Hängende Schwellen: Ursache, Folgen und Lösungen

Wo es entsteht

Schottergleis ist ein schwimmend gelagertes System. Die Radlast wandert von der Schiene in die Schwelle, von der Schwelle ins Schotterbett und vom Schotterbett in den Untergrund, und diese Kette funktioniert nur, solange jede Schwelle auf ganzer Länge trägt. Die vertikale Gleislage liegt dabei nicht fest: Unter wiederholter Verkehrsbelastung setzt sich das Schotterbett, und diese Setzung fällt nie überall gleich aus, selbst unter gleichmäßiger Belastung. Wo sich das Bett örtlich stärker senkt, als die Schiene folgen kann, gerät die Schwelle ins Hängen. Unter der Schwelle liegt dann eine Hohllage, die sich bei jeder Achsüberfahrt schließt und wieder öffnet.

Das geschieht vor allem dort, wo sich die Steifigkeit des Untergrunds sprunghaft ändert. Die wiederkehrenden Beispiele sind bekannt:

• der Übergang vom Schottergleis auf eine Brücke oder ein anderes Ingenieurbauwerk;
• der Übergang vom Schottergleis zur festen Fahrbahn;
• der Übergang von Holz- auf Betonschwellen;
• Durchlässe unter dem Gleis;
• Bahnübergänge;
• Kreuzungen.

Wie schief die Verteilung dort werden kann, zeigen Feldmessungen an einem Streckenabschnitt über einem auf Pfählen gegründeten Durchlass, mit Schleppplatten zwischen Bauwerk und Erdkörper. Genau über diesen Schleppplatten, die den Übergang eigentlich entschärfen sollen, war die dynamische Antwort am größten. Die Schwellen bewegten sich dort bei einer Zugüberfahrt um bis zu rund 6 mm in der Vertikalen, gegenüber etwa 1,5 mm auf der angrenzenden freien Strecke und 0,7 mm auf dem Bauwerk selbst: ein Unterschied um den Faktor 4 beziehungsweise gut 8. Die Einsenkung der Schwellen war zudem 5- bis 8-mal größer als die Bewegung des Bodens darunter, ein deutliches Zeichen, dass die Schwellen hingen. Durch die Setzungsdifferenzen kippten die Schleppplatten, und das Gleis wippte bei jeder Überfahrt um das steife Bauwerk. Das beschleunigte die Degradation des Schotterbetts und verschlechterte den Übergang weiter.

Warum es wiederkommt

Laboruntersuchungen zum Setzungsverhalten von Schotter zeigen, dass die Setzung unter wiederholter Belastung je nach Verdichtungszustand auf 8 – 13 mm anwachsen kann und dass sich dieselben Stellen in aufeinanderfolgenden Instandhaltungszyklen erneut setzen. Letzteres hat eine benennbare Ursache: die Stopfmaschine selbst.

Stopfen stellt die Geometrie kurzfristig gut wieder her, ordnet die Schotterkörner dabei aber in ein mechanisch weniger stabiles Korngerüst um. Unter dem Zugverkehr suchen die Körner anschließend eine stabilere Lage, und das bedeutet neue Setzung, meist an oder unmittelbar neben der gerade korrigierten Stelle. Dieses Verhalten ist als Gedächtnis des Schotters bekannt: Das Bett merkt sich gewissermaßen, wo es zuvor abgesackt ist. Die Intervalle zwischen den Stopfgängen werden dadurch mit der Zeit kürzer, während sich die Degradation des Schotters aufsummiert. Über die gesamte Lebensdauer gerechnet machen schotterbezogene Eingriffe rund die Hälfte der Gesamtkosten eines Schottergleises aus.

An Übergängen läuft dieser Prozess schneller ab als auf freier Strecke. In manchen Netzen benötigen Übergänge 4- bis 8-mal so häufig einen Instandhaltungseingriff wie die freie Strecke. Für ein kurzes Übergangsstück in der Größenordnung von 10 m bedeutet der gängige Ansatz jedes Mal aufs Neue: Stopfmaschine und Rotte mobilisieren, Schotter nachprofilieren und oft ergänzen, und das mindestens jährlich und häufig öfter, mit der zugehörigen Sperrpause. Die direkten Kosten je Stelle summieren sich so über die Lebensdauer schnell auf, ganz abgesehen von den indirekten Kosten der verminderten Verfügbarkeit.

Was eine Hohllage bewirkt

Der Kern des Problems liegt in der Hohllage unter der Schwelle. Numerische Simulationen machen die Verhältnisse sichtbar. Ein Höhenunterschied von etwa 5 mm an einem Übergang lässt den dynamischen Vergrößerungsfaktor mit zunehmender Geschwindigkeit von rund 1,1 auf 1,8 ansteigen. Eine Hohllage unter der Schwelle bewirkt deutlich mehr: Je nach Größe und Zuggeschwindigkeit werden Vergrößerungsfaktoren von 4 bis 8 berechnet.

Auch sehr kleine Spalte zählen. Simulationen von Übergangsbereichen zeigen, dass eine Hohllage von nur 1 mm die Kontaktkräfte zwischen Schwelle und Schotter bereits um rund 70 Prozent erhöht und dass ein Spalt von 2 mm die Radkräfte um rund 85 Prozent ansteigen lassen kann. Je höher die Geschwindigkeit, desto stärker schlagen diese Effekte durch, mit den Übergangsbereichen als den Stellen, an denen die Kräfte am höchsten auflaufen.

Jede erhöhte Kraft wirkt auf das Bett zurück: Der Schlag zermahlt und verdrängt den Schotter rund um die Hohllage, die Hohllage wächst, und der nächste Schlag fällt härter aus. So entsteht ein sich selbst verstärkender Kreislauf aus Stoßbelastung und Degradation. Felderfahrung und numerische Modelle weisen zudem darauf hin, dass solche Fehlstellen selten lokal bleiben; sie breiten sich in Gleislängsrichtung aus. Neuere analytische Untersuchungen zeigen darüber hinaus, dass auch gut entworfene Steifigkeitsübergänge beschleunigt degradieren können, sobald ein Verlust der Auflagerung die dynamische Energie an einem Punkt konzentriert. Ein sauberer Steifigkeitsübergang auf dem Papier ist also keine Garantie, solange die Auflagerung unter den Schwellen nicht in Ordnung bleibt.

Messen, bevor es die Norm sieht

In der gängigen Praxis wird ein Übergang nach der Geometrie an der Oberfläche beurteilt: Gleislage und Profil. Erst wenn ein Grenzwert überschritten wird, folgt ein Eingriff. Die Hohllage unter der Schwelle ist dann schon viel länger da, und die erhöhten Kräfte haben ihre Arbeit bereits getan.

Es geht früher. Sensoren an Schiene oder Schwelle messen die dynamische Antwort direkt: Beschleunigungen, Durchbiegungsverläufe und die Stärke der Stöße. Veränderungen darin verraten eine wachsende Hohllage, lange bevor die Geometrie den Grenzwert erreicht.

In den Niederlanden wurde das unter Praxisbedingungen in einem überwachten Pilotprojekt mit verstellbaren Isolierstößen an Steifigkeitsübergängen geprüft, durchgeführt von WeBoost und Kampa im Rahmen des SBIR-Innovationsprogramms von ProRail. Die Analyse von mehr als 40.000 Zugüberfahrten zeigte, dass erhöhte Stoßbeschleunigungen und daraus abgeleitete Schwelleneinsenkungen deutlich detektierbar waren, lange bevor die üblichen Geometriegrenzwerte überschritten wurden, und dass diese Signale der beschleunigten Degradation von Schotter und Oberbaukomponenten an diesen Stellen jeweils vorausgingen. Nach der Wiederherstellung der durchgehenden Auflagerung stabilisierte sich die dynamische Antwort nachweisbar: Der Zusammenhang zwischen Auflagerung und Schwingungsanregung war in den Messdaten unmittelbar ablesbar.

Dauerhaftes Monitoring muss dafür übrigens nicht überall hängen. Die überwachten Standorte weisen durchweg auf dieselben Risikozonen hin: Isolierstöße, Übergänge und setzungsempfindliche Stellen. Dieses Wissen lässt sich direkt für eine gezieltere Inspektion und eine risikobasierte Instandhaltung im übrigen Netz nutzen.

Die Ansätze im Vergleich

• Stopfen. Der Standardansatz, und kurzfristig wirksam: Die Gleislage ist wiederhergestellt. Die Ursache bleibt jedoch liegen, und das Gedächtnis des Schotters sorgt dafür, dass die Setzung zurückkehrt, an Übergängen schneller als anderswo. Jeder Stopfgang verlangt Maschineneinsatz und Sperrpausen und verschleißt das Schotterbett weiter. Als struktureller Ansatz für einen Übergang bleibt Stopfen damit reaktiv.
• Untergrund und Konstruktion ertüchtigen. Übergangskonstruktionen versuchen, den Steifigkeitssprung selbst zu entschärfen: bewehrte Hinterfüllungen, Schleppplatten, Hilfsschienen, Geokunststoffe und abgestufte Steifigkeitsübergänge. Solche Maßnahmen können den Verfall verlangsamen, doch Feldbeobachtungen zeigen, dass sich Setzungsdifferenzen und Verlust der Auflagerung auf Dauer trotzdem einstellen. Daneben wird untersucht, ob die Schwelle selbst helfen kann: Laborversuche und Simulationen mit keilförmigen Schwellenunterseiten zeigen Spitzenkontaktkräfte, die 20 – 38 Prozent niedriger liegen als bei konventionellen Schwellen, weil Schotter leichter in entstandene Hohllagen nachwandert. Das sind vor allem Optionen für Neubau oder umfassende Erneuerung; für einen bestehenden Übergang sind sie selten verhältnismäßig.
• An der Befestigung korrigieren. Der dritte Weg stellt die durchgehende Auflagerung auf der Ebene der Befestigung wieder her: Eine höhenverstellbare Befestigung bringt die Schienenhöhe Schwelle für Schwelle auf Maß, sodass die Schwelle wieder voll trägt, während das Schotterbett unangetastet bleibt. Korrekturen von einigen zehn Millimetern lassen sich schrittweise aufbringen, ohne große Sperrpausen oder Spezialgerät. Numerische Simulationen bestätigen den Mechanismus: Das Beseitigen der Hohllagen senkt die Rad-Schiene-Kräfte und die Schotterspannungen erheblich, auch wenn der Steifigkeitskontrast selbst bestehen bleibt. Der Effekt wächst mit der Geschwindigkeit: Bei 198 km/h sanken die berechneten Spitzenradkräfte um mehr als die Hälfte, von rund 350 kN auf 165 kN. Setzt sich der Untergrund danach weiter, genügen kleine Nachstellungen. Erfahrungen aus Netzen, in denen dieser Ansatz angewendet wird, deuten darauf hin, dass eine korrigierende Installation plus gelegentliches Nachstellen über die Lebensdauer in der Regel günstiger ausfällt als wiederholte geometrieorientierte Instandhaltung, gerade an stark befahrenen Übergängen.

In der neueren Forschung werden diese Wege zunehmend als einander ergänzend betrachtet. Setzungsdifferenzen gelten darin als Verhalten, das sich ohnehin einstellt und über die gesamte Lebensdauer beherrscht werden muss. Das spricht für Übergänge, die inspizierbar, nachstellbar und setzungstolerant sind, sodass effizient eingegriffen werden kann, wenn die Messdaten es verlangen.

Wo wir dabei stehen

Für den dritten Weg haben wir ShimLift entwickelt, eine höhenverstellbare Schienenbefestigung für viele Schwellentypen. Ein verstellbarer Keil unter der Schiene bildet zusammen mit einem Gegenkeil den Kern des Systems; die Korrektur reicht bis 30 mm, in der Praxis mehr als ausreichend, um die Hohllagen zu beseitigen, ohne die Stopfmaschine anrücken zu lassen. ShimLift wird unter anderem an Übergängen zu Brücken und an Bahnübergängen eingesetzt, ebenso als Unterstützung unter Isolierstößen; das überwachte Pilotprojekt im Rahmen des SBIR-Programms von ProRail haben wir gemeinsam mit WeBoost durchgeführt, und das System ist in mehreren Ländern im Einsatz. Was das bringt, ist im Kern das, was oben steht: ein Schotterbett, das seltener gestopft werden muss, eine längere Lebensdauer von Gleis und Schotter und mehr Gleisverfügbarkeit. Wie die Verstellung Millimeter für Millimeter funktioniert und welche Zulassungen je Land gelten, finden Sie auf der Produktseite.

ShimLift auf B70-Schwellen in Köln.