Leca®-lahendused raudtee-ehituses

Kergkruusa kasutamise potentsiaal raudtee-ehituses on märkimisväärne. Rail Balticale lisaks uuendatakse ka vananenud raudteevõrku. Raudtee-ehitus nõuab kulutõhusaid ehituslahendusi madala kandevõimega aluspinnastele. Leca-kergkruus on mitmeotstarbeline (kerg)täitematerjal, mis pakub raudtee-ehituse mitmesugustele väljakutsetele sobilikke lahendusi. Tekst põhineb Ramboll Finland Oy tehnilisel artiklil.

Raudtee remont ja ehitamine on olemuselt veelgi rohkem väljakutseid pakkuv kui mitmed teised taristuprojektid. Ranged ohutusnõuded, paljude paikade keerukad aluspinnased ja renoveerimistöödel sageli ettetulevad ajakavaga seotud väljakutsed pingestavad raudtee-ehituse läbiviimist. Uue raudteeliini asukoht on kompromiss regionaalsete, poliitiliste ja tehniliste tegurite vahel. Kergtäitekonstruktsioonidel on potentsiaali lahendada korraga mitu geotehnilist probleemi nii renoveerimistöödel kui ka uue raudteemulde rajamisel.

Geotehniline dimensioneerimine raudteeprojektides

Raudtee-ehituse projektid on oma keerukuse poolest üldiselt keerukad või väga keerukad ning nende projekteerimine nõuab väga spetsiifilist geotehnika asjatundmist. Raudteemulde rajamisel on tüüpilisteks probleemideks mulde lihkeoht, vajumised, konstruktsiooninihked ja raudteeliikluse eripäradest tulenevad väljakutsed, nagu vibratsioon ja maanteeliiklusega võrreldes suuremad koormused.

Raudteemulde geotehnilises dimensioneerimises otsitakse aluspinnase tingimustele ja rongikoormustele sobivaimat ehitusviisi, arvestades projekti majanduslikke ja ajakavaga seotud piirtingimusi. Projekteerimisjuhistest on olulisemad Transpordiameti määrused ja juhendid, Euronormid koos nende riiklike lisadega. Uutele ja renoveerimis- raudteeprojektidele kohaldatakse erinevat dimensioneerimist. Alus- ja kandekonstruktsioonide kasutusea nõue on 100 aastat.

Kandevõime ja stabiilsuse määramine

Dimensiooneerimise määravad tegurid on konstruktsiooni stabiilsust kirjeldavad tugevus-varutegurid ja lubatud vajumised. Arvutuse lähteandmed põhinevad aluspinnauuringutel, mis näitavad nt pinnase kihte ning tugevus- ja deformatsiooniomadusi. Aluspinnase omadusi uuritakse kogu projektipiirkonnas nii raudteeliini kui ka üksikkonstruktsioonide puhul. Piisavalt suured ja kvaliteetsed aluspinnase uuringud on usaldusväärse projekteerimise aluseks.

Lihkepinna analüüs on enimlevinud stabiilsuse arvutamise meetod. Meetodis eeldatakse, et lihe toimub pinnases mööda teadaolevat liugpinda (joonis 1). Kontrollarvutustes otsitakse kriitilist liugpinda, mis määrab konstruktsiooni või aluspinnase stabiilsuse. Lihkepind tekib sageli läbi madalaima nihkejõuga pinnasekihi.

Joonis 1. Raudteemulde pinnase liugpind.

Levinud on kaks lihkepinna analüüsil põhinevat dimensioneerimisviisi: täieliku tugevusvaruteguri meetod ja osavaruteguri meetod. Täieliku tugevusvaruteguri meetod on nn tavapärane dimensioneerimisviis, mille puhul kasutatakse arvutamisel parameetrite iseloomulikke väärtusi. Arvutusest saadud täielik tugevusvarutegur (Ftäielik) määrab konstruktsiooni toetavate jõudude suuruse konstruktsiooni purustavate jõudude suhtes. Raudteemulde dimensioneerimisel on F-väärtuse nõue ≥ 1,5 - 1,8 olenevalt kontrollitavast dimensioneerimisolukorrast. 

Kehtiva Euronorm 7 osavaruteguri meetodi puhul rakendatakse parameetritele osavarutegureid, mille puhul tehakse arvutused dimensioneerimisväärtustega. Osavaruteguri  meetod võimaldab varieerimist erinevate parameetritega. Dimensioneerimise tulemuseks on varutegur ODF, mis peab nõuetekohaselt olema ≥ 1,0.

Raudteeprojektide kergtäitekonstruktsiooni geotehniline dimensioneerimine ei erine oluliselt tavatäitematerjalidest. Leca-kergkruus meenutab tehniliste omaduste poolest nidususeta pinnast.

Arvutustes kasutatakse Soome Väylävirasto kergtäitejuhendite vastavaid dimensioneerimis-parameetreid. Kui veetase võib tõusta konstruktsiooni sisse, tuleb kergtäitekonstruktsioon dimensioneerida Euronormile vastavalt ja kõrgeima võimaliku veepinna tõusu tasemeni.

Vundeerimine raudteeprojektides

Vaivundament on tüüpiline raudteemulde rajamise viis, kuid tavaliselt on see ka kõige kallim. Tugimulle on levinud ja soodne viis mulde stabiilsuse suurendamiseks ja eelkõige mulde lihke vältimiseks. Mulde stabiilsust saab parandada ka erinevate süvastabiliseerimislahenduste ning koormust vähendavate kergtäitekonstruktsioonidega. 

Raudteeobjektid paiknevad üha sagedamini madala kandevõimega aluspinnasel, mis suurendab lähitulevikus vajadust kergtäitekonstruktsioonide järele. Konstruktsiooni kergtäitega ehitades väheneb täitematerjalist tulenev koormus aluspinnasele ja seeläbi on võimalik vältida suurte, sageli väga kulukate lahenduste kasutamist. Leca-kergkruusakonstruktsiooni suurimateks eelisteks on ökonoomsus, kasutusmugavus ja eri vajaduste katmine.

Leca-kergkruus raudtee-ehituses

Leca-kergkruusa on kasutatud mh Kokemäki – Rauma liini rekonstrueerimisprojektis pinnasevahetuse kergtäitematerjalina (u. 2500 m³) ja Kerava – Lahti lõigul mh raudteemulde materjalina ning tee- ja sillakonstruktsioonides paari teostusaasta jooksul üle 100 000 m³. 2006. aastal avatud lõigul, mis kulges üle endise põllumaa, kasutati Leca-kergkruusa kilomeetri kohta umbes 15 000 m³. Piirkonnas on väga sügav „pehme“ pinnas – tugev „põhi“ on keskmiselt 45 m sügavusel. Aluspinnase ülaosas kuivema pealiskihi all on pehme savi. Savise ja liivsavise pinnase nihkejõud varieerub vahemikus 9–40 kPa ja veesisaldus 40–90%. (joonis 2)

Vai-rostvärgilahendus asendati sellel teelõigul kergkruus-konstruktsiooni ja süva¬stabiliseeri-misega. „Pehme“ pinnase sügavuse tõttu tulnuks rostvärk teha arvestatavalt sügav (u. 30 m), mis oleks ehituse maksumust oluliselt suurendanud. Süvastabiliseerimine tehti savikihi kuni lõpuni. Lisatugevdusena ümbritseti kergkruusakiht geotekstiiliga ja eelkoormati - kiirendati mulde pealmiste kihtide vajumite moodustumist. Tugimulded toimivad nii teenindusteede „põhjadena“ kui vastukaalu-konstruktsioonina.

Kokemäki–Rauma raudteelõigu remondiks kasutati Leca-kruusa.

Teostatud Leca-kergtäitekonstruktsiooniga saavutati märkimisväärne kulude kokkuhoid. Võrreldes vaiavundamentidega oli kokkuhoid u 1,6 miljonit eurot. Soome Transpordiameti seire järgi on lõik 10 kasutusaasta jooksul toiminud plaani- ja ootuspäraselt.

Potentsiaal tänapäeval

Raudtee tehnilisi juhendeid uuendati pärast Lahti lõigu projekteerimist. Sellise projekti tänapäevaseid kulusid ja elluviimist modelleeriti teostatud kergtäitekonstruktsiooni dimensioneerimisega vastavalt praegukehtivatele nõuetele (joonis 2). Konstruktsiooni maksumust võrreldi sarnastes tingimustes rajatava rostvärkkonstruktsiooniga. Geotehniline dimensioneerimine tehti vastavalt Euronormile 7, kasutades osavaruteguri meetodit ja Väylavirasto (Soome Transpordiameti) dimensioneerimisviisi DA3. Koormuste ja raudtee geomeetriaga seoses järgiti Väylavirasto raudtee tehnilisi juhiseid (RATO3). 

Süvastabiliseerimise dimensioneerimisel kasutati uut projekteerimisjuhendit (2018), mille olulisemad muudatused võrreldes vanaga on seotud dimensioneerimise põhimõtete uuendamisega Euronorm 7 järgimiseks.

Mulde uuendatud arvutuskäik järgib algset projekti. Raudtee stabiilsus ilma aluspinna tugevduseta on piisav ja dimensioneerimisel on määravaks teguriks lubatud vajumid. Kui ühendada vähemalt 6-kuuline mulde eelkoormamine süvastabiliseerimis-konstruktsiooniga, jääb mulde koguvajum kasutamise ajal lubatud piiresse (100 mm / 100 a.).

Kergtäite konstruktsiooni ja süvastabiliseerimist kombineerides on võimalik saavutada märkimisväärne kulude kokkuhoid võrreldes raudtee rostvärkkonstruktsiooniga. Tehtud uuringus moodustavad kergtäitelahenduse ehituskulud vaid kolmandiku (35 %) rostvärklahenduse kogumaksumusest. 100 m pikkusel muldel võib säästa hinnanguliselt 540 000 eurot. Kulude võrdluses võeti arvesse mulde tüüpristlõikes sisalduvaid konstruktsioone: muldematerjal, pealmised ja tugimulded ja aluskonstruktsioonid. 

Eelarvestuse aluseks on kehtivad ehitushinnad ja Leca-kruusa maksumus (35–40 eurot m³).
Uusi raudteeühendusi ehitatakse eelkõige Lõuna-Soomes. Üks suur kavandatav projekt on Helsingi-Turu kiirraudteeühendus, millest esimesena ehitatakse 95 km Espoo-Salo lõik. Kõnealune liin kulgeb 35 km ulatuses üle „pehme“ pinnase ja umbes veerandil raudteest on erikonstruktsioone, nagu sillad ja tunnelid. Kergtäitekonstruktsioone võib kõnealuse raudtee puhul pidada määravas osas sobivaks.

Kergtäitel on märkimisväärne potentsiaal ka renoveerimistöödel. Olemasoleva raudteemulde remont nõuab keerukaid liikluskorraldamisi ja on tavaliselt komplitseeritum kui sama mahuga teeprojekt. Materjalina on Leca-kergkruusa lihtne käsitseda ja ladustada, mistõttu on see ideaalne kriitilise ajapiiranguga projektides.