Die Reinigung des Schulterballastes zeigt, dass es sich lohnt

Schlammflecken, ein häufiges Problem bei Schottergleisen, gehen häufig mit einer zunehmenden Verschlechterung der Gleisgeometrie und dem Schwellenpumpen einher, was sich nicht nur auf die Geometrie auswirkt, sondern auch zu einer kürzeren Lebensdauer der Schwellen und häufigeren Ausfällen in der Gleisstruktur führen kann. Während ein vollständiger Schotteraustausch aus der Untergrabung ideal ist, können Entwässerungsverbesserungsmethoden wie die punktuelle Schulterschotterreinigung (SBC) die Verschlechterung der Gleisstruktur verlangsamen und die Zeit verlängern, bis eine Untergrabung erforderlich ist.

MxV Rail erkannte die Notwendigkeit, Schlammflecken zu beseitigen, um eine gesunde Gleisstruktur aufrechtzuerhalten und künftige Gleisprobleme zu reduzieren, und führte eine SBC an einer stark fein verfüllten Schotterstelle durch, um zu bewerten, wie sich eine verbesserte Schulterentwässerung auf die Gleisleistung auswirkt (Abbildung 1). Die Untersuchung zeigt, dass SBC zwar in Bereichen mit stark beschädigten oberen Schotterschichten wirksam war, die Ergebnisse jedoch zeigten, dass der Gesamtnutzen der Methode je nach Standort variieren wird.

SBC führte mehr als ein Jahr Tests im „Regenabschnitt“ der Einrichtung für beschleunigte Servicetests (Fast) in Pueblo, Colorado durch. Dabei ging es insbesondere um das Pumpen von Oberflächenschlamm, die Setzung, die Entwässerung und die Feinmigration, um festzustellen, ob SBC den mittleren Schotterabschnitt „reinigt“.

Diese Arbeit wurde gemeinsam vom Strategic Research Initiatives Program (SRI) der Association of American Railroads (AAR) und dem Heavy Axle Load Research In-Track Testing Program der Federal Railroad Administration (FRA) finanziert.

Der Abschnitt „Fast Rainy“ dient seit 2017 als Prüfstand für das Pumpen von Schlamm und die Forschung zu fein gefülltem Ballast. Der Abschnitt ist 6,09 m lang und weist einen Selig-Fouling-Index (FI) von 40 auf (wobei der Großteil der Ballasthohlräume mit Feinpartikeln gefüllt ist). und kann mithilfe eines manuellen Bewässerungssystems kontrollierten künstlichen Regen erzeugen.

Bei den Phase-1-Tests zwischen 2017 und 2019 wurde der Einfluss von Feuchtigkeit auf die Streckenleistung quantifiziert. Niederschlagsereignisse wurden simuliert, indem die Strecke manuell benetzt und die Leistung bei Nässe und Trockenheit verglichen wurde. Ein wichtiges Ergebnis der Phase-1-Tests zeigte, dass die Benetzung der Strecke bis zum Pumpen von Schlamm an der Oberfläche (etwa eine Stunde Niederschlag mit 10 mm/Stunde) die Setzungsraten um den Faktor 15 erhöhen, die Steifigkeit der Strecke verringern und die Entwässerungszeiten verlängern kann von etwa einem Tag bis zu mehr als einer Woche. Ein zweites Ergebnis zeigte, dass, wenn Wasser von oberhalb des Gleises aufgebracht wird (z. B. bei Regen), die Schlammaufschlämmung nur wenige Zentimeter unter die Schwellenunterseite gelangt. Daher sollte sich der Entwässerungsprozess auf die Öffnung von Entwässerungswegen in der Nähe der Schwellenunterseite konzentrieren.

Die Phase-2-Tests zwischen 2020 und 2022 umfassten die Durchführung von Spot-SBC und den Vergleich der Leistungsergebnisse mit den schlecht entwässerten Ergebnissen der Phase 1. Für den Spot-SBC wurden die Schultern manuell vom Schwellenende nach außen bis zu einer Tiefe von 150 mm unter der Schwellenunterseite abgezogen. Ein Vertikutierer, eine Stange zum Entfernen von Material unter dem Schwellenende, wurde mit schwerem Gerät nachgebaut, um die Entwässerungswege unter der Schwelle weiter zu öffnen, und neuer Schotter der Klasse 4 der American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association (Arema) ersetzte die Schultern . Abbildung 2 zeigt den Aufbau der Schulterreinigung.

Zur Simulation starker Regenereignisse wurden drei Benetzungstests durchgeführt. Im Verlauf des Testzeitraums verzeichnete Fast etwas mehr als durchschnittliche natürliche Niederschläge, und die Niederschläge schwankten von Monat zu Monat erheblich. Bei den Tests 1 und 3 war der kombinierte natürliche und künstliche Niederschlag im April 2021 und 2022 (ca. 33 mm) etwas trockener als der 38-mm-Durchschnitt. Test 2 fand jedoch während einer sehr nassen Periode statt, wobei im Mai 2021 insgesamt 146 mm natürliche und künstliche Niederschläge fielen, verglichen mit dem Durchschnitt von 38 mm. Diese unterschiedlichen natürlichen Niederschläge ermöglichten es dem Forschungsteam, die verschiedenen Tests als Proxys für verschiedene Klimabedingungen zu verwenden.

Die SBC-Leistung wurde auf drei Arten bewertet: Oberflächenschlammpumpen, Entwässerung und Gleissetzung.

Oberflächenschlammpumpen

Da Schlammflecken typischerweise durch visuelle Inspektion identifiziert werden, ist es wichtig, diese visuellen Veränderungen zusammen mit den zugrunde liegenden Veränderungen in der Entwässerung zu beachten. Nach jedem der drei Tests wurde kein Abpumpen von Oberflächenschlamm beobachtet. Obwohl die Feinstoffe an der Oberfläche feucht waren, führten sie nicht zu der Schlammbildung, die in Phase 1 üblich war. Dieser Mangel an Schlammpumpen zeigt eine verbesserte Leistung und weist darauf hin, dass die Entwässerungswege während des 13-monatigen Tests, einschließlich sieben Monaten Zugbetrieb, offen blieben . Diese Ergebnisse zeigen, dass SBC eine verbesserte Entwässerung ermöglichen kann, um das Pumpen von Schlamm zu verhindern.

Drainage

Überschüssiges Regenwasser sollte durch die Strecke abfließen und von dieser abfließen, sodass die Strecke idealerweise in einem trockeneren Zustand bleibt. Die Entwässerung wurde durch Überwachung des Feuchtigkeitsgehalts in der Gleismitte in der Krippe berechnet. Zur Beurteilung der Entwässerung wurden die „Tage bis zur Entwässerung unter Sättigung“ (15 % von Feuchtigkeitssensoren) verwendet. Obwohl dies kein perfekter Indikator ist, handelt es sich doch um eine einfache Metrik, die kompliziertes Verhalten auf der Grundlage früherer Erfahrungen auf vernünftige Weise darstellt. Abbildung 3 vergleicht die Anzahl der Tage, die es dauerte, bis der Abschnitt bei zwei Phase-1-Tests (Tests A und B in Rot), den beiden trockeneren SBC-Tests (Tests 1 und 3 in Grün) und dem feuchteren SBC unter den Sättigungsfeuchtigkeitsgrad abfloss (Test 2 in Blau).

Die Ergebnisse zeigen, dass es bei den Phase-1-Tests (rot) mehr als fünf Tage dauerte, bis die Feuchtigkeit unter die Sättigung fiel. Dies stimmt mit der visuellen Beobachtung des Schlammpumpens und Ansammelns von Oberflächenwasser über Tage nach der Benetzung überein. Die Tests 1 und 3 (grün) zeigten die schnellste Entwässerung, etwa drei bis sechs Stunden. Diese schnelle Entwässerung wurde auf Oberflächenabfluss und anfängliche Trockenheit zurückgeführt. Bei Test 2 (blau) dauerte das Entleeren länger (etwa zwei Tage), aber die Feuchtigkeit vor der Benetzung war mit etwa 14,3 % bereits nahezu gesättigt, und es dauerte etwa zwei Tage, bis der Testabschnitt wieder den Feuchtigkeitsgehalt vor der Benetzung erreichte. Der Entwässerungsunterschied deutet darauf hin, dass SBC die Entwässerung sowohl in trockenen als auch in feuchten Klimazonen verbessert, die Entwässerung jedoch in trockeneren Klimazonen am effektivsten ist, in denen die Strecke zwischen Durchnässungsereignissen austrocknen kann.

Siedlung

Setzungen weisen auf Gleisverformungen hin. Wenn die Setzung in einer Senke lokalisiert ist, wie es bei diesem Test der Fall war, hat die Setzung einen starken Zusammenhang mit dem Oberflächenprofil. Die Gleissetzungen wurden mit unbelasteten Vermessungshöhen der Schienenoberkante gemessen. Abbildung 4 vergleicht die Gleissetzung in der Mitte des Gefälles des Regenabschnitts nach dem Stopfen mit der erwarteten Setzung ohne SBC unter Verwendung der Setzungsraten der Phase 1.

Die Stauchung des Regenabschnitts erfolgte unmittelbar nach SBC. Die anfängliche Setzung von 12 mm resultierte aus der Schotterverdichtung, die häufig nach dem Stopfen auftritt. Die drei schattierten Bereiche zeigen die Benetzungstests. Die Tests 1 und 3 zeigten eine minimale Setzung. Diese niedrigen Setzungsraten passen gut zur Trockensedimentation der Phase 1 (keine Benetzung). Test 2 zeigte viel höhere Setzungsraten, die der Nasssedimentationsrate in Phase 1 ähnelten, was darauf hindeutet, dass die SBC-Wirksamkeit in dauerhaft feuchten Umgebungen verringert wird. Wenn es zu keinem SBC gekommen wäre, wären aufgrund der bisherigen Erfahrungen hohe Abwicklungsraten für alle drei Tests zu erwarten.

In trockenen Klimazonen, in denen es sporadisch zu Regenfällen kommt, kann SBC die Verschlechterung der Gleisgeometrie reduzieren, da das überschüssige Wasser von den Schotterschultern abfließt, anstatt sich unter der Schwelle zu sammeln, und das trockene Klima ermöglicht das Trocknen der unter der Schwelle eingeschlossenen Feuchtigkeit. In feuchteren Klimazonen kann es an Standorten immer noch zu höheren Setzungsraten kommen, wenn die Feinstoffe durch wiederholte Regenfälle nahezu gesättigt werden. Diese Standorte entwässern immer noch schneller als Standorte ohne Schulterentwässerung, wodurch das Pumpen von Oberflächenschlamm verhindert wird.

Als punktuelle Wartungsmethode sollte das Schneiden der Schotterschulter an einer stark beschädigten Schotterstelle, an der Schlamm gepumpt wird, und das Öffnen der Entwässerung einige Zentimeter unterhalb der Schwellenunterseite einen Zwischennutzen bringen. Das Glätten mit einem höheren Hub (38 mm–50 mm) kann auch dazu beitragen, die Spur aus dem Schlamm zu heben. Spot-SBC kann als vorübergehende Maßnahme eingesetzt werden, bis der Standort unterschritten oder erneuert wird. Spot-SBC reinigt oder behebt nicht die Grundursache des Schlammpumpproblems, sorgt aber wahrscheinlich für Stabilität und vermeidet Oberflächenschlamm, bis ausreichend Regen zu Ablagerungen führt oder Feinpartikel den Straßenrand wieder füllen. Der Erfolg hängt auch vom Schotterprofil unter der Schwelle ab. Wenn der Schotter mehrere Tiefpunkte aufweist, kann es auch bei frei abfließendem Seitenstreifen immer noch lokal zu Stauungen und Schlammpumpen unter der Schwelle kommen.