot en traditionell byggnations metod vilket innebär att elementen byggs och gjuts på byggarbetsplats. Användningen av prefabricerade betongbroar i Sverige är mycket begränsad.
Miljömässigt är prefabricerade byggmetoden mer miljövänligt eftersom det används färre maskiner samt byggtiden är lägre till skillnad från platsgjuten så är det mer maskin användning och byggtiden är högre vilket genererar en negativ miljöpåverkan. (Adam R, Trixie S, 2018)
4.4.5 Järnvägsbroar
Samma principer gäller vid utformning av järnvägsbroar med vägbroar. Det som skiljer sig är att vid järnvägsbro så lasterna är större samt lasternas läge varierar inte i sidled. För hög åkkomfort krävs större styvhet hos brokonstruktionen så att sättningar blir minder. Järnvägsbroar byggs med genomgående ballast för att minska slitaget på räler. (Sundquist H, 2005). Figuren nedan visar järnvägsbroar byggnations vid olika fall
Figur 4.13 Järnvägsbroar vid olika fall (Trafikverket, 2018)
4.4.6 Projektering av broar
Projektering av broar innebär att rita och designa en brokonstruktion och redovisa det i en
förslagsritning samt att räkna på det tekniska kravet för utformning både för material och kostnad och redovisa det i tekniks beskrivning till bron som även kallas för bro byggnadsteknisk beskrivning.
Brobyggnad teknisk beskrivning bör vara tydlig och komplett som beskriver en bro i helheten, på så vis att entreprenören skall kunna räkna konstruktionsberäkningar så rätt som möjligt.
Vid projektering görs först en förstudie som kallas för lokaliseringsplan, i detta stadie ingår grova kostnadsuppskattningar, längder, tvärsnitt, estetiska frågor samt placering av blivande bron. För att göra detta krävs kartmaterial, geotekniska undersökningar samt markinmätningar.
Nästa process är en utredningsplan där läggs den blivande bron i preliminär profilritning och planritning. Arbetsplan är nästa process vilken går ut på ett fastställt underlag till blivande bron.
Underlaget skall vara även anpassat för detaljplan. Arbetsplan skall fastställas av Trafikverket. Nästa steg är en upprättning av bygghandling, i det här stadiet ingår fullständiga ritningar, tillhörande bro byggteknisk beskrivning för geotekniksbeskrivning och tillhörande bro byggteknisk.
För att lämna broprojektet till anbudsgivare skall ett förfrågningsunderlag upprättas. Här ingår bygghandling och administrativa föreskrifter. I samband med projektering upprättas en
miljökonsekvensbeskrivning. Den redovisar miljöeffekter som projektet kommer att tillföra. En miljökonsekvensbeskrivning är ett viktigt dokument i samband med stora projekt.
Till estetik utformning räknas att bron skall vara anpassad till omgivning och denna speglas av lugna harmoniska linjer, smakfullhet, behag och ordning. (Sundquist H, 2005)
4.5 Järnvägskapacitetanalys
Kapacitet är ett begrepp som förklarar storleken på förmågan att transportera personer och gods med tåg för en viss bana. Kapacitet är ett svårbestämt mått. Den mäts med tåglägen per tidsenhet. Det som menas med tågläge är en trafikering med ett tåg som är eftersträvad. (Eriksson, 2018)
14 254 km järnväg finns det i Sverige idag, utav dem finns det enkelspår, dubbelspår, trespår och fyrspår. Detta gör att kapaciteten skiljer sig mycket och detta beror på antal tåg som trafikeras samma tid. För enkelhetsskull kan två typer av kapacitet skiljas åt den ena är teoretisk kapacitet och den andra är praktisk kapacitet. Den teoretiska kapaciteten behandlar uträknade typfall av tågtransport under optimala lägen. Detta innebär att tåglägen med olika hastigheter inte ihopblandas samt avstånd mellan mötesstationer är idealt belägna. Den praktiska kapaciteten innebär att verkligheten ser annorlunda ut d.v.s. att tåglägen i olika hastigheter blandas ihop samt mötesstationer ligger emellanåt på olämpliga sträckor och avstånd samt det kan förekomma att järnvägar kan gå i flera mil utan mötesstationer alls.
(Pontus G, 2012)
En järnväg är uppdelat på blocksträckor där får det endast finnas ett tåg. Signalsystem har för uppgift att se till att blocksträckorna är fria. ATC automatic train control är ett signalsystem som kollar upp hastigheten och bromsar eller stannar tågen automatisk om tågföraren inte gör det själv. Block
sträckorna är 1 till 3 kilometer långa. Blocksträcka för ett 100 h/km tåghastighet är 700 m och 2800 m för 200 km/h. (Nelldal B, Lindfeldt A, Lindfeldt O, 2009)
4.5.1 Kapacitetanalys enkelspår
Vid enkelt spår inramas kapaciteten i distans mellan mötesstationer och hastighetsgräns. Distansen definieras i det här fallet med avståndet som är mellan två mötesstationer. Kapaciteten för ett enkelspår blir bättre ju fler mötesstationer det finns, eftersom detta medför att tåg inte stannar långa tider väntande på passerande tåg.
I praktiken går det att trafikera ett tåg var 10: ende minut per riktning om stationerna är stationerade 5 km ifrån varandra och största tillåtna hastighet STH är 100 km/h samt ett tåg var 15: ende minut per riktning då stationerna är belägna 10 km ifrån varandra och STH är 200 km/h. (Pontus G, 2012)
4.5.2 Kapacitetanalys dubbelspår
Dubbelspår är en effektiv lösning till att förbättra kapacitet. Den gynnar till en förbättrad trafikering i större omfattning jämfört med enkelspår. Dubbelspårig bana bidrar till att mötesstationer inte behövs och att tågen inte behöver vänta på passerande tåg. (Pontus G, 2012)
4.5.3 Kapacitetsnyttjande
Kapacitetsutnyttjande beskriver hur banan är trafikerad och hur mycket trängsel existerar på
järnvägen, detta anges i procent. Kapacitetsutnyttjande följs upp varje år av Trafikverket. För att göra beräkningen och uppföljningen möjligt delas banorna i olika delar. Varje del benämns för en linje del.
En linje del tar hänsyn till infrastruktur och trafik som ingår i den specifika linje delen. (Eriksson K, 2018)
När kapacitetsnyttjande för en linje del går över 80 % är sensitivitet för oordning hög, medelhastighet låg och det blir mycket besvärlig att kunna hitta upp tider för att underhålla banan eller att försörja banan med fler tåg, utan förseningar ökar. I detta fall är kapacitetsutnyttjande mycket högt.
Kapacitetsutnyttjandet mellan intervallet 61 % -80 % definierar att det uppstår en balans mellan antal tåg på banan och ett krav på kvalité på trafiken bör utföras. Trafiken räkans som störningskänslig och det är svårt att planera underhåll. Vid kapacitetsutnyttjande lägre än 60 % finns det god möjlighet för mer trafik och underhåll. (Eriksson K, 2018)
Eftersom dubbelspårig sträcka bidrar till bättre kapacitet så bör denna lösning eftersträvas när en ny järnväg planeras på grund av att dubbelspårig bana medverkar till effektivare kapacitetsnyttjande och förbättrad kvalité på järnvägssystem.
4.6 Tids- och kostnadsbestämning
Kostnadskalkyler utgör en viktig del i beslutsfasen för byggprojekt. Normalt fungerar det genom att beställaren fastlägger budget och entreprenörerna fastlägger anbudkalkyl. Tunnelprojekt och broprojekt är stora projekt och kräver stora investeringar. Byggherrar, entreprenörer, arkitekter och konsulter är exempel på parter som är involverade i sådana stora projekt. Politiker och politiska beslut är även inblandade i sådana projekt och har en stor inverkan på tid- och kostnadsplanen.
För tunnelbyggnation är typen av tunneldrivningsmetod och geologiska förhållanden faktorer som påverkar både kostnad och tid. Vid ett broprojekt är byggnations typ d.v.s. platsgjuten eller prefabricerad, spännvidder och tvärsektioner faktorer som påverkar kostnads och tidsplanering.
(Isaksson, 2018)
För att beräkna de totala kostnader och tid framställs en mängdförteckning. En mängdförteckning består av ritningar, beskrivningar och besiktningar av arbetsplatsen. Det utförs en noggrann bedömning av totala mängder, material, arbete och maskiner. Därefter prissätts mängderna och arbetsinsatser som behövs. För att beräkna de totala kostnaderna bör en summa av produkter räknas fram enligt nedanstående formel (Isaksson, 2018):
𝛾 = 𝜒 × 𝒵 [4: 1]
𝐶 = ∑ 𝛾 [4: 2]
χ
är mängd och𝒵
är enhetsprisKostnadsanalys kan indelas i tre olika typer se Tabell (4.5) nedan Tabell 4.5 Olika typer av kostnader (Isaksson, 2018)
Typ av kostnad Exempel
1. Mängdberonde kostnader T.ex. sprutbetong och bultar, mängd armering i en bro och mängd betong eller stål i en bro 2. Tidsberoende kostnader Byggplatskontor med medarbetare,
maskinuthyrning och utrustning
3. Fasta kostnader Etablering och avveckling av byggarbetsplats.
För att fastställa det erforderliga tid för ett eventuellt projekt integreras tidsbestämning med de ovannämnda typerna av kostnader. Alltså tider fastläggs i det sammanhang i samband med framtagande av de olika kostandstyper.
- Mängdberonde kostnader påverkas av geologiska undersökningar och storleken på det utförda projektet.
- Tidsberoende kostnader beror på storleken av projektet.
- Fasta kostnader påverkas inte av storleken av projektet utan av fasta kostnader som är fasta oberoende av hur stort projektet är t.ex. etablering av byggarbetsplats behövs utan hänsyn till om det byggs en enkelspårig bro eller dubbelspårig bro.
Ett sätt att erhålla och få fram den normala tiden och kostnaden för ett nytt stort projekt är genom uppföljningen av utförda projekt som genomfördes tidigare under i princip samma normer,
förutsättningar och förhållanden. Upprättningen av tids- och kostnadskalkyler påverkas av incidenter.
Incidenter kan förekomma på grund av brister under förstudie fasen och därtill även slumpmässiga incidenter. (Isaksson, 2018)
Tabellen nedan klargör varierande typer av incidenter som kan påverka den totala tiden och kostnader vid genomförandet av stora projekt. (Isaksson, 2018)
Tabell 4.6 Typer av incidenter vid upprättning av tids- och kostnadskalkyler (Isaksson, 2018)
Incident typ Definition Sannolikhet för
uppkomst
Exempel 1. Produktionsberoende
geologiska incidenter
Överskridande av gräns för geologiskt
användningsområde
Sannolikhet att överskrida gräns
Sprickighet, tryckhållfasthet 2. Slumpmässigt
förekommande geologiska incidenter
Lokal signifikant avvikelse hos geologiska förhållanden
Sannolikhet för oväntade förhållanden
Vattenförande zon, krosszon
3. Slumpmässigt
förekommande mekaniska incidenter
Komponent fel hos maskin eller utrustning
Sannolikhet för komponentfel
Fel på huvud lager
4. Slumpmässigt förekommande gross
Konsekvenser beroende på bristande
kompetens
Sannolikhet för otillräcklig organisation, kvalitetskontroll
Felaktig design
5. Övrigt
4.7 Investeringskalkyl
En investeringskalkyl upprättas för att bedöma om en investering är ekonomisk fördelaktig eller inte.
Detta görs genom att beräkna investeringen i slutvärde och i nuvärde.
Kapitalisering är en beräkning av slutvärde. Detta innebär att investeringen räknas om framåt i tiden så kapitaliseras investeringen till slutvärde. Beräkningen innebär en tillväxtfaktor där det läggs ränta på ränta från nuvarande tid och över en tids intervall framåt i tiden. (Bångman G, Nordlöf P, 2018) Beräkningen utförs med kapitaliseringsfaktorn (KF) se formel nedan:
𝐾𝐹 = (1 + 𝑟)
𝑛[4: 3]
r = tillväxtränta
n = antal bygg år från år 1 och framåt
D
iskontering är en beräkning av nuvärde, detta innebär att investering räknas bakåt i tiden från en tidpunkt i framtiden till nuvarande tid så diskonteras investeringen till nuvärde. Beräkningen innebär en diskontering av framtida resulterande summa till nuvarande tid genom att minska den framtida summan med en specifik räntekostnad. Beräkningen utförs med diskonteringsfaktorn (DF) se formeln nedan. (Bångman G, Nordlöf P, 2018)𝐷𝐹 = (1 + 𝑟)
−𝑛[4: 4]
r = diskonteringsränta
n = antal år från år
χ
(tidpunkt i framtiden) och bakåtKvoten mellan diskontering och kapitalisering visar nettovinst, ju högre kvoten är desto bättre då detta innebär högre nettovinst. (Bångman G, Nordlöf P, 2018)
4.8 Miljöeffekter
Det finns olika metoder som används för att säkerställa krav på vilka miljöeffekter ett projekt eller en produkt kan generera. De vanligaste metoder som tas fram i samband med stora och komplexa projekt är miljökonsekvensbeskrivning MKB och livscykelanalys LCA. Den växande miljöproblem ökar krav på miljöanpassade material och tjänster som minskar påverkan på miljön. (Henriz, 2002).
Stora och komplexa projektsanläggningar som järnvägstunnlar och järnvägsbroar har en påverkan på miljö som bör tas till hänsyn i samband med planering av en ny anläggning. MKB:n står för
miljökonsekvensbeskrivning och den inkluderar vilka miljöpåverkningar åstadkoms av nybyggda stora projekt samt vilka miljöeffekter tillhandahållas. MKB är en viktig handling som måste presenteras och bearbetas under planeringsfasen.
MKB innehåller följande:
• En beskrivning av den aktuella projekt.
• Miljökonsekvenser och miljöförutsättningar vid genomförandet av projektet.
• Vad finns det för möjligheter för att minska den negativa påverkan på miljön vid genomförandet av projektet.
• Om det finns ett alternativt för projekt, vilka effekter kan det alternativa projektet medföra.
• Det total effekt på miljöpåverkan.
• Riskerna för människornas hälsa samt påverkan på ställen som har officiellt nationell, eller internationell skyddsprofil. (Trafikverket, 2017)
En metod som är även användbart inom olika projekt, produkter och tjänster är LCA. LCA står för livscykelanalys. LCA är en metod som används för att beskriva hur en produkt, tjänst eller projekt påverkar miljön i helhet under ett livscykelperspektiv. En uträkning av LCA ger ett svar på den största miljöpåverkan som en produkt/projekt kan tillhandahålla och i vilket skede påverkan är störst.
(Shoresh H, Hemen S, 2011)
Miljöaspekter inom stora och komplexa projekt och i samband med byggnation av järnvägstunnlar och järnvägsbroar till ett järnvägsprojekt kan omfatta följande (Henriz, 2002):
• Materialanvändning, eftersom det är stora mängder material som behövs för sådana typer av produktion så avgör material såsom betong och stål en avgörande roll som ger en stor påverkan på miljön.
• Avfallshantering, kan vara i form av emissioner och är däremot en viktig aspekt som ger sin direkta påverkan på miljö och detta kan t.ex. vara tillskott av material som inte
utnyttjades under produktionen som blir till ett avfall i slutändan. Ju mer material som inte används under produktionen desto mer mängd avfall blir det och mer miljöpåverkan genererar det. Återvinning är en effektiv åtgärd som gör att det inte behövs använda naturresurser lika mycket.
• Farliga ämnen som används under produktionsfas gynnar till en negativ påverkan på miljö.
• Transporter av material och jordmassor har en avgörande påverkan på miljö. Detta kan åtgärdas med bättre logistik och bättre uträkning av massbalans som gör att det inte behövs köpa stora mängder av jordmassor till fyllning utan jordmassor som schaktas bort kan användas till fyllning. En bra massbalans gör att fyllning i en stor skala kan fyllas med hjälp av schaktade jordmassor. En bättre massbalans minskar inte bara kostnader utan även bidrar till minder transporter och därmed till en förbättrad miljöpåverkan.
• Energianvändning under produktionsfas och framförallt under förvaltingsskede utgör en central del av miljöpåverkning som t.ex. El-förbrukning. Detta kan bli effektivare med bättre planering under förvaltnings skede.
• Buller kan räknas med som ett miljöbekymmer i samband med byggnation av stora och komplexa projekt. Buller ger en direkt effekt på människan och kan leda till hörselskador eller bidrar till en störd miljö.
•
Etableringsplats i form av byggbodar har en påverkan på miljön. Ju mer bodar det används desto mer negativa påverkan på miljön åstadkommas. 10 bodar genererar 60 tonkoldioxid.
5. Genomförandet
Detta kapitel presenterar arbetets tillvägagångssätt och hur arbetet genomfördes.
Arbetes struktur är att först identifiera frågeställningar som berör planeringen av en ny järnväg med hänsyn till större byggnadsverk. Norrbotniabanan är ett referensprojekt. Frågeställningarna har formulerats i samarbete med Per Vedin som är teknikansvarig i projekt Norrbotniabanan på Trafikverket i Luleå.
För att lösa problemet har olika begynnelsepunkter tagits. Första steget är att hitta liknande projekt som är jämförbara med Norrbotniabanan. Genom diskussioner med handledaren Per Vedin och handledare från KTH Magnus Helgesson kom författarna fram till att tre projekt ska undersökas.
Dessa projekt är Ostlänken, Ostkustbanan och Strängnästunnel. Därefter kommer det att genomföras tids-kostnads- och investeringskalkyl samt analysera miljöeffekter vid utökandet av järnvägens byggnadsverk.
Därefter kommer en analys, slutsats och diskussion av resultatet att presenteras genom att jämföra olika tre fallen och reflektera över fördelar och nackdelar.
5.1 Webbverktyg
Viktiga data har insamlats genom internet från olika artiklar och intressanta hemsidor som är värdefulla för rapporten. Diva portal har använts för att hitta relevanta rapporter och framförallt tidigare utförda examensarbetet. Genom Google scholar har olika vetenskapliga artiklar hittats som gav en grundlig informationskälla till att genomföra arbetets olika delar.
5.2 Litteraturstudie
Litteraturstudie har genomförts för att erhålla information som är betydande till rapporten. Exempel på information som är hämtade från litteratur är om broar, tunnlar, bergarter, tunneldrivningsmetoder och järnvägsuppgynnad. Material från kursen AH1907 Anläggning 1. Väg-, järnväg och VA-teknik, Bro- och anläggningskonstruktioner HS1014 konstruktion och Miljö och arbetsvetenskap AF1721 ligger till grund för den teoretiska referensramen.
5.3 Kvalitativa intervjuer
Sex frågeformulär har tagits fram för att kunna värdera resultat, analys och diskussion. Se (Bilaga 2) för frågeformulär. Framställningen av frågorna är genomförda med hjälp av webverktyg och
litteraturstudie samt genom vägledning av näringslivshandledaren Per Vedin och KTH:s handledare Magnus Helgesson. Kvalitativa intervjuer utfördes i avsikt att besvara frågeställningar.
Intervjufrågorna konstruerades efter kontaktpersonens erfarenhet. Intervjuerna bokades via telefon och genomfördes via personligt möte, Skype möte samt e-post. Frågorna skickades i förväg minst en vecka tidigare för att den intervjuade skulle ha möjligheten att förbereda sig. Följd frågor ställdes i samband med intervjun för en tydligare förståelse. Se (Bilaga 1) för att se vilka som intervjuades och vilken befattning intervjuarna har. Se (Bilaga 3) För att se svar från intervjuerna. Därefter sammanställdes resultat- och analysdelen. Slutligen utförs diskussion och slutsats. Figur (5.1) nedan visar
genomförandet av arbetet.
Figur 5.1 Tillvägagångsätt för genomförandet
5.4 Kostnadsberäkning och miljöeffekter
Beräkningarna för byggnationskostnader och byggtider för järnvägstunnel är baserade på kursen Anläggning 1 i delen tunnelbyggnation med Teresa Isaksson. Kalkylen som är använt för att utföra tids och kostnadskalkyler är en praktiskt och användbar kalkylen som är verklighetsanpassad.
Referensprojektet som beräkningskalkylen är kopplat till är kraftledningstunneln mellan Skanstull och Solberga i Stockholm. Projektet utfördes av Stockholmsmarkkontor och Fortum AB för att ersätta luftledningar mellan Skanstull och Solberga med kablar i bergtunnel, syftet med projektet är att bereda plats för ca 2500 nya bostäder och skapa en bättre miljö för boende i området (Isaksson, 2018). Till kalkylen har även värden för enhetspriser per m2 och m3 inhämtade från E4/E20 Förbifart Stockholm. Se (Bilaga 15).
Bro kostnads- och tids kalkyl är inhämtade utav ett referensprojekt som Skanska AB har genomfört.
Projektet är en järnvägsbro byggnation i projektet Stenkumla- Dunsjö. Projektet och bilagor är behandlade av Anders Eriksson och Lars Nilsson som är författare till examenarbete” Prefabricerade betongbroar över järnväg” i arbetet är kostnads- och tids kalkyler bearbetade och är använda som referensvärden till detta arbetskostnads- och tidskalkyler.
Miljöeffekterna för de olika byggnationerna för både järnvägstunnel- och bro är basarede på teorin se kapitel (4.8) och av erfarenheterna från intervjuande personer.
6. Norrbotniabanan och jämförbara projekt
Detta kapitel presenterar projektet Norrbotniabanan närmare och de tre undersökta projekt som är likartiga med Norrbotniabanan.
6.1 Norrbotniabanan
Norrbotniabanan är en 27mil lång ny enkelspårig kustjärnväg mellan Umeå-Luleå vilken beräknas kosta 30 miljarder (prisnivå 2015). Projektet kommer att finansieras av staten, kommunen och EU. För första delsträckan Umeå-Dåva har byggnationen börjats hösten 2018 och beräknas pågå till 2022.
Byggnation av sträckan Dåva-Robertsfors-Skellefteå beräknas bli klar 2029. (Trafikverket, 2018).
Figur 6.1 nedan visar Norrbotniabanan sträckning mellan Umeå och Skellefteå. Uppdelat i tre delprojekt
Figur 6.1 Norrbotniabanan sträckning mellan Umeå och Skellefteå. Uppdelat i tre delprojekt.
(Trafikverket, 2018).
Stambanan som går parallellt med det nya projektet Norrbotniabanan som idag förbinder övre Norrland byggdes på slutet av 1890-talet. Stambanan går från Bräcke till Luleå och ansluter sig till Haparandabanan, malmbanan, Botniabanan, ådalsbanan, mittbanan och norra stambanan. Banans har branta lutningar och uppemot 17st skarpa kurvor. Denna utformning tillåter inte de höga hastigheter eller laster som efterfrågas idag. Råvaruindustri ligger nära kusten men Stambanan är placerad flera mil in i landet. Dåvarande försvarsstrategin i Sverige ansåg att kustnära järnväg skulle innebära negativa konsekvenser i händelse av krig. Genom åren har omfattande renoveringar utförts på banan för att vara i bruksskick. Stambanan elektrifierades på 1940-talet. Stambanan har ett enkelspår vilket gör den väldigt känslig för störningar och förseningar. Idag trafikeras 40 tåg/dygn i båda riktningarna på stambanan vilket gör den till en av landets mest hårt belastade banor. Idag finns det endast utrymme kvar för 7 tåg/dygn på stambanan. (Trafikverket, 2018).
Norrbotniabanan kommer att placeras längs kusten för att koppla ihop dem stora städerna Umeå, Robert-fors, Skellefteå, Piteå och Luleå. Sammanlagt bor det ca 300,000 människor längs stationerna vilket gör området väldigt tätbefolkat. Längs kusten finns även industrier inom bas och förädling.
Banan är tänkt att öka dessa industriers konkurrenskraft genom ökat kapacitet, lägre kostnader för transport och pålitliga leveranser. Kostnader för transport beräknas minska med ca 30 % med denna bana. (Trafikverket, 2018)
Norrbotniabanan är en del av den bottniska korridoren som länkar Norra Europa (Sverige, Finland, Norge och Ryssland) med resten av Europa. Norrbotniabanan är den sista delen av bottniska
korridoren. När banan är klar kommer den kopplas med Malmbanan till Norge och Haparandabanan till Finland och Ryssland. Denna bana är viktig för ett konkurrenskraftig Europa när marknader i Asien och USA expanderar kraftigt. EU kommer stå för 50 % av kostnaden för planering och 30 % av byggnationskostnaden.
Norrland producerar stor del av Sveriges nettoexportvärde och är en viktig del av Sveriges ekonomi.
År 2017 genererade Västerbottenslän och Norrbottenslän totalt 215 Miljarder till statskassan, 4,7 % av BNP. I Västerbottens var exportutvecklingen mellan 2013-2016 19.6%. (SCB, 2017) I Norrland utvinns 90 % av Europas Järnmalm. Guld, silver, koppar, krom, nickel och aluminium är tillgångar som också kommer från Norrland. Värdet på malm- och mineralvaror för år 2007 var ca 30 miljarder kronor. I Sverige vidare förädlas dessa mineraler till värden uppemot 550miljarder kronor och hade ett förädlingsvärde i Europa på 5000 miljarder kronor. (Lundberg et al, 2010). Se figur nedan
Figur 6.2 Visar råvaruproduktionen i norr och hur den bidrar till resten av Sveriges industrier.
(Lundberg et al, 2010)
Genom att flytta transporten från lastbilar, personbilar, båtar, flyg och buss till den planerade sträckan uppskattas koldioxidutsläppen minskas med 80,000 ton per år. Trafikverket utvärderar flera sträckor för att välja en lämplig järnvägsplan som ger minst miljöpåverkan. Under byggnationen av
Norrbotniabanan kommer miljön omkring sträckan att påverkas. (Trafikverket, 2018)
Med detta projekt kommer samhällsutveckling att stimuleras i Norrland. Bostäder, jobb, skolor och företag kommer att växa fram. Ett ökat kunskapsutbyte i området förväntas då Luleå Universitet och Umeå Universitet är placerade i området. Detta ger förutsättningar för innovation, entreprenörskap och tillväxt i Norrland. Befolkningen i området får större valmöjligheter att jobba och socialisera sig i andra orter. (Trafikverket, 2018)
Norrbotniabanan är planerat att bestå utav enkelspår. När banan är i drift beräknas 22st godståg och 44st persontåg att färdas på banan per dygn. Varje 12:e kilometer finns en mötesstation. För vissa delar är avståndet kortare. Den högsta tillåtna axellasten är 25ton för banöverbyggnad och 30ton för banunderbyggnad. Den maximala vagnvikten kommer att vara 1600ton jämfört med dagens 1100ton.
(Ahlm, 2006) Minsta radie som kommer användas är 3280m samt högst tillåtna lutning är 10promille.
