Renovering af broer og tunnel i Litauen

Transkript

1 Renovering af broer og tunnel i Litauen Af akademiingeniør Ole Viggo Andersen, Anlæg og Transport, Niras ova@niras.dk Civilingeniør Christian von Scholten, Anlæg og Transport, Niras cvs@niras.dk. I forbindelse med Litauens indtræden i EU bliver jernbanenettet renoveret.niras har projekteret forstærkning, reparation og udskiftning af omkring 50 jernbanebroer og en 1,3 km lang tunnel i Litauen.Der har været behov for innovativ rådgivning for at opfylde både moderne krav om sikkerhed og funktionalitet samtidig med at historiske anlæg bevares Udvikling af infrastruktur i Litauen Infrastrukturen i de Østeuropæiske lande har siden starten af 90 erne været under hastig og massiv udvikling. Således også i Litauen, hvor der de seneste år er igangsat store projekter hovedsageligt finansieret med EU-midler. Projekterne omhandler forbedringer af havne, lufthavne, veje og jernbaner og er en vigtig og nødvendig del af de forberedelser, som gøres i forbindelse med Litauens indtræden i EU. De samlede investeringer i transportprojekter frem til 2015 forventes at beløbe sig til 16 mia. kr., heraf ca. 50% indenfor jernbaner. Litauen er lidt større end Danmark og geografisk beliggende i en af trafikkorridorerne mellem Rusland og det nordlige Europa. Især vej- og jernbaneforbindelsen fra Rusland til Klaipeda ved Østersøen er vigtig. Jernbanestrækningerne er nedslidte og trænger til en kraftig renovering. Store dele af jernbanerne er mere end 100 år gamle. I dag er den typiske gennemsnitshastighed for et passagertog omkring 50 km/t, ganske enkelt fordi skinner, broer og materiel ødelægges ved højere hastigheder. Dette betyder, at man kan komme næsten dobbelt så hurtigt frem ved at tage en af de mange minibusser som fylder motortrafikvejene, vel og mærke til den samme pris (25 kr./100 km). Rehabilitering af de sporbærende broer er en væsentlig forudsætning for at opnå nutidssvarende transporthastigheder med tog. EU yder støtte til renovering af broer og tunnel I foråret 2002 udbød AB Lietuvos Gelezinkeliai (LG), de litauiske jernbaner, en større rådgiveropgave om renovering af ca. 50 jernbanebroer fordelt på ca. 500 km af banesystemet. Desuden indeholdt opgaven et renoveringsprojekt af en ca. 1,3 km lang tunnel bygget i 1862 i byen Kaunas. De litauiske jernbaner betaler selv 25%, resten doneres af EU. På baggrund af en prækvalificering vandt Niras sommeren 2002 i konkurrence med 3 større europæiske rådgivere opgaven, som skulle løses inden for et år. I forbindelse med samarbejde med lokale underrådgivere har Niras etableret projektkontor i Kaunas, der ligger centralt i Litauen ca. 100 km fra hovedstaden Vilnius. Af de ca. 50 broer er de 6 udført af stål og opført i perioden med spænd fra 20 m til 75 m. Heraf var de 5 historiske og dermed bevaringsværdige. Ca. 20% af broerne er udført som stenbuebroer og mellem 75 og 140 år gamle med spænd på omkring 4-6 m. De fleste erklæret bevaringsværdige. De øvrige broer er typisk mindre almindelige broer; de fleste som et fags broer. Gruppen omfattede en blanding af relativ små vandløbsbroer med granitvederlag og betonplader og egentlige vejunderføringer af beton typisk bygget i perioden Den samlede entreprenørudgift for broer og tunnel forventes at være omkring 300 mio. DKK. Planlægning og gennemførelse Niras ydelser i forbindelse med renovering af broerne og tunnelen bestod bl.a. i følgende: Figur 1. Historisk bro fra 1875 opført i tildannede natursten og mursten. Bæreevnen af denne bro var ikke tilstrækkelig til, at europæiske tog kunne passere over. En forstærkning af broens indre er nødvendig. Planlægning og indsamling af eksisterende informationer, herunder opbygning af en database med alle relevante informationer. Databasen suppleres og opdateres løbende gennem projektforløbet, og tjener som et let tilgængeligt opslagsværk for alle projektets parter. Forundersøgelser bestående af tekniske særeftersyn, inkl. registrering af eksisterende forhold og målinger af egenska DANSK VEJTIDSSKRIFT

2 økonomiske analyser samt rentabilitetsberegning omfattende klientanalyser og samfundsanalyser. I samarbejde med klienten blev der valgt egnede strategier, og Niras udarbejdede på den baggrund projektforslag, hovedprojekt og udbudsmateriale. Figur 2. Historisk bro fra 1862 opført i tildannede natursten. Facade og fløje på disse broer blev i nogle tilfælde trykket ud på grund af belastningen fra banedæmningen over broen. Figur 3. Analyse af murværket i en historisk bro i Litauen. Billedet viser et tyndslib med store korn af Portlandcement i den rene cementmørtel. Figur 4. Bro over gade i hovedstaden Vilnius i Litauen. Broen er opført i armeret beton i ber, geotekniske undersøgelser, hydrologiske analyser, geometrisk opmåling og beregning af broernes bæreevne. Udarbejdelse af dispositionsforslag med reparationsstrategier, trafikanalyser, Broernes bæreevne overraskede Broerne var udvalgt af de litauiske jernbaner på baggrund af indledende eftersyn, vurderinger og analyser udført i 2000 af en anden rådgiver. Forudsætningerne for opgaven var dels resultaterne fra disse undersøgelser dels et designkrav om en toglast svarende til det europæiske niveau. Efterhånden som særeftersynene blev færdige og informationerne bearbejdet, kunne broernes bæreevne beregnes. Der blev udført relativt dybdegående bæreevneanalyser, hvor der bl.a. blev taget hensyn til toghastigheden, lastfordelingen gennem sveller og skinner og det ofte meget tykke ballastlag, aktuelle målte dimensioner og styrker af beton, sten og armering etc. Stålbroerne havde en overraskende lav bæreevne langt under det ønskede lastniveau. De fleste af beton- og stenbroerne havde derimod ganske pæne bæreevne tæt på det ønskede lastniveau. Dette var stik modsat, hvad undersøgelserne fra 2000 indikerede. Dette betød, at hvor vi forventede, at de historiske stålbroer blot skulle renoveres uden omfattende forstærkninger, var det nødvendigt med relativt omfattende forstærkningsarbejder. En meget stor del af sten- og betonbroerne kunne klare sig med en reparation kombineret med en beskeden forstærkning. I undersøgelserne fra 2000 forventede man derimod, at bæreevnen var så lav, at en egentlig udskiftning var mest hensigtsmæssig. Under sovjettiden var det praksis at teste broerne ved hjælp af et testtog, som over broerne målte forskellige forhold, formentlig nedbøjninger og egenfrekvenser. Ud fra dette og broens aktuelle geometri har russerne kunne give et bud på broens lastklasse. Interessant, men formentlig en noget usikker metode. Historiske broer af sten og beton En del af broerne, der indgår i projektet, er historiske mindesmærker med en alder på mere end 140 år. Disse broer er opført i tildannede natursten og ofte kombineret med murværk. I de ældste broer er de bærende konstruktioner udformet som trykbuer. I forbindelse med forundersøgelser blev bl.a. murværkskvaliteten undersøgt ved hjælp af laboratorieanalyser af sten og mørtelfuger (se figur 2). På baggrund af forundersøgelserne blev det bl.a. konstateret, at tilstanden af disse historiske broer var dårlig, og bæreevne ikke var tilstrækkelig. Murværket er bl.a. skadet på grund af frost, og vand siver igennem konstruktionerne med erosion og udvaskninger til følge. Der blev registreret situationer, hvor facade og fløje bliver presset ud af trykket fra dæmningen over broen (se figur 3). I nogle tilfælde viste de DANSK VEJTIDSSKRIFT 49

3 Figur 5. Nittet stålbjælkebro fra 1862 på grænsen mellem Litauen og Rusland. Historisk bevaringsværdig bro. Topflangen under de åbne sveller er alvorligt korroderet. geotekniske målinger, at der ikke var tilstrækkelig bæreevne. Metoder til renovering af historiske broer af sten og beton De litauiske myndigheder er meget fokuseret på at sikre, at de historiske bygværker bevares fuldstændig intakte i hvert fald den synlige del. Niras har på den baggrund undersøgt et vidt spekter af metoder til renovering af bevaringsværdige broer, og blandt de metoder, der blev indarbejdet i dispositionsforslag og projektforslag, var: Forstærkning ved at anvende kulfiberbånd, der limes på de eksisterende konstruktioner Skjult indbygning af nye bærende konstruktioner i bl.a. armeret beton Etablering af jordankre med henblik på at sikre facader og fløje. Ankrene forsænkes og skjules i facaden Anvendelse af sprøjtebeton som forstærkning på underside af betondæk og som partiel forstærkning af buekonstruktioner Boring af pæle under de eksisterende fundamenter Partiel udskiftning af stenblokke og murværk. Russiske betonbroer En stor del af den litauiske infrastruktur er præget af russisk ingeniørtraditioner. Broerne er opført i armeret beton ofte på en ældre underbygning af tildannede natursten. De nyere broer er opført helt i armeret beton. Betonens kvalitet er meget varierende. Men i modsætning til hvad man skulle forvente ofte med en relativ høj trykstyrke. I de ældste bygværker er der indstøbte stålprofiler i betonkonstruktionerne. I nogle tilfælde var der ingen problemer med adgang til at registrere de indstøbte armeringsjern, idet de var frilagte på grund af korrosion. Blandt årsagerne til skader på betonkonstruktionerne var karbonatisering eller neutralisering af betonens beskyttende virkning således, at de indstøbte armeringsjern begynder at ruste. Andre typiske skader vedrørte sætninger og deformationer i underbygningerne, der ofte bestod af tildannede natursten. Blandt de metoder, der blev overvejet, var bl.a. reparation af betonen på undersiden af broen ved fjernelse af skadet beton og indstøbning med reparationsmaterialer og evt. udskiftning af armeringsjern. Denne strategi var især relevant ved større broer i armeret beton (se figur 4). Alternativ for renovering af de mindre broer var at udskifte broerne med et stålrør, betonrør eller plastrør. Alle tre typer anvendes norm2alt i Litauen. Produkterne leveres ofte fra Skandinavien. Figur 6. Nittet stålgitterbro over floden Voke, bygget Bæreevneberegninger viste, at broen ikke opfylder kravene til de europæiske toglaste DANSK VEJTIDSSKRIFT

4 Strategi for renovering af sten- og betonbroerne Umiddelbart skulle man mene, at det var positivt, at sten- og betonbroerne havde pæne bæreevner, således at færre af dem behøvede den relativ dyre udskiftning. Rentabilitetsberegningerne viste for langt de fleste sten- og betonbroer, at en reparationsstrategi med renovering og en relativ beskeden forstærkning var det økonomisk mest attraktive for klienten og samfundet. Til trods for denne kendsgerning valgte klienten at udskifte mange af disse broer med nye. Dette er desværre en typisk situation i mange af de tidligere østlande. Hvis projektet medfinansieres af en donorinstitution forsetrækkes udskiftningsstrategien (ingen vedligehold i mange år) frem for reparationsstrategien (som kræver fortsat vedligehold). Stålbroerne De mindste stålbroer er opført i perioden (3 stk.) og i 1862 (1 stk.). Alle er erklæret historisk bevaringsværdige og udformet som klassiske, nittede stålbjælkebroer med et spænd på omkring m (se figur 5). Broerne er bygget i en tid, hvor materialerne var dyre og arbejdskraften billig, hvorfor antal plader varierer som snitkræfterne hen gennem bjælkerne. Til trods for manglende vedligeholdelse var korrosionen kun alvorlig på de vandrette topflanger under svellerne. Der er formentlig spildt en del kemikalier på broen i tidens løb. For det øvrige stål kan reparationen hovedsageligt begrænses til en effektiv sandblæsning samt en god kvalitet ny maling. Hvis bæreevnen i den gamle konstruktion ellers var tilstrækkelig, ville det kun være nødvendigt med en delvis udskiftning af topflangerne for at forlænge levetiden med år. Den femte historiske bro er en nittet og klassisk 3 fags stålgitterbro fra 1925 med et hovedspænd på omkring 30 m over floden Voke (se figur 6). Skades- og reparationsbilledet er det samme. Den sidste af stålbroerne er en 4 fags stålgitterbro over floden Neris. Den har et hovedspænd på 75 m, er bygget i 1982 og er kun lettere korroderet. Næsten alle stålbroer har udmattelsesproblemer ofte i træk/tryk samlinger samt i forskydningspåvirkede samlinger. Valg af strategi for stålbroerne Stålbroernes relativ lave bæreevner var selvfølgelig lidt af en negativ overraskelse, da disse var erklæret historisk bevaringsværdige og dermed ikke måtte ændre udseende. De historiske stålbroer var alle nittede pladekonstruktioner eller gitterkonstruktioner og dermed vanskelige at forstærke uden synlige ændringer. En forstærknings- og reparationsstrategi for de historiske stålbroer viste sig ved rentabilitetsberegninger at blive mindre attraktiv end en ren udskiftning til en helt ny bro, vel og mærket udformet med et moderne design. Men en ny bro i mere moderne udformning var uacceptabel for de historiske myndigheder. Kompromiset blev, at vi skulle projektere nye stålbroer dog med det samme visuelle gamle look (udformning) som de eksisterende, men med svejsninger og bolte i stedet for nitter og med bedre stålkvalitet. Denne uortodokse beslutning var formentlig ikke taget, hvis Litauen selv skulle betale for det. Det er interessant at se, hvor meget de historiske aspekter betyder for en ung genopstået nation som Litauen, når man tager i betragtning, at 4 af de 5 stålbroer er fra 20 erne og 30 erne, og efter vor opfattelse bestemt ikke særlig specielle. Tunnelen i Kaunas Midt i Litauen, i byen Kaunas, er der en ca. 1,3 km lang tunnel opført omkring 1860 (se figur 7). Tunnelen er gravet ud med håndkraft efter gamle mineteknikker. Væggene består af murværk, der er mere end en meter tykke. I tunnelen passerer en stor del af Litauens jernbanetrafik igennem. I forbindelse med Niras forundersøgelser blev der registreret en del gennemsivninger de første 300 m fra hver tunnelende. Det medfører bl.a., at der er risiko for udvaskninger af materialer og dermed kollaps. Om vinteren giver det indsivende vand anledning til dannelse af istapper, der generer trafikken. Dårlige, våde mursten delaminerer på grund af frost. For at afhjælpe skaderne har man forsøgt at reparere med sprøjtebeton. Men sprøjtebetonreparationerne falder ned på grund af væde og dårlig vedhæftning til underlaget. Under anden verdenskrig var tunnelen udsat for sabotage, og dele af tunnelen er deformeret på grund af sprængninger. Tunnelinstallationer lever ikke op til bl.a. europæisk standard. Forundersøgelserne omfattede bl.a. geometrisk opmåling af konstruktionerne, visuel registrering af skader, laboratorieundersøgelse af murværk, facader og indsivende vand. Bæreevnen af de eksisterende konstruktioner vurderedes at være tilstrækkelig. På baggrund af forundersøgelserne udarbejdede Niras følgende forslag, som er det mest fordelagtige beregnet ved en rentabilitetsanalyse: Etablering af dræn langs tunnelvægge Reparation af murværk ved udskiftning af skadede mursten og fjernelse af dårlige reparationer På afgrænsede strækninger ca. 300 m fra hver tunnelende var mængden af indtrængende vand så stor, at det blev besluttet lokalt at etablere en membran og isolering (temperatur) på indersiden. Membran og isolering fastholdes af en armeret betonforing, der støbes på indersiden. Renovering af portaler svarende til den oprindelige pudsede facade (se figur 8) Nye baneanlæg og installationer, herunder lys, overvågning og brandsikring. Den anviste løsning skaber mindst mulige gener for togdriften, minimerer indgreb i Figur 7. Tværsnit af historisk tunnel i Kaunas. Tunnelen er 1,3 km lang og mere end 140 år gammel DANSK VEJTIDSSKRIFT 51

5 eksisterende konstruktioner og lever op til krav fra fredningsmyndighederne. Løsningen er økonomisk væsentlig mere fordelagtig end alternativerne, herunder et alternativ som består i etablering af en hel ny og kraftig tunnelrørskonstruktion med en indvendig foring af betonelementer og vandtæt udvendig fugtisolering. Figur 8. Portalen til tunnelen i Kaunas. De litauiske jernbaner ønskede facaden bragt tilbage til det oprindelige udseende. Udfordringer og erfaringer Niras har været involveret i projekter i Litauen siden Også denne gang har det været en positiv oplevelse. Vi har følt os velkommende og ikke oplevet korruption omkring projektet. Det største problem har været at nå at løse opgaven inden for et år. Mange myndighedsmæssige forhold og langsommelige beslutninger har drillet projektet, især fredningsmyndighederne har til tider overrasket med tidskrævende forhindringer. Det har været en logistisk udfordring at navigere rundt med undersøgelsesudstyr langs 500 km jernbane for at finde broerne i områder med sumpe og absolut ingen veje. Ved hjælp af GPS og andet isenkram samt en meget imødekommende samarbejdsvilje hos de lokale lykkedes det dog hver gang at finde, hvad vi søgte. Fremskaffelse af eksisterende informationer f.eks. eksisterende brotegninger har stort set været som en vis by i Rusland. Da litauerne gjorde sig uafhængige, afskar de sig samtidig også fra adgang til de russiske arkiver i Moskva og St. Petersborg. Det er lykkedes at projektere løsninger, der lever op til jernbanernes krav om minimale gener for togdriften. Kun ganske få af de foreslåede løsninger for renovering af broerne medførte mere end 8 timers sporspærring. Litauen er et ungt land med hensyn til udarbejdelsen af nye love, regler, standarder, etc. Ofte kender de litauiske ingeniører og administratorer ikke selv reglerne endnu. Dette indebærer mange teoretiske formuleringer og især overraskende fortolkninger. De historiske myndigheder har stor indflydelse på valg af tekniske løsninger. Der er eksempler på, at det har været nødvendigt at etablere nye alternative indre bærende konstruktioner, og derefter retablere den oprindelige facade/kulisse. Men i langt de fleste tilfælde har det været muligt at udarbejde økonomisk rimelige projekter DANSK VEJTIDSSKRIFT