Die Auswirkungen von Bodenbewegungen auf Rolltreppen

Die Rolle von Rolltreppen in großen Verkehrsnetzen wie der Londoner U-Bahn wird diskutiert.

Die London Underground (LU) befördert täglich etwa 3.5 Millionen Fahrgäste. Bestimmte Stationen innerhalb des Netzwerks erfordern einen reibungslosen Betrieb, damit das Netzwerk als Ganzes optimal funktioniert. Der Standort, der Passagierfluss und die lokalen Verbindungen eines Bahnhofs (sowohl innerhalb des U-Bahn-Netzes als auch im weiteren Sinne mit externen Verkehrsnetzen) bestimmen, welche Auswirkungen sein Betrieb voraussichtlich auf die Effizienz des gesamten Netzes haben wird.

Die Schließung oder Verteilung in einem Bahnhof könnte zu einer erheblichen Überlastung benachbarter Bahnhöfe und externer Verkehrsverbindungen führen. Daher ist der kontinuierliche Betrieb und die Verfügbarkeit aller wichtigen Stationen ein entscheidendes Ziel bei der Aufrechterhaltung eines betriebsfähigen Netzwerks. Rolltreppen spielen eine entscheidende Rolle bei der Beförderung von Fahrgästen zwischen Bahntunneln und Bahnsteigen, Bahnsteigen und Fahrkartenhallen sowie zu und von Ausgängen und Eingängen.

LU wird derzeit am Bahnhof Tottenham Court Road (TCR) saniert. Die Arbeiten umfassen den Bau einer neuen Tickethalle, drei Liftschächte, Zugang zu Crossrail und verschiedenen Einzelhandels- und verwandten Einrichtungen. Aufgrund der Kundennachfrage und der Lage ist es notwendig, den Bahnhofsbetrieb während der Sanierungsarbeiten bei minimaler Beeinträchtigung des Passagierflusses aufrechtzuerhalten. Daher müssen alle Rolltreppen des Bahnhofs in Betrieb bleiben.

Als Folge der Modernisierung des Bahnhofs und des Crossrail-Ausbaus wird es rund um den Baukasten des bestehenden Bahnhofs erhebliche Aushubarbeiten geben, die in einigen Bereichen bis zu einer Tiefe von 24 m reichen werden. Aushubarbeiten rund um den Bahnhofsbaukasten können dazu führen, dass sich die Fahrtreppenträger innerhalb der Tunnel physisch bewegen. Bewegungen im Tragwerk einer Rolltreppe könnten Auswirkungen auf deren Betriebssicherheit und Verfügbarkeit haben. Ohne funktionierende Rolltreppen könnte die Station zur Schließung gezwungen werden.

Geotechnische Untersuchungen haben bestätigt, dass die Aushubarbeiten zu physischen Bewegungen in der Struktur einiger Tunnel und Rolltreppen führen werden. Die Auswirkungen variieren je nach Standort der einzelnen Rolltreppen im Verhältnis zur Baugrube. Diese Bewegung kann, wie bereits erläutert, erhebliche Auswirkungen auf die Betriebssicherheit und Verfügbarkeit der Fahrtreppen haben.

Sicherheit der Passagiere geht vor

Im Rahmen des Projekts begannen LU und Tube Lines Lifts and Escalators Services, eine hundertprozentige Tochtergesellschaft von Transport for London, die für die Instandhaltung und Modernisierung von Teilen der LU verantwortlich ist, mit der Entwicklung einer Methode zur dreidimensionalen Einstellung der Rolltreppen (Hebesystem) und Installation eines Überwachungssystems auf den Rolltreppen. Dieses System wird das LU-System ergänzen, das zur Überwachung der Bewegung in den Tunneln, Gleisen und Bahnsteigen installiert wurde. Das Ziel des Rolltreppenüberwachungssystems besteht darin, die Verfügbarkeit der Rolltreppen aufrechtzuerhalten, die Integrität der Bahnhofsstruktur sicherzustellen und die Sicherheit der Passagiere zu gewährleisten, die die Rolltreppen während des Bauprozesses nutzen.

Das Tube Lines-Überwachungssystem ist in der Lage, Live-Echtzeitmesswerte aufzuzeichnen und, wenn es vor Beginn der Aushubarbeiten installiert wird, normale Betriebsbasislinien zu ermitteln. Dies ist von Vorteil, da das System durch die Erkennung von Abweichungen von solchen Basislinien in Echtzeit als Frühwarnmechanismus fungieren kann, wenn Bewegungen auftreten. Mithilfe der Trends können potenzielle strukturelle und mechanische Probleme ermittelt und vorhergesagt werden, bevor sie eine Gefahr für Sicherheit und Betrieb darstellen.

Das System besteht aus verschiedenen Sensortypen, wie z. B. Fadenpotentiometer, Dehnungsmessstreifen, Näherungssensoren, Kraftmessdosen und Wegsensoren, die alle an verschiedenen Stellen in den Maschinen (z. B. Fachwerk und Kammplatte) installiert sind. Der Standort jedes Sensors wurde mithilfe umfangreicher Simulationen der Finite-Elemente-Analyse (FEA) bestimmt. Aus geotechnischen Studien abgeleitete Bewegungsszenarien wurden in die FEA-Simulation eingegeben und anhand dieser Analyse wurden Worst-Case-Szenarien im Zeitrahmen des Projekts vorhergesagt. Aus den Prognosen wurden kritische Alarmstufen berechnet, die die sicheren Bewegungsgrenzen einer betriebsbereiten Rolltreppe liefern. Die Sensoren sind mit einem elektronischen System verbunden, das über das Internet mit einem Speicherhardwaresystem kommuniziert. Es wurde maßgeschneiderte Software geschrieben, um Alarme in Echtzeit anzuzeigen, darzustellen und auszulösen.

Die Verstellböcke wurden an den Stützpunkten der Rolltreppen 3 und 5 installiert, da diese Rolltreppen für die Aufrechterhaltung der Funktionsfähigkeit der Station am kritischsten sind. Durch das Hebesystem können die beiden Rolltreppen so eingestellt werden, dass sie der Bodenbewegung entgegenwirken und so im sicheren Betrieb bleiben. Das Überwachungssystem und jegliche Rolltreppenvortriebe werden von einem technischen Expertengremium überwacht, das auf der Grundlage der Überwachungsinformationen über etwaige Gegenmaßnahmen, Vortriebe und die Einhaltung festgelegter Verfahren und Methodenanweisungen entscheidet.

Tube Lines hat den Maßstab für eines der ersten Rolltreppenüberwachungssysteme gesetzt, das auf die umgebenden Bodenbewegungen abgestimmt und verbunden ist. Ein solches System bietet verschiedene Vorteile hinsichtlich der Sicherheit der Fahrgäste und der Wahrung der Strukturintegrität der Rolltreppen. Die Prinzipien und Methoden des Systems können für jede ähnliche Entwicklung im Netzwerk genutzt werden. Die aus dem Projekt gewonnenen Daten können verwandten Branchen mit Interesse an Simulationen zur Verfügung gestellt werden. Die Daten und Trends können für Ingenieure und Wissenschaftler verschiedener Disziplinen von Nutzen sein.

Strategie und Methodik

Aufgrund der Modernisierungs- und Sanierungsarbeiten am TCR (Abbildung 1) hatte der Schutz der bestehenden U-Bahn-Station und ihrer Rolltreppen für Tube Lines Priorität. Im Folgenden wird das Kernkonzept der Rolltreppenüberwachung untersucht und die Logik der Verteilung von Rolltreppensensoren erläutert. Die Methode, die zum Schutz der Rolltreppen bei TCR verwendet wurde, folgt diesen Schritten:

• Durchführung von Geoanalysen
• Bewegungen in den Tunneln wahrnehmen
• Simulation und mathematische Modellierung
• Erfassung von Bewegungen in den Stützen, kritischen Abständen und Lücken sowie Live-Daten

Durchführung von Geoanalysen

Tube Lines beauftragte die Geotechnical Consulting Group (GCG) mit der Durchführung einer Studie zur Analyse der Auswirkungen der Aushubarbeiten auf die Bauwerke in und um die Station. GCG untersuchte die Beschaffenheit und Art der Bodenschichten und überprüfte deren Dichte. Tube Lines berechnete und prognostizierte Bewegungsszenarien anhand der vom Standort entfernten Bodenmengen. Für die Analyse von Boden-Struktur-Wechselwirkungsproblemen wurde über mehrere Jahre hinweg Finite-Elemente-Code-Software eingesetzt. Die für diese Bewertung durchgeführten Analysen umfassten eine Reihe von 2D-Ebenendehnungsanalysen und eine 3D-Analyse. Die 2D-Analysen modellierten die bestehende Infrastruktur, den Aushub für die neuen Bauwerke und neue Tunnel.

Bewegungen in den Tunneln wahrnehmen

Lasersensoren mit Zielen wurden entlang und über die Rolltreppe und die Eisenbahntunnel verteilt. Entlang der Rolltreppentunnel wurden Elektroneigungsmesser verteilt. Die Lasersensoren und Neigungsmesser messen Gefälle, Steigungen und Verdrehungen im Tunnel.

Simulation und mathematische Modellierung

Die Träger von drei Rolltreppen wurden mit dem Solidwork-Simulationspaket 3D-modelliert (Abbildung 2). Die durch die geotechnische Studie vorhergesagte Gesamtbewegung an jeder Stütze im Fachwerk der Rolltreppen wurde in 10 Inkremente unterteilt. Die 10 inkrementellen Schritte wurden als 3 Bewegungsszenarien in das 10D-Modell jeder Rolltreppe eingefügt. Die Ergebnisse für jedes Szenario wurden in Form von Durchbiegungs-Spannungs- und Dehnungsverteilungen entlang der Länge und Breite der Rolltreppe erstellt (Abbildungen 3 und 4).

Beziehungen zwischen den Ergebnissen der Simulation und in das Modell eingespeisten Daten (wie Verschiebungen) wurden korreliert und in mathematischen Formeln ausgedrückt, die zur Darstellung von Diagrammen zwischen den Parametern verwendet wurden. Das Verhalten jedes Parameters wurde gegen eine Zeitskala aufgetragen, um die langfristigen Auswirkungen der Bewegungen zu überprüfen (Abbildung 5). Die Diagramme wurden auf einen langfristigen Maßstab extrapoliert, um die schlimmsten Bewegungsszenarien der Rolltreppen vorherzusagen. Die Ergebnisse der Simulationsstudie kamen zu dem Schluss, dass die Bewegungen im Boden zur Entstehung kritischer Stellen (Buchten) im Fachwerk führen. Die Buchten müssen während der Bewegung überwacht werden.

Sensorverteilungen

Erkennen von Bewegungen in den Stützen

Bewegungen in den Fundamenten entlang der Länge und Breite der Rolltreppe variieren von Standort zu Standort. Sie setzen die Fachwerke physischen Durchbiegungen aus, was zu Spannungen in den einzelnen Elementen des Fachwerks führt (Abbildungen 6-8). Die Höhe dieser Spannungen kann ein Niveau erreichen, das der Ermüdungsschwelle des Fachwerkmaterials entspricht oder darüber liegt. Bewegungen in den Stützen der Rolltreppe hängen von der Tiefe und Größe des Aushubs ab, der neben dem Rolltreppentunnel geführt wird. Diese Bewegungen können entweder einen Buckel oder ein Einsinken im Fachwerk verursachen (Abbildungen 9 und 10). Diese Änderungen können entlang der Länge der Rolltreppe allmählich oder plötzlich erfolgen. Eine seitliche, allmähliche Bewegung über die Breite der Rolltreppe führt dazu, dass sich das Fachwerk und die inneren Baugruppen seitwärts neigen.

Der geotechnische Studienbericht über Bodenbewegungen legt nahe, dass die meisten Bewegungen in der Nähe des Tunnels stattfinden werden, der die Rolltreppen 3–5 enthält (Abbildung 1). Daher wurden diese Rolltreppen mit Sensoren ausgestattet, um ihre Struktur und Leistung zu überwachen. Um sicherzustellen, dass der Bahnhof für Passagiere geöffnet bleibt, blieben mindestens zwei der drei Rolltreppen in Betrieb, jeweils eine Rolltreppe in jede Richtung. (Im Extremfall kann die Station geöffnet bleiben, wenn nur eine Rolltreppe fährt, solange diese in Aufwärtsrichtung verläuft.)

Um die strukturelle Integrität von mindestens zwei Rolltreppen (3 und 5) zu gewährleisten, wurden hydraulische Heber installiert, nachdem die vertikalen Stützen im Fachwerk modifiziert wurden (Abbildung 11). Die Heber sind für eine vertikale Bewegung von 25 mm geeignet. Die Idee war, diese Bewegung zu nutzen, um sich an jede Bodenbewegung anzupassen. In jedem Wagenheber wurde eine Kraftmessdose installiert, um die Vertikalkraft an jedem Stützbein zu überwachen. Da die vertikalen Stützen im unteren Treppenabsatz und entlang der Steigung modifiziert wurden, indem man sie von ihren Sockeln trennte und dazwischen Stützen installierte, wurden die Eigenspannungen ignoriert. Dies bedeutet, dass alle Spannungen im Fachwerk bei Null begannen. Dehnungsmessstreifen (Abbildung 12) wurden in oder in der Nähe der kritischen Bereiche angebracht, um das Spannungsniveau zu überwachen (während der Umbauphase und wenn die Rolltreppen in vollem Betrieb waren).

Kritische Abstände und Lücken in den Rolltreppen erkennen

Die sicherheitskritischsten Lücken und Abstände bei jeder Fahrtreppe sind die zwischen den Kammabschnitten und dem Stufenband. Diese Abstände müssen bei 4-6 mm eingehalten werden. Trittplatten werden oben auf jeder Stufe im Stufenband verschraubt. Diese Platten verfügen über Stollen, die den Durchgang der Stufe durch die Kammabschnitte im oberen und unteren Treppenabsatz ermöglichen. Eine Bodenbewegung im Fundament könnte den Abstand zwischen den Kammabschnitten und den Stufen beeinträchtigen und eine erhebliche Gefahr für die Passagiere darstellen. Eine Kollision zwischen dem Stufenband und den Kammabschnitten kann schwerwiegende Auswirkungen auf die strukturelle Integrität der Rolltreppe haben, da sie viele kritische Komponenten und Baugruppen im Inneren der Rolltreppe beeinträchtigen könnte. 

String-Pot-Sensoren wurden verwendet (Abbildung 13), um vertikale und horizontale Bewegungen in den Kammabschnitten zu überwachen. Der Körper des Sensors wurde auf dem Boden oder an der Seitenwand des Tunnels platziert, während das Ende der Schnur mit den Kammabschnitten verbunden war. In das Stufenband wurde ein „Smart Step“ eingebaut. Die Stufe misst Dehnungen, Durchbiegungen und Belastungen, denen das Stufenband während des Betriebs standhalten könnte. Es kann indirekt überwachen, ob die Freigaben beeinträchtigt wurden.

Live-Daten erfassen

Eine maßgeschneiderte Software und Hardware wurde von Arcadis entwickelt und bei Tube Lines in Auftrag gegeben (Abbildung 14). Das System ist in der Lage, Daten zu protokollieren, zu speichern und zu überwachen und liefert Echtzeit-Ausgabedaten mit detaillierten Angaben zum Bewegungsniveau an verschiedenen Stellen der Rolltreppe. Das System gewährleistet außerdem eine zeitnahe, kontrollierbare und genaue Anpassung (falls erforderlich) bei Bodenbewegungen. Die gesammelten Daten halfen bei der Entwicklung der Vortriebsphilosophie und -methode zur Anpassung der Rolltreppenstruktur. Die Ausgänge der Sensoren geben kalibrierte Werte mit variierendem Strom aus, gemessen mit einer Siemens Fastflex Remote Terminal Unit (RTU). Die RTU kann über einen Netzwerk-Switch und Kommunikationsgeräte mit einem Computer verbunden werden, um eine Überwachung von einem entfernten Standort, beispielsweise einem Büro, aus zu ermöglichen.

Schlussfolgerungen

Um kommerzielle, sicherheitstechnische und technische Risiken zu mindern, wurden Rolltreppenüberwachungssysteme installiert. Sie können kommerzielle Auswirkungen haben, indem sie Wartungspläne rationalisieren, um Maschinen wie Rolltreppen effektiv und effizient zu betreiben. Die Systeme können auch die Auswirkungen von Bodenbewegungen überwachen, wenn in der Nähe der Rolltreppen Aushub- oder Bauarbeiten stattfinden. Die Überwachungssysteme können einen wesentlichen Beitrag zur Gewährleistung der Sicherheit der Rolltreppen leisten. Sie können auch für Forschung und Entwicklung verwendet werden, um das Verhalten und die Geometrie von Rolltreppenträgern und ihren submechanischen Baugruppen zu untersuchen.

Das bei TCR eingesetzte Überwachungssystem ist umfassend und stellt sicher, dass der Betrieb von Rolltreppen sowohl unter normalen Bedingungen als auch bei Bodenbewegungen sicher ist. Das System besteht aus Sensoren, die in Form von Wägezellen mit den Stützen des Fachwerks verbunden sind. Die Wägezellen sind in hydraulische Stützen eingebaut und dienen zur Einstellung des Fachwerks und zum Ausgleich von Bodenbewegungen. In jedem Wagenheber ist eine Wägezelle integriert. Die Wägezellen messen die Werte der Reaktionskräfte in den Fundamenten der Rolltreppe, wenn Bodenbewegungen auftreten.

Kritische Abstände wie der Spalt zwischen Kammabschnitt und Stufenband werden mithilfe eines Saitenpotentiometers und einer intelligenten Stufe überwacht. Das Saitenpotentiometer misst die Abstände in Millimetern, während der Smart Step die Spannungen und Dehnungen im Stufenband misst. Die Daten werden mit maßgeschneiderter Software erfasst und angezeigt. Ein Windows-Schnittstellen-Viewer dient zur Überwachung der Live-Daten der Sensoren und ermöglicht dem Benutzer das Herunterladen historischer Daten. Ein zukünftiger Artikel zu diesem Thema wird Aufschluss über die Art, den Stil und die Konsistenz der im System protokollierten Daten geben. Es wird auch Einblick in das Kurvenmuster und die Beziehungen zwischen den verschiedenen Sensorausgängen im Verhältnis zur Bodenbewegung geben. Der nächste Artikel Ihres Autors zeigt die Daten der Sensoren in Echtzeit. Daher werden die Beziehungen zwischen den gemessenen Parametern angezeigt.