Technologické inovace při stavbě a vybavení patního tunelu Lötschberg Peter T e u s c h e r, ředitel zhotovitelské společnosti 1 Patní tunel Lötschberg představuje společně s tunelem Simplon první rychlé spojení sever-jih Alpami. Patní tunel byl 15. června 2007 předán zhotovitelskou společností BLS Alp Transit AG do provozu provozovatelské společnosti BLS AG. Pokud jde o techniku a bezpečnost, je patní tunel dílem nové generace. Patní tunel Lötschberg je integrální součástí koncepce švýcarské sítě „Nová alpská železniční transverzála“ (Neue Eisenbahn-Alpentransversale – NEAT). Délkou 34,5 km je tunel jádrem lötschberské úpatní trati. Severní portál leží u stanice Frutigen v údolí Kandertal jižní portál u Raronu v údolí Rhony. Patní tunel Lötschberg představuje doplněk dosavadního vrcholového tunelu Lötschberg. Kapacita tranzitní nákladní dopravy se příznivými sklonovými poměry (3-13‰) patního tunelu a větším příčným profilem pro přepravu nákladních automobilů (Shuttle-Profil) zřetelně zvýší. Napojení na evropskou síť vysokorychlostních tratí o rychlosti až 250 km/h (vlaky s naklápěním) přinesou rychlejší spojení pro cestující i pro dojíždějící do zaměstnání. Cestovní doba Švýcarskem po lötschberské úpatní trati činí od změny jízdního řádu 9. prosince 2007 již jen asi dvě hodiny. Obrázek 1 ukazuje geografickou situaci mezi Thunském jezerem a údolím Rhony Černě je zobrazena stará lötschberská dráha s vrcholovým, v roce 1913 dokonče-ným, 14,61 km dlouhým vrcholovým tunelem s umělými délkovými rozvinutími trati u Mitholzu a s odvážnou svahovou tratí do údolí Rhony. Cílem tehdejšího trasování bylo, dosáhnout sklony až 27‰, smyčkami a malými poloměry oblouků vrcholu horského masivu, aby se tak omezila délka tunelů na technicko-ekonomickou proveditelnost. JIž první pohled ukazuje červeně zakresleným patním tunelem Lötschberg podobu dnešní trasy. Tunelové portály Frutigen a Raron na úrovni horského patra, napřímená trasa trati pro vysoké rychlosti, plochý profil jen s 3 až 13‰ podélného sklonu pro těžké vlaky, přirozeně ovšem se smířením s nutnou délkou tunelu 34,6 km. (Další údaje o lötschberském a simplonském tunelu viz [1]). Pro realizaci velké stavby patního tunelu Lötschberg (úplného provedení) se počítalo se třemi etapami. První etapa, jež jde do provozu v červnu 2007, představuje co nejnižší stupeň provedení, což znamená, že patní tunel není v celé délce dvoukolejně sjízdný. Společně s jednokolejnou tratí huckepack (pro přepravu automobilů) přes horský masiv vznikla však přesto výkonná dvoukolejná trať s rozšířeným tunelovým profilem. Graf na obrázku 2 ukazuje přehled celkové lötschberské úpatní trati s propojením se stávajícími tratěmi.
1
D ip l.-Ing. SIA Pete r Teuscher, ř edite l E rs te llerg es e lls ch aft d er Lö ts chb erg- Ba s is tunn e ls, Thun ; peter.teuscher@b ls at.ch
OBR.1: Geografický přehled obou lötschberských tratí 1.
KONCEPCE STAVBY
Aby se dosáhlo rychlé doby stavby a minimalizovala stavební rizika, byl patní tunel rozdělen na úseky. Pro přístup k úsekům byly vylomeny přístupové štoly Ferden a Mitholz. Výlomové práce tak probíhaly z 5 čel: Od portálů Frutigen a Raron, od úpatí přístupových štol Ferden a Mitholz a od portálu přístupové štoly Steg (která může být později vystrojena jako drážní tunel). První trhání v profilu patního tunelu Lötschberg započalo v úpatí štoly Mitholz 5.července 1999 [2]. Cílem celkového programu stavby bylo uvést tunel do provozu v červnu 2007. Při realizaci takové stavby s 2100 m horninového nadloží, při teplotách v hornině až 45 0 C bylo na všech stupních zapotřebí mnoho inovací, vědomostí a znalostí. Pro projektování i stavbě byl směrodatný průjezdný profil „LötschbergShuttle“ (obr.3), který je větší než mezinárodně dohodnutý profil „UIC GC“. Cestovní doba Švýcarskem po lötschberské úpatní trati od prosince 2007 činí jen asi 2 hodiny
OBR.2: Schématický přehled lötschberské úpatní trati
OBR.3: Průjezdný profil patního tunelu Lötschberg 2. MITHOLZ - RAŽENÍ TRHÁNÍM Od úpatí Mitholz – to je na konci 1,5 km dlouhé průzkumné štoly – probíhaly výlomové práce současně ve třech tunelových troubách: - dvě trouby v jižním směru s délkami po 7,9 km a - jedna trouba na sever o délce 7,4 km. Trouby patního tunelu od Mitholzu byly vylomeny trháním. Ražení pomocí tunelových razicích strojů (ražení TBM, tj. štítem) inženýři a geologové vyloučili již ve fázi projektu. Důvodem byly vysoké tlaky horninové vody a možný výskyt vody krasové. Při ražení trháním byly však použity nejnovější postupy a techniky. Automatická vrtací Jumba se třemi vrtacími rameny a s nakládacím košem umožnily při vrtání vysoké výkony a zjevné zvýšení bezpečnosti při práci. Vrtací Jumbo (obr.4) vrtala podle digitalizovaného vrtného schématu 110 vrtů do čela tunelu (vrtné schéma se přitom stále přizpůsobovalo hornině). Délky záběru činily podle pevnosti horniny 2 až 5 metrů. Poprvé byly použity emulzní trhaviny s elektronickými roznětkami. Po odstřelu byly odsáty zplodiny. Odkliz rubaniny se děl pomocí pojízdného nakladače s bočním vyklápěním. Rubanina se předávala přímo do těžkého válcového úderového drtiče, tam se drtila na velikost zrn 250 mm a sypala na podélný dopravník. Doprava drcené rubaniny po výkonných dopravnících probíhala od čelby až k úpravně vně tunelu Kapacita rubání a odklizu rubaniny tak činila přes 300 t/h. Ve špičkových dobách běžely dopravníky v celkové délce 60 km. Aby se dalo dosáhnout vysokých požadovaných výkonů ražby, - až 15,5 m za
prac.den v průběžném třísměnném provozu (3 x 8 h po 7 dnů) – byla použita visutá plošina jako přívěs, která zajišťovalo celý přísun i odsun. Tunel nebyl těsněn celoplošně, ale jen v pásmech s horninovou vodou. Pro stavební úsek Mitholz bylo pro vnitřní výstroj zapotřebí asi 800 000 m 3 betonu. Výlomový materiál se vně tunelu drtil do frakcí a přepravníky se opět přiváděl k betonárce, která byla instalována v podzemí úpatí Mitholz. Betonárka sestávala ze dvou nezávislých míchacích souprav o výkonu po 60 m 3 betonu za hodinu. Maximální měsíční výkon betonáže činil ve stavebním úseku Mitholz 40 000 m 3 . Zvláštní výzvu představovaly na stavbě tunelu četné stavební objekty jako provozní kaverny, rozplétací kaverny, rozšíření pro výhybny a nouzové zastávky.
OBR.4: Tříramenná vrtací souprava s nakládacím košem 3. RAŽBA TUNELOVÝM RAZICÍM STROJEM STAVEBNÍ ÚSEK SREG/RARON Na jihu prováděl stavbu stavební oddíl, který zahrnoval 4 pracovní úseky, ty se razily hlavně tunelovým razicím strojem (Tunnelbohrmaschine-TBM, štítem), tedy budovaly se tzv. TBM-ražbou (obr.5). Úseky lze popsat takto: ¾ Úsek „Steg“ je dlouhý 8,925 km. Tato trať se razila strojem TBM. Začal u portálu Niedergestein, šel přes rozvětvení Lötschen a končil u Ferden. ¾ Úsek „Raron Ost“ je dlouhý 10,008 km a razil se rovněž TBM mezi portálem Raron a Ferden. ¾ Úsek „Raron West“ je dlouhý 4,603 km. Zde se použila ražba trháním. Trať leží mezi portálem Raron a rozvětvením Lötschen. ¾ Výlom dalších stavebních objektů, jako překopů, provozních ústředen, kaveren pro propojení kolejí a výhybny. Jako TBM byly úspěšně použity dva otevřené, jednoduše upínané plnoprofilové razicí stroje pro tvrdé horniny (Gripper) firmy Herrenknech.
Oba použité tunelové razicí stroje měly ve vrtné hlavě průměr 9,43 m. TBM sestávaly z strojních částí - vrtací hlavy, pohonu, bezpečnostního úseku, úseku s pěti návěsy a dalšího bezpečnostního úseku. Postup ražení lze popsat takto: TBM se po stranách upne o horninu dvěma úchyty – „grippery“. To umožňuje posouvajícím válcům působit vpřed velkým tlakem. Na čele TBM se otáčí razicí hlava až šesti otáčkami za minutu. Přímo na horninu tlačící válcové řezáky na vrtné hlavě vylamují skálu v malých kouscích, jež minéři označují jako „chips“.Na obvodu vrtné hlavy je namontováno dvanáct shrabováků – „Räumer“. Ty nabírají vrtnou drť – „Bohrklein“ odvádějí ji do nitra vrtné hlavy. Odtud padá materiál na dopravníkový pás, který vytěžený materiál transportuje z tunelu. Po dvou metrech ražení jsou posouvající válce plně vysunuty. Aby se stroj udržel v dané poloze, vysune se nejprve opěra. Pak se grippery uvolní od skály, zasunou a o dva metry posunou vpřed. Po opětovném upnutí gripperů začíná další vrtný krok. Na TBM za vrtnou hlavou následuje okamžitě provedení zajišťovacích armovacích sítí, kotvení, částečně stříkaný beton a ocelové oblouky. Nejlepší denní výkon byl dosažen 9. září 2003 50,10 metry, což znamenalo v této tvrdé hornině a při velkém průměru nový s v ě t o v ý r e k o r d. . Proražení patního tunelu mohlo být oslaveno 28.dubna 2005. Nejlepší denní výkon tunelového razicího stroje v tvrdé hornině činil 50,1 m
OBR.5: Tunelový razicí stroj Steg s náběžníkem při montáži před portálem Niedergestein OBR.6: Zásuvná vrata v příčné štole 4. DRÁŽNÍ TECHNIKA S postupem stavebních prací přejímali tunel od tunelářů postupně úsek za úsekem drážní technici. Tento postup znamenal, že tunel se po určitou dobu současně lámal, betonoval a instalovala se drážně technická zařízení.
Zařízením drážní techniky se rozumí jízdní dráha, trakční vedení, zabezpečovací zařízení, systém vlakového zabezpečení a radiospojení. Tyto systémy se napájejí a ovládají elektromechanickými systémy. Zahrnují mimo jiné napájení elektrickým proudem, větrací a klimatizační zařízení, zabezpečovací a komunikační zařízení, jakož i z kabeláž, dveře a zásuvná vrata (obr.6). Přístup různých firem na jejich pracoviště byl po celou dobu vybavování tunelu drážní technikou „logistickým oříškem“. Vždyť jinak než přes den jsou příjezdné cesty v tunelu – mírně řečeno - velmi omezené. Zabudování drážně technického vybavení vyvolalo enormní obrat materiálu. Do tunelu bylo přepraveno 230 000 tun zařízení. 4.1.
VYSTROJENÍ TUNELOVÝCH TRUB
Tunelové trouby obsahují při úzkém průjezdném profilu a daných klimatických podmínkách jen nejnutnější vybavení. Patří k němu jízdní dráha, trakční vedení, kabely a bezpečnostně technická zařízení (obr.7). Jsou to na příklad terče, osvětlení, zábradlí a madla, balízy a počítače náprav. Üpatní lötschberská trať je koncipována pro smíšený provoz těžkými nákladními i osobními vlaky. Proto byla konstruována odolná jízdní dráha s dlouhou životností a redukovanými udržovacími cykly. Pro zabudování této pevné jízdní dráhy vyvinuli drážní inženýři zvláštní postup. Při něm se předmontované kompletní úseky koleje o délce 18 m s inventárními kolejnicemi, jednoblokovými pražci a podpěrnými tělesy na spodní straně osazovaly na podlahu tunelu a stabilizovaly se (obr.8). Nato betonovaly stavební čety nosnou desku koleje až těsně pod bloky pražců. Po jemné rektifikaci se pak pražce zabetonovaly litým betonem. Vždy po cyklu 2200 m se kolejnice demontovaly a nahradily definitivními dlouhými kolejnicemi. Celkem se na lötschberské úpatní trati položilo 50,7 km pevné jízdní dráhy a asi 6 km jízdní dráhy se svrškem na štěrku. T r a k č n í v e d e n í bylo konstruováno pro trvalé provozní proudy 2000 ampér a pro zkratové proudy až do 50 kiloampér. Trať byla přitom provedena pro normální profil EBV 4, přičemž je možná pozdější přestavba na „shuttleprofil“ (pro pozdější nakládání aut). V patním tunelu Lötschberg se pro různá napájecí a komunikační kabely položilo 14 000 km kabelů. V tom mimo jiné kabely 132 kV, 15 kV, 16 kV a 950/400/230 V, jakož i optovodiče.
OBR.7: Plně vystrojená trať tunelu
OBR.8: Zabudování pevné jízdní dráhy 4.2.
PŘÍČNÉ ŠTOLY
V celé délce patního tunelu bylo vybudováno celkem 104 příčných překopů. Ty spojují každých 330 metrů obě trouby patního tunelu a – na severu – obslužnou štolu Kandertal s východní troubou. Příčné štoly slouží jako únikové cesty i stanoviště drážně technických zařízení. Zásuvné dveře uzavírají štoly vůči tunelovým troubám. Tyto speciálně vyvinuté zásuvné dveře musí odolávat tlaku vzduchu, který vznikne při rychlostech vlaku až 250 km/h. 4.3.
PROVOZNÍ CENTRÁLY A BEZPEČNOSTNÍ ZAŘÍZENÍ
U portálů Frutigen a Raron byly vybudovány po jedné a uvnitř tunelů osm provozních centrál. Jak tunelový systém (východní a západní roura), tak i provozní centrály byly koncipovány redundantně. Každé stanoviště centrál dostalo jednu provozní cemtrálu Východ a Západ, takže výpadek systému v jedné tunelové troubě nemá vliv na druhou tunelovou troubu. Centrály u tunelových portálů Frutigen a Raron jsou „komerčně běžné“ betonové stavby, v nichž byly umístěny skříně, transformátory, klimatizační a bateriová zařízení, stavědlová zařízení, telefonní ústředny, zabezpečovací a rádiová zařízení atd. Zařízení pro hlášení a likvidaci požárů se nalézají také ve všech provozních centrálách. Osm provozních centrál uvnitř tunelu jsou hornicky vylomené kaverny. Drážně technická zařízení jsou zde umístěna chráněně v 20-stopových kontejnerech z ušlechtilé oceli, celkem je jich 136. To nemělo za účel jen ochranu techniky (druh ochrany 65). Tímto „modulárním uspořádáním“ lze drážně technická zařízení v kontejnerech nejen sestavit, ale i vyzkoušet. Zkoušky proběhly nejprve v jednotlivých kontejnerech a nato v „kontejnerových kolektivech“. Zásuvkové přípoje podstatně usnadňují sestavení kolektivů, rozebrání pro přepravu do tunelu a posléze konečnou montáž. Zabudováním drážní techniky do kontejnerů se dal ušetřit asi jeden rok stavby (obr.9). Použitím kontejnerů lze drážně technická zařízení zabudovat a zkoušet mimo tunel
Celý patní tunel Lötschberg je vybaven zabezpečovacím systémem ETCS Level 2, přičemž jako zvláštnost pro případ evakuace musí být možný i zpětný výjezd z tunelu.
OBR.9: Obrázek s kontejnery 4.4
ukazuje
hotovou
provozní
centrálu
Lötschen
Ost
ŘÍDÍCÍ MÍSTA
Kontrolu a ovládání zařízení k zajištění bezpečného provozu a vysoké funkceschopnosti přejímají řídicí systémy. Ty mají hierarchickou strukturu. Řídicí zařízení na úrovni provozní centrály sbírají data o situaci a informace z překopů a z tunelových tratí svého úseku a předávají je dále na vnější řídicí místa u portálů Frutigen a Raron. V opačném směru se předávají příkazy pro obsluhu a řízení. Při selhání některé vnější řídicí ústředny přejímá ta druhá automaticky v celém rozsahu její funkci. 4.5
DODÁVKA PROUDU
U energie se rozlišuje „trakční proud“ a „proud pro ostatní zařízení“. Proud 50 Hz napájí zařízení v tunelu nebo v provozních a ventilačních centrálách a je nezávislý na napájení trakčním proudem. Celá infrastruktura, jako větrání tunelu, klimatizační zařízení, osvětlení, signalizace a komunikace vyžaduje dodávku energie, která se podobá velkému průmyslovému podniku nebo menšímu městu. Zařízení s proudovým napájením 50 Hz jsou zásobována ze sítí 16 kV místních energetických podniků. Obě elektrocentrály jsou navzájem propojeny dvěma vazebními transformátory 5 MVA, aby byla v případě poruchy možná výměna energie mezi Severem a Jihem. Při selhání síťového transformátoru zajistí provoz během max. 90 minut baterie pro nouzový provoz. Na trati Frutigen – Raron zajišťuje zcela nezávislá síť 15 kV/16,7 Hz napájení trakčním proudem. Obě trakční sítě SBB na jihu a BLS AG na severu mohou být při synchronnosti a rovnosti napětí vzájemně propojeny. Stávající vedení 132 kV Wimmis – Kandersteg bylo v Mitholzu napojeno na podzemně provedené napájecí stanice 132/15 kV. Proti plynu izolované
spínací zařízení disponuje kabelovou odbočkou k napájecí stanici Gampel. Kabel 132 kV probíhá od napájecí stanice Mitholz přes vstupní štolu Mitholz do východní trouby a přes portál Steg k napájecí stanici Gampel. 4.5 SYSTÉM VĚTRÁNÍ A ZASTÁVKY Větrací systém patního tunelu Lötschberg sestává v podstatě z ventilačních centrál Mitholz, Ferden (přivádějí čerstvý vzduch) a Fysterstellä (odsává výstupní vzduch), systému výchozích štol přes nouzovou zastávku Ferden a z tryslových ventilátorů ve Frutigen a Raron. Větrací systém je dimenzován na normální provoz a na mimořádné události. Také ventilační zařízení byla konstruována plně redundantně (obr.10).
OBR.10:Montáž jednoho ze šesti ventilátorů 5. UVEDENÍ DO PROVOZU Před uvedením do provozu se nejprve zkoušela j e d n o t l i v á d í l a. Na příklad: běh ventilátorů ve ventilační centrále Fystertellä? Fungují zásuvná vrata? Při nato následující „integraci zařízení“ se na příklad zkoušelo, zda všechny soubory kontejnerů vzájemně komunikují, zda fungují systémy hlášení požáru nebo jak systém řízení tunelu reaguje na hlášení a signály určitých senzorů. . Od 1. června 2006 započala z k u š e b n í f á z e. Až do otevření o rok později probíhaly nesčetné testy všech zařízení. V této době bylo provedeno i více než 1000 zkušebních jízd. Přitom 16. prosince 2006 dosáhl ICE-R v tunelu rychlost 280 km/h. To byl (a je) švýcarský rekord (obr.11). Na konci zkušební fáze chybělo pak „jen“ p o v o l e n í p r o v o z u Spolkovým úřadem pro dopravu. „Match rozhodující“ byly přitom „průkazy“, jež bylo nutno dodat. Ty dokumentovaly, že zkušební jízdy a testy prokázaly, že zařízení fungují bezpečně a podle zadání. 15. července 2007 nadešel velký okamžik: V termínu, jak bylo stanoveno v roce 1998, mohl být patní tunel – z hlediska techniky a bezpečnosti dílo nejnovější generace – předán společnosti BLS AG do provozu.
OBR.11:Rekordní zkušební vlak jede portálem Frutigen (ICE-R) Lit erat ura : [1 ] Islik er, H. R. :Patn í tun e l Lö tschb erg“ První krok k N EAT, v ETR-Eisenbahn techn ische Rund schau 56 (2007, č .6 [2 ] BLS A lp Tr ansit Lö tschb erg V ademe k u m
Název originálu: Technologische Innovationen bei Bau und Ausrüstung des Lötschberg-Basistunnels Zdroj: ETR, červen 2007, s. 352-358 Překlad: Hynek Krejčí Grafická úprava: ODIS
