Sanningen är att HSR behöver ganska stora mängder broar med, och även tunnlar. Normalt sett när man bygger järnväg försöker man bygga den billigaste vägen. Helt enkelt välja en väg som är billig att bygga, ofta över fält och lätta skogspartier, ofta zikzak fram förbi svåra partier och även med ganska skarpa vertikalkurvor för att ta sig över andra svåra partier så som kullar, sjöar och byar. Kursradien från konventionell järnväg (typ X2000) ökar från några 1000m till nära nog en halv mil. Samtidigt vill man bygga järnvägen i en mer specifik riktning vilket gör att man bara kan undvika de allra värsta hindarna, vilket i praktiken bara är sjöar och bebyggelse, resten av hindren får man helt enkelt forcera.
Forcera hinder betyder i praktiken utgrävningar (riskfyllt), broar (dyrt) och tunnlar (ännu dyrare)
(Kicka för större bild)
Stadsbyggnad: Hela poängen med järnväg är att resenärerna kan åka direkt från stadens centrum. Att riva flera kvarter för att bygga en järnväg är idag fullständigt orimligt. Bygga en järnvägsbro genom stan är möjligt men skulle troligen genera både en del opinion och andra negativa konsekvenser. Att göra en tunnel är i detta fallet nästan de enda rimliga alternativet, de är å andra sidan ohyggligt dyrt. Faktum är att tunnlar är en av de dyraste delarna i HSR projekt, man måste helt enkelt dra nya spår genom staden för att öka kapaciteten, ny kapacitet är nödvändigt annars finns de ingen poäng med HSR, vilket i praktiken betyder tunnlar, vilket i sin följd betyder att de blir dyrt.
För maglev är situationen annorlunda, ett maglevspår är hälften så högt och brett som en vagga för ett HSR spår och lämnar därför ett mindre avtryck i stadsmiljön. Maglev i hastigheter runt 200km/h är tystare än bakgrundljudnivån i stadsmiljö, även på natten. Att bygga maglevspår över mark är därför möjligt, även då de i vissa fall kommer att krävas tunnlar, i fallet med blir priset för banan förvisso högre för maglev, men skillnaden blir tämligen liten.
Här är maglev en överlägsen vinnare med så stora marginaler som 1 mot 10 i värsta miljöerna.
Kuperad miljö: En HSR järnväg kommer ofta att tvingas att byggas genom kuperad miljö för att undvika bebyggd miljö. Bebyggelse brukar ligga närma slättmarken, om man undviker bebyggelse undviker man därför indirekt slättmark. Små kuperad mark betyder i praktiken att man ofta får plöja 10-15 meter ner i marken på sina ställen och på andra ställen bygga upp lika mycket. Gräva betyder risk, bygga upp betyder kostnad. I partier med sank mark är de oerhört kostsamt att bygga upp, ett göra halvflytande lösningar som för motorvägar är oftast inte möjligt med järnvägar
För maglev är den kuperade miljön inget problem. De bärande elementen kan utan problem byggas till 25 meter och med en spänvid på upp till 30+m kan man utan problem gränsla mindre vägar, vattendrag och t.o.m så vattenkroppar. Kurvradierna kan dessutom göras mycket mindre vilket gör att man kan undvika de absolut värsta områdena effektivare. Sanka områden är fortfarande besvärliga, men i stället för att grundlägga varje enskild meter behöver man bara grundlägga var 30:e meter, att borra ner till berggrund är då fullt möjligt även i de värsta förhållandena.
I dessa miljöer finns de ingen klar segare, i lite lättare skog klarar sig HSR bra, men i tyngre mer kuperade miljöer med berg, sankmark och större höjdskillnader är situationen något bättre för maglev, totalt sett kan nog kostnaden betraktas som 1:1 vid normala förhållanden.
Slättmark: Här går de fort och billigt att bygga HSR, ofta med goda markförhållande behövs ingen ytterligare grundläggning och rälsen kan läggas i höghastighet utan större kostnader. Men för HSR krävs en bred på 14 meter, ett par meter bredare än för konventionell järnväg på grund av större marginalavstånd. Denna bred gör att de går åt 14ha högproduktiv mark för varje mil järnväg som byggs. Dessutom delar järnvägen upp landskapet i en okrossbar barriär som gör jordbruket ineffektivt
Ett modernt jordbruk omsätter ungefär (gissning, bättre siffra efterfrågas) ca 50 000kr per ha. För 1mil järnväg blir det då en samhällsekonomisk förlust på jordbruket 0.7Mkr, detta motsvarar en investeringskostnad på runt ca 20miljoner/mil.
För maglev är de svårt att konkurrera vid de här förhållandena, med strax över dubbla kostnaden per mil har maglev helt enkelt ingen chans att konkurrera. Förvisso blir den genomsnittliga markförbrukningen endast 2ha/mil, men detta gör fortfarande att maglev blir rejält mycket dyrare.
HSR vinner här över maglev med nära nog 2,5:1 och är en klar vinnare i denna kategori. Västkustbanan och Västra stambanan består av en majoritet av den här typen av teräng, men för europakorridoren är endast 5-10% (beroende på hur man bygger), den här typen av terräng. Faktum är att mängden tätbebyggt område är nästa lika stort på sträckan förutsatt att man drar järnvägen rakt igenom de orter man tänkt ha stationer i.
Höjdförändringar: Plötsliga höjdförändringar är mycket kostsamt i järnvägssammanhang. De kan tyckas vara en smal sak att komma upp för en liten höjdförändring. Dessa förändringar är ganska vanliga mellan slättbygd och kuperad skog. Det finns tre sätt att hantera dessa. Den vanligaste metoden för konventionell järnväg är att helt sonika köra på diagonalen upp, denna metod används av nästan alla befintliga sträckningar i Sverige. Denna metod är dock omöjlig med HSR eftersom de inte klarar de kraftiga svängarna som krävs. De andra metoderna, göra en tunnel eller bygga en bro är de lösningar som då finns att välja på, man kan även välja en kombination av de båda.
Båda metoderna används flitigt, i hallandsåsen bygger man idag en tunnel igenom till en enorm kostnad. Att bygga en tunnel betyder alltid en risk, att bygga en tunnel i de här förhållandena är en enorm risk. Hallansåstunnlen kommer ca 10 gånger mer än vad de var tänkt när den är färdig.
Att bygga en ramp är en betydligt säkrare metod, men det är relativt dyrt. HSR kan ha en största stigning på mellan 1,5 och 4%, för en ganska normal stigning på 40m, vilket de finns ett stort antal på sträckan, behöver man en 1km till 2,6km lång ramp.
För maglev är den här typen av terräng inget problem, eftersom man redan i grundutförande kan bygga upp till 25m och lutningen som max kan vara 10% vilket gör att de i praktiken bara behövs ca 150m med specialutförande. I praktiken behöver rampen göras betydligt längre än så på grund av vertikalkurvbegränsning. För kostnaden spelar det dock inte speciellt stor roll. Förvisso behöver man speciella pelare, men kostnaden för dessa är bara något högre än för de vanliga.
Maglev vinner den här ronden med ca 1:5. En vanlig fråga som uppkommer är "Om de är så billigt att bygga broar för maglev, varför är de inte det för HSR". Svaret på denna frågan kommer jag att visa senare.
Övriga hinder: Även fast varje enskilt hinder inte är något större problem för HSR så ligger problemet i att de finns så otroligt många.
Andra järnvägar är ett hinder som de finns förvånansvärd många av. Med elledningar och support måste man bygga ca 10-12meter högt för att komma över andra järnvägar, detta betyder att man normalt sett behöver ca 2km. På denna längd finns de en överhängande risk för att man stöter på ett annat hinder.
Motorvägar är även de ett svårt hinder, man behöver förvisso inte bygga fullt så högt som över en järnväg, men då motorvägar är mycket breda, detta betyder att man inte kan korsa dem i flack vinkel utan att brokonstruktionen blir extremt kostsam.
Mindre vägar är sällan ett problem då man helt enkelt kan bygga om dem runt järnvägen i stället för tvärt om, men även de kostar en del pengar.
Kanaler är ett av de absolut störta hindarna. Med en fri höjd på över 20 meter behöver broarna över kanalerna vara enorma. Ofta så stora höga att de helt enkelt är lönsamt att bygga järnvägen på ett sådant sätt att man kan använda naturen till hjälp, detta betyder å andra sidan att man måste bygga genom tuffare terräng vilket med kostar pengar. Att göra en öppningsbar HSR bro är inget alternativ.
För Maglev är små hinder överhuvudtaget inget problem, och vad de beträffar kanaler så spelar den tuffare terrängen ingen större roll. Att bygga broar med flack vinkel är även de ett mindre problem eftersom spännvidden för broar, av skäl jag senare ska förklara.
Åter igen ger de en fördel för maglev på nära nog 1:3, något lägre än tidigare då en del av hindren helt enkelt kan flyttas till en lägre kostnad än vad de kostar att undvika dem.
Broar
Som förklarats ett antal gånger tidigare är de betydligt billigare att bygga broar avsedda för maglev än för konventionell järnväg. Orsaken till detta är flera.
Ett av problemen med konventionell järnväg är att vikten hamnar på ett fåtal ställen. Även för passagerar tåg kan upp till 4 hjulaxlar hamna närma mitten av varje spann. Normalt sett dimensionerat järnvägsbroar för max axeltryck (här 20ton, vilket är tämligen vanligt), kortast boggie längd (här 2meter, vilket är vanligt) samt högsta totala genomsnittsvikt per meter.
Bilden ovan visar en standard järnvägsbro lastad med två standard 13 meter långa tunga godsvagnar. Det generar en maximal tvärkraft på runt 130ton och maximalt moment på 10MNm
En bro som denna kan spänna över en motorväg och t.o.m ett mindre vattendrag, men den väger många hundra ton och de finns inget fordon i Sverige idag som kan flytta en bro av denna typen på väg. För att kunna transportera en järnvägsbro av denna typen på väg behöver den vara mycket kort, kort till den graden att den inte längre är praktisk som bro. Att bygga en bro på plats är mycket kostsamt.
Att minska max axellast är inget alternativ, tvärt om gör den högre hastigheten från HSR att den dynamiska lasten blir högre. Att minska antalet max antal tillåtna axlar generar inte speciellt stor skillnad då det alltid kommer ett tillfälle då minst 4 axlar ligger nära mitten av bron.
Maglev räls
Maglev rälsen består av tre delar i normala fall. 1: Den faktisk magneträlsen 2: Spann 3: Pelare och grund. Kostnaderna mellan de tre delarna är fördelade relativt lika, men varierar beroende på förhållande.
Magneträlsen är självbärande på kortare sträckor och då spann inte behövs om de placeras mycket närma marken med goda markförhållande (exempelvis i tunnlar) behövs då inte spannet, och kostnaden kan då reduceras med 1/3.
Vid medelgoda markförhållande bygger man fler pelare med medelånga spann (12-15meter) varvid man bibehåller 1/3+1/3+1/3 förhållandet. Vid sämre markförhållande kan man bygga spannet än längre vilket minskar kostnaden för grundläggning något men ökar kostanden för spannen, vilket gör att man kan bibehålla 3*1/3 förhållandet.
Som syns tydlig på bilden är att tvärkrafterna och momentet är avsevärt lägre. Detta beror faktiskt inte till så hög grad att vagnen är lättare, den väger nästa lika mycket som vagnen i första exemplet, utan i större grad på att vagnen dels är längre och dels fördelar vikten lika över hela sin längd. Detta gör att de inte längre finns något värsta scenario, utan att vagnen alltid belastar rälsen perfekt.
I praktiken innebär de att belastningen på rälsen minskas till 1/4 på både tvärkraft och moment. Detta innebär att man kan göra sektionerna dubbelt så långa till samma kostnad vilket i sin tur även betyder att man bara behöver halva mängden pelare som dessutom bara behöver vara hälften så starka. Totalt sett minskande materialbehovet på pelare, grundläggning och spann med ca 1/3.
Som ett extra trick konfigureras spannen på maglev ofta som dubbelspann. Genom att göra detta kan man minska momentet med ytterligare 1/3 möjliggörande 1/3 längre spännvidd eller 1/3 mindre material, resulterande i totalt sett 6 gångers besparing mot vanlig järnväg bara i material.
Den riktiga besparingen kommer dock vid transport. Medan en vanlig järnvägsbro ofta väger 500-1000ton kan ett maglev segment på 25+25meter väga in på under 200ton, som en extra bonus är segmenten bara dryga 3 meter breda. I praktiken kan en vanlig extra tung lastbil utan problem flytta ett segment på alla större vägar. Detta betyder att segmenten kan masstillverkas maskinellt i fabrik i en väl övervakad miljö.
I praktiken blir segmenten både starkare, lättare och otroligt mycket billigare. Om man vid drift har problem med ett segment kan man varna i förväg och vid ett kort driftstopp enkelt byta ut detta segment. Två större kranar kan lätt sätta ett segment på plats.
Järnvägsbank vs maglev vs järnvägsbro
En vanlig uppfattning är att maglev helt enkelt "måste" vara dyrare eftersom de innehåller så ofantliga mängder material. Det är sant att en maglev bana innehåller ganska stora mängder material, men de är bara en bråkdel av en vanlig järnväg.
Det är svårt att riktigt få en uppfattning om hur enormt mycket material de finns i järnvägar eftersom de ofta är urgrävda för att sedan återuppfyllas, detta gör att man lätt får illusionen av att syllar och räls ligger direkt på marken med bara lite makadam emellan.
Faktum är att på många ställen ligger de så tjockt med makadam och fyllnadsmaterial att om man skulle stå i botten på utgrävningen skulle man nätt och jämt ha ögonen i höjd med rälsöverkant. På en dubbelspårig järnväg sträcker sig detta djup över 10-12meters bredd. I praktiken pratar vi om en fåra som är nästan lika djup och bred som en olympisk swimmingpool flera 100km lång och fylld till toppen med makadam.
Bilden försöker i övrigt visa hur mycket prylar, kontrollsystem, skåp, staket, strömavtagare osv osv. Jag har trots de bara ritat in en bråkdel av prylarna som faktiskt finns där.
Vanlig maglev bana
Okej, en vanlig järnväg innehåller stora mängder material, men en maglev bana innehåller stora mängder kostsamt dyrt material som är komplicerat att bygga ihop.... eller?
En maglevbana består främst av armerad betong, koppar eller aluminium tråd samt lite intelligens. Detta är faktiskt exakt samma som en vanlig järnväg innehåller. Syllarna består av armerad betong, trådarna innehåller koppar (inte bara trådarna man ser, de finns även trådar bredvid) och ATC systemet innehåller en del intelligens.
En maglevbana innehåller helt klart större mängder armerad betong, mer koppar/aluminium men å andra sådan betydligt mycket mindre stål. För en maglevbana med medellång spännvidd (höger i bild) blir mängden höghållfast stål för den armerade betongen ungefär likvärdig som för stålet som finns i konventionell järnväg.
Konstruktionsmässigt är maglevbanan många gånger svårare att tillverka, men eftersom man tillverkar den färdig i fabrik och transporterar den till monteringsplatsen är detta inget större problem.
Naturligtvis i dessa exempel är en konventionell järnväg fortfarande billigare idag, men de är inte säkert att de kommer att vara de om 20år.
Järnväg på bro
Att bygga en järnvägsbro är bland de mest kostsamma som finns. De behöver vara otroligt rigida och grundläggningen måste vara brutal. Detta beror på att till skillnad från en motorvägsbro är tåget en så stor del av lasten att de dynamiskt påverkar stabiliteten på bron. Dessutom rullar alla hjulparen alltid i takt vilket gör att svängningarna kan vara direkt farliga. Detta är orsaken att hängbroar med järnväg på är extremt ovanlig (vet inte om de finns någon alls), vilket även är orsaken till att Öresundsbron är en snedkabelbro.
Att syllarna inte ligger direkt på bron beror på att man vill isolera bron från vibrationerna. De finns dock undantag, men detta är den konventionella sättet att bygga. Bilderna är i skala, jämför mängden material på denna bro och bron i maglev exemplet ovan. Broarna har samma spännvidd och man ser då tydligt att bygga långa sträckor med konventionell järnvägsbro helt enkelt slukar enorma mängder material. Man kan enkelt genom att jämföra arean av den gråa ytan se att mängden betong är mångdubbel, dessutom blir förtjänsten att bygga enkelspår ej märkbar, men för maglev kan man bygga två enkelspåriga broar bredvid varandra utan att direkt göra någon ekonomisk förlust.
När de gäller HSR behöver tågen 1-2 meter extra utrymme vid möte, och när vi pratar 15meter över marken på en bro, kostar de där 1-2meterna riktigt mycket pengar, om man bygger maglevspår är den skillnaden bara en frågan om var mätteknikern sätter upp pinnen som visar var grundläggaren ska lägga grunden får pelaren.
Hoppas att den här bilden med all önskad tydlighet en gång för alla förklarar varför de kostar mer att bygga järnvägsbroar än maglev broar.
fortsättning följer.
Inga kommentarer:
Skicka en kommentar