Vybavení patního tunelu Lötschberg trolejovým vedením Hahn, G., expert EBA Patní tunel Lötschberg je součástí výkonného drážního spojení mezi centrálním Švýcarskem a Itálií s napojením na evropskou železniční vysokorychlostní síť. 34,6 km dlouhá stavba sestává ze dvou jednokolejných tunelových trub, je provedena pro rychlost 250 km/h a v prosinci 2007 půjde do provozu podle jízdního řádu. Tunelové trouby jsou připraveny pro vlaky s velkoprostorovým profilem pro přepravu nákladních automobilů. Tunel je elektrifikován střídavým proudem 15 kV 16,7 Hz, je vystrojen trolejovým vedením upraveným pro podmínky tunelu Vedení je zvlášť připraveno pro změnu na velkoprostorový profil.
1. Úvod Ještě v 19. století byly Alpy pro cestující hrůzu nahánějící překážkou. Dnes je v alpském prostoru několik tranzitních koridorů, které jsou napojeny na dopravní sítě stále více srůstající Evropy, ale které svou výkonností již nevyhovují současným požadavkům. Patním tunelem Lötschberg buduje Švýcarsko výkonné železniční spojení Alpami, které spojuje již existující pípojné tratě na severu a na jihu. Koridor s tímto tunelem je součástí tzv. Nových železničních alpských transversál (NEAT), pro něž se švýcarské obyvatelstvo vyslovilo poprvé v roce 1992 (obr.1). Výkonný železniční koridor má převést tranzitní dopravu se silnice na kolej, tak chránit Švýcarsko před dalšími ekologickými zátěžemi a navázat ho na evropskou vysokorychlostní síť .
Obr. 1: Švýcarské Alpské transversály, oranžově – stávající patní tunel Simplon, červeně – stavby alpských tranzitních tunelů
1
Drážně technické vybavení tunelu bylo v roce 2002 po vypsání mezinárodního nabídkového řízení zadáno generálnímu dodavateli ARGE Bahntechnik Lötschberg, zhotovením trolejového vedení byly pověřeny firmy Kummler + Matter AG a Siemens AG. Patní tunel Lötschberg financuje Fond pro modernizaci švýcarských drah [2], který disponuje více než 30 miliardami Švýcarských franků. Fond financuje i projekt na Gotthardu, projekt Bahn 2000, sanaci hluku železniční sítě a napojení na evropskou vysokorychlostní síť. Fond se naplňuje odvodem z těžké dopravy (LSVA), 0,1% podílem daně z přidané hodnoty, příjmy z nerostné daně a z půjček. Koncesi pro provoz patního tunelu dostala BLS Lötschbergerbahn AG. Koncese platí pro všechny jízdy po nové tranzitní trati, údržbu a bezpečnost.
2
Popis tratě
Patní tunel Lötschberg vede od stanice Frutigen v Kandertalu do stanice Raron ve Wallisu. Na jihu se napojuje modernizovaná Simplonská trať. Tunel je dlouhý 34,6 km. Klesá od vrcholového bodu Mitholz k severu maximálně 13 ‰ [3].Z trasy tratě vyplývají poloměry oblouků větší než 4000 m [1]. U patního tunelu Lötschberg se plánují dvě směrově oddělené jednokolejné trouby. V první fázi byla však mezi severním portálem Frutigen a obslužnou stanicí, předpokládanou v Mitholz, zhotovena jen jedna tunelová trouba.Z bezpečnostních důvodů jsou každých 330 m tunelové trouby spojeny příčnými průchody (překopy). U portálů a každých šest až osm kilometrů tunelu byly vybudovány provozní centrály Frutigen, Mitholz, reléová místnost km 30, Ferden, Lötschen a Raron. V nich jsou umístěny zařízení a přístroje nezbytné pro provoz a údržbu. Aby se zkrátila doba stavby, byl tunel rozdělen do dílčích úseků, v nichž se pracovalo současně. Tři vstupní štoly v Mitholz, Ferden a Steg omezily délku stavebních úseků na maximálních 10 km. Spolu s portály Frutigen a Raron vzniklo šest čel výlomu pro ražení tunelu. Asi 30% trub a štol bylo vylomeno tunelovým razicím strojem – štítem (Tunnelbohrmaschine – TBM); ty mají kruhovou klenbu. Zbývající délka se razila trháním a má klenbu podkovovitou. Místa rozšíření pro obslužné stanice a výhybny dostaly částečně jen krytí stříkaným betonem. V místě výjezdu mezi nádražím Frutigen a severním portálem byly části provedeny jako hloubený tunel..
3
Požadavky na trolejové vedení
Hlavními podklady pro provedení trolejového vedení byly:
Průjezdný průřez Trať je vybudována pro švýcarský průjezdný průřez EBV 4, přičemž je možná pozdější přestavba na zvětšený „Shuttle-profil“ (obr.2). Ten počítá s loženým nákladním automobilem maximálně 5,45 m vysokým a 3,70 m širokým. Proto lze v souladu s finančními cíli přepravovat všechna vozidla, přípustná na národních silnicích dle zákona o silniční dopravě a tím snížit zátěž životního prostředí.
2
Obr. 2: Průjezdné průřezy EBV 4 (červeně) a zvětšený prostor pro shuttle (modře)
Profil sběrače Řetězovkové trolejové vedení bylo geometricky dimenzováno pro švýcarské profily sběračů EBV 51, 52 a 53 a pro evropské smykadlo. Tím jsou sběrače 1320 až 1600 mm širokými smykadly pokryty.
Spolupůsobení se sběrači Pro dynamické spolupůsobení sběračů proudu a trolejového vedení bylo třeba brát v úvahu několik konfigurací vlaků a sběračů: • vlak se dvěma sběrači ve vzdálenosti 185 m při 275 km/h (250 km/h + 10%) • vlak se dvěma sběrači ve vzdálenosti 18,5 m při 200 km/h • spřažené vlaky s třikrát dvěma sběrači při 120 km/h. Nejmenší vzdálenost mezi sběrači jednoho páru 18,5 m, nejmenší vzdálenost mezi dvěma páry sběračů 185 m.
Okolní teploty, led V nitru patního tunelu Lötschberg je vždy teplota přes 35 0 C při vlhkosti až 80 %. Od asi čtyř kilometrů od ústí tunelu se teplota pozvolna vyrovnává s vnější teplotou. Pokud jde o projekt, byla stanovena okolní teplota tunelu 0 0 C až + 35 0 C a pro oblast tunelového portálu -15 0 C až +35 0 C. Oblast tunelového portálu zasahuje 1500 m do tunelu. Na prvních 100 metrech se počítá se zatížením troleje i nosného lana 20 N/m.
Vítr Tunelová termika a především projíždějící války vyvolávají v tunelu vítr. S ohledem na zúžené poměry se počítá podél tunelové stěny s tlakem nebo sáním 1500 N/mm 2 .
3
4
Konstrukce trolejového vedení
S přihlédnutím k požadavkům uvedeným v části 3 bylo konstruováno řetězovkové trolejové vedení nazvané Re 250 LBL-T II na bázi pro DB AG vyvinutého a po mnoho let úspěšně používaného trolejového vedení RE 250. Tabulka 1 obsahuje podstatné parametry. Řetězovkové trolejové vedení sestává z trolejového drátu CuAg AC-120 dle EN 50149 a z nosného lana DIN 48201 – 70 Bz II. Obě jsou napjaty tažnou sílou 15 kN. Sestava je 1,30 m vysoká (obr.3) pro průjezdný profil EBV 4 a 0,75 m po přestavbě na profil shuttle. Pro profil EBV 4 může podélné rozpětí dosáhnout maximálně 51 m a při přestavbě na profil shuttle se vždy půlí, přičemž se boční držáky použijí jen na každé druhé podpěře. Trolejový drát se napne s počátečním průvěsem odpovídajícím 0,6 ‰ podélného rozpětí a s boční odchylkou ± 0,20 m u podpěry. Nosné lano probíhá svisle nad trolejovým drátem. Řetězovkové trolejové vedení je provedeno bez přídavných lan Y.
Obr. 3: Řetězovkové trolejové vedené Re250 LBL-T II a - délka pole, SH – výška systému, l – vzdálenost věšáků v poli, l 1 – vzdálenost k prvnímu věšáku v poli, V – průvěs Tab 1: Technická data trolejového vedení Trolejové vedení Re250 LBL-T II pro průjezdný průřez EBV 4 Trolejový drát Nosné lano Věšák Vzdálenost věšáku od podpěry l 1 Vzájemná vzdálenost věšáků l Boční odchylka u podpěry b Výška sestavy SH Výška troleje Normální rozpětí a Prověšení V Maximální délka dopínání Zatížitelnost řetězovkového vedení trvalým proudem při 80 0 C Zatížitelnost řetěz.vedení zkratovým proudem Propojovací proudové lano Zemnicí lano Trolejové vedení Re250 LBL-T II
Řetězovkové trolejové vedení bez přídavného lana Y CuAg0,1 AC-120, tažná síla 15 kN Lano DIN 48201-70-Bz II, tažná síla 15 kN Lano BWL 7060-2 10Bz 7 x 7 x 0,51 2,50 m ≤8,00 m ±200 mm 1,30 m 5,30 m 50 m 0,6‰ a 1400 m 756 A s novým trolejovým drátem 53 kA pro 100 ms Lano BWL 7075-1 CuAg0,1 95x259 (podobné DIN 43138) Lano DIN 48201- 150 E-Cu Řetězovkové trolejové vedení bez přídavného lana Y
4
pro profil shuttle Výška sestavy SH Výška troleje Rozpětí pro nosné lano Rozpětí pro trolej
0,75 m 5,85 m 25 m 50 m
Věšáky tvoří vysoce flexibilní lano Bz II o průřezu 10 mm 2 . Je odolné proti zkratu, takže v řetězovce nejsou nutné další proudové propojky. Věšáky jsou v pojížděných úsecích řetězovkového vedení nejméně 0,5 m dlouhé. Trolejový drát a nosné lano se dopíná odděleným zařízením (obr.4). Dopínací zařízení a podpěra nebo pevné odtažení má maximální rozestup 700 m. Překrývání řetězovkových trolejových vedení jsou provedena přes tři pole s přechodem sběrače z jedné řetězovky na druhou ve středním poli (obr.5). Přemostěné izolátory jsou vloženy do všech dopínacích zařízení, takže odpojením proudových propojek mezi řetězovkovými vedeními a u izolátorů je lze přeměnit na úsekové děliče. V asi šestikilometrovém rozestupu a v místě spínacích stanic se vkládají izolovaná překrývání (úsekové děliče). Paralelní trolejové dráty mají v překrytí odstup 300 mm. . Rozsáhlé simulace způsobem popsaným v [7] prokázaly vhodnost řetězovkového trolejového vedení, pokud jde o spolupůsobení s různými konfiguracemi sběračů proudu.
Obr. 4: Napínací zařízení
Obr. 5: Překrytí přes tři pole Stützpunkt – podpěra
Podstatnou novinkou bylo použití proudových propojek vysoce flexibilní lanovou konstrukcí dle DIN 43138 s měděnými dráty legovanými stříbrem místo obvyklých E-Cu. Tím se zvyšuje zatížitelnost lan trvalým proudem. Místo dvou lan 70 mm 2 mohou být proudová propojení provedena jedním lanem 95 mm 2 . To snižuje váhu zabudovanou navíc do řetězovkového systému a zlepšuje tak kvalitu pojíždění trolejového vedení. Trvalý proudový výkon řetězovkového trolejového vedení Re 250 LBL-T II s novým trolejovým drátem činí 756 A. Maximální dovolený zkratový proud byl stanoven při novém trolejovém drátu na 53,0 kA. Konzoly pro řetězovku byly provedeny jako jednoramenné, z materiálu odolného proti korozi (obr.6). Řetězovku nese kombinovaný izolátor odpuzující vodu a
5
nečistoty, který je bezpečný proti lomu a odolný proti vandalům. Celá nosná konstrukce je odolná proti zkratu. Další proudové propojky přemosťují klouby konzol a zachovají také v případě zkratu pohyblivost konzoly. Při přestavbě na profil shuttle může zůstat nosná trubka s otočnou svěrkou nosného lana zachována. Snížení výšky sestavy se dosáhne novou podpěrou trolejového drátu. Obrázek 7 ukazuje takovou nosnou konstrukci po přestavbě.
Obr. 6: Podpěra s bočním držákem
5
Obr. 7: Podpěra po přestavbě na profil shuttle
Napájení drážní energií
Trakční napájecí stanice Mitholz v tunelu a Gampel vně tunelu mohou při násobné trakci napájet energií současně až šest lokomotiv. Napájecí stanice získávají energii z elektráren vzdušným i kabelovým vedením 132 kV. Řídicí místo Spiez ústředně kontroluje a řídí napájení drážní energií. Čtyři kabely Cu 240 umístěné v postranní stezce každé tunelové trouby napájejí energií trolejové vedení a posilují je. Ve vzdálenosti asi jednoho kilometru jsou jako zesilovací vedení pevně spojeny s řetězovkovým trolejovým vedením. Trolejové vedení je rozděleno na asi šest kilometrů dlouhé napájecí úseky. Ty jsou opatřeny vždy vlastním výkonovým spínačem. Tímto napájecím schématem je zajištěno, že i při odpojení jednoho napájecího úseku může provoz ve zbývajícím tunelu pokračovat, a že může být zajištěna bezpečnost při práci při stavebních pracích možným selektivním uzemněním jednotlivých kotevních úseků. U provozních ústředen se počítalo s neutrálními úseky, které jsou při normálním provozu propojeny. Mohou být otevřeny pro ochranu zařízení, když trolejovým vedením tečou příliš vysoké vyrovnávací proudy v návaznosti na celou drážní sít.
6 Konstrukční a přejímací zkoušky před zabudováním S ohledem na napjatou dobu stavby, stísněný prostor pro stavbu a aktivity četných profesí jakož i při snaze o vysokou funkceschopnost a provozní spolehlivost bylo již v předstihu montáže požadováno udělení souhlasu pro provoz švýcarským Spolkovým úřadem pro dopravu BAV a provedení přejímacích zkoušek ve dvou zkušebních tunelových úsecích, ražených trháním a tunelovým razicím strojem [5]. Při přejímacích zkouškách se uskutečnily rozsáhlé programy zkoušek a měření. K důležitým patřily: • Posouzení návaznosti s pracemi jiných profesí
6
• • • • • • •
Kontrola dodržení průjezdného průřezu Zatěžovací zkoušky, na příklad zkoušky hmoždinek na vytažení, západkové zkoušky dopínacích zařízení Schopnost montáže trolejového vedení v tunelu Chování zařízení v celém rozmezí teplot, na příklad simulace pohybu řetězovkového vedení, konzol a napínacího závaží, volná pohyblivost proudových propojek, přezkoušení boční polohy troleje Měření stupně účinnosti dopínacího zařízení Statická měření zdvihu troleje Přezkoušení volného zdvihu u bočního držáku a v překrytích.
Tím mohlo být zjištěno, že trolejové zařízení odpovídá všem funkčním požadavkům a podmínkám vystrojení a během montáže nedojde k překvapením.
Obr. 8: Spínač zemnění
Obr. 9: Ruční ovládání s závěrným zařízením
7 Soulad s koncepcí bezpečnosti S ohledem na bezpečnost provozu musí obě tunelové trouby fungovat zcela autonomně. V samotných tunelových troubách jsou instalována jen zařízení, která tam jsou nutná. Všechny ostatní části zařízení jsou umístěny v klimatizovaných technických prostorách nebo v příčných průchodech [3]. Každých 333 m spojuje obě tunelové trouby příčný průchod – překop. Tak se jedna tunelová trouba stává záchranným tunelem pro druhou. Také v první fázi stavby probíhají vždy obě trouby vedle sebe, dík obslužné štole Kandertal také v jednokolejně vybudovaném tunelovém úseku mezi Mitholz a Frutigen. K evakuaci cestujících a drážního personálu byly v tunelu zřízeny nouzové zastávky. Tam jsou k dispozici větrané úseky. Nouzové zastávky jsou vybaveny samostatným přívodem čerstvého vzduchu, odsáváním kouře, komunikačními zařízeními, videozařízením a zesíleným osvětlením. Počítalo se s odpojitelnými úseky troleje, aby se při evakuaci osob vyloučilo ohrožení napětím trakčního vedení.
7
K boji s ohněm a pro záchranné práce jsou u kilometr vzdálených napájecích přípojů zřízena stacionární zařízení pro zemnění příslušných napájecích úseků. Obrázek 8 ukazuje zemnící spínač a obrázek 9 pod ním umístěný ruční ovladač.
8 Montáž trolejového vedení Krátká doba stavby a styk s četnými jinými profesemi vyžadují pečlivé plánování. To začíná s uspořádáním trolejového vedení. Celé trakční vedení bylo vytvořeno jen z asi 250 různých součástí včetně všech šroubů, matek a podložek [6]. To byl základ pro rychlou použitelnost a přísnou materiálovou logistiku. Veškerý materiál včetně montážních zařízení bylo možno do tunelu dopravit jen po kolejích přes Raron a Frutigen. Protože stavební vlaky různých profesí mohly vjíždět jen ve spojení, nebyla během směny možná změna potřebného materiálu nebo nářadí. Za účelem snižení doby na zabudování do tunelu byly na montážních místech Raron a Frutigen konstrukční celky maximálně předmontovány [4]. Velkou výzvou byla montáž závěsných sloupů pro řetězovkové vedení, zemnicí lano nebo kabel radiospojení. V tunelu se montovalo asi 5200 závěsných sloupů. Pro osazení kotevních tyčí se použily speciální vrtací automaty a montážní vlak vybavený hydraulickými zvedacími zařízeními pro závěsné sloupy. Náročné na montážní práce byla i pokládka asi 27 000 m uzemňovacích kabelů na stěnu tunelu a do kolejového lože. Obr.11 ukazuje montáž trolejového drátu a nosného lana.
Obr.10: Montáž závěsného sloupu
Obr.11: Montáž nosného lana a trolejového drátu
9 Uvedení trolejového vedení do provozu
8
Od října 2006 probíhala přejímka trakčního zařízení s rozsáhlým programem elektrických zkoušek s měřením impedance, rozdělení proudu, zahřátí a krátkého spojení. Splnění požadavků kladených na celé zařízení bylo prokázáno. Pro dynamické zkoušky souhry trolejového vedení se sběrači proudu byly provedeny jízdy rychlostí až 230 km/h s vlaky taženými lokomotivami se dvěma zdviženými sběrači proudu ve vzdálenosti 18,5 m a až 280 km/h motorovými vlaky s jedním a se dvěma zdviženými sběrači ve vzdálenosti 185 m. Při všech jízdách zůstal zdvih trolejového drátu pod 70 mm. Požadavky dle EN 50367 byly dodrženy až do rychlosti 280 km/h. 30. května 2007 byl tunel Lötschberg předán provozovatelské BLS Lötschberhbahn. Až do změny jízdního řádu 9. prosince 2007 se trať komerčně využívá v omezeném rozsahu. Tím byl dokončen opět jeden kus evropské sítě pro vysoké rychlosti a Evropa je o kus dál k vzájemnému propojení. Lit erat ura : [1 ]BLS Alp Transit AG: Löschb erg-Basisitunn el: Von der Id ee zu m Dur chsch lag (Od myšlenky k pror ážce), Stämp li V er lag AG, 2006 [2 ]BLS Alp Transit AG: D ie Zukunfts-Bahnv erbindung fü r Eu ropa is t im Bau (Drážn í spoj en í budou cno sti pro Evropu j e v e stavbě) . Bro žur a k p a tn ímu tunelu Lö ts chb erg, 2000 [3 ]BLS Alp Transit AG: Ein Schw eizer Jahrhund er t- Bauw erk ( Švýcar ská stavb a století). Bro žur a k patn ímu tun e lu Lö ts chb erg 8.2005 [4 ]BLS Alp Transit AG: Vo m Rohbau tunn el zu m Bahn tunnel ( Od hrub é stavb y k dr ážn ímu tun elu) . Bro žur a k p a tn ímu tunelu Lö ts chb erg, 4.2006 [5 ]Zupp inger,J.,O rsen igo, V.: Bahn te chn ik im Lo ts chb erg- Basistunnel (Dr ážn í te chn ik a v p a tn ím tun elu Lö ts chb erg), Eisenb ahn ing en ieur 55 (2004, č.8 , s.332-36 [6 ]S iem ens AG TS E L: Fahr leitungsma ter ial für d en Vernv erkeh r ( Mater iál tro lejov ého ved en í pro d á lkovou dopr avu) , K a ta log výrobků, 2 0 0 6 [7 ]Reichmann, Th.: Simu lation des Systéme Ob er le itungskettenwerk und Stro ma bn eh me r mit d er F in i te - E l e me n t- M e th o d e ( S imu l a c e s y s té mu ř e tězovkov ého tro lejového veden í a sb ěr a če proudu me todou kon eč ných prvků), Elek tr isch e Bahn en 103 (2005 ), č. 1-2, s.69-75
Název originálu: Oberleitungstechnische Ausrüstung des Lötschberg-Basistunnel Zdroj: Elektrische Bahnen 105 (2007), Heft 4-5, s. 284-289 Překlad: Hynek Krejčí Grafická úprava: ODIS
9
