Fast spor

1. ANVENDELSE AV FAST SPOR

1 Anvendelse av fast spor

1.1 Generelt om anvendelsesområder

Et alternativ til konvensjonelt spor med sviller og ballast er en utførelse med såkalt fast spor, som vil ha både mindre egenvekt og lavere byggehøyde enn et konvensjonelt ballastspor. I fast spor erstattes ballasten med betong eller asfalt. Generell oppbygging av konstruksjonen er nærmere beskrevet i avsnitt 2.

Fast spor i Norge

Bruk av fast spor på deler av det norske jernbanenettet har vært vurdert flere ganger, senest i Romeriksporten på Gardermobanen. Innføring av høyhastighetstog i Norge har aktualisert bruken av fast spor her i landet. Fast spor i Norge er trolig mest aktuelt i lange tunneler. Tidligere har ikke besparelsene ved drift og vedlikehold for slike løsninger oppveid merkostnadene ved bygging.

Historikk

Helt siden begynnelsen av 70-tallet, har fast spor vært hovedregelen på det japanske høyhastighetsnettet. Resten av jernbaneverden har holdt seg til det klassiske ballastsporet, men flere baneselskaper har drevet forsøk med fast spor. Det foregår en sterk utvikling på området samtidig som det virker som bruken av fast spor i Europa står foran et gjennombrudd. Vedlikeholdet på høyhastighetsbanene med tett trafikk har blitt langt mer omfattende og kostnadskrevende enn antatt da banene ble planlagt på 80-tallet. Flere nye høyhastighetsstrekninger i Tyskland bygges nå med fast spor. Filosofien er at dersom det er vanskelig med disponeringstid for vedlikeholdsarbeider (tett trafikk med små tidsluker), velges fast spor. Deutsche Bahn AG har f.eks besluttet at fast spor skal brukes på nye baner i tunneler som er mer enn 500 m lange. Eurotunnelen ble også bygget med fast spor. Også i Sveits, England og Frankrike er det strekninger med fast spor.

I Norge er det noen korte strekninger med fast spor. I Oslo kan følgende strekninger nevnes:

• Forbi Nationaltheateret på T-banen (System ”Kölner Ei”)
• Bybane gjennom Sinsenkrysset (Icosit)
• Havnesporet over Framneslokket (Underlagsplate på polyuretan)
• Bru over Drammenselva og bru over Nitelva (Corkelast/Edilon)

Patenterte løsninger

På markedet finnes det en rekke patenterte løsninger for fast spor. Det er stor konkurranse mellom rettighetshaverne, og det er derfor mulig å få til en reell priskonkurranse på systemer for fast spor. Ulike løsninger for fast spor beskrives nærmere i kapittel 3.

Løsninger med fast spor vurderes og bygges primært for nye baner. En jernbanestrekning kan deles inn i tunneler, broer og dagstrekninger. Noen av løsningene for fast spor er gjennomgående dvs egner seg for alle tre tilfellene, mens andre løsninger kun egner seg for ett av de tre tilfellene.

Tele- og setningsfritt

Et nærmest ufravikelig krav ved bruk av fast spor er at sporet må være tele- og setningsfritt. Vekslingen mellom fjellgrunn og svært bløte løsmasser er et særtrekk for Skandinavia. Dette gjør det krevende å bygge sporet setningsfritt. Det vil sannsynligvis være mer kostbart å rette opp et fast spor enn et ballastspor om uhellet skulle være ute. Mindre endringer kan rettes med justeringsmulighet i skinnefeste. Teknisk lar det seg gjøre å bygge daglinjer setnings- og telefri, men dette er et kostnadsspørsmål. Det må f.eks gjennomføres svært omfattende geotekniske undersøkelser for å sikre setnings- og telefri daglinje. Grunnvannsspeilets beliggenhet har stor betydning i denne sammenheng. Videre må det stilles svært strenge krav til oppbygning av fyllinger og tilbakefylling mot kunstbyggverk som bruer og lignende.

Bruk av fast spor på bruer er lite aktuelt dersom tilgrensende spor ikke bygges som fast spor.

Fast spor i Norge er derfor mest aktuelt i tunneler, eventuelt med korte dagstrekninger mellom. I tunneler må sporet antas å være tele- og setningsfritt. I tunneler vil det være minimalt behov for justeringer under forutsetning av at alle toleranser overholdes under bygging.

1.2 Fordeler og ulemper

Fordeler

I kapittel 1.1 er det nevnt at fast spor har en del fordeler framfor konvensjonelt spor med ballast. De viktigste fordelene med fast spor er:

• Fast spor krever mindre vedlikehold enn konvensjonelt spor med ballast
• Driftssikkerhet og tilgjengelighet for fast spor er vesentlig bedre enn for ballastspor
• Ballastoverbygning for høyhastighetstrafikk er begrenset i sin yteevne. Generelt har fast spor vesentlig lenger levetid enn ballastspor. I Tyskland forutsettes 60 års levetid på de nye høyhastighetsstrekningene, mens ballasten må skiftes etter ca 15 år på tilsvarende høyhastighetsstrekninger. Med betong i underbygningen vil det ikke være risiko for setninger i sporet i tunneler
• Målinger viser at fast spor har like god eller bedre sporkvalitet enn de beste ballastspor. Systemer som er bygget for at sporet finjusteres før faststøping, har de aller beste resultatene, se kapittel 3
• Ved setningsfri underbygning har ikke fast spor behov for justering. Som ekstra sikkerhet kan skinnefestet likevel ha justeringsmuligheter
• Sporvekslene for fast spor vil være minst like gode teknisk som for ballastspor
• Konstruksjonen gir en meget jevn fordeling av kreftene mot undergrunnen og god sporstabilitet i horisontal og vertikal retning
• Behovet for byggehøyde i fast spor kan gjøres mindre enn i et konvensjonelt spor. Ved å introdusere en konstruksjon med fast spor i eksisterende tunneler med opprinnelig ballastspor kan sporet dermed senkes for å gi plass i det øvrige tverrsnittet for det rullende materiell og kontaktledning. I nye tunneler vil redusert tverrsnitt gi mindre sprengning og massetransport. Tunnelhøyden kan reduseres med i størrelsesorden 25 cm ved bruk av fast spor. Kostnadsbesparelsen er størst ved fullprofilboring, som brukes mye i Europa. Ved konvensjonell sprengning, som brukes mye i Norge, er ikke kostnadsbesparelsen så stor
• Vektlegging av helse og miljø for drifts- og vedlikeholdspersonell i forbindelse med sporvedlikehold, spesielt i tunneler, taler til fordel for fast spor. Dette gjelder først og fremst støv og avgasser samt sikkerhet for drifts- og vedlikeholdspersonalet ved vedlikeholdsarbeider som sporjustering og ballastrensing i tunnel

Ulemper

De viktigste ulempene med fast spor, sammenlignet med ballastspor, er:

• Prisen for legging av fast spor er høyere enn for et konvensjonelt spor
• Dersom det skulle oppstå setninger eller utførelsen ikke er helt nøyaktig utført fra starten av, vil det være forbundet med store kostnader å utbedre skadene. Fast spor stiller meget strenge krav til underbygning og til nøyaktig utførelse under produksjon. På noen strekninger der dette ikke er gjort, er det gjort dårlige erfaringer med fast spor.
• For fast spor vil det være behov for sviller, befestigelse og sporveksler av en type som ikke er standard i Jernbaneverket, men som er standard hos andre store jernbaneselskaper
• Støyen i et fast spor kan bli meget høy. Årsaken til dette er at overflatene i de ulike synlige konstruksjonslagene er meget glatte og at konstruksjonen derfor ikke evner å absorbere lydbølgene like godt som ballast. Mulighetene for demping av luftlyd er likeverdige for fast spor og ballastspor. Demping av strukturlyd vil være dyrere med en løsning av fast spor. Alternativt kan derfor ballastspor og ballastmatter brukes på de relativt korte strekningene dette gjelder
• Generelt har fast sporkonstruksjon liten elastisitet
• Det vil ta lenger tid å repareres sporet for fast spor ved eventuell avsporing, men forskjellen er ikke dramatisk
• Enkelte systemer har vist seg ikke å holde mål grunnet dårlig holdbarhet. Det er derfor viktig at løsninger som tas i bruk er utprøvd og godt dokumentert med hensyn til erfaringer og holdbarhet. Langtidsvirkningen på asfalt er ikke godt nok dokumentert ennå. Det har også vært problem med at forbindelsesskruer løsner fra befestigelsen og må etterskrus for enkelte løsninger

1.3 Kostnader til bygging, drift og vedlikehold

Som nevnt i kapittel 1.2 vil byggekostnadene for fast spor være høyere enn for ballastspor. For å forsvare slike merkostnader, må altså besparelsene og fordelene for fast spor under drift overveie merkostnadene ved bygging.

1.3.1 Byggekostnader

Bygge-kostnader, størrelse

Data fra Japan tyder på at løpemeterkostnaden ved bygging av fast spor er 30 – 50 % større enn for ballastspor. Erfaringer fra Tyskland tilsier en merkostnad på opp mot 20 % for fast spor. I Japan brukes en løsning med prefabrikkerte plater. Tilsvarende løsninger med prefabrikkerte plater i Tyskland er dyrest av alle løsningene og vil neppe bli brukt i Tyskland. Data fra England tyder på en kostnadsforskjell på 30 %, mens data fra Frankrike viser en større kostnadsforskjell. Sammenligninger som ble gjort i Norge i tilknytning til vurdering av fast spor i Romeriksporten viste at en ADT-løsning (se kapittel 3.7) i Romeriksporten var ca 40 % dyrere enn sammenlignbare strekninger med ballastspor.

Følgende forhold vil først og fremst utgjøre kostnadsforskjellen mellom fast spor og vanlig ballastspor:

• Betong/asfalt er dyrere enn ballastpukk
• Svillene til fast spor er dyrere enn svillene til ballastspor
• Strengere krav til oppfølging og nøyaktig utførelse ved bygging av fast spor sammenlignet med ballastspor

Generelt er løsninger med betong som bærelag under svillene noe dyrere enn løsninger med asfalt som bærelag.

Fast spor har mindre konstruksjonshøyde enn ballastspor og det vil bety at det spares tunnelsprengning og utkjøring av masse. Dette må det tas hensyn til i eventuelle kostnadsberegninger.

1.3.2 Drifts- og vedlikeholdskostnader

Ved en total vurdering av drifts- og vedlikeholdskostnader vil følgende forhold ha betydning for lavere kostnader for fast spor:

• Sikkerhet og hastighet
• Bedre gangegenskaper for rullende materiell
• Lavere vedlikeholdskostnader for rullende materiell
• Bedre punktlighet og mindre driftsforstyrrelser

Spor-vedlikehold

Med fast spor vil sporvedlikeholdet bli vesentlig enklere og mindre omfattende enn for ballastspor. I Norge har vi imidlertid ikke særlig store erfaringer med hvordan høyhastighet og trafikktetthet påvirker nedknusing av ballast og ikke minst tilgjengelighet i tunneler. Erfaringer fra Tyskland tyder på at de totale drifts- og vedlikeholdskostnadene for ballastspor vil være vesentlig høyere på en høyhastighetsbane med blandet trafikk enn på en bane med lavere hastighet.

Både skinneprofil og svillestørrelse er forsterket i Norge i forhold til det som tidligere var vanlig på baner med lavere hastighet. Grunnet belastningen er det likevel sannsynlig at kostnadene til drift og vedlikehold på høyhastighetsbaner med stor trafikk blir høyere.

Ballastrensing

I ballastspor anses ballastrensing normalt nødvendig hvert 20. – 25. år. Stor togtetthet og krav til høyere hastighet og regularitet medfører større behov for ballastrensing. Grunnet økte påkjenninger og krav er det sannsynlig med behov for ballastrensing hvert 15. år. For fast spor er det ikke behov for ballastrensing.

Sporjustering

Behov for sporjustering i ballastspor vil variere sterkt. Normalt vil det være behov for sporjustering hvert 2. – 3. år på en bane med normalhastighet med et stabilt fundament. På høyhastighetsbaner er behovet for sporjustering noe større, dvs hvert 2. år. Stor togtetthet innebærer i tillegg at arbeidet må utføres om natten på relativt korte skift. For fast spor er det ikke behov for sporjustering.

I forbindelse med sporjustering og ballastrensing må ballasten suppleres.

Levetid

Levetiden for sporet forventes å øke fra ca 40 år for ballastspor til ca 60 år for fast spor. Levetiden for skinner og skinnefeste forventes imidlertid ikke å bli påvirket av om ballastspor eller fast spor bygges.

Selve sporfornyelsen kan bli noe mer arbeids- og kostnadskrevende med fast spor sammenlignet med ballastspor. Sporfornyelsen er dokumentert praktisk gjennomførbar.

Aktiviteter som inspeksjon, skinnesliping, utskifting av smådeler og skinnebytte må antas å være uavhengig av om ballastspor eller fast spor benyttes.

2 Teknisk beskrivelse

2.1 Generell oppbygging

Asfalt eller betong

Det er utviklet flere varianter av det ballastfrie sporet. Generelt er det to typer materiale som er aktuelle som alternativer til ballast. I den ene sportypen utnyttes betong i stedet for ballast, mens i det andre tilfellet utnyttes asfalt i stedet for ballast. Asfalt og betong har en del forskjellige egenskaper:

• Asfalt er fleksibel og elastisk, mens betong er stiv
• Asfalt kan tas i bruk direkte etter avkjøling, mens betong må herde i flere døgn
• Asfaltens stivhet påvirkes av temperaturen, mens betongens stivhet i liten grad påvirkes av temperatursvingninger

Erfaringene med asfalt i sporkonstruksjonen er tidsbegrenset. I litteraturen beskrives oftest bruk av asfalt i positive ordlag.

Oppbygging fast spor

Generelt består oppbyggingen av fast spor av flere lag og komponenter:

• Underbygning • Frostsikringslag • Et lag med magerbetong og hardskumplater som skal fungere som elastisk mellomlag (et såkalt HGT - lag (hydraulisch gebundener Tragschicht)) • Plasstøpt betongplate med gjennomgående slakkarmering, evt. asfaltlag • Sviller med høyelastisk skinnebefestigelse (dvs. 2 mellomlegg) • Skinner

Elastisitets-modul

Det som kjennetegner oppbyggingen av konstruksjonen, er forskjellen i elastisitetsmodulene i de forskjellige lagene. Det øverste laget under betongsvillene, som er betongplate eller asfalt, har en meget høy elastisitetsmodul. Så blir elastisitetsmodulene lavere og lavere i de underliggende lagene. Lagene blir dermed mindre harde. Dette har sammenheng med lastfordelingen. Enkelte konstruksjoner bygges uten sville. Figur 8.1 viser generell oppbygging av konstruksjoner med og uten sville.