Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Verwerfungssicherheit und dem Querverschiebewiderstand (QVW). Hohe Temperaturen führen aufgrund der Wärmeausdehnung zu hohen Längskräften im Gleis. Der Zugverkehr verursacht noch zusätzliche horizontale Kräfte, besonders in Bögen und auf Schnellfahr- oder Schwerlaststrecken. Ist der QVW zu gering, kommt es infolge dieser Kräfte zu einem seitlichen Ausknicken des Gleisrostes.
Eingriffe ins Schotterbett im Rahmen von Oberbauarbeiten vermindern naturgemäß den QVW. Ohne zusätzliche Maßnahmen steigt die Gefahr einer Verwerfung deutlich. Da der QVW stark vom Verdichtungszustand des Schotters sowie von den Kontaktflächen zwischen Schwellen und Schotter abhängt, ist die dynamische Gleisstabilisation die Maßnahme der Wahl, um die Verwerfungssicherheit schnell wiederherzustellen.
Wegfall der sommerlichen Arbeitseinschränkung für Stopfeinsätze
Bisher konnte in Japan das Gleis nur acht Monate im Jahr mit Stopfmaschinen durchgearbeitet werden, da während der vier Sommermonate das Risiko von Gleisverwerfungen nach Stopfeinsätzen zu groß war. Mit Hilfe des DGS kann der nötige QVW nach einer Durcharbeitung mit einer Stopfmaschine gesichert werden. Der in die Maschine integrierte DGS stellt den QVW her und minimiert so das Risiko von Gleisverwerfungen. Die sommerlichen Betriebseinschränkungen können dadurch verringert werden oder sogar gänzlich entfallen, wodurch die Wirtschaftlichkeit und Produktivität der Maschine deutlich steigen.
„Die Abschaffung der sommerlichen Arbeitseinschränkung hat für uns einen großen Stellenwert. Die Einführung des DGS bringt eine Revolution unseres Instandhaltungsplans. Sowohl der Einsatzplan als auch der Wartungsplan der Maschinen können nun flexibler gestaltet werden.“
Jeder Eingriff in ein bestehendes, durch den Verkehr verdichtetes Schotterbett verringert die Lagerungsdichte und Homogenität des Schottergefüges und damit die Lagestabilität des Gleises. Nach einer Durcharbeitung ohne anschließende Gleisstabilisierung müssen daher oft Langsamfahrstellen verordnet werden, bis sich der Schotter durch die erneute Betriebsbelastung wieder konsolidiert hat und der nötige QVW wiederhergestellt ist.*
Die dynamische Gleisstabilisierung nimmt die anfängliche Schotterkonsolidierung vorweg, die sonst durch die Betriebsbelastung erreicht werden müsste. Studien ergaben eine daraus resultierende sofortige Erhöhung des QVW äquivalent zu mindestens 100.000 Lt.
Langsamfahrstellen können dadurch komplett entfallen oder zeitlich stark reduziert werden. Der Abschnitt kann unmittelbar nach der Instandhaltung mit der zulässigen Streckengeschwindigkeit freigegeben werden, ohne Einschränkung der Streckenkapazität. Aus diesem Grund ist die dynamische Gleisstabilisation speziell aus dem Bau, der Instandhaltung und der Sanierung von Schnellfahrstrecken nicht mehr wegzudenken.
Die durch den Zugverkehr auf den Oberbau übertragenen Schwingungen bilden sowohl hinsichtlich der Schwingungsfrequenz als auch der Amplitude ein komplexes Spektrum mit all seinen negativen Auswirkungen auf das Gleis und den Schotter. Die Schottersteine ordnen sich unkontrolliert zu einer dichten Packung um. Dadurch erhöht sich zwar die Stabilität, es kommt aber zu ungleichmäßigen Anfangssetzungen.
Die dynamische Gleisstabilisation nimmt diese Anfangssetzungen gezielt und kontrolliert vorweg. Die genau gesteuerte Schwingung garantiert durch ihre Frequenz, Amplitude und Richtung (horizontal statt vertikal) eine praktisch kräftefreie und somit schonende Verdichtung.
Wesentliche Kosten- und Zeitersparnis durch den DGS
Der DGS stellte laut Aussage der DB Netz AG und der Deutschen Gleis- und Tiefbau GmbH einen wesentlichen Faktor im Zuge der Prozessoptimierung dar. Im Anschluss an den Schwellenwechsel eingesetzt, sorgte die Maschine für eine Belastung des Gleises entsprechend 100.000 Lt. Dadurch konnten die üblicherweise erforderlichen Belastungs-/Zugfahrten entfallen. Die Gleislagestabilität unmittelbar nach dem DGS-Einsatz erlaubte eine sofortige Höchstgeschwindigkeit von 160 km/h.
(Basierend auf dem Baustellenbericht „Strecke Hamburg-Berlin wieder fit für den Hochgeschwindigkeitsverkehr“, Der Eisenbahningenieur, September 2009)
Die dynamische Gleisstabilisierung im Zuge von Oberbauarbeiten nimmt die Anfangssetzung in gleichmäßiger Form vorweg. In Kombination mit der Homogenisierung des Schottergefüges führt dies zu einer Verringerung unkontrollierter, ungleichmäßiger Setzungen während des Zugbetriebs, wodurch die Gleislagequalität über einen längeren Zeitraum auf hohem Niveau erhalten bleibt.
Außerdem leitet ein homogen verdichtetes Schotterbett die dynamischen Kräfte des Zugverkehrs gleichmäßiger auf das Planum ab, was sich ebenfalls positiv auf die Gleislagebeständigkeit auswirkt.
Erfahrungswerte zeigen, dass die dynamische Gleisstabilisation dadurch eine Verlängerung der Durcharbeitungszyklen um bis zu 30 % bewirkt.
Die Anfangsqualität ist entscheidend für die Lebensdauer. Bereits beim Aufbau des Schotterbetts muss daher besonderes Augenmerk auf die Homogenisierung gelegt werden. Diese erreicht man am besten durch die lagenweise Verdichtung, bei der jede einzelne Schotterlage gleich nach der Verfüllung mittels dynamischer Gleisstabilisation verdichtet wird. Nur so kommen die positiven Effekte in Bezug auf die Verlängerung der Durcharbeitungszyklen und die Lebensdauer des Fahrwegs voll zum Tragen.
Beachtliche Kosteneinsparungen bei Conrail
Der Einsatz des DGS hat es zunächst möglich gemacht, Langsamfahrstellen auf durchgearbeiteten Gleisen von 72 Stunden auf die Durchfahrt von nur drei Zügen zu reduzieren. Als weitere bedeutende wirtschaftliche Auswirkung auf die Gleisinstandhaltung konnten durch den Einsatz des DGS die Durcharbeitungsintervalle auf Hauptstrecken von drei Jahren auf vier Jahre verlängert werden.
„The use of the Dynamic Track Stabilizer allowed Conrail to reduce the length of time a slow order was required to be left on a tamped stretch of track from 72 hours to the passage of three trains. In addition, the use of the Dynamic Track Stabilizer, as indicated by data collected by the Track Geometry Car, has allowed Conrail to extend the surfacing cycles in many areas of the main lines from 3 to 4 years.“ (J. R. Clark, Seminar Brasilien, Juli 1995)
Die von der Schwelle in die Bettung eingeleiteten Betriebslasten werden über die Kontaktflächen der Schotterkörner in den Untergrund abgeleitet. Dies geschieht jedoch nicht geradlinig, sondern über zufällig ausgebildete Kräftepfade. Je homogener das Gefüge und je höher die Lagerungsdichte ist, desto größer ist die Zahl der Kontaktflächen sowohl zwischen den Körnern als auch zwischen Schwelle und Schotter. Die Kräfteableitung erfolgt dadurch gleichmäßiger, was die mechanische Belastung des Schottergerüsts reduziert und die Lebensdauer erhöht .
Eine Vergleichsrechnung am Beispiel der Westbahnstrecke zeigt den Nutzen der dynamischen Gleisstabilisation hinsichtlich der Lebensdauer des Fahrwegs:
Durch den Einsatz des DGS kann jeder Stopfzyklus über die Nutzungsdauer ohne Qualitätsverlust um 30 % verlängert werden. Diese Verlängerung führt, ohne Qualitätsverlust, zu einer Verlängerung der Nutzungsdauer des Fahrwegs von 10 % (Erfahrung ÖBB), d. h. zu einer Verlängerung der Liegedauer von 32 auf 35 Jahre.
(Basierend auf den Arbeiten von Univ.-Prof. DI Dr. Peter Veit, Vorstand des Instituts für Eisenbahnwesen und Verkehrswirtschaft der Technischen Universität Graz)
