O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSp o o r we g b o u wcement 1999 668Z e t t i n g s v r i j e o n d e r b o u wDe liggingstoleranties van spoorvoor hoge snelheden zijn veelstrenger dan voor conventioneelspoor.Invergelijkingmethetbui-tenland is in Nederland een ver-snelde aftakeling van de spoor-geometrie te verwachten alsgevolg van restzettingen van deondergrond. Dit probleem is nognijpender bij de overgangen baan- kunstwerk, waar ongelijkmatigezettingen te verwachten zijn.Daarom zijn de toelaatbare rest-zettingen beperkt.Het trac? van de HSL-Zuid voertdoor het westen van ons land,dat wordt gekenmerkt door eenslechte bodemgesteldheid enveel kruisende infrastructuur. Ditleiddeinhetontwerpprocestottoe-passing van een groot aantal zet-tingsvrije platen (betonplaten oppalen)enkunstwerkeninhettrac?.Om het verschil in zettingsgedragen elasticiteit geleidelijk te doenverlopen, zouden bij de vele over-gangen aardebaan - kunstwerkomvangrijke overgangsconstruc-tiesnodigzijn.Hierdoorontstond??n grote aaneenschakeling vanzettingsvrije platen, kunstwer-ken, overgangsconstructies enrelatief korte stukken aardebaan.Om een goede spoorligging tehandhaven bij de vele overgangenbaan - kunstwerk zou, ondanks deaanwezigheid van overgangscon-structies, toch nog veel onder-houd nodig zijn. Daarom is beslo-ten de HSL integraal zettingsvrijuit te voeren.B a l l a s t l o o s s p o o rDe meeste spoorlijnen ter wereldzijn voorzien van spoor in ballast.De functie van het ballastbed isonder meer het spreiden van detreinbelasting, stabiliseren vanhet spoorraamwerk en verzorgenvan waterafvoer.Het is een beproefd en reeds verontwikkeld systeem met vele gun-stige eigenschappen:- goede geluidsabsorbtie;- eenvoudig aan te leggen metsteeds meer geoptimaliseerdeprocessen;- eenvoudig te onderhouden;- eenvoudig verticaal enhorizontaal te verplaatsen;- eenvoudige verkantings-modificatie.Ook hogesnelheidslijnen bestaanin veel gevallen uit spoor inballast. Ervaringen in Frankrijken Duitsland leerden echter dathet spoor een aanzienlijk onder-houd behoeft:- Het ballastbed vergruist onderinvloed van de door het trein-verkeer uitgeoefende belastingen trillingen, vooral op hardeondergrond. Dit effect wordtvergroot door de hogere fre-quentie van de aspassage ende dynamische belastingenvan het hogesnelheidsverkeer.Indien tevens goederenverkeermet hoge aslasten op de lijnplaatsheeft, zoals in Duitsland,wordt dit probleem nog groter.- Kleine ballastdeeltjes wordendoor de hogesnelheidstreinenopgeworpen en kunnen op despoorstaafkop belanden. Onderde wiellast van een volgendetrein veroorzaken deze deeltjesHSL-Zuid wordt integraal zettingsvrij uitgevoerdOntwikkeling van hetspoorsysteem voor de HSL-Zuiding. R. Nawijn, Projectorganisatie Hogesnelheidslijn-Zuid /NS Railinfrabeheer SysteemontwikkelingAanvankelijk stond de infrastructuur van de reeds bestaande Franse hoge-snelheidslijnen model voor HSL-Zuid. Dit betekende toepassing van een onder-bouw bestaande uit een aardebaan, onderbroken door kunstwerken op deplaats van kruisingen met andere infrastructuur. Op deze onderbouw zou eenbovenbouw (spoorsysteem) worden toegepast bestaand uit spoor in ballast(foto 1). Om hoogte te winnen en om de rustende belasting te beperken is terplaatse van de kunstwerken toepassing van ballastloos spoor overwogen.Hiervan is afgezien omdat het zou leiden tot een `lappendeken' van spoor-systemen, hetgeen bezwaarlijk is voor zowel aanleg als onderhoud vanhet spoor. Uiteindelijk viel de keus op ballastloos spoor.1 | Spoor in ballast inFrankrijkO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSp o o r we g b o u wcement 1999 6 69beschadigingen aan de spoor-staafkop. Dit verschijnsel treedtin Frankrijk alleen op bij snel-heden boven 250 ? 270 km/h.- Op bruggen leiden vervormin-gen van de brug in langsrich-ting tot een instabiele ballast-pakking nabij de voegen,waardoor het ballastbed ver-sneld degenereert. De oorzaakvan dit probleem is snelheids-onafhankelijk, de gevolgenechter niet.Eerstgenoemd probleem kan tendele worden ondervangen doortoepassing van ballastmatten opkunstwerken en elastische dwars-liggerschoenen. Het (aanleg)kos-tenvoordeel ten opzichte van bal-lastloos spoor vervalt hierdoorechter grotendeels.Om de onderbouwkosten en hetspooronderhoud te beperken,werd opnieuw toepassing van bal-lastloos spoor overwogen, maarnu integraal, zodat geen `lappen-deken' ontstaat. De functie vanhet ballastbed kan ook direct doorde onderliggende betonconstruc-tie worden uitgeoefend. Spoor datinperfectegeometrierechtstreeksop een zettingsvrije ondergrondwordt gefixeerd, zal ook na velejaren treinverkeer een goedeligging vertonen, zodat liggings-onderhoud sterk wordt beperkt.Daarnaast is het beleid van Pro-jectorganisatie HSL-Zuid om delaatste stand der techniek toe tepassen en zonodig een aanzet tegeven om grenzen te verleggen.Daarom is besloten HSL-Zuid uitte voeren in ballastloos spoor.Na een vergelijking van interna-tionaal bekende ballastloze boven-bouwsystemen door TU Delft in1996, in opdracht van Projectorga-nisatie HSL-Zuid, kwam de inge-goten spoorstaafconstructie (ISC)alsmeestaantrekkelijksysteemuitde bus. De voordelen van ballast-loosspoorkunnenhierbijhetverstworden doorgevoerd: de construc-tiehoogte, het gewicht en hetonderhoud kunnen worden gemi-nimaliseerd. Temeer daar ISC alsmeest innovatief systeem wordtbeschouwd, werd besloten dit alsalternatief voor spoor in ballastvoor HSL-Zuid uit te werken.Tijdens deze studie ging de ori?n-tatie op andere systemen door. Inhetbuitenlandiservaringbeschik-baar met ballastloze systemen bijhoge snelheden, in tegenstellingtot ISC, waarmee de ervaring isbeperkt tot 160 km/h. Daarom isuiteindelijk besloten in de voor-ontwerpen een zodanige ruimtete reserveren, dat verschillendesystemen toepasbaar bleven, endaarnaast te trachten ISC op eengelijk niveau te brengen als debuitenlandse systemen: bewezengeschikt voor 300 km/h.W e r e l d w i j d ei n v e t a r i s a t i eOm een voor de HSL-Zuidgeschikt bovenbouwsysteem teselecteren, is een wereldwijdeinventarisatie van ballastloze sys-temen uitgevoerd. De resultatenhiervan zijn gepubliceerd in deserie `Toepassing van beton in despoorwegbouw' in de voorgaandeviernummersvanCement.Hierinzijn vier groepen onderscheiden:- prefab platenspoor (foto 2);- dwarsliggersystemen (foto 3);- rechtstreekse bevestiging;- ingegoten spoorstaaf-constructie.Uitdeinventarisatiebleekdatveelballastloze systemen vooral zijnontwikkeld voor toepassing opaardebanen. Daarom bezittendeze systemen een zekere zelf-dragendheid en stijfheid, die bijtoepassing op kunstwerken over-bodig is. Rechtstreekse bevesti-ging en ISC kunnen direct op eenkunstwerk worden gemonteerden hebben daardoor het laagsteeigen gewicht en de laagste con-structiehoogte (fig. 4).9008007006005004003002001000ballastspoor ballast + mat dwarsligger- betonplaten- rechtstreekse ISCspoor spoor bevestiging2 | Prefab platenspoor inItali? (foto boven)3 | Dwarsliggersysteem inDuitsland (foto onder)4 | Constructiehoogte spoorop kunstwerk (mm)O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSp o o r we g b o u wcement 1999 670Om kansrijke systemen te selec-teren is medio '98 een levenscy-cluskostenvergelijking van spoorop kunstwerk uitgevoerd. Hieruitbleek dat ISC veruit de laagstelevenscycluskosten genereert(fig. 5).K e u z e c o n s t r u c t i e h o o g t eDe onderbouw van de HSL wordtin zes percelen aanbesteed opbasis van Design & Construct. Debovenbouw wordt tezamen metbovenleiding, beveiliging entelecom in ??n Design, Build,Maintain & Finance contract uit-besteed aan een private partij: de`infraprovider'. De infraprovideris zelf verantwoordelijk voorzowel aanleg als onderhoud,zodat technische systeemkeuzenzo veel mogelijk aan hem wordenovergelaten. Indien de onder-bouw zou moeten worden afge-stemd op de omhullende van alledenkbare bovenbouwsystemen,zou deze duurder uitvallen: erdient dan immers rekening teworden gehouden met zowel eenhoog als een laag systeem, eenzwaar als een licht systeem enz.De voordelen van een kleine con-structiehoogte kunnen alleen inde onderbouw in lagere bouw-kosten worden verzilverd door deconstructiehoogte scherp te be-grenzen, zodanig dat nog vol-doende oplossingsruimte voor debovenbouw resteert. Gekozen isvoor een constructiehoogte van0,36m,waarbinnenzowel ISCalsrechtstreekse bevestiging passen.Hiermee wordt naast ISC nogenigekeuzevrijheidgebodenenistevens in een oplossingsmoge-lijkheid voorzien voor wissels enbijzondere locaties ten aanzienvan de zettingsproblematiek.Deze bijzondere locaties zijn: deboortunnel onder het GroeneHart, de zinktunnels onder deDordtsche Kil en Oude Maas, debrug over het Hollandsch Diep eneen trac?gedeelte in de aardebaantussen Valdijk (bij Breda) en deBelgischegrens.Deonderbouwishierniet geheel zettingsvrij,waar-door enige nastelbaarheid inhoogte- en dwarsrichting in debovenbouw vereist is.D e o n t w i k k e l i n g v a n I S CMet ISC is goede ervaring opge-daan bij conventionele snelhe-den. Het systeem is praktischonderhoudsvrij, al zal inspectieen slijpen van de spoorstavennodig blijven. Indien de onder-bouwisafgestemdopISCkaneenzeer eenvoudige constructie wor-den toegepast, die tot de laagstdenkbare levenscycluskosten leidt.Daarnaast is de verwachting dathet systeem zich goed leent voorreductie van de geluidsemissie.Het systeem is echter niet nastel-baar zonder zeer ingrijpendemaatregelen en er zijn in verge-lijking met andere systemenmaar half zo lange brugdekkenmogelijk, omdat slechts eenbeperkt verschil in verplaatsingtussen spoorstaaf en brugdek toe-laatbaar is.De ontwikkeling van ISC (foto 6)richt zich met name op:- bewijzen dat het systeemgeschikt is voor 300 km/h;- snelle methoden voor hoogte-correctie na eventuele zettin-gen;- compensatielassen en -inrichtingen;- een nastelbare constructie;- een constructie die geschikt isom grotere horizontale bewe-gingen in langsrichting op tenemen dan thans mogelijk is;- een met betrekking tot geluiden kosten geoptimaliseerdontwerp.R e c h t s t r e e k s eb e v e s t i g i n gGoed aangelegd rechtstreeks be-vestigd spoor heeft in Nederlandbewezen een onderhoudsarmbovenbouwsysteemtezijn.Ookinhet buitenland zijn diverse syste-men leverbaar die op hetzelfdeprincipe berusten. De achilleshielvan het systeem is de hoogte-maatvoering en vlakheid van deonderliggende betonconstructie.Kleine afwijkingen hierin leidentot versnelde degeneratie van hetspoor. Er kan alleen met een zeernauwkeurige uitvoering aan detoegestane toleranties wordenvoldaan, reden waarom men inJapan met prefab platen werkt.Het is ook mogelijk gebleken metlasergestuurde aanleg- of correc-tietechnieken een voldoendenauwkeurige maatvoering van terplaatse gestort beton te realiseren.De ontwikkeling van recht-streekse bevestiging (foto 7) richtzich vooral op:- bepalen van de optimalesteunpuntsafstand van despoorstaaf;- bepalen van het optimalespoorstaafprofiel;- haalbaarheid aanleg-technieken;- een sterk nastelbaar systeemvoor toepassing op zettings-gevoelige ondergrond;- wissels en compensatie-inrichtingen.120 %100 %80 %60 %40 %20 %0ballastspoor ballast + mat dwarsligger- betonplaten- rechtstreekse ISCspoor spoor bevestiging5 | Levenscycluskostenspoor op kunstwerkO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSp o o r we g b o u wcement 1999 6 71P r a k t i j k p r o e fDe belangrijkste opgave is debewijsvoering dat ISC geschikt isvoor hoge snelheden. Het con-structieprincipe heeft zich ondertreinverkeer met snelheden tot160 km/h bewezen. Voor de ont-wikkeling van spoorsystemenwordt normaliter een in een labo-ratorium ontwikkeld prototypeaan een praktijkproef onderwor-pen. Ook voor de extrapolatie van160 naar 300 km/h is aanvanke-lijk gezocht naar een praktijk-proef.Een praktijkproef kan slechts als(impliciete) bewijsvoering vangeschiktheid gelden indien dezeover eenvoldoendelange periode,bij representatieve omstandighe-den en bij representatief treinver-keer plaatsheeft. Voor het projectHSL-Zuid ontbreekt hiervoor detijd. Daarom was een kortston-digepraktijkproeftervalidatievaneen te ontwikkelen rekenmodelvoorzien.Bij gebrek aan een HSL in Neder-land zijn de mogelijkheden vaneen praktijkproef onderzocht inFrankrijk, Belgi? en Duitsland.Het bleek niet mogelijk om ditbinnen afzienbare tijd en op eengeschikte locatie voor hoge snel-heid te realiseren. Vervolgens isonderzocht of een proefvak metISCingebouwdkonwordeninhethogesnelheidscircuit van hettreintestcentrum (TTCI) in Colo-rado USA (foto 8), waar eind '98een nieuwe Amerikaanse hoge-snelheidstrein zou worden getest.Het bleek uiteindelijk niet moge-lijk beide testen op elkaar af testemmen, zodat de proef werdafgeblazenWel is in 1998 door NS Railinfra-beheer een proefvak voor conven-tionele snelheden aangelegd teBest, dat een schat aan meetgege-vensoplevertdiegebruiktkunnenworden ter validatie van reken-modellen.M o d e l m a t i g e v r i j g a v eUiteindelijk is besloten eenmodelmatigevrijgavesystematiekte hanteren, analoog aan de werk-wijze die bij de ontwikkeling vanspoorwegbeveiligingssystemengebruikelijk is. De bestaande ont-werpen van ISC en rechtstreeksebevestigingwordenonderworpenaan een faalanalyse. Voor elkefaalwijzewordtaangetoonddatdekans van optreden tot een accep-tabel niveau wordt beperkt. Dezebewijsvoering kan worden gele-verd door literatuuronderzoek,modelberekeningen, laborato-riumonderzoek of in het uiterstegeval met een praktijkproef.Faalwijzen die als ongewenstetopgebeurtenis `ontsporing' heb-ben, worden met voorrang behan-deld, omdat ze de veiligheid be?n-vloeden. Alle andere faalwijzenzijn uiteindelijk terug te voerenop de ongewenste topgebeurtenis`verlaging beschikbaarheid vanhet spoor'.Proces en inhoud worden af-zonderlijk door onafhankelijkederden getoetst waarna, bij goedgevolg, vrijgave kan plaatsheb-ben.De resultaten van het onderzoekgeven inmiddels aan dat zowelISC als rechtstreekse bevestigingveilig kunnen worden toegepastop HSL-Zuid. Medio 2000, zodrade `infraprovider' geselecteerd is,zalbekendzijnopwelktypespoor-systeem de keus is gevallen. s6 | HSL met ingegotenspoorstaafconstructie7 | HSL met rechtstreeksebevestiging8 | Hogesnelheidscircuittreintestcentrum (TTCI)Pueblo, Colorado, USA