Wpływ wybranej metody wymiany nawierzchni kolejowej na utrudnienia w ruchu pociągów92

Technologie wymiany nawierzchni kolejowej można podzielić na metody małej i pełnej mechanizacji [29]. Metody małej mechanizacji, wykorzystujące zespoły, w których maszyną wiodącą jest koparka z odpowiednim osprzętem do układania podkładów i szyn, powinny być stosowane zasadniczo tylko na krótkich odcinkach, na których wdrożenie metody pełnej mechanizacji jest niemożliwe lub ekonomicznie nieuzasadnione [66] (rys. 6.2). W kompleksowych modernizacjach i naprawach głównych nawierzchni powinno się stosować metody pełnej mechanizacji, na przykład metodę potokową, wykorzystującą specjalistyczny pociąg do potokowej wymiany nawierzchni (rys. 6.3), charakteryzujący się wysoką wydajnością i jakością realizowanych robót [67].

Rys. 6.2. Roboty wymiany nawierzchni wykonywane metodą małej mechanizacji na linii magistralnej E-30, na odcinku Opole – Wrocław

źródło: zbiory własne

6. Zastosowanie algorytmów obliczeniowych własnej metody badawczej w praktycznych zagadnieniach inżynierskich

93 Rys. 6.3. Roboty wymiany nawierzchni wykonywane metodą pełnej mechanizacji (metoda potokowa)

źródło: [10]

Na analizowanym kontrakcie zarządca infrastruktury wymagał od wykonawcy zastosowania metody potokowej wymiany nawierzchni [107]. Ze względu na niedostępność maszyn wysokowydajnych musiała zostać jednak zastosowana metoda małej mechanizacji, co było czynnikiem wpływającym na konieczność wydłużenia zaplanowanych zamknięć torowych.

W celu porównania czasu realizacji robót nawierzchniowych na szlakach¹⁷ i towarzyszących im utrudnień ruchowych w analizach zdefiniowano dwa warianty technologii robót – pierwotnie zakładaną technologię potokową i wykorzystaną w rzeczywistości metodę małej mechanizacji, oraz następujące podwarianty, opisane szerzej w następnym akapicie:

 Wariant I – metoda małej mechanizacji z podwariantami różniącymi się liczbą zespołów do wymiany nawierzchni:

o podwariant Ia – 1 zespół do wymiany nawierzchni, o podwariant Ib – 2 zespoły do wymiany nawierzchni, o podwariant Ic – 4 zespoły do wymiany nawierzchni.

 Wariant II – metoda pełnej mechanizacji (potokowa) z podwariantami różniącymi się wydajnością pracy pociągu do potokowej wymiany nawierzchni, w zakresie wydajności osiąganych w praktyce:

17 Możliwości wykorzystania metody potokowej wymiany nawierzchni kolejowej i jej efektywność na stacjach są ograniczone, ze względu na takie przeszkody jak rozjazdy, czy perony

94 o podwariant IIa – wydajność 100 m/godz.,

o podwariant IIb – wydajność 150 m/godz., o podwariant IIc – wydajność 200 m/godz., o podwariant IId – wydajność 250 m/godz.

Wymiana nawierzchni metodą małej mechanizacji (wariant I) może być prowadzona z podziałem toru szlakowego na kilka odcinków roboczych. W związku z tym, że dostarczanie i wywóz materiałów nawierzchniowych odbywa się z wykorzystaniem pojazdów samochodowych, maksymalna liczba odcinków roboczych jest ograniczona liczbą przejazdów kolejowo-drogowych występujących na danym szlaku lub liczbą innych punktów, w których może nastąpić wjazd pojazdów na torowisko po demontażu nawierzchni kolejowej. Stąd analizowano maksymalnie 4 odcinki robocze i 4 zespoły do wymiany nawierzchni.

Wymiana nawierzchni metodą pełnej mechanizacji (wariant II) z wykorzystaniem specjalistycznego pociągu do potokowej wymiany nawierzchni (np. P-95, SMD80, SUM Q-3, RU800S [29]) wykonywana jest podczas jazdy pociągu bezpośrednio po torze, którego nawierzchnia jest wymieniana. Nie jest zatem już możliwy podział szlaku na odcinki robocze i równoczesna praca więcej niż jednej maszyny. Jak pokazują badania zaprezentowane w publikacji [66] wydajność pracy pociągu do potokowej wymiany nawierzchni jest silnie uzależniona od lokalnych warunków pracy, w tym stanu istniejącej nawierzchni kolejowej (szczególnie stanu podkładów). Na sieci kolei niemieckiej wydajności godzinowe osiągające wartość 250 m/godz. są osiągane systematycznie, podczas gdy na sieci PKP PLK S.A. występuje znacznie większy przedział wydajności o minimalnej wartości tylko 100 m/godz. [66]. Dlatego w analizach uwzględniono 4 podwarianty o wydajnościach z przedziału wartości osiąganych w praktyce.

Do wyznaczenia minimalnego czasu zamknięcia torów szlakowych na potrzeby wykonania robót wymiany nawierzchni w poszczególnych wariantach i podwariantach wykorzystano autorski model optymalizacyjny A (szczegółowo opisany w rozdziale 5.3.2), jako funkcję celu przyjmując minimalizację całkowitego czasu zamknięcia torowego. Wykorzystanie modelu optymalizacyjnego umożliwia porównywanie dalszych wyników jako niezależnych od dokładności oszacowania czasu zamknięć torowych. Szczegółowe dane do modelu, obejmujące charakterystykę infrastruktury, dostępnych maszyn i zespołów oraz zakres robót, a także obliczone czasy rozpoczęcia i zakończenia procesów podstawowych, w postaci wykresu postępu robót, przedstawiono

6. Zastosowanie algorytmów obliczeniowych własnej metody badawczej w praktycznych zagadnieniach inżynierskich

95 w załączniku 3. Zbiorcze wyniki analiz prezentuje tabela 6.1, w której kolorami oznaczono możliwości wykonania robót w założonych terminach.

Tabela 6.1. Wyniki analiz w modelu optymalizacyjnym A dla robót wymiany nawierzchni na szlakach odcinka Inowrocław – Toruń Główny linii kolejowej nr 353, przedstawionego na rys. 6.1

Minimalny czas efektywnego zamknięcia torowego na potrzeby wykonania robót nawierzchniowych w danym torze [godz.]

tor

oznaczenia: 𝑟𝑡_𝑦𝑧^𝑥 - tor szlakowy nr x o początku na posterunku y i końcu na posterunku z

posterunki ruchu: a – st. Inowrocław, b – st. Więcławice, c – st. Wierzchosławice, d – st. Gniewkowo, e – odgs.

Chorągiewka, f – podg. Nieszawka, g – st. Toruń Główny

st. – stacja, podg. – posterunek odgałęźny, odgs. – posterunek odgałęźny z przystankiem służbowym Kolorami oznaczono możliwości wykonania robót w terminach przewidzianych w sieciowym harmonogramie zamknięć torowych [81]:

kolor zielony termin wykonania robót zostanie dochowany przy pracy 1-zmianowej

kolor pomarańczowy

dotrzymanie terminu wymaga pracy 3-zmianowej

kolor żółty dotrzymanie terminu wymaga pracy

2-zmianowej kolor czerwony brak możliwości dotrzymania terminu

źródło: opracowanie własne na podstawie wyników analiz w modelu optymalizacyjnym A

Przeprowadzona analiza wskazała, że zaplanowane przez zarządcę infrastruktury zamknięcia torowe powinny być wystarczające do wykonania robót na szlakach z wykorzystaniem potokowej technologii robót wymiany nawierzchni kolejowej, nawet przy osiąganiu minimalnych wydajności i 8-godzinnego dnia pracy (kolor zielony we wszystkich wierszach dla wariantu II w tab. 6.1). Jednocześnie uzyskane wyniki wskazują, że również przy niedostępności maszyn wysokowydajnych możliwe było dotrzymanie założonych terminów, ale pod warunkiem zaangażowania do wykonania prac metodą małej mechanizacji co najmniej dwóch zespołów pracujących w systemie

96 3-zmianowym (kolor pomarańczowy w wierszu Ib w tab. 6.1), lub co najmniej czterech zespołów pracujących w systemie 2-zmianowym¹⁸ (kolor żółty w wierszu Ic w tab. 6.1).

Wykorzystując obliczone, minimalne czasy zamknięć torowych przeprowadzono następnie analizy w modelu optymalizacyjnym B (szczegółowo opisanym w rozdziale 5.3.3). Jako funkcję celu przyjęto minimalizację zaplanowanych utrudnień w ruchu pociągów, rozumianą jako sumę czasu traconego związanego z odwołaniem pociągów¹⁹ oraz sumę rozkładowych czasów jazdy pociągów wszystkich kategorii w ciągu wszystkich analizowanych przedziałów czasu. Ponadto w analizie uwzględniono również niezaplanowane utrudnienia w ruchu pociągów (opóźnienia pociągów) z wykorzystaniem modelu symulacyjnego, zgodnie z opisem w rozdziale 5.3.4. Ponieważ wartości tak zdefiniowanej funkcji celu (rzędu tysięcy minut) są trudne do interpretacji, uzyskane wyniki modelu przedstawiano w postaci względnych utrudnień w ruchu pociągów (obliczonych wg wzoru B.33, rozdz. 5.3.3.2).

Dla uzyskania porównywalnych wyników we wszystkich wariantach i podwariantach analizowany był przedział czasu o tej samej długości. Podobna analiza wykonywana przez zarządcę infrastruktury, dysponującego szczegółowymi danymi dotyczącymi wartości utraconych przychodów wskutek konieczności odwołania pociągów, kosztu wydłużenia czasu przejazdu pociągów i kosztu realizacji robót w danym wariancie mogłaby zostać wykonana z zastosowaniem jako funkcji celu minimalizacji łącznych kosztów utrudnień w ruchu pociągów i kosztu realizacji robót²⁰.

Analizę wykonano odrębnie dla każdego podwariantu (Ia, Ib, Ic, IIa, IIb, IIc, IId) realizacji robót, wyróżniając pracę jedno-, dwu- i trzyzmianową. Przyjęto założenie, że w każdym przypadku zostaną wprowadzone zamknięcia całodobowe oraz, że równocześnie nie będą wprowadzane zamknięcia więcej niż jednego szlaku, co jest zgodne z obecną praktyką stosowaną na sieci PKP PLK S.A. [88]. Prowadzenie robót w systemie pracy jedno- i dwuzmianowej oznacza, że wykorzystanie czasu zamknięcia torowego na prowadzenie robót wynosiło odpowiednio 33% i 67%. Ponadto w analizach uwzględniono również następujące warianty:

18 Za wyjątkiem szlaku Wierzchosławice – Gniewkowo oraz toru nr 1 szlaku Gniewkowo – Chorągiewka, na których wystarczająca byłaby praca w systemie 1-zmianowym (o całkowitym czasie zamknięcia torów szlakowych decydowały roboty prowadzone na stacji Gniewkowo).

19 W przypadku pociągów pasażerskich – czas oczekiwania na następny pociąg taj samej kategorii i relacji, w przypadku pociągów towarowych – czas przejazdu trasą objazdową.

20 Odpowiednie kwoty jednostkowe należałoby podstawić jako wartości współczynników 𝑞𝑟𝑥𝑐

(rozdz. 5.3.2.2) i 𝑞𝑐^𝑡, 𝑞𝑡^𝑡 (rozdz. 5.3.1), sposób przeprowadzania analiz byłby jednak analogiczny.

6. Zastosowanie algorytmów obliczeniowych własnej metody badawczej w praktycznych zagadnieniach inżynierskich

97

 W0 – wariant pierwotnie zaplanowanego harmonogramu zamknięć torowych, przy założeniu zastosowania metody potokowej,

 WIII – wariant prezentujący zrealizowane zamknięcia torowe, podczas których wykonano roboty metodą małej mechanizacji (z różną liczbą zespołów do wymiany nawierzchni na poszczególnych szlakach).

Wyniki analizy przedstawiono na wykresie względnych utrudnień w ruchu pociągów w funkcji średniej wydajności robót nawierzchniowych na 1 dobę zamknięcia torowego wraz z równaniem i krzywą regresji (rys. 6.4). Badaną zależność opisano za pomocą funkcji postaci 𝑦 = 𝑎 ⋅ (𝑥 + 𝑏)^𝑐+ 𝑑 przy wartości współczynnika determinacji R² = 0,95. Szczegółowe wyniki modelu optymalizacyjnego B przedstawiono w załączniku 3.

Rys. 6.4. Zależność względnych utrudnień w ruchu pociągów w rozwiązaniu optymalnym od średniej wydajności wymiany nawierzchni kolejowej na szlakach na 1 dobę zamknięcia torowego²¹

źródło: opracowanie własne na podstawie wyników analiz w modelu optymalizacyjnym B

21 W celu zwiększenia czytelności na rysunku nie pokazano wartości dla podwariantu Ia-8h.

98 Weryfikacja zgodności uzyskanych wyników z wielkością rzeczywistych utrudnień ruchowych była możliwa oczywiście tylko dla wariantu WIII, przedstawiającego zrealizowane zamknięcia torowe. Względne utrudnienia ruchowe odnotowane w Systemie Ewidencji Pracy Eksploatacyjnej PKP PLK S.A.²² w analizowanym przedziale czasu osiągnęły wartość 38%, podczas gdy jako wynik modelu optymalizacyjnego i symulacyjnego uzyskano wartość 33%. Na uzyskane różnice wpływa przede wszystkim fakt, że model optymalizacyjny przedstawia najkorzystniejsze rozwiązanie z punktu widzenia założonej funkcji celu. Konstruktorzy rozkładów jazdy na sieci PKP PLK oraz osoby odpowiedzialne za planowanie zamknięć torowych w swojej pracy nie mają możliwości wykorzystywania modeli optymalizacyjnych, takich jak proponowane w niniejszej pracy. Dlatego w porówaniu z rzeczywistym ruchem pociągów, bez zastosowania autorskiej metody, należy spodziewać się utrudnień nie mniejszych niż obliczone z wykorzystaniem modelu optymalizacyjnego.

Na podstawie przeprowadzonej analizy alternatywnych wariantów robót nawierzchniowych na odcinku Inowrocław – Toruń Główny na linii kolejowej nr 353, z wykorzystaniem autorskich modeli optymalizacyjnych i symulacyjnych, można sformułować następujące wnioski:

 Biorąc pod uwagę wymóg zastosowania technologii pełnej mechanizacji czas trwania zamknięć torowych na potrzeby szlakowych robót nawierzchniowych został zaplanowany przez zarządcę infrastruktury z bardzo dużą rezerwą – założono wydajność średnio 300 m/dobę zamknięcia torowego (rys. 6.4, W0), przy minimalnej spodziewanej wydajności 650 m/dobę (rys. 6.4, IIa-8h).

 Przyjmując rezerwę tej wielkości należało spodziewać się wystąpienia co najmniej o 14% większej wartości względnych utrudnień ruchowych niż w wariancie bez rezerwy (22% w wariancie 0, przy wartości 8% dla wariantu IIa-8h – rys. 6.4).

 Pomimo przyjętej rezerwy, ze względu na konieczność zastosowania metody małej mechanizacji, nie udało się zrealizować robót w trakcie zaplanowanych zamknięć torowych. Skutkowało to koniecznością ich wydłużenia i zwiększeniem względnej wartości utrudnień ruchowych z planowanych 22% do 33% (wg modelu) lub 38%

(na podstawie rzeczywistych danych ruchowych).

22 Liczba odwołanych pociągów, rozkładowe czasy jazdy i opóźnienia pociągów kursujących po analizowanym odcinku linii w trakcie analizowanego przedziału czasu.

6. Zastosowanie algorytmów obliczeniowych własnej metody badawczej w praktycznych zagadnieniach inżynierskich

99

 Przeprowadzenie przedstawionych analiz z wykorzystaniem autorskiej metody badawczej przed rozpoczęciem robót pozwoliłoby sformułować następujące praktyczne zalecenia dla planowania realizacji prac i zamknięć torowych na rozpatrywanym odcinku linii kolejowej nr 353:

o Zamknięcia torowe należało planować dla wydajności robót nie mniejszej niż 600 m/dobę, czyli minimalnej spodziewanej dla realizacji robót w wymaganej technologii potokowej. Dla takich wydajności względne utrudnienia ruchowe nie powinny przekroczyć 10%.

o Z punktu widzenia prowadzenia ruchu pociągów planowanie robót metodą pełnej mechanizacji w systemie wielozmianowym nie było konieczne, ponieważ nie wpływałoby już istotnie na zmniejszenie utrudnień.

o Niewskazane było natomiast zaplanowanie i wprowadzenie dłuższych zamknięć torowych, odpowiadających wydajności robót poniżej 600 m/dobę, ponieważ wiązałoby się to z szybkim wzrostem względnych utrudnień w ruchu pociągów (rys. 6.4), co potwierdziła rzeczywista realizacja kontraktu.

o W przypadku braku dostępu do maszyn wysokowydajnych można było dopuścić do realizacji robót pod warunkiem zapewnienia przez wykonawcę pracy co najmniej 4 zespołów w systemie 2- lub 3-zmianowym (wariant 16h i Ic-24h na rys. 6.4).

6.2. Realizacja robót w trakcie zamknięcia dwutorowego

Jako alternatywny sposób wykonania robót rozważono wprowadzenie zamknięcia dwutorowego linii kolejowej. Dzięki całkowitemu wstrzymaniu ruchu pociągów dostęp do linii kolejowej nie ogranicza maksymalnej liczby zespołów do wymiany nawierzchni metodą małej mechanizacji (przy zamknięciach jednotorowych liczba zespołów była ograniczona do 4). Zwiększanie liczby zespołów wiązać się będzie z proporcjonalnym zwiększaniem efektywności wykorzystania czasu zamknięcia torowego. Znając utrudnienia ruchowe podczas zamknięć jednotorowych (rozdz. 6.1) można określić minimalną wydajność robót prowadzonych w zamknięciach dwutorowych, przy której utrudnienia ruchowe osiągną wartości mniejsze niż przy utrzymywaniu ciągłości ruchu pociągów na linii. Możliwość osiągnięcia obliczonej wydajności jest jednak zależna od dostępnych zasobów – maszyn i pracowników.

Utrudnienia ruchowe podczas zamknięcia dwutorowego są zależne od parametrów tras objazdowych. W analizach założono, że pociągi dalekobieżne oraz

100 pociągi towarowe będą poruszały się po trasie objazdowej z Torunia przez Bydgoszcz do Inowrocławia, liniami kolejowymi nr 18, 131, 201 (rys. 6.5). W przypadku pociągów regionalnych rozpoczynających lub kończących bieg na stacji Toruń Główny założono wprowadzenie komunikacji zastępczej, a dla pozostałych pociągów regionalnych – również wprowadzenie objazdów. Wykorzystując analizy mikrosymulacyjne, zgodnie z opisem w rozdz. 5.3.1 przeanalizowano czasy jazdy i przepustowość trasy objazdowej.

Rys. 6.5. Trasa objazdowa dla remontowanego odcinka linii kolejowej nr 353 Inowrocław - Toruń

źródło: opracowanie własne

Zbiorcze wyniki analizy porównawczej przedstawiono na rysunku 6.6, na którym oznaczono dwa obszary:

 obszar 1 – prowadzenie robót w zamknięciu dwutorowym z wydajnością A wiąże się z większymi utrudnieniami ruchowymi, niż przy prowadzeniu robót w zamknięciu jednotorowym z wydajnością B,

6. Zastosowanie algorytmów obliczeniowych własnej metody badawczej w praktycznych zagadnieniach inżynierskich

101

 obszar 2 – prowadzenie robót w zamknięciu dwutorowym z wydajnością A wiąże się z mniejszymi utrudnieniami ruchowymi, niż przy prowadzeniu robót w zamknięciu jednotorowym z wydajnością B.

Jak pokazano na rysunku 6.6 prowadząc roboty w zamknięciu dwutorowym na przykład z wydajnością mniejszą niż 1500 m/dobę należy się spodziewać wystąpienia większych utrudnień ruchowych niż przy robotach prowadzonych w zamknięciu jednotorowym z wydajnością 3080 m/dobę.

Rys. 6.6. Wykres wydajności robót prowadzonych w zamknięciu 2-torowym (A), dla której utrudnienia ruchowe są równe utrudnieniom przy prowadzeniu robót w zamknięciu 1-torowym z wydajnością B

źródło: opracowanie własne

102 Dwutorowe zamknięcie może wiązać się z mniejszymi sumarycznymi utrudnieniami w ruchu pociągów oczywiście tylko w przypadku znacznego skrócenia czasu realizacji robót w stosunku do zamknięcia jednotorowego. Rysunek 6.6 wskazuje, że wprowadzenie zamknięcia dwutorowego na analizowanym odcinku linii można było rozpatrywać pod warunkiem zapewnienia wydajności robót co najmniej 3-krotnie większej (900 m/dobę) niż zaplanowana wydajność w zamknięciu jednotorowym (300 m/dobę). Jest to wartość realna do osiągnięcia, biorąc pod uwagę możliwość otwarcia frontu robót na całych 35 km analizowanego odcinka, ale wymagałaby dysponowania aż 9 zespołami do wymiany nawierzchni metodą małej mechanizacji.

Najkorzystniej zamknięcie dwutorowe prezentuje się w porównaniu z robotami wykonywanymi w zamknięciu jednotorowym z wydajnością od ok. 800 do 1500 m/dobę (wydajności osiągane w metodzie potokowej) – w tym przedziale już ponad dwukrotnie większa wydajność robót prowadzonych przy całkowitym wstrzymaniu ruchu pociągów na linii pozwala na zmniejszenie utrudnień w ruchu pociągów. Można więc sformułować wniosek, że zamknięcie dwutorowe jest korzystne jako alternatywa dla realizacji robót maszynami wysokowydajnymi, pod warunkiem dysponowania dużą liczbą zespołów do pracy metodą małej mechanizacji. W analizowanym przypadku ograniczona długość frontu robót nie miała jednak decydującego znaczenia dla całkowitego czasu realizacji inwestycji (co pokazuje rys. 6.4), więc zamknięcie dwutorowe nie stanowiło korzystnej alternatywy.

6.3. Wpływ niezaplanowanych opóźnień w realizacji robót budowlanych na