Referencia: PT IAPM. Actividad 1: Estado del arte. Enero CENIT Centro de Innovación del Transporte.

Transcripción

1 Reducción de las variaciones de rigidez vertical de la vía: Establecimiento de criterios de diseño, recepción y mantenimiento de las infraestructuras ferroviarias Referencia: PT IAPM Actividad 1: Estado del arte. Enero 2008 Preparado para: CEDEX (Centro de Experimentación de las Obras Públicas) Preparado por:, TRANSyT, Centro de Investigación del Transporte Contacto: Jordi Girona, 29, 2º A, Edifici Nexus II Barcelona, España cenit.bcn@upc.edu

2 Actividad 1: Estado del Arte ÍNDICE DE CONTENIDOS ÍNDICE DE CONTENIDOS...1 ÍNDICE DE TABLAS...3 ÍNDICE DE FIGURAS...5 INTRODUCCIÓN AL DOCUMENTO DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LÍNEAS FERROVIARIAS DE ALTAS PRESTACIONES INTRODUCCIÓN CARACTERÍSTICAS DEL EMPARRILLADO DE LA VÍA CARACTERÍSTICAS DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL DE LA VÍA. SISTEMA BALASTO-PLATAFORMA Configuración estructural de la sección transversal CUÑAS DE TRANSICIÓN EN LAS LÍNEAS DE ALTA VELOCIDAD CONTROL DE CALIDAD, RECEPCIÓN Y HOMOLOGACIÓN DE LÍNEAS DE ALTAS PRESTACIONES EL CONTROL DE CALIDAD DE LAS CAPAS DEL SISTEMA BALASTO-PLATAFORMA CARACTERIZACIÓN DE LA HOMOGENEIDAD RESISTENTE DEL SISTEMA BALASTO-PLATAFORMA: FRECUENCIA DE LOS ENSAYOS EL CONTROL DE CALIDAD DE LAS CUÑAS DE TRANSICIÓN INCIDENCIA DEL MANTENIMIENTO Y DE LA RENOVACIÓN DE LAS LÍNEAS DE ALTA VELOCIDAD EN LAS VARIACIONES DE RIGIDEZ VERTICAL AUSCULTACIÓN ACTIVIDADES DE MANTENIMIENTO RENOVACIÓN LA PROBLEMÁTICA DE LA RIGIDEZ VERTICAL Y SU VARIACIÓN EN EL SENTIDO LONGITUDINAL PREÁMBULO INTRODUCCIÓN LAS VARIACIONES DE LA RIGIDEZ VERTICAL DE LA VÍA Y SUS EFECTOS EN EL DETERIORO DE LA MISMA Concepto de rigidez vertical de la vía Las variaciones de la rigidez vertical de la vía y su incidencia en el deterioro de la misma. Un análisis de los distintos factores Las variaciones aleatorias de la rigidez vertical de la vía Los estribos de puentes Las juntas de los carriles Los desvíos y aparatos de vía Técnicas para la reducción de las irregularidades de la rigidez vertical de la vía OPTIMIZACIÓN DEL DISEÑO DE LA VÍA UNA APROXIMACIÓN RACIONAL AL DISEÑO DE LA VÍA Caracterización del tráfico Modelización de la vía Propiedades de las capas de asiento necesarias para el análisis estructural Evaluación de las tensiones y deformaciones admisibles Criterios de diseño de los métodos analíticos Comportamiento de los materiales ante repetidos ciclos de carga INFLUENCIA DE LAS MEDICIONES DE LA RIGIDEZ VERTICAL DE LA VÍA EN SU MANTENIMIENTO LA MEDICIÓN DE LA RIGIDEZ VERTICAL DE LA VÍA...70 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

3 Actividad 1: Estado del Arte ANEJOS...80 ANEJO 1: CUESTIONARIO PARÁMETROS DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN, CONTROL DE CALIDAD Y RECEPCIÓN DE LÍNEAS FERROVIARIAS...81 ANEJO 2: CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS PARA DETERMINAR LA SECCIÓN TIPO DE UNA LÍNEA DE ALTA VELOCIDAD...94 ANEJO 3: CONTROL DE CALIDAD EN ESPAÑA...97 A3.1 CONTROL DE CALIDAD DE LAS PROPIEDADES DE LAS DISTINTAS CAPAS DEL SISTEMA BALASTO- PLATAFORMA EN ESPAÑA...97 A3.1 CONTROL DE CALIDAD DE LAS CUÑAS DE TRANSICIÓN EN ESPAÑA ANEJO 4: CRITERIOS DE RECEPCIÓN DE LAS LÍNEAS DE ALTA VELOCIDAD ANEJO 5: PROCESO DE HOMOLOGACIÓN DE LAS LÍNEAS DE ALTA VELOCIDAD ANEJO 6: CRITERIOS DE INTERVENCIÓN PARA EL MANTENIMIENTO DE LÍNEAS DE ALTA VELOCIDAD ANEJO 7: CONTRIBUCIÓN DE TORE DAHLBERG ANEJO 8: CONTRIBUCIONES DE MICHAEL BURROW ANEJO 9: CONTRIBUCIÓN DE ERIC BERGGREN

4 Actividad 1: Estado del Arte ÍNDICE DE TABLAS TABLA 1 TIPOLOGÍAS Y CARACTERÍSTICAS DE LOS CARRILES DE ALGUNAS LÍNEAS DE ALTA VELOCIDAD EUROPEAS. FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA CON DATOS DE [3], [5], [34], [43], [45]...9 TABLA 2 CARACTERÍSTICAS DE LAS TRAVIESAS DE ALGUNAS LÍNEAS DE ALTA VELOCIDAD EUROPEAS. FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA CON DATOS DE DIVERSAS FUENTES. FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA CON DATOS DE [3], [26], [34], [35], [45], [48], [72], [85] [91], [104] TABLA 3 CARACTERÍSTICAS DE LAS SUJECIONES Y PLACAS DE ASIENTO DE ALGUNAS LÍNEAS DE ALTA VELOCIDAD EUROPEAS. FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA CON DATOS DE DIVERSAS FUENTES. FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA EN BASE A DATOS DE [3], [5], [26], [35], [45], [71], [72], [74], [91], [104]...11 TABLA 4 RIGIDEZ VERTICAL DE LAS PLACAS DE ASIENTO. FUENTE: [98]...12 TABLA 5 CLASIFICACIÓN GEOTÉCNICA DE LOS SUELOS. FUENTE: [108] TABLA 6 DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD RESISTENTE DE LA PLATAFORMA. FUENTE: [108] TABLA 7 SECCIONES ESTRUCTURALES Y EXIGENCIAS RESPECTO A LA CAPACIDAD PORTANTE DE DISTINTAS LÍNEAS DE ALTA VELOCIDAD EUROPEAS. FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA CON DATOS DE [5], [9], [34], [35], [47], [51], [70], [85], [109] TABLA 8 CARACTERÍSTICAS DE LAS SECCIONES ESTRUCTURALES DE LAS LÍNEAS DE ALTAS PRESTACIONES EN EUROPA. FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA TABLA 9 OBRAS DE FÁBRICA EN ALGUNAS LÍNEAS DE ALTA VELOCIDAD EUROPEAS. FUENTE: CON DATOS DE DIVERSAS FUENTES TABLA 10 ESQUEMA DE LAS CUÑAS DE TRANSICIÓN EN ESPAÑA CONSTRUIDAS ANTES QUE EL TERRAPLÉN ADYACENTE. FUENTE: A PARTIR DE [41]...27 TABLA 11 ESQUEMA DE LAS CUÑAS DE TRANSICIÓN EN ESPAÑA CONSTRUIDAS DESPUÉS QUE EL TERRAPLÉN ADYACENTE (CASO EXCEPCIONAL). FUENTE: A PARTIR DE [41] TABLA 12 ESQUEMA DE LAS CUÑAS DE TRANSICIÓN EN ITALIA CONSTRUIDAS DESPUÉS QUE LA OBRA DE FÁBRICA. FUENTE: A PARTIR DEL CUESTIONARIO...30 TABLA 13 ESQUEMA DE LAS CUÑAS DE TRANSICIÓN EN ITALIA CONSTRUIDAS ANTES QUE LA OBRA DE FÁBRICA. FUENTE: A PARTIR DEL CUESTIONARIO...31 TABLA 14 DISEÑO DE TRANSICIONES DE LÍNEAS DE ALTA VELOCIDAD EUROPEAS PARA PUENTES Y VIADUCTOS. FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA EN BASE A DATOS LOS CUESTIONARIOS Y DE [30], [41], [69], [102], [89] Y [108]...36 TABLA 15 ESQUEMA DE REFERENCIA PARA EL ESTABLECIMIENTOD DE LAS FUNCIONES Y CARACTERÍSTICAS DEL BALASTO. FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA A PARTIR DE [59] TABLA 16 ESPECIFICACIONES PARA LA CAPA DE BALASTO. FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA EN BASE A DATOS DE LOS CUESTIONARIOS, ASÍ COMO [12] Y [14]...38 TABLA 17 ESPECIFICACIONES PARA LA CAPA DE SUB-BALASTO. FUENTE: A PARTIR DE LOS CUESTIONARIOS Y DE [105], [12], [14], [59] Y [83] TABLA 18 ESPECIFICACIONES PARA LA CAPA DE FORMA. FUENTE: A PARTIR DE LOS CUESTIONARIOS, [14], [59] Y [83]...41 TABLA 19 ESPECIFICACIONES PARA LOS TERRAPLENES. FUENTE: A PARTIR DE LOS CUESTIONARIOS Y DE [59] Y [83] TABLA 20 CAPA DE SUB-BALASTO: PARÁMETROS CARACTERIZADOS POR EL CONTROL DE CALIDAD Y FRECUENCIA DE LOS ENSAYOS. FUENTE: A PARTIR DE LOS CUESTIONARIOS Y [105], [12], [14], [59] Y [83]...43 TABLA 21 CAPA DE FORMA: PARÁMETROS CARACTERIZADOS POR EL CONTROL DE CALIDAD Y FRECUENCIA DE LOS ENSAYOS. FUENTE: A PARTIR DE LOS CUESTIONARIOS Y [14] Y [59]...43 TABLA 22 ESPECIFICACIONES RESPECTO A LA CAPACIDAD RESISTENTE DE LAS TRANSICIONES DE LÍNEAS DE ALTA VELOCIDAD EN EUROPA. FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA EN BASE A DATOS LOS CUESTIONARIOS Y DE [30], [41], [102], [89] Y [108]

5 Actividad 1: Estado del Arte TABLA 23 ANÁLISIS COMPARATIVO DE LA AUSCULTACIÓN DE LAS LÍNEAS DE ALTA VELOCIDAD...47 TABLA 24 ANÁLISIS COMPARATIVO DE LAS TAREAS DE MANTENIMIENTO DE LA LÍNEA MADRID-SEVILLA Y ROMA-FLORENCIA...48 TABLA 25 PARÁMETROS ÓPTIMOS DE LA VÍA (A PARTIR DE EUROBALT II, VER REFERENCIAS ANEJO 8) TABLA 26 VARIABLES DEL ESTUDIO PARAMÉTRICO FUENTE: SELIG Y LI, 1994, VER REFERENCIAS ANEJO TABLA 27 RELACIÓN ENTRE RIGIDEZ, PROBLEMAS EN LA VÍA Y LAS ACTIVIDADES DE MANTENIMIENTO. FUENTE: SUSSMANN ET AL. 2001, VER REFERENCIAS ANEJO TABLA 28 SECCIONES ESTRUCTURALES Y EXIGENCIAS RESPECTO A LOS SUELOS QUE COMPONEN LAS LÍNEAS DE ALTA VELOCIDAD ESPAÑOLAS. FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA EN BASE A DISTINTAS FUENTES...94 TABLA 29 SECCIONES ESTRUCTURALES Y EXIGENCIAS RESPECTO A LOS SUELOS QUE COMPONEN LAS LÍNEAS DE ALTA VELOCIDAD ITALIANAS. FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA A PARTIR DE DATOS DE RFI S.P.A...96 TABLA 30 CONTROL DE CALIDAD DE LAS DISTINTAS CAPAS DE LA INFRAESTRUCTURA EN ESPAÑA. FUENTE: CON DATOS DE [31] TABLA 31 CONTROL DE CALIDAD DE LAS CUÑAS DE TRANSICIÓN EN ESPAÑA. FUENTE: CON DATOS DE [31] TABLA 32 ANÁLISIS COMPARATIVO DE LOS CRITERIOS DE INTERVENCIÓN PARA EL MANTENIMIENTO DE LAS LÍNEAS DE ALTA VELOCIDAD. FUENTE: (2005)

6 Actividad 1: Estado del Arte ÍNDICE DE FIGURAS FIGURA 1 SECCIÓN DEL CARRIL UIC 60 Y CARACTERÍSTICAS MÁS RELEVANTES. FUENTE: [3]....9 FIGURA 2 ESQUEMA DE LA VÍA EN LÍNEAS CONVENCIONALES Y LÍNEAS DE ALTA VELOCIDAD, Y VALORES TÍPICOS DE LA RIGIDEZ VERTICAL DEL CONJUNTO DE LAS CAPAS DE ASIENTO Y LA PLATAFORMA (K BP ). FUENTE: [57] FIGURA 3 CÁLCULO DEL ESPESOR MÍNIMO DE LAS CAPAS DE ASIENTO E. FUENTE: [108] FIGURA 4 SECCIÓN TRANSVERSAL TIPO. FUENTE: ADAPTADO DE [108]...16 FIGURA 5 SECCIÓN TRANSVERSAL TIPO DE LA LÍNEA PARÍS-LYON. FUENTE: [109]...17 FIGURA 6 ESTRUCTURA TIPO DE LA FUTURA LÍNEA DE ALTA VELOCIDAD TGV ESTE. FUENTE: TOMADO DE LE LIANT (2005)...18 FIGURA 7 ESTRUCTURA TIPO DE LAS LÍNEAS DE ALTA VELOCIDAD ALEMANAS, VIGENTE HASTA EL AÑO FUENTE: [47]...18 FIGURA 8 ESTRUCTURA TIPO DE LA LÍNEA DE ALTA VELOCIDAD HANNOVER- WÜRZBURG. FUENTE: TOMADO DE [98]...19 FIGURA 9 SECCIÓN TRANSVERSAL TIPO PARA LÍNEAS ALEMANAS CON VELOCIDADES DE 300 KM/H. FUENTE: [26]...19 FIGURA 10 SECCIÓN TRANSVERSAL TIPO DE LA LÍNEA DE ALTA VELOCIDAD MADRID- SEVILLA. FUENTE: [85]...20 FIGURA 11 SECCIÓN TRANSVERSAL TIPO DE LA LÍNEA DE ALTA VELOCIDAD LLEIDA- BARCELONA. FUENTE: JORDI PRAT (2007)...20 FIGURA 12 SECCIÓN TRANSVERSAL ITALIANA TIPO. FUENTE: RFI S.P.A FIGURA 13 SECCIÓN TRANSVERSAL TIPO DE LAS LÍNEAS SUECAS DE NUEVA CONSTRUCCIÓN. FUENTE: BANVERKET...22 FIGURA 14 ESTRUCTURA TIPO DEL TRAMO DE ENSAYO CON MATERIAL BITUMINOSO DE LA LGV ESTE. FUENTE: RÉVUE GÉNÉRALE DES CHEMINS DE FER (2005)...24 FIGURA 15 SECCIÓN EN TÚNEL DE LA LÍNEA DEL AVE MADRID-SEVILLA. FUENTE: [67] FIGURA 16 SECCIÓN TIPO DE VIADUCTO DE HORMIGÓN HIPERESTÁTICO EN LA LÍNEA DE ALTA VELOCIDAD MADRID-SEVILLA. FUENTE: DIRECCIÓN GENERAL DE INFRAESTRUCTURAS DEL TRANSPORTE FERROVIARIO (1991) FIGURA 17: DISEÑO DE TRANSICIONES EN ESTRUCTURAS SUPERFICIALES, PUENTES Y VIADUCTOS EMPLEADAS POR RENFE EN LA LÍNEA DE ALTA VELOCIDAD MADRID- SEVILLA. FUENTE: [1]...29 FIGURA 18: ZONA DE TRANSICIÓN PARA EL CASO DE ESTRUCTURAS A NIVEL EN LÍNEAS DE ALTA VELOCIDAD FRANCESAS. FUENTE: [88] FIGURA 19: ZONA DE TRANSICIÓN PARA EL CASO DE ESTRUCTURAS A NIVEL EN LÍNEAS DE ALTA VELOCIDAD FRANCESAS. FUENTE: [108] (2006)...33 FIGURA 20: ZONA DE TRANSICIÓN PARA EL CASO DE ESTRUCTURAS A NIVEL CUANDO EL PUENTE SE CONSTRUYE ANTES QUE LA CUÑA EN FRANCIA. FUENTE: [102] (1994) FIGURA 21: ZONA DE TRANSICIÓN PARA EL CASO DE ESTRUCTURAS A NIVEL EN ALEMANIA PARA LÍNEAS CON VELOCIDADES DE PROYECTO SUPERIORES A 160 KM/H. VÍA EN TERRAPLÉN. FUENTE:[108]...34 FIGURA 22: ZONA DE TRANSICIÓN PARA EL CASO DE ESTRUCTURAS A NIVEL EN ALEMANIA PARA LÍNEAS CON VELOCIDADES DE PROYECTO SUPERIORES A 160 KM/H. VÍA EN TRINCHERA. FUENTE:[108]...34 FIGURA 23: EJEMPLO DE ZONA DE TRANSICIÓN PARA EL CASO DE ESTRUCTURAS A NIVEL EN ALEMANIA. FUENTE: [102] (1994) FIGURA 24: FIGURA SUPERIOR: RIGIDEZ VERTICAL DE LA VÍA A LO LARGO DE LA VÍA MEDIDA POR BANVERKET. FIGURA INFERIOR: CUATRO MEDIDAS DE LOS ASIENTOS DE LA VÍA. FUENTE: A PARTIR DEL INFORME DE T. DAHLBERG (PROPORCIONADA POR E. BERGGREN)

7 Actividad 1: Estado del Arte FIGURA 25: DIAGRAMA CARGA-DEFORMACIÓN QUE ILUSTRA LA EXISTENCIA DE HUECOS BAJO TRAVIESAS Y NO LINEALIDADES EN EL COMPORTAMIENTO DE LA VÍA...52 FIGURA 26: RIGIDEZ ÓPTIMA EN LA ZONA DE TRANSICIÓN PARA DOS CASOS: A) PASANDO DE VÍA RÍGIDA A BLANDA (FIGURA IZQUIERDA, EL MÓDULO DE YOUNG PASA DE 100 HASTA 30 MPA, Y B) PASANDO DE VÍA BLANDA A RÍGIDA (FIGURA DERECHA). FUENTE: ANEJO FIGURA 27: FUEZA DE CONTACTO RUEDA CARRIL ANTES Y DESPUÉS DE LA OPTIMIZACIÓN DE LA RIGIDEZ DE LA VÍA. EL TREN CIRCULA DESDE LA ZONA RÍGIDA DE LA VÍA HASTA LA BLANDA. FUENTE: ANEJO FIGURA 28: VALORES OPTIMIZADOS DEL MÓDULO CORTANTE DE LAS ALFOMBRILLAS BAJO TRAVIESA. FUENTE: ANEJO FIGURA 29: FUEZA DE CONTACTO RUEDA CARRIL SIN ALFOMBRAS BAJO TRAVIESAS Y CON 5 ALFOMBRAS BAJO TRAVIESA CON LA RIGIDEZ OPTIMIZADA. LA TRANSICIÓN ENTRE LA ZONA BLANDA Y LA RÍGIDA SE PRODUCE EN UN TIEMPO DE 0,12 S. FUENTE: ANEJO FIGURA 30: ESTUDIO PARAMÉTRICO DE LA INFLUENCIA DE LOS DISTINTOS COMPONENTES DE LA VÍA EN EL MÓDULO DE LA VÍA. FUENTE: SELIG Y LI, 1994, VER REFERENCIAS ANEJO FIGURA 31: APARATO SUECO TLV. FUENTE: ANEJO FIGURA 32: PRINCIPIO DE MEDIDA (UN LADO ÚNICAMENTE) DEL RSMV. FUENTE: E. BERGGREN ET AL. (VER REFERENCIAS ANEJO 9)

8 Actividad 1: Estado del Arte INTRODUCCIÓN AL DOCUMENTO I.1 El presente informe constituye la primera parte del trabajo correspondiente a la Actividad 1 (Estado del Arte) del proyecto REVA Reducción de las variaciones de la rigidez vertical de la vía. En él se presentan las características actuales, en el marco europeo, respecto a: Los parámetros de diseño y construcción de líneas ferroviarias de altas prestaciones en Europa. Los procesos de control de calidad, recepción y homologación de líneas de altas prestaciones. La incidencia de las tareas de mantenimiento y de renovación de las líneas de alta velocidad en las variaciones de rigidez vertical. I.2 En el marco del proyecto, el interés de recoger dicha información estriba, principalmente, en colaborar en el establecimiento y la determinación de las causas de las variaciones de la rigidez vertical de la vía. Asimismo, la necesidad de conocer cómo se diseñan y construyen las líneas de alta velocidad y como se verifica la calidad de las mismas reside, principalmente, en el interés del proyecto REVA de establecer nuevos criterios de diseño y nuevas recomendaciones para la construcción de nuevas líneas cuyos costes de mantenimiento, asociados a las variaciones de rigidez vertical de la vía, resulten menores. I.3 La información del presente documento procede de diversas fuentes, concretamente: Referencias bibliográficas (cf. referencias bibliográficas para más información). Respuestas a los cuestionarios específicamente preparados para la realización del proyecto (cf. anexo 1 para consultar el cuestionario, en su versión en español; su traducción al inglés y al francés se puede descargar de la página del proyecto: Concretamente han colaborado en el proyecto ADIF, RFI, SNCF y Banverket. Reuniones con expertos. Las aportaciones del Comité de Expertos. Particularmente de Michael Burrow, Tore Dahlberg y Eric Berggren. 7

9 Actividad 1: Estado del Arte 1 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LÍNEAS FERROVIARIAS DE ALTAS PRESTACIONES 1.1 Introducción 1.1 Los criterios de diseño de vías férreas sobre balasto han ido evolucionando a medida que las velocidades de circulación iban aumentando, con la finalidad principal de contener, en la medida de lo posible, las necesidades de mantenimiento y, por consiguiente, los costes asociados. 1.2 Así, los criterios basados en suponer un cierto ángulo de distribución de presiones por el balasto, dieron paso a la aplicación de las teorías y resultados de los sistemas elásticos multicapa, que a su vez llevaron al establecimiento de catálogos de secciones estructurales de vía. 1.3 Esta evolución supuso un aumento de las capas situadas bajo la traviesa, puesto que de la disposición de una única capa de balasto, apoyada sobre la plataforma de la vía, se pasó a la construcción de un conjunto de capas intermedias, cuya finalidad es mejorar la distribución de las presiones sobre la infraestructura. 1.4 En el caso particular de las líneas de alta velocidad, debido por un lado al incremento de las cargas dinámicas que actúan sobre la vía y por el otro a la necesidad de una mayor fiabilidad de la infraestructura ferroviaria, el diseño del sistema balastoplataforma-capas de asiento condujo a proporcionar a dicho sistema una mayor resistencia vertical respecto a la de las líneas convencionales. Dicha resistencia vertical se basa, por un lado, en el incremento de prestaciones del emparrillado de vía y por el otro del diseño de las capas sobre las que asienta. De forma global, el incremento de la capacidad resistente indujo, a su vez, a un aumento de la rigidez vertical del conjunto de la vía, incremento que se ha mitigado con la disposición de placas de asiento elásticas entre los carriles y las traviesas. 1.5 Así, en las líneas de alta velocidad, se precisa el diseño y construcción de vías con buenas características resistentes pero, a su vez, el conjunto debe estar dotado de la elasticidad suficiente para mitigar las cargas del tráfico. 1.6 Concretamente, la rigidez vertical de la vía viene definida o influenciada por dos grupos de parámetros: Concepción básica del emparrillado de la vía: - Sección del carril (concretamente, su momento de inercia) - Sección y longitud de la traviesa - Distancia entre traviesas - Rigidez vertical de la placa de asiento Capacidad portante de la estructura de apoyo balasto-capas de asientoplataforma, que a su vez depende de los factores siguientes: - Características de los materiales de las capas de asiento (balasto, subbalasto, arena) - Espesores de las capas de asiento - Características de la plataforma 1.7 En los siguientes apartados se presentan las características de los parámetros anteriormente citados, así como de las cuñas de transición terreno natural-obra de fábrica, puesto que en ellas se producen importantes variaciones de rigidez vertical de la vía. 8

10 Actividad 1: Estado del Arte 1.2 Características del emparrillado de la vía 1.8 En lo que al emparrillado de vía se refiere (constituido por los carriles, las sujeciones, las placas de asiento y las traviesas), las líneas de alta velocidad están usualmente dotadas de carriles de mayor rigidez a la flexión y de traviesas más pesadas y de mayor superficie de apoyo que las líneas ferroviarias convencionales. 1.9 En Europa, se ha generalizado el empleo del carril UIC 60 para las líneas de altas prestaciones (ver Figura 1), tal y como se puede observar en la Tabla 1. Esta homogeneización del tipo de carril responde a las ventajas que dicho modelo ofrece respecto al comportamiento a fatiga. Este tipo de carril se caracteriza por tener un momento de inercia I x de 3.055,00 cm Además de su sección, los carriles quedan caracterizados por su composición metalúrgica, que a su vez conduce a un cierto nivel de resistencia. La resistencia del acero que debe utilizarse es función del tráfico y del radio de las curvas. En las líneas convencionales suelen utilizarse carriles cuya resistencia característica es del orden de 700 N/mm 2. Sin embargo, para la fabricación de los carriles de las líneas de alta velocidad se ha generalizado, asimismo, el empleo de aceros denominados naturalmente duros (con un límite de rotura del orden de 90 dan/mm 2 ). País Línea Tipo de tráfico Tipo de carril Tipo de acero Dureza del acero Otras características Francia 700 A Media París-Lyon [5] viajeros UIC A* Alta* Naturalmente Atlantique [3] viajeros UIC A duro Hannover-Würzburg [45] mixto UIC 60 90A Peso: 60,34Kg/m Alemania Mannheim-Stuttgart [45] mixto UIC 60 90A Peso: 60,34Kg/m Köln-Frankfurt viajeros UIC 60 viajeros Peso: 60,34kg/m España Madrid-Sevilla [34] (diseñada para mixto) UIC (Dureza 90) Resistente al desgaste Roma-Firenze mixto UIC 60 Italia [43] Roma-Napoli [43] mixto UIC A Observaciones: * Después de renovar la línea Tabla 1 Tipologías y características de los carriles de algunas líneas de alta velocidad europeas. Fuente: Elaboración propia con datos de [3], [5], [34], [43], [45]. Carril UIC 60 Sección: 7686 mm 2 Peso: 60,34 kg/m Equilibrio térmico: 1,56 Momentos de inercia Vertical: 3055 cm 4 Horizontal: 512,90 cm 4 Módulos resistentes Vertical: 335,50 cm 3 Horizontal: 68,40 cm 3 Figura 1 Sección del carril UIC 60 y características más relevantes. Fuente: [3]. 9

11 Actividad 1: Estado del Arte 1.11 Respecto a las traviesas, la tendencia europea se caracteriza por la adopción de traviesas de hormigón monobloc pre o postensadas. La adopción de dichas traviesas se justifica, entre otros aspectos, por su mejor comportamiento frente a esfuerzos transversales y a fenómenos como la onda de levante, su mejor reparto de cargas verticales y su mayor duración. Cabe citar, sin embargo, la excepción a dicha tendencia, protagonizada por las primeras líneas de alta velocidad francesas, en las que se encuentran traviesas de hormigón armado tipo bi-bloc (U41) con un peso de 240 kg/unidad (ver Tabla 2) Si bien se observa cierta homogeneidad a nivel de tipo de traviesas, las características en cuanto a longitud y sección efectiva por carril difieren entre administraciones ferroviarias, tal y como se observa en la Tabla 2. El valor de la superficie efectiva está directamente relacionado con la capacidad de la traviesa de reducir las presiones que transmite a la capa de balasto. Así, los incrementos en la superficie de apoyo de las traviesas conducen a reducciones en el estado tensional de la capa balasto que contribuyen a reducir el deterioro de la misma. Se ha pasado de valores del área de apoyo en el entorno de los cm 2, hasta valores próximos a los cm 2. País Línea Tipo de traviesa Número de traviesas por km de vía Masa (kg) Longitud (mm) Anchura (mm) Altura (mm) Superficie efectiva por carril (cm 2 ) Italia España Alemania Francia París-Lyon [72] Hormigón armado bibloque U Atlantique [3] Hormigón armado bibloque U Nord Rhône-Alpes Bibloque Jonction Méditerranée Est Hormigón bibloque tipo VAX U Hannover-Würzburg [91], [26], [45] Mannheim-Stuttgart [91], [26], [45] Hannover-Berlín (Contorno de Stendal) [26], [35], [104] Madrid-Sevilla [34], [85] Madrid-Lleida Lleida-Barcelona Roma-Firenze Roma-Napoli [104], [48] B 70W Hormigón pretensado monobloc B 70W Hormigón pretensado monobloc B75 BW Diwidag Hormigón pretensado o postesado monobloc BW Diwidag Hormigón monobloc BW Diwidag Hormigón monobloc Hormigón monobloc FS V35 P Hormigón monobloc FS V35 NP Hormigón monobloc M 62 Hormigón pretensado monobloc 1666 (Distancia mín. Entre traviesas: 630 mm) 1666 (Distancia mín. Entre traviesas: 630 mm) 1666 (Distancia entre traviesas: 630 mm) (medio) 240 (extremo) a a ,5 Máx a a Tabla 2 Características de las traviesas de algunas líneas de alta velocidad europeas. Fuente: Elaboración propia con datos de diversas fuentes. Fuente: Elaboración propia con datos de [3], [26], [34], [35], [45], [48], [72], [85] [91], [104]. 10

12 Actividad 1: Estado del Arte 1.13 La evaluación aproximada del efecto del incremento de la superficie de apoyo de las traviesas (a igualdad del resto de parámetros) en la reducción de las tensiones en la capa de balasto puede obtenerse mediante la expresión: 1.14 σ σ i j Fj = F i siendo σ i y de apoyo F i y σ j el nivel de tensiones sobre el balasto para vías con traviesas de áreas F j, respectivamente En referencia al peso de las traviesas, este ha ido aumentando paulatinamente, a medida que se incrementaban las velocidades de los trenes, para dotar a la vía de mayor estabilidad longitudinal y transversal A nivel de colocación de las traviesas, también se puede hablar de uniformidad de criterio, puesto que en todas las líneas de alta velocidad, el número de traviesas por kilómetro de vía es de (ver Tabla 2), es decir, se coloca una traviesa cada 60 cm (esta disposición permite realizar las operaciones de bateo con la maquinaria habitual) El sistema sujeción-placa de asiento es el elemento del emparrillado que más disparidad presenta entre las distintas administraciones o incluso líneas (ver Tabla 3 y Tabla 4), en particular en lo que respecta a la rigidez de las placas de asiento adoptadas. País Línea Sujeción Tipo de placa de asiento Espesor (mm) Rigidez Vertical Estática (KN/mm) Italia España Alemania Francia París-Lyon [5], [74], [72] Nabla Zw900 9 mm 90 LGV Atlantique [3] Nabla Zw900 LGV Nord Zw900 Rhône-Alpes Nabla* Zw Jonction Zw900 Méditerranée Zw900 Est [71] Pandrol Fastclip Hannover-Würzburg Vossloh HM elástica [91], [26], [45] Clip Skl-1 ZW 687a 6 mm 400 a 500 Mannheim-Stuttgart [91], [26], [45] Hannover-Berlin (Contorno de Stendal) [35], Vossloh HM elástica Clip Skl-1 ZW 687a 6 mm 400 a 500 Vossloh Ioarv mm 27 Madrid-Sevilla Vossloh HM elástica Clip Skl-1 ZW 687a 6 mm 400 a 500 Madrid-Lleida Vossloh HM elástica Clip Skl-1 7 mm 100 Lleida-Barcelona Vossloh HM elástica Clip Skl-1 7 mm 100 Roma-Firenze Pandrol e-clip Tipo K 250 a 350 Roma-Napoli [104] Pandrol 10 mm 100 Bélgica Bruselas-Francia Leuven-Bierset Pandrol Pandrol Observaciones: * Salvo 2 tramos de 5km en que se colocaron clips Vossloh y el fastclip de Pandrol. Tabla 3 Características de las sujeciones y placas de asiento de algunas líneas de alta velocidad europeas. Fuente: Elaboración propia con datos de diversas fuentes. Fuente: Elaboración propia en base a datos de [3], [5], [26], [35], [45], [71], [72], [74], [91], [104]. 11

13 Actividad 1: Estado del Arte País Francia Alemania España Línea - Líneas convencionales - Líneas de alta velocidad - Líneas convencionales - Líneas de alta velocidad - Hanover-Würzburg - Mannheim-Stuttgart - Hanover-Berlín - Contorno de Stendal (l. Hannover-Berlin) - Líneas de alta velocidad - Madrid-Sevilla - Madrid-Barcelona Rigidez vertical de la placa de asiento Kpa (KN/mm) Italia - Líneas de alta velocidad Bélgica - Líneas de alta velocidad y líneas convencionales Tabla 4 Rigidez vertical de las placas de asiento. Fuente: [98] A pesar de ello, sí se puede hablar de una tendencia a la reducción de la rigidez de las placas de asiento, por parte de las distintas administraciones ferroviarias con objeto de reducir la rigidez vertical de la vía y, consecuentemente, las cargas dinámicas a las que se encuentra sometida. Esta tendencia se hace más notoria al observar los valores adoptados en las líneas de reciente construcción (ver Tabla 3). Cabe señalar sin embargo que en el caso del contorno de Stendal se adoptó una placa extremadamente flexible para minimizar las vibraciones transmitidas, y no por motivos mecánicos Respecto a la tipología de sujeciones, cabe destacar que en la actualidad se ha generalizado el empleo de sujeciones elásticas tipo clip. 1.3 Características de la sección transversal de la vía. Sistema balastoplataforma 1.21 Tal y como se avanzó en el apartado 1.1, las características de la sección transversal de una vía (materiales, espesores de las capas de asiento, características de la plataforma) determinan su rigidez vertical A continuación se presentan las principales características de la sección transversal de las vías de altas prestaciones, esencialmente las que hacen referencia a la configuración estructural de la sección transversal de la vía Configuración estructural de la sección transversal 1.23 Tradicionalmente, la configuración de la sección transversal de las líneas convencionales se ha basado en la disposición de una capa de balasto sobre la coronación de la plataforma. Además de repartir las cargas del tráfico, la capa de balasto contribuía a la evacuación de aguas de lluvia, a la protección de la plataforma de las variaciones de humedad, a la estabilización longitudinal, transversal y lateral de la vía y a la amortiguación de las acciones de los vehículos sobre la vía Sin embargo, para las líneas de alta velocidad, son varias las capas de material granular las que asientan sobre la capa de coronación de la plataforma, tal y como se muestra en la Figura La complejidad de las capas de asiento que componen las líneas de alta velocidad en comparación con las líneas convencionales, se explica básicamente por dos razones: por un lado, las citadas capas deben contribuir a la reducción de presiones sobre la infraestructura y, por el otro, la adecuada graduación de los materiales en dichas capas permite evitar la contaminación tanto de la capa de balasto como de la plataforma. 12

14 Actividad 1: Estado del Arte LÍNEAS CONVENCIONALES BALASTO 25 cm PLATAFORMA Valor medio más frecuente de la rigidez K bp = 35 kn / K bp = 35 kn/mm LÍNEAS DE ALTA VELOCIDAD CONFIGURACIÓN TÍPICA BALASTO 35 cm SUBBALASTO 25 cm GRAVA 20 cm ARENA 15 cm PLATAFORMA K K bgsp 70 kn / mm bp = 70 a 110 a kn/mm 110 kn / mm Figura 2 Esquema de la vía en líneas convencionales y líneas de alta velocidad, y valores típicos de la rigidez vertical del conjunto de las capas de asiento y la plataforma (K bp ). Fuente: [57] Así, la construcción de nuevas infraestructuras aptas para la circulación a alta velocidad supuso un cambio sustancial en el diseño del sistema balasto-plataforma. Se pasó de los criterios basados en suponer un cierto ángulo de distribución de presiones a la aplicación de las teorías de los sistemas elásticos multi-capa y finalmente al desarrollo de catálogos de secciones estructurales de vía Con la finalidad de definir las exigencias para cada capa de asiento (a nivel de espesores), en 1982 el Grupo UIC 7H/14 publicó la ficha 719R, que recogía, entre otros aspectos, un catálogo de secciones estructurales tipo, desarrollado de forma teóricopráctica por la SNCF. Se definían para ello cuatro tipos de calidades de suelos soporte (Q si ), a partir de los cuales se fijaban tres tipos de plataforma (P i ), en función del conjunto de espesores de materiales que se colocasen sobre el suelo soporte. Cabe señalar, sin embargo, que en dicha ficha no quedaban explícitamente indicados los espesores de la capa de balasto y sub-balasto, los cuales debían fijarse según fuese el tráfico total soportado por cada línea y su distribución entre tráfico pesado (vagones) y ligero (coches de viajeros). Un año más tarde, en 1983, el Comité D-117 del ORE proporcionó órdenes de magnitud del espesor total de balasto y subbalasto La Tabla 5, Tabla 6 y Figura 3 muestran la metodología para la obtención del espesor de la capa de balasto y sub-balasto propuesta por la ficha 719R en su versión más actual (2006) La calidad de la plataforma dependerá de la naturaleza geotécnica del suelo y de las condiciones hidrogeológicas e hidrológicas locales. La ficha 719R, y en particular la Tabla 5, divide el suelo en cuatro tipos: QS0 : suelos impropios para la realización de una plataforma adecuada (se procede a la sustitución de un determinado espesor del material saneamiento); QS1 : suelos de mala calidad, aunque aceptables; QS2 : suelos de mediana calidad; QS3: suelos de buena calidad; 13

15 Actividad 1: Estado del Arte Clasificación de los suelos (identificación geotécnica) Clase de calidad de los suelos 0.1 Suelos orgánicos 0.2 Suelos finos que contienen más de 15% de finos a húmedos y no compactables) 0.3 Suelos tixotrópicos b (quick-clay por ejemplo) 0.4 Suelos que contienen materiales solubles (por ejemplo suelo conteniendo sal gema) 0.5 Tierra contaminada (desechos industriales por ej.) 0.6 Materiales mixtos/suelos orgánicos b 0.7 Suelos de alta plasticidad con más del 15% de finos, suelos colapsables c o suelos expansivos d 1.1 Suelos conteniendo más de 40% de finos (excepto suelos clasificados en 0.2 ó 0.7) 1.2 Rocas muy evolutivas, por ejemplo: Yesos de γ < 1,7 t/m y de alta friabilidad Margas Esquistos alterados 1.3 Suelos que contienen entre el 15% y el 40% de finos (excepto suelos clasificados en 0.2 ó 0.7) 1.4 Rocas evolutivas, por ejemplo: Yesos de γ < 1,7 t/m y de baja friabilidad Esquistos no alterados 10.2 Rocas Blandas Por ejemplo, si el microdeval en presencia de agua (MDA) > 40 y Los Angeles (LA) > Suelos con un porcentaje de finos entre el 5 y el 15% excepto suelos colapsables c 2.2 Suelos uniformes con menos de 5% de finos (C u 6) excepto suelos colapsables d 2.3 Roca moderadamente dura Por ejemplo, si el 25 < MDA < 40 y 30 < LA < Suelos con menos de 5% de finos a 3.2 Rocas duras Por ejemplo, si MDA 25 y LA 30 QS0 QS1 QS1 3 QS2 4 a Los análisis granulométricos se efectuan sobre los pasados a 60mm. Los porcentages estipulados son un orden de magnitud, pudiendo ser redondeados (las prácticas son muy distintas entre un ferrocarril y otro); pueden ser mayorados de hasta 5% con la reserva de que incidan sobre un nº de muestras suficientemente representativo. b Algunas administraciones sitúan estos suelos en la clase QS1 c Asiento por hundimiento superior al 1% para muestras no manipuladas o para muestras remoldeadas con la densidad Proctor estándar y a una presión normal de 0,2 MPa. d Hinchazón libre superior al 3% para muestras no manipuladas o para muestras remoldeadas con la densidad Proctor estándar. e Pueden ser de calidad QS2 si se sabe con toda certeza que las condiciones hidrogeológicas y hidrológicas son buenas. rf Pueden ser de calidad QS3 si se sabe con toda certeza que las condiciones hidrogeológicas y hidrológicas son buenas. Tabla 5 Clasificación geotécnica de los suelos. Fuente: [108] En cuanto a la capacidad portante de las plataformas, se distinguen las tres categorías siguientes (ficha U.I.C 719R, 2006): P1 : plataforma mediocre P2 : plataforma mediana P3 : plataforma buena 1.31 La clasificación de este tipo de plataforma según la clase del suelo de fundación varia según las diferentes administraciones ferroviarias; en la Tabla 6 se recoge las indicaciones al respecto de la U.I.C. QS3 14

16 Actividad 1: Estado del Arte Terraplén o superficie de la excavación Clasificación del suelo a b CBR a (min) QS1 2 c -3 QS2 5 Clase de capacidad portante de la plataforma requerida P1 P2 P2 P3 P2 P3 Requerimientos de la capa de forma Calidad QS1 QS2 QS3 QS3 QS2 QS3 CBR b (min) 2 c c c Espesor mínimo: e f (m) - 0,50 0,35 0, c 0,35 QS c P3 QS c. CBR correspondiente a las condiciones in situ del material (las muestras deben estar saturadas durante el ensayo. CBR correspondiente a una muestra remoldeada compactada en las condiciones de diseño del material (las muestras deben estar saturadas durante las pruebas). c Valores propuestos de acuerdo con ERRI Report D117, RP 28 (1983). Tabla 6 Determinación de la capacidad resistente de la plataforma. Fuente: [108] A partir de las dos tablas precedentes la UIC propone el diseño de los espesores de las capas de balasto y sub-balasto (conjuntas) en base al tipo de plataforma, su capacidad portante, las características del emparrillado de vía (especialmente las traviesas) y las características del tráfico (ver Figura 3). balasto Sub-balasto Plataforma e e f Geotextil eventual e = E + a + b + c + d +f (e en metros) E = 0,70m para plataformas P1 a E = 0,55m para plataformas P2 a E = 0,45m para plataformas P3 a a = 0 para líneas grupo UIC 1 a 4 b a = -0,10 para líneas grupo UIC 5 y 6 b b = 0 para traviesas de madera de longitud 2,60m b= (2,5 L) / 2 para traviesas hormigón de longitud L (b en m, L en m; b puede ser negativo si L>2,5 m) c = 0, para dimensiones habituales c = -0,10m, caso especial de condiciones de trabajo difíciles en líneas existentes d = 0, cuando la carga máxima por eje de los vehículos remolcados no supera los 200 kn d = +0,05m, cuando la carga máxima por eje de los vehículos remolcados no supera los 225 kn d= +0,12m, cuando la carga máxima por eje de los vehículos remolcados no supera los 250 kn f = +, debe incluirse un geotextil cuando la capa de forma es de un suelo tipo QS1 o QS2 f = 0, (no se requiere geotextil) cuando la capa de forma es de un suelo tipo QS3 a Las clases de resistencia de la plataforma están definidas en la Tabla 6. b Los grupos UIC están definidos en la ficha UIC 714 (edición del ). c Ver NB en la página 33. d La clasificación geotécnica de los suelos está definida en la Tabla 5. Figura 3 Cálculo del espesor mínimo de las capas de asiento e. Fuente: [108]. 15

17 Actividad 1: Estado del Arte 1.33 Las líneas de alta velocidad sobre balasto que se encuentran actualmente en explotación comercial tienen una sección estructural formada, como mínimo, por una capa de balasto, una sub-base y la plataforma, además de la posibilidad de disponer de filtros entre algunas de ellas (ver Figura 4). En referencia a la plataforma resulta usual tratar la parte superior de la misma con objeto de mejorar su capacidad resistente configurando lo que se conoce como la capa de forma. superestructura infraestructura plataforma Balasto Sub-base Capas de asiento Capa de forma Terraplén Drenes longitudinales Francia Alemania España Figura 4 Sección transversal tipo. Fuente: Adaptado de [108] La experiencia pone de manifiesto que la mayor parte de líneas de alta velocidad disponen de capas de balasto con un espesor bajo traviesa entre 30 y 35 cm (ver Tabla 7). En el ámbito de la sub-base existe una mayor dispersión puesto que, por un lado, los espesores de sub-balasto no resultan tan homogéneos y, por otro, las líneas italianas disponen de sub-base bituminosa. Línea Tipo de tráfico V máx (km/h) París-Lyon [109] [5] V 270 LGV Atlantique [70] V 300 LGV Est V 320 Hannover-Würzburg [47] M 250 Sección estructural 30 cm mínimo de balasto. 20 cm de capa de sub-balasto 0/31 70 cm de capa de forma en material rocoso 0/250. Espesor mínimo de la capa de balasto de 30 cm 25/50 20 a 35 cm de capa de sub-balasto 0/31,5 50 a 70 cm de capa de forma (sin capa impermeable) 30 cm de balasto 20 cm de subcapa con gravas no tratadas (GNT) 0/31,5 50 cm de capa de forma Capa de balasto: 30cm Capa de sub-balasto 30 cm Capa de forma 30 cm Mannheim-Stuttgart M 250 Capa de balasto 30cm Hannover-Berlin [9] 250 M Capa de balasto: 35 cm (Contorno de Stendal) (160**) Madrid-Sevilla [51], [34], [85] V (Diseñado para M) 270 Madrid-Lleida V 350 Lleida-Barcelona V 350 Capa de balasto: 30 cm Capa de sub-balasto: 25 cm Capa de forma: 60 cm para un suelo QS1, 40 cm para un suelo QS2 y 0 para un suelo QS3. 30 cm de balasto 25 cm de sub-balasto (emín) Capa de forma: Capa de balasto: espesor mínimo de 35 cm bajo traviesa y 40 cm en viaductos y túneles Espesor mínimo de sub-balasto: 30cm Capa de forma: 16

18 Actividad 1: Estado del Arte Italia Línea Roma-Florencia Tipo de tráfico M V máx (km/h) Sección estructural balasto: 35cm de espesor bajo traviesa sub-balasto: misto cementato : 20 cm o bituminoso: 12 cm capa de base: tierra granular fuertemente compactada con un espesor de 30 cm ( supercompattato ) Suecia Gothenburg-Malmö (West Coast Line) [35] M 200 Capa de balasto: 50 cm Capa de sub-balasto: 90 cm Reino Unido Channel Tunnel Rail Link 300 Capa de balasto: Capa de sub-balasto: Capa de forma: cm Tabla 7 Secciones estructurales y exigencias respecto a la capacidad portante de distintas líneas de alta velocidad europeas. Fuente: Elaboración propia con datos de [5], [9], [34], [35], [47], [51], [70], [85], [109] En la Tabla 7 se han recogido las secciones estructurales de algunas de las líneas de alta velocidad actualmente en servicio o en proceso de construcción. Concretamente se observa que: En las líneas de alta velocidad francesas, las secciones estructurales adoptadas en las primeras líneas de alta velocidad, construidas en los años 80, poco difieren de las más actuales, tal como puede deducirse de la comparación de los espesores de las secciones estructurales de las líneas TGV París-Sud- Este y TGV Atlantique, con la sección estructural que se está colocando en la nueva línea de alta velocidad TGV Este, que unirá París con Estrasburgo (ver Tabla 7, Figura 5 y Figura 6). Figura 5 Sección transversal tipo de la línea París-Lyon. Fuente: [109]. En líneas generales, las capas que componen las secciones transversales tipo de las líneas de alta velocidad francesas corresponden con una capa de balasto de 30 cm de espesor, una capa de sub-balasto de 20 cm de espesor construida con material granular de 0/31,5 y con una pendiente transversal del 4%, y la capa de forma, de entre cm constituida por material granular no tratado GNT (Graves No Traitées) 0/D (D<150mm) y con una pendiente transversal del 4%. En la superficie de la capa de forma se exige una capacidad portante mínima (medida mediante el módulo elástico obtenido en el segundo escalón de carga en el ensayo de placa de carga) EV2 es de 80 MPa. Además, a la capa de sub-balasto se le exige una cierta densidad. 17

19 Actividad 1: Estado del Arte Capa de balasto 30 cm Capa de sub-balasto 20 cm Capa de forma 50 cm de granulados calcáreos PST Parties supérieurs de terrassement 35 cm en terraplén 70 cm en desmonte Figura 6 Estructura tipo de la futura línea de alta velocidad TGV Este. Fuente: Tomado de Le Liant (2005). La PST (Parties supérieurs de terrassement), que se corresponde en la nomenclatura habitual con la capa de forma, está constituida por roca caliza tratada con cemento en un espesor de 35 cm en desmonte y 70 cm en terraplén. En ambos casos la capacidad portante mínima Debe mencionarse que para el diseño de las líneas de alta velocidad los ferrocarriles franceses se basan en la clasificación de suelos de la ficha UIC 719R. La construcción de las primeras líneas de alta velocidad en Alemania (1991) implicó un incremento en las necesidades de fiabilidad de la infraestructura ferroviaria de altas prestaciones (debido a su explotación en tráfico mixto). En la Figura 7 y Figura 8 se observa como las recomendaciones establecidas por la DB eran bastante exigentes, tanto en términos de espesores mínimos (70 cm), como en términos de capacidad portante requerida (de 45 a 120 MN/m 2 ). Balasto Capa de protección de la plataforma Capa de protección contra la helada Terreno natural Figura 7 Estructura tipo de las líneas de alta velocidad alemanas, vigente hasta el año Fuente: [47]. 18

20 Actividad 1: Estado del Arte Figura 8 Estructura tipo de la línea de alta velocidad Hannover-Würzburg. Fuente: Tomado de [98]. Sin embargo, los resultados de los 5 primeros años de explotación en tráfico mixto de las primeras líneas de alta velocidad en Alemania: Hannover- Würzburg y Mannheim-Stuttgart, resultaron bastante negativos desde el punto de vista de los elevados costes de mantenimiento. I.4 Consecuentemente, para la construcción de la línea Hannover-Berlín se planteó un nuevo diseño de la superestructura (con una mayor área de apoyo de las traviesas y una mayor flexibilidad de la placa de asiento). Además, Eisenmann propuso [26] aumentar el espesor de la capa de balasto bajo traviesa hasta los 40 cm (ver Figura 9). Sin embargo, en la construcción de la línea Hannover-Berlín dicho espesor se incrementó de los 30 cm de las primeras líneas a los 35 cm. Sujeción del carril Ioarv 300 C = 23 hasta 30 kn/mm Cable Capa de protección de la plataforma Capa de protección contra la helada Balasto Tubería de infiltración Tubería de transporte Traviesas de hormigón pretensado B75 (l=2,80m) (Distancia 0,63 m) Figura 9 Sección transversal tipo para líneas alemanas con velocidades de 300 km/h. Fuente: [26]. En las líneas de alta velocidad españolas, al igual que en las nuevas líneas de altas prestaciones francesas y alemanas, el espesor de la capa de balasto bajo la traviesa se sitúa entre los 30 y los 35 cm, tal y como se puede constatar en la Figura 10, donde se presenta la sección transversal tipo de la línea de alta velocidad Madrid-Sevilla, y en la Figura 11, correspondiente a la sección transversal tipo de la línea de altas prestaciones Lleida-Barcelona. En cuanto a los espesores mínimos de la capa de sub-balasto granular, éstos han experimentado cambios con el tiempo: la primera línea de alta velocidad española, construida entre Madrid y Sevilla, está formada por una capa de grava bien graduada bajo balasto, con un espesor mínimo de 25 cm, mientras que, actualmente, en el caso de los nuevos trazados diseñados para permitir velocidades máximas de hasta 350 km/h, como la línea Madrid-Barcelona, se construye con un espesor mínimo de 30 cm. Los incrementos de espesores detectados, tanto en la capa de balasto como de sub-balasto, pueden atribuirse 19

21 Actividad 1: Estado del Arte a la variación de la velocidad máxima de diseño existente entre las líneas Madrid-Sevilla y Madrid-Barcelona. Figura 10 Sección transversal tipo de la línea de alta velocidad Madrid-Sevilla. Fuente: [85]. Sección transversal tipo de la línea Madrid - Lleida Figura 11 Sección transversal tipo de la línea de alta velocidad Lleida- Barcelona. Fuente: Jordi Prat (2007). En Italia, ya desde la primera línea de alta velocidad entre Roma y Florencia, los ferrocarriles italianos decidieron colocar bajo el balasto (y en sustitución del sub-balasto granular tradicional) una capa de misto-cementato en algunos tramos y una capa de 12 cm de material bituminoso en otros (ver Figura 12). El sub-balasto en misto-cementato (sbubalasto con grava-cemento), constituido en general por material proveniente de roca calcárea (CaCO 3 ) machacada con un porcentaje bajo de cemento (cerca de 3% a 4%) y un contenido en agua de aproximadamente del 6%, surgió gracias a la investigación que llevaron a cabo los Ferrocarriles Italianos (FS Ferrovie dello Stato) sobre los materiales más 20

22 Actividad 1: Estado del Arte aptos para la formación de la capa de sub-balasto). Sin embargo, esta administración optó finalmente por inclinarse hacia el uso de material bituminoso como sub-balasto. El espesor del sub-balasto bituminoso estipulado en la normativa italiana inicial (VOCE 325, Voce di Tarrifa, RFI) está comprendido entre 8 cm y 12 cm. La normativa de ITALFERR (2000), que sirve de base al proyecto de las líneas de alta velocidad actualmente en construcción, sólo hace referencia al espesor de 12 cm. La sección transversal italiana tipo queda definida por una capa de balasto de 25 cm bajo traviesa con una pendiente del 3% (con material cumpliendo las siguientes características: Los Angeles < 25%; d min = 22,5 mm; d máx = 62 mm), una capa de sub-balasto bituminoso de 12 cm de espesor y una pendiente del 3%, y una capa de asiento de 30 cm de espesor y una pendiente del 3% (con material A 1 -A 2-4 -A 3 según la CNR UNI 10006/63 ver Anexo 2 para la definición de los materiales ). Además se dispone de una capa de forma o super-compatato de 30 cm de espesor en la superficie de la cual se exige una capacidad portante mínima de 80 MPa (medida mediante el módulo elástico obtenido en el primer escalón de carga en el ensayo de placa de carga), así como un índice CBR mínimo de 50. Los terraplenes tienen una pendiente del 3%, se disponen en tongadas de un espesor comprendido entre los 30 y los 50 cm y están compuestos por los siguientes materiales: A 1 -A 2-4 -A 3 -A 4 -A 2-5 -A 2-6 -A 2-7 según la CNR UNI 10006/63 (ver Anexo 2 para la definición de los materiales). En los terraplenes se exige una capacidad portante, en supeficie, de 40 Mpa, así como cada 30 cm de espesor de los mismos. ballast (> 35 cm) sub-ballast layer (12 cm) (bitumenous conglomerate) Prepared subgrade (30 cm) soil (30 cm) 4 3 p=3% embankment 2 3 sobstitution soil (50 cm) Figura 12 Sección transversal italiana tipo. Fuente: RFI S.p.A. En Suecia, la sección transversal tipo está caracterizada por unos espesores de capas granulares muy destacados (Figura 13), debidos, tanto a las características de los suelos como a la difícil climatología de la zona. Así, en 21

23 Actividad 1: Estado del Arte las líneas de nueva construcción el espesor de la capa de balasto es de 50 cm y se disponen dos capas de sub-balasto. Una primera capa con vistas a incrementar la capacidad portante del conjunto llamada Förstärkningslager con un espesor mínimo de 80 cm (excepto si la plataforma es de roca) y una capa de sub-balasto con objeto de proteger a la plataforma del hielo llamada Frostisoleringslager que puede oscilar entre su ausencia hasta espesores de 140 cm (dependiendo de la posición geográfica de la línea en Suecia). Figura 13 Sección transversal tipo de las líneas suecas de nueva construcción. Fuente: Banverket De los comentarios anteriores se puede afirmar que existe cierta homogeneidad, entre los distintos países europeos, en cuanto a las secciones estructurales de las líneas de alta velocidad, a excepción de Italia que, como se ha visto, optó por una variante consistente en sustituir la capa de sub-balasto granular por una capa de sub-balasto bituminoso, así como de Suecia, por su climatología y la calidad de sus suelos En este sentido, las divergencias y cambios de diseño, así como las mayores exigencias a los materiales que forman las distintas capas de asiento y, en particular, la capa de sub-balasto, se engloban en la búsqueda de materiales que permitan mejorar el comportamiento de la infraestructura ferroviaria frente a los nuevos requerimientos, tanto desde el punto de vista mecánico (soportar circulaciones a alta velocidad, aumentar la durabilidad, ) como económico (costes de construcción y mantenimiento, principalmente) El caso Sueco también resulta singular por la importancia del espesor de las distintas capas con vistas a la protección de la plataforma frente al hielo (de hecho una de las principales exigencias consiste en que en la base de la capa de sub-balasto no haya hielo) La Tabla 8 sintetiza las principales características de las capas de asiento de las líneas de alta velocidad en Europa. En la citada tabla se detectan paralelismos importantes en las distintas administraciones ferroviarias, con la excepción del caso sueco. Las exigencias en cuanto a espesores son similares (obviando la capa de sub-balasto italiana). En valor, las exigencias respecto a la capacidad portante también son similares cuando existen. Así, la capacidad resistente de la plataforma se sitúa en torno a los 40 ó 45 MPa, en la superficie de la capa de forma se exigen 80 MPa y en el caso alemán se exigen 120 MPa en la superficie del sub-balasto. 22