Kust till kustbanan Delen Mölnlycke Rävlanda/Bollebygd

Transkript

1 BRVT 2003:02: Järnvägsutredning/MKB Kust till kustbanan Delen Mölnlycke Rävlanda/Bollebygd Delrapport

2 Beställare: Banverket Västra banregionen Beställarens rapportnr: BRVT 2003:02:15 Beställarens projektledare: Jonas Borglund Huvudkonsult: Konsultens uppdragsledare: Underkonsult: Dokument-ID: Scandiaconsult Sverige AB (SCC), Göteborg Carl-Johan Boke, MKB-ansvarig Lars Fredén BERGAB Berggeologiska Undersökningar AB t:\51\ \indesign\ktkrapp

3 Järnvägsutredning/MKB Kust till kustbanan Delen Mölnlycke Rävlanda/ Bollebygd Delrapport

4

5 1 INLEDNING Uppdraget Utförda studier Underlag Lufttrycksvariationer Hur ser tryckpulserna ut? Vilka trycktransienter erhålls på tåg? Vilka trycktransienter erhålls i tunnlarna? Hur stora är A och B? Beräknad tryckändring under fyra sekunder för aktuella tunnlar Trycktäthet hos tåg Tryckutjämningsschakt Station under jord Tryckreducerande åtgärder Alternativ dubbelspårstunnel Alternativ enkelspårstunnlar Kupolutformning...8 1

6 1 INLEDNING 1.1 Uppdraget På uppdrag av BANVERKET Västra banregionen utför Scandiaconsult en järnvägsutredning avseende Dubbelspår Mölnlycke Rävlanda / Bollebygd. I denna utredning svarar BERGAB Berggeologiska Undersökningar AB för teknikområdena Bergteknik, Geohydrologi och Aerodynamik. Föreliggande PM utgör en redovisning av utförda undersökningar och bedömningar inom teknikområdet Aerodynamik. Motsvarande för teknikområdena Geohydrologi och Bergteknik redovisas i separata PM. 1.2 Utförda studier Detaljerat underlag avseende tänkbara tågtypers egenskaper har inte gått att få fram. En något mera summarisk studie än vad som förutsatts från början har därför genomförts för ett X2000- liknande tåg. Variationer av tågparametrar har inte gjorts. Maximala lufttrycksvariationer i tunnlarna har beräknats för ett antal trafikscenarios. 1.3 Underlag Som källa vid studier av lufttrycksvariationer i tunnlar har använts Banverkets handbok BVH /1/ samt PM av Niklas Dahlbäck, Vattenfall Utveckling AB, /2/. Som källor vid studier av tågvältning har använts On Side Wind Stability of Trains av Stephan Lippert, TRITA FKT Report 1999:38, Järnvägsteknik, Inst. för Farkostteknik, KTH, Stockholm 1999, /3/ samt Järnvägssystem och spårfordon. Del 2: Spårfordon av Evert Andersson och Mats Berg, Järnvägsteknik, Inst. för Farkostteknik, KTH, Stockholm 2001, /4/. Underlag beträffande tunnellängder och tunnelareor har erhållits av SCC Göteborg. Underlag beträffande stationsutformning vid Landvetters flygplats har erhållits av arkitekt Henrik Rundquist. 2

7 2 Lufttrycksvariationer 2.1 Hur ser tryckpulserna ut? Tryckvågornas form, amplitud och varaktighet påverkas av tågens hastighet, tvärsnittsarea i förhållande till tunnelarea samt tåglängd. Hur tryckvågorna reflekteras i tunneln påverkas av tunnelns längd och eventuella areaförändringar inom denna. I en tunnel utan areaförändringar skapar tåget en tryckpuls framför sig av följande utseende. Observera hur vi i figuren nedan noterar tryckvariationerna A och B och pulsbredden T. En stillastående observatör registrerar hur trycket ökar nästan momentant med beloppet A. När tåget når observatören, ökar trycket också successivt med beloppet B, tills tåget har passerat, då trycket sjunker med beloppet A. En tryckpuls med denna form rör sig genom tunneln med ljudets hastighet. A B T A Tid Fig. 1. Lufttrycksvariation i en punkt av tunneln som funktion av tiden då tåg passerar. Efter /2/. Tryckpulsen reflekteras i motstående tunnelöppning och kommer tillbaka spegelvänd. Se nedan. Tid Fig. 2. Lufttrycksvariation i en punkt av tunneln som funktion av tiden då reflekterad puls passerar. Efter /2/. 2.2 Vilka trycktransienter erhålls på tåg? Den största tryckförändring inom fyra sekunder som upplevs på något ställe i tåget i en medellång tunnel, erhålls när tryckvågorna superponeras (adderas) och sker som en trycksänkning från maximipunkten i Fig. 1 till minimipunkten i Fig. 2. Total förändring blir alltså -A-A-B. 3

8 Den största tryckförändring som upplevs i tåg på väg i en lång tunnel (där reflexionen når tillbaka till tåget senare än 4 sekunder) motsvarar pulsens hela amplitud, A+B. Ett mötande tåg skickar en likadan puls i omvänd riktning. Det största tryck som då erhålls i både medellånga och långa tunnlar är då två pulsers hela amplitud, 2A+2B. Hur lång är en medellång tunnel som ger största tryckförändring utan tågmöte? Om tryckförändringen mäts inom ett fyrasekunders intervall och T är 1,5 sekunder (140 m tåg vid 350 km/h), så skall tryckvågen transporteras under 2,5 sekunder innan den möter tåget igen. Detta ger med ljudhastigheten 340 m/s c:a 850 m. Då har tågets bakände nått drygt 200 m in i tunneln. Summan 1190 m skall då motsvara dubbla tunnellängden. Vi får alltså en tunnellängd 3,5 ggr tåglängden, som ger maximala tryckvariationer räknat på fyra sekunders intervall. Generellt gäller att tunnlar 3-4 ggr tåglängden ger högsta värden på tryckförändring inom fyra sekunders intervall för situationer utan tågmöte. Se även diagram i /1/. För tågtunnlar kortare än 400 m fås en reduktion av maximal tryckpuls, då den inte hinner uppleva rampen som ger tillskottet B. Tryckpulsen blir istället -A-A. 2.3 Vilka trycktransienter erhålls i tunnlarna? Konstruktioner, som kan påverkas av tryckbelastningar i tunneln, bör dimensioneras åtminstone för två fulla tågamplituder åt vardera hållet, dvs + 2 (A+B), när två tåg kan förekomma samtidigt i tunneln. 2.4 Hur stora är A och B? A beror på stöten när tågfronten passerar tunnelmynningen och då skapar en plötslig massflödesändring i tunneln. Denna del av pulsen är approximativt linjärt beroende på tåghastigheten och linjärt beroende på areakvoten. B beror på friktionen längs tåget och därför av tågets längd samt approximativt kvadraten på hastigheten. Vid trånga tunnlar måste även hänsyn tas till hstigheten på återströmmande luft. Ett erfarenhetsvärde på A, vid en tågarea 20% av tunnelarean och en tåghastighet på 200 km/h, är 1,3 kpa. Motsvarande erfarenhetsvärde på B, för ett snabbtåg (lågfriktion) med längd 140 m och hastighet 200 km/h, är 0,8 kpa. Detta innebär att för 275 km/h och areakvot 0,1 bedömer vi A till 0,85 kpa och B till 1,4 kpa. För 350 km/h bedömer vi A till 1,2 kpa och B till 2,5 kpa. 4

9 2.5 Beräknad tryckändring under fyra sekunder för aktuella tunnlar. De planerade tunnlarna är dubbelspårstunnlar, som sprängs ut till 120 m 2. Efter förstärkning och uppfyllnad av spårbädd torde arean vara cirka 100 m 2. Tvärsnittsarean för X2000 är 10,05 m 2, varför parametern tågarea/tunnelarea B = 0,1. Det innebär att de lägsta kurvorna i BVH kommer till användning. Längden hos X2000 är 140 m. Förhållandet tunnellängd/tåglängd kommer alltså att variera mellan 1,1 och 23,4. Detta har stor betydelse för maximala tryckvariationen. I Tabell 1 nedan redovisas beräknade, maximala tryckändringar under fyra sekunder för de olika tunnlarna. BVH har diagram för farterna 200 och 275 km/h. I /2/ redovisas principiella betraktelser och erfarenhetsvärden, enligt vilka värden för 350 km/h kunnat beräknas. Linje Dellinje Tunnel ID Längd Tågets fart 200 km/h 275 km/h 350 km/h Ensamt Tågmöte Ensamt Tågmöte Ensamt Tågmöte V < 1 kpa < 2 kpa < 2 kpa 3,5 kpa 3,7 kpa 7,4 kpa < 1 kpa < 2 kpa < 2 kpa 4,6 kpa 2,4 kpa 4,8 kpa < 1 kpa < 2 kpa < 2 kpa 4,7 kpa 2,4 kpa 4,8 kpa V < 1 kpa < 2 kpa < 2 kpa 3,8 kpa 3,7 kpa 7,4 kpa < 1 kpa < 2 kpa < 2 kpa 5 kpa 3,7 kpa 7,4 kpa < 1 kpa < 2 kpa < 2 kpa 4,6 kpa 2,4 kpa 4,8 kpa M < 1 kpa < 2 kpa < 2 kpa 4,5 kpa 2,4 kpa 4,8 kpa M < 1 kpa < 2 kpa < 2 kpa 4,8 kpa 2,4 kpa 4,8 kpa M1 04_låg < 1 kpa < 2 kpa < 2 kpa 3,3 kpa 3,7 kpa 7,4 kpa < 1 kpa < 2 kpa < 2 kpa 4,7 kpa 2,4 kpa 4,8 kpa < 1 kpa < 2 kpa < 2 kpa 3,7 kpa 2,4 kpa 4,8 kpa M < 1 kpa < 2 kpa < 2 kpa 3,9 kpa 2,4 kpa 4,8 kpa < 1 kpa < 2 kpa < 2 kpa 3,4 kpa 3,7 kpa 7,4 kpa M3 06_låg < 1 kpa < 2 kpa < 2 kpa 3,3 kpa 3,7 kpa 7,4 kpa < 1 kpa < 2 kpa < 2 kpa 4,8 kpa 3,7 kpa 7,4 kpa < 1 kpa < 2 kpa < 2 kpa 3,3 kpa 3,7 kpa 7,4 kpa Tabell 1. Beräknade, maximala tryckändringar under fyra sekunder för de olika tunnlarna enligt Banverkets handbok BVH (200 och 275 km/h) samt uppskattningar enligt /2/ (350 km/h). Av Tabell 1 framgår att det finns risk för att komfortkravet överskrids i flera scenarios. Komfortkravet definieras under punkt 2.6.Utan trycktäta/tröga tåg torde det inte vara möjligt 5

10 med de hastigheter som planeras för. Det framgår också att konstruktioner i tunnlarna måste dimensioneras för högre tryck än vad som är vanligt idag. 2.6 Trycktäthet hos tåg Tidskonstanten, τ, för inläckningen i ett tåg vid plötsligt ökat tryck utanför detsamma erhålls ur komfortkravet enligt nedan: t p = p τ 0 1 e där p är 1,5 kpa/4s vid ensamt tåg i tunnel och 3,0 kpa/4s vid tågmöte. Genom att sätta t = 4s och p 0 lika med framräknat tryck i aktuell tunnel erhålls τ i s. Se tabell nedan. p 0 τ [s] Pa Normalfall Extremfall , , , ,1 2, ,5 2, ,9 3, ,2 4, ,6 5, ,9 5, ,2 6, ,6 7, ,9 7,83 Vid icke trycktätt tåg är τ < 0,5 s. Vid trycktätt tåg gäller att 0,5 < τ < 6,0 s. Vid mycket trycktätt tåg är τ > 6,0 s. Genom att räkna på tryckutjämningstiden under förutsättning att passagerarna inte utsätts för mer än 1,5 kpa/4s vid ensamt tåg i tunneln och 3 kpa vid tågmöte finner man att för samtliga tunnlar på bandelen klarar man sig utan trycktätt tåg vid 200 km/h. Vid 275 km/h krävs trycktätt tåg och vid 350 km/h krävs mycket trycktätt tåg vid ungefär hälften av tunnlarna. Vid korta tunnlar (<500 m) klarar man sig med trycktätt tåg. Vid de medellånga och långa tunnlarna krävs mycket trycktäta tåg vid 350 km/h. Tryckotäta tåg kan mötas i 200 km/h. Trycktäta tåg kan mötas i 275 km/h. Mycket trycktäta tåg kan mötas i 350 km/h. 6

11 2.7 Tryckutjämningsschakt Tryckutjämningsschakt kan vara vertikala schakt, men kan också utgöras av kvarlämnade arbetstunnlar om dessa inte är långa. Det sist nämnda alternativet torde dock rent praktiskt vara svårt att genomföra. Schakten kan göra nytta vid tunnlar, som är längre än tre tåglängder samt i båda ändar av stationer. Den exakta placeringen av schakten är inte kritisk. De skall dock ligga minst en tåglängd från tunnelmynning. 3 Station under jord Vid Landvetter planeras en bergförlagd station med en spännvidd på 26 m och en höjd på ca 16 m. Stationen byggs med en central plattform som enligt arkitektens idéskiss skall omges av en tät glaskupol, som således avskiljer perrongutrymmet från spårområdet. Anslutningen mot den ovanförliggande terminalen görs via vertikala schakt och snedschakt. Om tvärsektionen i tunnelriktning är två gånger så stor vid stationen blir amplituderna på tryckpulserna reducerade till cirka hälften. Den typ av byggnadskonstruktioner, glaspartier, lätta dörrar m.m., som finns i stationsutrymmet kan få svårt att klara av de trycklaster som kan uppkomma (A+B). Dessutom finns frågan hur passagerare skall avskiljas från tåg passerande i mycket hög hastighet. Enligt uppgift kommer dock högsta tillåtna hastighet förbi stationen att begränsas till maximalt 200km/h. 3.1 Tryckreducerande åtgärder Om stationsutrymmet under jord inte görs väldigt stort, fordras någon annan åtgärd för att minska trycklaster. En sådan kan vara avlastningsschakt (avlastningstunnel) med tvärsnittsarea på minst 10, helst 20 %, av tunnelarean. Vid rätt placering kan erhållas tryckreduceringar i storleksordningen 30 %. En annan åtgärd är utformning av tunnelmynningar, t.ex. konisk form, som omformar tryckpulsen till en i tiden mer utspridd tryckbelastning. En sådan kon bör vara två till trehundra meter lång och ha en areaökning till det dubbla. Med tanke på att bevara den erforderliga bergribban mellan tunnlarna in mot stationen bör denna areaökning huvudsakligen göras i tunnlarnas takdel. Båda dessa åtgärder ger också positiva effekter på komforten i tåget. 3.2 Alternativ dubbelspårstunnel Om tunnelsystemet i anslutning till stationen utformas med en dubbelspårstunnel, som delar sig i två enkelspårstunnlar före stationen, kan två tåg, som samtidigt rör sig i systemet tillsammans generera en puls av den storleksordning, som anges i Tabell 1, d.v.s. 7,4 kpa/4s i dubbelspårstunneln (vid 350 km/h). I stationsområdet med dubbla tvärsnittet och efter reduktion p.g.a. schakt återstår ändå 2,2 kpa/4s, vilket överstiger komfortkravet. Eftersom 7

12 ändå inga tåg skall få passera stationen i högre fart än 200 km/h, rekommenderas att en hastighetsgräns på 275 km/h skall gälla överallt i tunnlarna, som ansluter till stationen. Då kan man efter reduktion medelst avlastningsschakt och p.g.a. den större stationstunnelarean komma ner under 1,5 kpa/4s. Det krävs minst ett större schakt i varje dubbelspårsdel för den behövliga reduktionen. Ev. kan två mindre schakt, ett i varje enkelspårstunnel, i vardera änden av stationen också krävas. Som mest kan alltså sex schakt behövas. Det är absolut nödvändigt att noggrann analys görs av systemet, när mera detaljerade uppgifter om önskad utformning föreligger. Denna utformning innebär att en vertikal vägg ovanför kupolen inte behövs ur trycksynpunkt den gör helt enkelt ingen nytta eftersom systemet innehåller dubbelspårstunnlar i båda ändarna, vilka släpper in samma tryckpuls på båda sidor om väggen. 3.3 Alternativ enkelspårstunnlar Om systemet utformas med genomgående enkelspårstunnlar på minst 65 m 2 och en stationsarea utanför kupolen på 120 m 2 för varje spår, skall en vertikal vägg ovanför kupolen dimensioneras för en tryckskillnad på 2,7 kpa under förutsättning att samma hastighetsbegränsningar som ovan föreslagits tillämpas. Vidare gäller att tågen separeras så att det är minst 20 s mellan tågförekomst i samma tunnel. Observera att det även här är absolut nödvändigt att noggrann analys görs av systemet, när mera detaljerade uppgifter om önskad utformning föreligger. 3.4 Kupolutformning Det är en fördel ur tryckutjämningssynpunkt att kupolen görs liten så att den utjämnande volymen hos bergrummet blir så stor som möjligt. Passagen till och från stationen måste då utformas så att den medverkar till tryckutjämning. Hur avskiljning av passagerare från tåg med hänsyn till trycklasterna och säkerheten på perrongen skall göras måste utredas särskilt. Om t.ex. kupoldörrarna av någon anledning skulle vara öppna vid tågpassage upplevs en plötslig trycksänkning p.g.a. dynamiskt tryck nära tåget, som kan vara så stor som 2-3 kpa vid 350 km/h, vilket överstiger komfortkravet. Om tågets fart ej överskrider 200 km/h så klaras komfortkravet. Avståndet mellan tåg och kupol påverkar krav på utformningen av kupolväggen och därpå fästade anordningar. 8

13 Med tanke på brand bör kupolen ansluta till berget i båda ändar av stationsdelen. Med tanke på trycklasterna måste de planerade anslutningarna mot terminalen avgränsas från spårområdet för att undvika att trycklasterna i spårområdet utanför kupolen fortplantar sig upp i terminalen. Stockholm BERGAB Berggeologiska Undersökningar AB Jonas Holmgren 9

14 Banverket Västra banregionen Stampgatan 34 Box Göteborg Tel: