Beschreibung:
Mobilität ist in hoch industrialisierten Gesellschaften wie Deutschland von entscheidender Bedeutung für eine funktionierende Wirtschaft. Seit einigen Jahren schickt sich der Personenschienenverkehr an, auf Hochgeschwindigkeitsstrecken gegen den Individual- und Luftverkehr verloren gegangene Marktanteile zurückzuerobern.
Hochgeschwindigkeitszüge stehen auf der Prioritätenliste der Bahngesellschaften ganz oben. Innerhalb der letzten zehn Jahre hat sich der europäische Hochgeschwindigkeitsverkehr verdreifacht. Hierzu werden für die Königsklasse im Bahnverkehr nach Schätzungen bis 2020 rund 10.000 Kilometer Schienenwege in ganz Europa neu gebaut.
Generationswechsel im Gleisoberbau
Der traditionelle Schotteroberbau, wie er seit 150 Jahren nahezu unverändert hergestellt wird, erreicht aufgrund der starken dynamischen Beanspruchung bei hohen Geschwindigkeiten die Grenzen seiner Belastbarkeit. Veränderungen der Gleislage bis hin zur Zerstörung des Gleisschotters haben immer häufiger werdende Wartungs- und Ausbesserungsarbeiten zur Folge und treiben die Kosten für die Instandhaltung in die Höhe. Gleichzeitig nehmen die Verfügbarkeit der Strecken sowie der Fahrkomfort ab.
Die Verkehrs- und Forschungsministerien hatten bereits Ende der 60er- und Anfang der 70er-Jahre Studien für den Hochleistungsschnellverkehr beauftragt. Es galt, das schwächste Glied des Oberbaus – den Schotter – durch alternative geeignetere Komponenten zu ersetzen.
Erste Systeme mit auf Beton- oder Asphalttragschichten aufgelagerten Schwellen oder auch in Beton eingegossenen Schwellen wurden von der Bahn und der Bauindustrie entwickelt. Im Gegensatz zu dem im Schotter "schwimmend" gelagerten Gleisrost sind bei diesen neuen Baumethoden die Schwellen fest aufgelagert oder monolithisch eingegossen. Ebenfalls erprobt wurden Betontragplatten mit Einzelstützpunkten ohne Schwellen. All diese Bauarten werden in der Fachterminologie mit Feste Fahrbahn bezeichnet.
Nach Gründung der Deutschen Bahn AG im Jahre 1994 hat man die Erfordernis technischer Grundregeln erkannt. Im Rahmen dieser Bemühungen wurden Anforderungen für die Entwicklung einer Festen Fahrbahn in dem so genannten "Anforderungskatalog zum Bau der Festen Fahrbahn", kurz AKFF, zusammengefasst und dokumentiert. Den AKFF gibt es inzwischen in der vierten Auflage.
Entwicklung des Gleistragplattensystems FF Bögl
Mit Beauftragung der beiden ICE-Neubaustrecken Köln-Rhein/Main und Nürnberg–Ingolstadt hat sich die Firmengruppe Max Bögl im Jahre 1996 dazu entschieden, auch im Bereich der Festen Fahrbahn innovative Wege zu gehen.
Die ehedem für den Gleisrost im Schotter entwickelte Betonschwelle brachte seinerzeit eine enorme qualitative Verbesserung und ermöglichte zusammen mit den modernen Schienenbefestigungen eine äußerst rationelle und wirtschaftliche Verlegung konventioneller Gleisanlagen. Es ist jedoch bekannt, dass sich der Einsatz von Fertigteilschwellen beim Bau der Festen Fahrbahn konstruktiv nachteilig auswirkt. Der Verbund einer Fertigteilschwelle mit dem an Stelle des Schotters eingebauten Ortbetons ist nicht gegeben: Unterschiedliche Abbindeverhalten führen zu Rissbildungen an den Kontaktstellen zwischen Fertigteilschwelle und Ortbeton.
Neben den konstruktiven Unzulänglichkeiten existieren auch Schwachstellen beim Einbau. Dabei werden die einzelnen Fertigteilschwellen zunächst mithilfe von Montageschienen justiert, bevor sie einbetoniert werden. Unweigerliche Änderungen der Lufttemperatur führen während des Einbaus zu Längsverformungen in den Montageschienen. Die daran fixierten Schwellen geben infolgedessen diese Verformungen an den noch nicht erhärteten Vergussbeton weiter, was während des Abbindeprozesses zu Verbundstörungen und Rissbildungen führt.
Eindringendes Wasser, Verschmutzung sowie Frost-/Tauwechsel führen zur verstärkten Aufweitung dieser Risse. Die dynamischen Belastungen aus dem Eisenbahnbetrieb verursachen weitere Schädigungen. Ausbrüche, Abplatzungen und dauerhafte Störung des Verbundes sind die Folgen.
Nach Analyse der bisher existierenden Bauarten entschloss sich deshalb die Firmengruppe für ein eigenes System. Eine Domäne der Bauunternehmung Max Bögl war und ist der Fertigteilbau und so lag es nahe, dass man sich für die Weiterentwicklung der Festen Fahrbahn auf Basis von Fertigteilen entschied. Das entwickelte System FF Bögl entstand in Anlehnung an das 1977 bei Karlsfeld eingebaute Gleistragplattensystem.
Trotz der hohen Betriebsbelastung, nach heutigem Stand rund 100.000 Lasttonnen pro Tag und einer Geschwindigkeit von 160 km/h, hat sich das Gleistragplattensystem seit nunmehr 27 Jahren als wartungs- und instandsetzungsfrei erwiesen. Bis heute konnte an dem 430 m langen Versuchsabschnitt auf der Strecke Dachau–Karlsfeld ein ausgezeichnetes Langzeitverhalten beobachtet werden.
Kennzeichen des schotterlosen Oberbaus ist eine durchgehende Tragschicht. Konsequenterweise sollte deshalb die Fahrbahn nicht aus Einzelschwellen gefertigt, sondern als monolithische Platte konstruiert werden. Diese Herausforderung nahm die Firmengruppe Max Bögl an und setzte sie im System FF Bögl um.
Systembeschreibung der FF Bögl
Der "Anforderungskatalog zum Bau der Festen Fahrbahn" (AKFF) fordert eine verformungsarme Auflagerung der Oberbaukonstruktion, die in der Regel auf Brücken und in Tunnelbauwerken gegeben ist. Auf Erdbauwerken ist ein mehrschichtiger Aufbau des Tragsystems mit von unten nach oben ansteigender Steifigkeit notwendig, um Überbeanspruchungen zu vermeiden. Dementsprechend besteht die Unterkonstruktion aus der Frostschutzschicht (FSS) und einer 30 cm starken Tragschicht.
Die Frostschutzschicht dient dazu, Gefügestörungen im Untergrund durch Frost-/Tauwechsel und damit verbundene Setzungen oder Hebungen zu vermeiden. Die eigentliche Tragschicht wird anschließend eingebracht. Sie kann entweder aus Asphaltbeton oder aus hydraulisch gebundenem Material bestehen. Aus wirtschaftlichen Überlegungen wird vorzugsweise die Hydraulisch Gebundene Tragschicht (HGT) zum Einsatz kommen. Sie bildet den Steifigkeitsübergang zwischen ungebundenem Untergrund und der FF Bögl-Fertigteilplatte.
Das System FF Bögl besteht aus quer vorgespannten Fertigteilplatten, auf denen die Schienenbefestigungen montiert sind. Die Fertigteilplatten werden mithilfe eines speziellen Bitumen-Zementmörtels auf der HGT fixiert.
Jede Einzelplatte ist 6,45 m lang, 2,55 m breit und 0,20 m hoch. Sie wiegt circa 9 to und besteht aus Beton der Festigkeitsklasse C 45/55 . Im Regelabstand von 65 cm sind die Schienenstützpunkte angeordnet. Nach dem Verlegen werden die Platten in Längsrichtung untereinander gekoppelt. So bilden sie eine unendlich lange Platte mit einem sehr hohen Verschiebewiderstand in Längs- und Querrichtung.
Das System FF Bögl ist vom Eisenbahnbundesamt (EBA) in mehreren Varianten zugelassen. Mithilfe von Standard- und Ausgleichsplatten sowie eines computergesteuerten Schleifprozesses der Schienenstützpunkte können alle Trassierungselemente und Gleisgeometrien realisiert werden. Darüber hinaus sind Sonderplatten mit Aussparungen zur Aufnahme der sicherungstechnischen Einrichtungen, für die Gleismagnetmontage oder den Einbau weiterer Anlagen vorgesehen.
Für den Einbau der Platten auf langen Brücken oder in Tunnelbauwerken sind Sonderlösungen entwickelt worden. Für all diese vom Standard abweichenden Platten sind Zustimmungen von der Deutschen Bahn AG vorhanden.
Fertigung der Platten
Im Jahre 1999 wurden zwei Teststrecken in Deutschland gebaut. Ende Mai entstand auf der Strecke Karlsruhe–Heidelberg im Bahnhof Rot-Malsch ein gerader, rund 735 m langer Erprobungsabschnitt. Wenige Monate später konnte in einer zweiten Demonstrationsstrecke bei Hattstedt nahe Husum der Einbau im Kreis- und Übergangsbogen realisiert werden. Bei der Plattenherstellung für diese beiden Strecken hat man bereits Erfahrungen für eine spätere Serienfertigung gesammelt.
Mit der Beauftragung des zweispurigen 35 km langen Loses Nord der Neubaustrecke Nürnberg–Ingolstadt wurde eine Produktionsanlage am Hauptsitz Sengenthal bei Neumarkt installiert, mit der man in der Lage ist, rund 11.000 Platten innerhalb von zwei Jahren herzustellen. Täglich werden 28 Platten in einer hierfür speziell umgebauten Halle bewehrt und betoniert. In einem Spannbett liegen die an den Längsseiten gestoßenen Schalungen. Alle Schalungen sind in ihren Abmessungen gleich. Sie sind mit je 20 Einsätzen bestückt, die den Höckern zur Aufnahme der Schienenbefestigungen die Form geben. Diese Einsätze sind so konstruiert, dass jeder Höcker nach dem Ausschalen mit einem definierten Übermaß versehen ist.
Eingelegte Spanndrähte werden vor dem Betonieren über die gesamte Länge des Spannbetts angespannt. Über eine längs und quer verfahrbare Verteileranlage wird dann der Beton in die Schalungen eingebracht. Eine nachlaufende Rüttelbohle sowie Außenrüttler an der Bodenschalung verdichten ihn. Nach Erhärten des Betons werden die Drähte in den Stoßfugen der Schalungen getrennt und dadurch eine Quervorspannung in jede einzelne Platte eingebracht. Eine Vakuumtraverse hebt die Platten aus ihren Spezialschalungen, per Ausfahrhubwagen werden sie anschließend zum Lagerplatz transportiert. Während der dortigen Zwischenlagerung klingen die Verformungen aus Kriechen und Schwinden nahezu ab.
Danach werden die Fertigteilplatten wieder in die Halle transportiert wo sie weiter bearbeitet und ausgerüstet werden. Hierzu wurde ein spezielles Computerprogramm, das aus dem gleisgeometrischen Projekt einen Plattenverlegeplan mit den Koordinaten jedes Einzelstützpunktes ermittelt, in Zusammenwirken mit einem Vermessungsbüro entwickelt. Diese Koordinaten werden vom Steuerprogramm der Schleifmaschine automatisch übernommen. Diese fräst in mehreren Arbeitsgängen die individuelle Geometrie eines jeden Schienenstützpunktes in die Betonhöcker ein.
Damit ist der Einbauort jeder einzelnen Platte festgelegt, was mithilfe einer eingefrästen Nummer auch dokumentiert wird. Diese Schleifmaschine ist im Hause Bögl konzipiert und mit eigenen Mitarbeitern in Zusammenarbeit mit einem Anlagenbauer konstruiert und hergestellt worden. Sie ermöglicht Genauigkeiten von 0,1 mm. Noch vor der Auslieferung wird jede Platte mit den Schienenbefestigungen bestückt. Dabei können Schienenbefestigungen jeder Art verwendet werden.
Einbau der HGT
Für den Einbau der Hydraulisch Gebundenen Tragschicht (HGT) kommt ein speziell dafür modifzierter Betonfertiger zum Einsatz. Um den späteren Verbrauch an Untergussmaterial zu minimieren, darf die Abweichung der Höhenlage laut internen Vorgaben maximal 5 mm betragen. Erreicht wird diese hohe Genauigkeit zum einen durch die optische Steuerung des Fertigers mithilfe von Tachymetern und zum anderen durch eine geeignete Betonrezeptur.
Innenrüttler verdichten den Beton, der einlagig in einer Stärke von 30 cm eingebaut wird. Angeformte Gleitbleche geben der HGT die erforderliche Profilierung. Nachlaufend wird mit einem Jutegewebe die Betonoberfläche angeraut. Mit einem "Schwert" werden im Abstand von 5 m quer zur Streckenachse Kerben angeordnet, die ein unkontrolliertes Reißen der HGT verhindern. Mit einer Folienabdeckung erfolgt die Betonnachbehandlung über mehrere Tage.
Montage der Platten
Eine vorauseilende Vermessung kennzeichnet bereits exakt die Lage jeder einzelnen Platte. Je drei Platten werden mithilfe einer Transporteinheit auf die Baustelle gebracht. Ein eigens für diese Zwecke konstruierter Travellift hebt die Platten dann einzeln vom LKW und platziert diese auf der HGT. Ablegehilfen in Form von Zentrierkeilen aus Kunststoff garantieren bereits eine Lagegenauigkeit von 1 cm. Die Spurweite des Hebezeugs ist verstellbar und kann so den örtlichen Platzverhältnissen auf Brücken, in Trögen und Tunneln angepasst werden. Eine hydraulische Traverse sorgt für die sichere Lastaufnahme.
Danach erfolgt die exakte Feinjustierung der Platten in Höhe und Lage mit einem speziell entwickelten, patentierten Vermessungsverfahren und entsprechendem Equipment. Die Justage erfolgt auf der Oberseite der geschliffenen Höcker, nicht wie üblicherweise mithilfe von Montageschienen. Nach abgeschlossener Einmessung wird die Platte mit so genannten Niederhaltern fixiert, um Verschiebungen in Folge der Auftriebskraft des Bitumen-Zementmörtels zu vereiteln. Der planmäßige Spalt von 3 cm zwischen Platte und HGT wird mit einem Mörtelband abgedichtet.
Danach wird der Unterguss durch die dafür vorgesehenen Einfüllöffnungen eingebracht, die zugleich zur Entlüftung und Sichtkontrolle während der Vergussarbeiten dienen. Das Vergussmaterial besteht aus verschiedenen Komponenten, die aus trassennahen, stationären Silos von einem Containerfahrzeug übernommen werden. In diesem speziell entwickelten Silowagen mit eingebauter Mischstation und Übergabebehälter werden die Komponenten angemischt und längs zur Einbaustelle transportiert. Mittels verschiedener Versuchsanordnungen wird regelmäßig vor dem Einbau des Untergussmaterials vor Ort die Qualität des Bitumen-Zementmörtels geprüft.
Nach Erhärten des Untergusses erfolgt der Verbund der Platten in Längsrichtung. Zunächst werden die so genannten Schmalfugen zweier benachbarter Platten mit hochwertigem Vergusszement verfüllt. Dann werden Spannschlösser über die Gewindestäbe gesteckt, die an den Stirnseiten jeder Platte herausragen. Mit einem definierten Drehmoment werden die Schlösser angezogen und so auf den Verguss der Schmalfugen eine Vorspannung aufgebracht. Die Arbeitsfugen zwischen den Platten sind folglich überdrückt, eine Rissbildung ist damit unterbunden. Zum Schutz der Spannschlösser werden abschließend auch die so genannten Breitfugen mit Vergussbeton verfüllt. Vorher eingebaute kleine Bewehrungskörbe verhindern auch hier eine nachträgliche Rissbildung.
Zur Vervollständigung der Fahrbahn werden in einem letzten Schritt die Langschienen montiert, ordnungsgemäß verschweißt und geschliffen.
Korrekturkonzept der FF Bögl
Anders als bei bisherigen Systemen ist es möglich, den Plattenfahrweg auch nach der Montage in seiner Lage ohne großen Aufwand zu korrigieren. Der Feind jeder Festen Fahrbahn sind unplanmäßige Setzungen im Untergrund. Treten solche unerwünschten Erscheinungen auf, besteht beim System FF Bögl die Möglichkeit, die Platten mittels Seilsäge vom Vergussmörtel zu trennen, sie über Richtspindeln auf die planmäßige Lage (Höhenlage) zu bringen und erneut zu untergießen.
Die Konsistenz und Fließfähigkeit des Untergussmaterials ermöglichen ein lückenloses Vergießen der Fertigteilplatten. Die extrem kurze Aushärtezeit des Untergussmaterials macht den Fahrweg innerhalb weniger Stunden wieder verfügbar.
Dieses Konzept ist Bestandteil der Typzulassung und wurde bereits in der Praxis erprobt und nachvollzogen. Auch bei späteren Umbaumaßnahmen oder im Fall einer Havarie – durch Entgleisungen oder andere äußere Einwirkungen – sind die Fertigteilplatten rasch austauschbar. Aufwändige Abbrucharbeiten entfallen, die Wiederbefahrbarkeit ausgetauschter Platten ist nach wenigen Stunden gegeben.
FF Bögl – ein zukunftsweisendes System
Einige Schritte der Prozessabfolge sowohl bei der Fertigung als auch bei der Montage sind bereits automatisiert. Weitere Optimierungen und Verbesserungen zur wirtschaftlichen Serienfertigung sind schon geplant beziehungsweise in der Entwicklung. Um all diese Ideen jedoch umsetzen zu können, bedarf es auch weiterer Aufträge, da die Konstruktion und Fertigung von Spezialgeräten sehr teuer ist und sich erst rechnet, wenn eine entsprechende Auslastung gegeben ist.
Eines ist aber schon heute klar erkennbar: Die 27-jährige Liegedauer des verwandten Systems in Karlsfeld, die seit 1999 gewonnenen Erkenntnisse auf unseren Teststrecken in Husum und Rot-Malsch sowie die Erfahrungen aus der 2003 begonnenen Plattenfertigung und Montage für die Neubaustrecke Nürnberg–Ingolstadt machen deutlich, dass ein System für Hochgeschwindigkeitszüge entwickelt worden ist, das qualitativ hochwertig, wartungsfrei, äußerst präzise, nachjustierbar und austauschbar ist.
Dieser neue, innovative Gleisoberbau für den Hochgeschwindigkeitsverkehr ist deshalb wirtschaftlich, zu einem sehr hohen Maße verfügbar und der Fahrkomfort für Reisende ist vorbildlich. Das System FF Bögl ist somit die zukunftsweisende Entwicklung Fester Fahrbahnen, das die Forderungen der großen Bahngesellschaften erfüllt und das einer weltweiten Vermarktung erfolgreich entgegensieht.
