Vibrationsundersøgelser. -Fagnotat, Ringsted Holeby. Femern Bælt danske jernbanelandanlæg

Transkript

1 -Fagnotat, Ringsted Holeby Femern Bælt danske jernbanelandanlæg

2 Femern Bælt danske jernbanelandanlæg Februar 2011 ISBN Banedanmark Anlægsudvikling Amerika Plads København Ø Undersøgelse af Femern Bælt danske jernbanelandanlæg er samfinansieret af EU via Det transeuropæiske transportnet (TEN-T). Forfatteren har det fulde ansvar for denne publikation. Den Europæiske Union fralægger sig ethvert ansvar for brugen af oplysningerne i publikationen.

3 Forord Dette fagnotat omhandler vibrationsundersøgelser i projekt Femern Bælt - danske jernbanelandanlæg for strækningen mellem Ringsted og Holeby til den faste forbindelse over Femern Bælt. Det er udarbejdet i sommeren og efteråret 2010 af rådgivningsfirmaerne Rambøll og DELTA som en del af Banedanmarks projekt. Fagnotatet omfatter de fagspecifikke forhold, som projektet hidtil har arbejdet med. Det udgør sammen med en række øvrige fagnotater det samlede, tekniske grundlag for projektet, og det er samtidig udgangspunkt for indholdet i projektets miljøredegørelse. Iben Marcus-Møller, Projektleder

4 Femern Bælt danske jernbanelandanlæg Indhold Side Indledning 4 Baggrund 6 Grænseværdier 8 Forudsætninger og antagelser 9 Trafikgrundlag 10 Typetilfælde 11 Resultater 13 Usikkerhed 15

5 Indledning Dette fagnotat beskriver forhold vedrørende vibrationer i forbindelse med elektrificering og udbygning af de danske jernbanelandanlæg for strækningen mellem Ringsted og Orehoved til den faste forbindelse over Femern Bælt. Overordnet omfatter jernbaneprojektet i henhold til projekteringsloven elektrificering fra Ringsted til Holeby og anlæg af et ekstra spor fra Vordingborg til Storstrømmen og fra Orehoved til Holeby. Der skal undersøges løsninger for 2 maksimale hastigheder for persontog. Disse løsninger betegnes i fagnotatet som grundløsninger. Desuden undersøges 5 alternativer og 3 tilvalg. Løsningsrummet for den samlede strækning består af: Grundløsning 1. Banen elektrificeres og anlægges til en maksimal hastighed for persontog på 160 km/t. Fra Vordingborg til Storstrømmen og fra Orehoved til Holeby etableres et ekstra spor samt nye klapbroer over Masnedsund og Guldborgsund til dette spor. Overkørslen i Eskilstrup nedlægges. Grundløsning 2. Banen elektrificeres og anlægges til en maksimal hastighed for persontog på 200 km/t. Fra Vordingborg til Storstrømmen og fra Orehoved til Holeby etableres et ekstra spor samt nye klapbroer over Masnedsund og Guldborgsund til dette spor. Overkørslen i Eskilstrup nedlægges. Alternativ 1, Fast bro over Masnedsund. Ved krydsningen af Masnedsund anlægges dobbeltspor på en ny, fast bro vest for den eksisterende bro. Alternativ 2, Linjeføring nord om Nykøbing F. Der undersøges konsekvenser og omkostninger på overordnet niveau for 3 mulige linjeføringer nord om Nykøbing F. Alternativ 3, Erstatningsanlæg B i Eskilstrup. Der etableres en niveaufri skæring syd for den eksisterende overkørsel. Alternativet er ikke aktuelt for dette fagnotat. Alternativ 4, Aspekter ved hastighed over 200 km/t. Gevinsterne ved anlæg af en bane til mere end 200 km/t vurderes. Alternativ 5, Overhalingsspor nord for Vordingborg. Der anlægges et overhalingsspor nord for Vordingborg i stedet for overhalingsspor på Masnedø. Tilvalg 1, Overhalingsspor til 1000 m lange godstog. Overhalingsspor til 1000 m lange godstog, hvor det i grundløsningerne er til 750 m lange godstog. Tilvalg 2, 22,5 t akseltryk. Besparelse ved at udføre den nye del af banen til et akseltryk på 22,5 t, hvor det i grundløsningerne er 25 t. Tilvalg 3, Station på Lolland. Anlæg af en ny passagerstation nordøst for Rødby Havn. Femern Bælt danske jernbanelandanlæg 4

6 0-Alternativet. Situationen i 2025 uden udbygning af banen, men med en delvis sporfornyelse og udrulning af ERTMS, samt trafikale effekter som følge af etablering af ny bane København - Køge - Ringsted. Undersøgelserne af vibrationer omhandler Grundløsning 1 og 2 samt 0-alternativet. Alternativer og tilvalg er ikke omfattet af vibrationsundersøgelserne. Af praktiske grunde stedfæstes en række af beskrivelserne via banens kilometrering og så vidt muligt med en stedbetegnelse. Fagnotatet dækker hele strækningen fra Ringsted ved km 65,0 (umiddelbart syd for Skellerupvej) til Holeby, og resultaterne er opdelt svarende til projekteringskontrakterne Nord og Syd, dvs. nord og syd for Orehoved. Femern Bælt danske jernbanelandanlæg 5

7 Baggrund Undersøgelserne indgår som grundlag for en høring og VVM-redegørelse om udbygningen af jernbanetrafikken i tilknytning til den faste forbindelse over Femern Bælt. Undersøgelserne beskriver konsekvenserne på vibrationsområdet dels efter forbindelsens etablering, dels i en situation (0-alternativet) såfremt forbindelsen ikke etableres. 0-alternativet er således en referencesituation, der fremskriver dagens situation til 2025, men uden udbygning af banen. Undersøgelserne belyser de tre fremtidige situationer 1 : 1) 0-alternativet (referencesituationen) beskriver forholdene i 2025, såfremt anlægget ikke udbygges. Dette omfatter udelukkende en trafikal fremskrivning af dagens trafik til 2025 uden anlægsmæssige ændringer. Den forventede trafik i 2025 er forudsat at svare til dagens trafik. 2) Grundløsning 1 beskriver trafiksituationen i 2025, hvis jernbanen udbygges til en maksimal hastighed på 160 km/t. 3) Grundløsning 2 beskriver trafiksituationen i 2025, hvis jernbanen udbygges til en maksimal hastighed på 200 km/t. I Grundløsning 1 og 2 er trafikmængderne ens. Den væsentligste forskel er, at på fri strækning vil maksimalhastigheden for persontog være 160 km/t i Grundløsning 1 og 200 km/t i Grundløsning 2. Maksimalhastigheden for godstog vil være ens (120 km/t) i begge grundløsninger. I de større byområder vil forskellen ligeledes være marginal for persontog, idet der typisk vil være hastighedsbegrænsninger til km/t, også i Grundløsning 2. Anlægsmæssigt er den mest betydende forskel mellem Grundløsning 1 og Grundløsning 2, at der ved Glumsø sker en udretning af linjeføringen i Grundløsning 2. Denne forskel på de to løsninger indgår i resultaterne i denne undersøgelse. Herudover er der en række alternativer og/eller tilvalg, som er belyst enten kvalitativt eller ved beregninger, men som er uden væsentlig betydning for de udførte vibrationsberegninger. En samlet oversigt findes i fagnotatet Forudsætninger for støj- og vibrationsundersøgelser. 1 Løsningsrum i Femern Bælt - danske jernbanelandanlæg, Banedanmark dateret Femern Bælt danske jernbanelandanlæg 6

8 Figur 1. Situationsplan for det danske jernbanelandanlæg, Femern Bælt. Hele strækningen elektrificeres (gul markering). Mellem Vordingborg og Holeby udbygges banen med et ekstra spor (rød markering), bortset fra Storstrømsbroen. Femern Bælt danske jernbanelandanlæg 7

9 Grænseværdier I dette projekt er der taget udgangspunkt i Miljøstyrelsens vejledende grænser for vibrationer i bygninger beliggende i boligområder langs banen. De vejledende grænseværdier fremgår af Miljøstyrelsens vejledning om støj og vibrationer fra jernbaner 2 og er desuden anført i Miljøstyrelsens orientering nr. 9/ De vejledende grænseværdier for mærkbare vibrationer er i første række beregnet på planlægningsbrug, og anvendes ved udlægning af nye vibrationsfølsomme områder langs eksisterende baner. Tabel 1 sammenfatter de vejledende grænseværdier for vibrationer fra jernbaner. Anvendelse Boliger i boligområde Boliger i blandet bolig/erhverv (kl ) Børneinstitutioner og lignende Boliger i blandet bolig/erhverv (kl ) Kontorer, undervisningslokaler mv. Erhvervsbebyggelse Vejledende grænseværdi, L aw KB-vægtet accelerationsniveau 75 db 80 db 85 db Tabel 1. Miljøstyrelsens vejledende grænser for vibrationer til planlægningsbrug. Den mest restriktive grænseværdi for mærkbare vibrationer på 75 db (KB-vægtet accelerationsniveau) gælder for boliger i rene boligområder, hvilket ligger til grund for vurderingerne i dette projekt. Idet der er tale om et indendørs niveau, har selve boligens konstruktion indflydelse på niveauet. Grænsen på 75 db relaterer til mærkbare vibrationer inde i huset på gulv. Ved kraftigere vibrationspåvirkninger kan der opstå revner og skader på bygninger, men dette opstår erfaringsmæssigt først ved påvirkninger, som ligger markant over grænsen for mærkbare vibrationer - og betydeligt over de vibrationer, som erfaringsmæssigt genereres fra jernbaner i driftsfasen. 2 Miljøstyrelsens vejledning nr. 1/1997: Støj og vibrationer fra jernbaner 3 Miljøstyrelsens orientering nr. 9/1997: Lavfrekvent støj, infralyd og vibrationer i eksternt miljø Femern Bælt danske jernbanelandanlæg 8

10 Forudsætninger og antagelser Da vibrationsmodellen er erfaringsbaseret, er der taget udgangspunkt i tog med dagens standard. Ved beregningerne skelnes mellem persontog og godstog. Kildedata for passager- og godstog er baseret på målinger udført i juli 2010 på Vestbanen mellem Ringsted og Borup ud for km 52,5 (venstre spor). Her er der målt vibrationer 8 m fra spormidte for forbipasserende tog. Ved målingerne kunne der ikke konstateres signifikante forskelle i kildestyrken mellem de forskellige typer af persontog. Togtyperne omfattede IC3/ER4, ICE, ME med dobbeltdækkervogne og IC4. Som følge heraf repræsenterer kildedata et repræsentativt udsnit af de i dag benyttede persontogstyper og togsæt. Banedanmark har oplyst, at venstre spor på målestedet i april måned 2010 blev målt til skinneklasse C1. Efterfølgende er der den 29. april 2010 foretaget skinneslibning. Det må således antages, at skinnekvaliteten på måletidspunktet var i bedste kvalitet. Det betyder, at de data om vibrationer, som ligger til grund for de enkelte togtyper, repræsenterer kørsel på et godt vedligeholdt spor med en skinnekvalitet, som svarer til klasse C1 eller bedre (jf. Banedanmarks klassifikation og registreringssystem 4 ). Med andre ord svarer denne forudsætning til, at skinnerne slibes så tilpas ofte, at skinnerne overvejende er i bedste kvalitet. Dette svarer til Banedanmarks nuværende strategi for slibning af hovedstrækningerne, fx som det er tilfældet på Vestbanen. Kildemålingerne indgår sammen med andre erfaringsdata for vibrationers udbredelse og påvirkning af forskellige typer af bygninger i en beregningsmodel. Udbredelsesmodellen tager udgangspunkt i jordbundsforhold, der svarer til forholdene på målestedet ved Vestbanen. De faktiske forhold på strækningen Ringsted - Holeby er ikke kendt i detaljer, men det vurderes, at jordbundsforholdene fra målestedet på Vestbanen er repræsentative for en overordnet vurdering af omfanget af vibrationsbelastede boliger på strækningen Ringsted - Holeby. Det er muligt, at forholdene på strækningen Ringsted - Holeby nogle steder ikke helt svarer til forholdene ved målestedet. Derfor er der i afsnit 8 præsenteret en vurdering af usikkerheden på de her udførte vibrationsberegninger. 4 Banedanmarks Banenorm BN (Skinneslibning) Femern Bælt danske jernbanelandanlæg 9

11 Trafikgrundlag Da vibrationsbelastningen L aw er baseret på maksimalværdier, er der foretaget beregninger for et godstog og et persontog med maksimal hastighed. Som udgangspunkt er der regnet med 120 km/t for godstog. For persontog er anvendt 160 km/t for Grundløsning 1 og 200 km/t for Grundløsning 2. Da der - særligt i byområder - er hastighedsbegrænsninger for persontog, er der ved beregningerne taget hensyn til den højst tilladte hastighed på den konkrete delstrækning. I 0-alternativet er der ingen godstog. Beregningstilfældene er udført for typiske hastigheder på fri strækning mellem Ringsted og Vordingborg (160 km/t) og 120 km/t for strækningen Orehoved - Holeby. I Grundløsning 1 er der ved beregninger af typetilfælde anvendt hastigheder for persontog på 120 km/t i byerne og 160 km/t på fri strækning. For godstog er der beregnet for 120 km/t, som er maksimalhastighed for disse. I Grundløsning 2 er der ved beregninger af typetilfælde anvendt hastigheder for persontog på 140 km/t i byerne og 200 km/t på fri strækning. For godstog er der beregnet for 120 km/t, som er maksimalhastighed for disse. Femern Bælt danske jernbanelandanlæg 10

12 Typetilfælde Der er opstillet typetilfælde, som beskriver de vigtigste parametre med betydning for vibrationsbelastningen: Enfamiliehuse generelt Etageboliger med betondæk Etageboliger med trædæk Det fremgår ikke af de anvendte bygningsdatabaser, hvorvidt bygningerne er opført med beton- eller trædæk. Derfor er det, på baggrund af vurderinger af en byggesagkyndig, antaget, at alle etageboliger opført før 1960 er med trædæk, og alle etageboliger opført herefter er med betondæk. For enfamiliehuse er det antaget, at alle med udnyttet tagetage er med trædæk. Ved beregningerne for etageboliger med trædæk giver metoden det højeste vibrationsniveau på øverste etage og samme (lavere) niveau på alle etager herunder. I de få tilfælde, hvor bygningsdatabasen ikke indeholder oplysninger om byggeår, er det antaget, at byggeåret er før Der er opstillet typetilfælde, der for konkrete bygningstyper viser afstanden til det punkt, hvor grænseværdien lige netop er overholdt. Den beregnede afstand er baseret på den maksimale tilladte hastighed i det nærmeste spor ud for bygningen. Det er i alle situationer antaget, at sporet ud for boligen ligger på terræn eller inden for 3-5 m dæmning eller afgravning. I realiteten kan sporets beliggenhed i forhold til terræn variere en del inden for korte delstrækninger, og det har ingen væsentlig beregningsmæssig betydning, om sporet ligger på en lille dæmning eller afgravning ud for den aktuelle bolig. På Masnedø ligger banen på en høj dæmpning. Der mangler imidlertid viden om, hvordan høje dæmninger påvirker vibrationsudbredelsen. Derfor er beregningerne langs Masnedødæmningen udført på samme måde som langs de øvrige strækninger. Da modellen tager udgangspunkt i kildestyrker målt 8 m fra spormidte, er beregnede afstande mindre end 8 m i Tabel 2 og Tabel 3 angivet som 8 m. Modellen er således ikke gyldig ved afstande herunder. Et realistisk skøn på vibrationsniveauet 8-10 m fra sporet fås ved direkte at benytte kildestyrken som mål for vibrationsbelastningen. Femern Bælt danske jernbanelandanlæg 11

13 Løsningsforslag Maksimal hastighed Stueetage Øverste etage Persontog Godstog Persontog Godstog Persontog Godstog 0-alternativ 160 km/t - 8 m - 20 m - 0-alternativ 120 km/t - 8 m - 17 m - Grundløsning km/t 120 km/t 8 m 8 m 20 m 21 m Grundløsning km/t 120 km/t 8 m 8 m 17 m 21 m Grundløsning km/t 120 km/t 10 m 8 m 24 m 21 m Grundløsning km/t 120 km/t 8 m 8 m 19 m 21 m Tabel 2. Enfamiliehuse. Beregnede typiske afstande for overholdelse af den vejledende grænseværdi L aw = 75 db (KB-vægtet accelerationsniveau). Etageadskillelse Etageadskillelse Maksimal hastighed Løsningsforslag af beton af træ Persontog Godstog Persontog Godstog Persontog Godstog 0-alternativ 160 km/t - 10 m - 21 m - 0-alternativ 120 km/t - 8 m - 18 m - Grundløsning km/t 120 km/t 10 m 8 m 21 m 18 m Grundløsning km/t 120 km/t 8 m 8 m 18 m 18 m Grundløsning km/t 120 km/t 12 m 8 m 24 m 18 m Grundløsning km/t 120 km/t 9 m 8 m 20 m 18 m Tabel 3. Etageboliger øverste etage. Beregnede typiske afstande for overholdelse af den vejledende grænseværdi L aw = 75 db (KB-vægtet accelerationsniveau). Af Tabel 2 og Tabel 3 ses, at den beregnede afstand til L aw = 75 db generelt er mindre end 25 m både for enfamiliehuse og for etageboliger. I store træk er det godstog, som er bestemmende i situationer, hvor persontog kører mindre end km/t, og persontog som er dimensionerende for persontogshastigheder herover. Femern Bælt danske jernbanelandanlæg 12

14 Resultater På baggrund af de udregnede typetilfælde er antallet af boliger med vibrationsbelastning større end L aw = 75 db bestemt for hele strækningen, nord og syd for Storstrømsbroen samt for de fem kommuner. Tabel 4, Tabel 5 og Tabel 6 sammenfatter resultaterne. 0-alternativ Antal vibrationsbelastede boliger Vibrationsbelastning, L aw [db re 1µm/s²] Kommune db db 85 db I alt 75 db Ringsted Næstved Vordingborg Sum Nord Guldborgsund Lolland Sum Syd Sum hele strækningen Tabel 4. 0-alternativet. Resultater af vibrationskortlægning. Antal boliger (fordelt på kommuner) med vibrationsbelastning i 5 db-intervaller over L aw = 75 db. (KB-vægtet accelerationsniveau). Grundløsning 1 Antal vibrationsbelastede boliger Vibrationsbelastning, L aw [db re 1µm/s²] Kommune db db 85 db I alt 75 db Ringsted Næstved Vordingborg Sum Nord Guldborgsund Lolland Sum Syd Sum hele strækningen Tabel 5. Grundløsning 1. Resultater af vibrationskortlægning. Antal boliger (fordelt på kommuner) med vibrationsbelastning i 5 db-intervaller over L aw = 75 db. (KB-vægtet accelerationsniveau). Femern Bælt danske jernbanelandanlæg 13

15 Grundløsning 2 Antal vibrationsbelastede boliger Vibrationsbelastning, L aw [db re 1µm/s²] Kommune db db 85 db I alt 75 db Ringsted Næstved Vordingborg Sum Nord Guldborgsund Lolland Sum Syd Sum hele strækningen Tabel 6. Grundløsning 2. Resultater af vibrationskortlægning. Antal boliger (fordelt på kommuner) med vibrationsbelastning i 5 db-intervaller over L aw = 75 db. (KB-vægtet accelerationsniveau). Ved en detaljeret gennemgang af de optalte bygninger fremgår det, at der overvejende er tale om enfamiliehuse, som ligger tæt ved sporet. I Tabel 4-Tabel 6 omfatter tallene 1 daginstitution, som er medtaget i alle tre løsninger (Vordingborg Kommune) samt en anden institution, der er belastet i Grundløsning 1 og 2, men ikke i 0-alternativet. Femern Bælt danske jernbanelandanlæg 14

16 Usikkerhed Til vurdering af usikkerheden tages udgangspunkt i, at vibrationsberegningerne består af de tre uafhængige led, der relaterer til kilden, transmissionen og bygningen. Ubestemtheden δ (et 90 %-konfidensinterval omkring beregningsresultatet) kan således bestemmes som: δ = ,65 σ k + σ t σ b hvor indeks k, t og b refererer til henholdsvis kilde, transmission og bygning. σ er spredningen (standardafvigelsen) for de enkelte bidrag. Spredningen på kildedelen er estimeret på baggrund af kildestyrkemålinger, der er udført i en række forskellige lokaliteter i Danmark. Således er der anvendt data fra målinger i to forskellige lokaliteter ved Røde Kro i Sønderjylland 5, otte lokaliteter på Vestbanen 6 og de måleresultater, der er indsamlet ved km 52,5 i forbindelse med denne opgave. For hver lokalitet er der bestemt en gennemsnitlig kildestyrke for henholdsvis person- og godstog, idet der er korrigeret til 160 km/t for persontog og 100 km/t for godstog. Således er der estimeret en spredning på det KB-vægtede kildeniveau L aw på σ k = 3,8 db, hvilket gælder for såvel persontog som godstog. For transmission gennem jord er der to forhold, der er af betydning for ubestemtheden. For det første har det betydning, hvor godt den semi-empiriske beregningsmodel er i stand til at forudsige vibrationsudbredelsen i en bestemt lokalitet med en given undergrund. I denne opgave er beregningsmodellen tilpasset så den bedst muligt estimerer de transmissionsforhold der er målt ved målestedet (km 52,5 på Vestbanen). Derfor vil spredningen på denne del være forholdsvis lille. For det andet er det antaget, at jordbundforholdene på strækningen Ringsted - Holeby, er de samme som de der findes ved km52,5. Dette har været nødvendigt, da der ikke har været adgang til mere præcise oplysninger. Denne antagelse medfører også et bidrag til beregningsubestemtheden, som forventes at være højere end det ovennævnte bidrag. For at vurdere, hvor stor indflydelse denne antagelse har på de rapporterede resultater, er der foretaget en usikkerhedsvurdering ved hjælp af Aalborg Universitets (AAU) beregningsmodel for vibrationsudbredelse i forskellige typer af jordbund 7. 5 Vibrationer i jord fra IC/3 tog ved 200 km/h, Vojens-Rødekro. Acoustica rapport T , december Jernbaneanlæg København-Ringsted. Vibrationer og strukturlyd. Kildestyrkedata for prognosemodel. Banestyrelsen dokument KhRg0137 vs. 0b. august Vibrationer fra jernbane til den ny Femern forbindelse, DCE Contract Report No. 98. Aalborg Universitet, november Femern Bælt danske jernbanelandanlæg 15

17 De teoretiske beregninger af vibrationsudbredelse er af AAU udført for 11 forskellige sammensætninger af undergrunden, der repræsenterer typisk forekommende jordbundsforhold i de relevante områder. Spredningen på beregningsresultaterne er brugt til en vurdering af usikkerheden på transmissionsbidraget. Det viser sig ikke overraskende, at ubestemtheden er afhængig af beregningsafstanden til spormidte. Ved korte afstande er ubestemtheden lille og stigende ved større afstande. I 25 m afstand estimeres spredningen, σ t, således at være ca. 3 db og mindre ved kortere afstande. Da størstedelen af de vibrationsbelastede boliger ligger i kortere afstand, vil spredningen være tilsvarende lavere (0 < σ t < 3 db). Den anvendte model til beregning af vibrationsudbredelse i bygninger er baseret på resultater fra andre undersøgelser, der ikke angiver en ubestemthed på bidraget. Således foreligger der ikke specifikke måleresultater til at estimere ubestemtheden fra transmissionen mellem fundament og ind i bygningen. En retningslinje for, hvilken ubestemthed der er tale om, kan findes ved at sammenligne koblingsparametre for forskellige beregningsmodeller. Foruden metoden anvendt i denne rapport har to andre modeller været til rådighed 8, 9. Ved beregning med disse tre metoder har det vist sig, at der er ganske stor spredning på resultaterne. Mindst spredning er der for beregning i enfamiliehuse (σ b 5 db), mens den er større på øverste etage af en etagebolig. På denne baggrund anslås det, at den samlede ubestemthed på beregning til enfamiliehuse i kort afstand fra banen (<15 m) er ca. ±10 db. Denne boligtype udgør størstedelen af de vibrationsbelastede boliger. I større afstand og i etageboliger vil ubestemtheden være større. 8 Jernbaneanlæg København-Ringsted. Vibrationer og strukturlyd. Prognosemodel vs Banestyrelsen dokument KhRg0138 vs. 0a. august Vibrationer fra jernbaner. Statusredegørelse. Banestyrelsen april Femern Bælt danske jernbanelandanlæg 16