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R. Bayerhofer:
"Gleisstopfverfahren im Eisenbahnwesen - Stand der Technik";
Supervisor: D. Adam, O. Barbir; Institut für Geotechnik, Forschungsbereich für Grundbau, Boden- und Felsmechanik, 2018; final examination: 2018-10-19.

Ballast layer, together with rails and sleepers, is the key element of the quasi-elastic track system, transferring the traffic loads to the subsoil. Durability and stability of railway tracks is greatly influenced by the ballast layer, making the compaction and stability of the ballast beneath the sleeper a very important subject.
Over the course of history, the process of track maintenance in railway engineering advanced from manual to mechanical work and the working parameters were optimized based on empirical observations. Railway tracks must be maintained in regular intervals to reverse the positional errors of the track geometry and to maintain the travelling comfort and safety. Track maintenance includes levelling, lifting, lining and tamping of the track, carried out by the tamping unit and followed by the dynamic track stabilizer. Tamping frequency is one of the fundamental parameters in achieving the desired result during ballast compaction. When working with a higher frequency, the ballast begins to float uncontrollably, hindering the desired heave of the ballast bed and causing possible settlements beneath the sleeper. Should the tamping be performed with a lower frequency, the compaction can be performed, but a higher energy input is required for both ballast penetration and compaction.
A dynamic track stabilizer is used succeeding the tamping process to raise the track´s resistance to lateral displacement and consolidate the ballast bed. Horizontally orientated vibrations acting crosswise to the track are induced and transferred to the ballast bed achieving a virtually force-free re-arrangement of the ballast stones thus producing a stable and consolidated ballast structure. The stabilization process generates the anticipated initial track settlements intentionally and in a controlled way, resulting in a more durable track geometry.
Considering the complexity of the maintenance process, a possibility for further development in this sector becomes apparent.

Das Gleisbett aus Schotter stellt im System Schiene, Schwelle und Befestigungsmittel das "schwächste" Glied des Bahnoberbaus dar, dessen Hauptaufgabe darin besteht, die hohen Lasten aus dem Zugverkehr möglichst gleichmäßig auf den Unterbau zu verteilen bzw. abzuleiten. Aus diesem Grund ist der Alterung des Schotters, bedingt durch die thermischen Einflüssen aus der Witterung bzw. der mechanischen Beanspruchung aus dem Zugverkehr, besondere Aufmerksamkeit zu schenken.
Daraus resultiert ein kontinuierlicher Verlust der Soll-Lage der Schienen, der eben auf die im Laufe der Zeit immer schlechter werdenden Eigenschaften des Gleisschotters zurückzuführen ist. Beim Versuch die Schwellen durch den Stopfvorgang wieder in ihre Soll-Lage zu bringen, wird die Alterung durch die Zertrümmerung des Schotters zusätzlich beschleunigt. Um diese Lagefehler der Gleise in Höhe und Richtung zu korrigieren, aber auch die Betriebssicherheit und den Fahrkomfort aufrechtzuerhalten, muss die Gleisanlage durch möglichst schonende Stopf- und Stabilisierungsarbeiten in regelmäßigen Zeitintervallen instandgehalten werden. Durch die ständige Weiterentwicklung der Technologie hat sich der Stopfvorgang selbst, im Speziellen die Justierung der Maschinen, zu einem äußerst komplexen Prozess entwickelt. Viele Stopfparameter beeinflussen die Qualität des Vorgangs maßgebend.
Die Stopffrequenz sollte beispielsweise bei etwa 35 Hz liegen, um einen möglichst hohen Verdichtungserfolg zu erzielen. Hierbei entsteht eine Auftriebskraft, die eine bleibende Hebung generiert. Wird die Frequenz höher, beginnt der Schotter zu fließen, was eine Absenkung der Schwelle bzw. eine unkontrollierbare Verdichtung mit sich bringen kann. Bei niederen Frequenzen wird die Schwelle zwar angehoben, erschwert aber das Eindringen der Stopfpickel in den Schotter. Um die Effektivität und Wirtschaftlichkeit der Instandhaltungsarbeiten weiter zu verbessern sind möglichst realitätsnahe Modellversuche notwendig. Aufwändige numerische Simulationen können ebenfalls zu einem besseren Verständnis der Mechanismen des Gleisschotters unter zyklisch-dynamischer Belastung führen. Künftig sollten praxistauglichere Modelle entwickelt werden, um diese auch in die Planung von Instandhaltungsstrategien integrieren zu können.
Um die durch den Stopfvorgang nur punktuell unter den Schwellen erreichte Verdichtung zu homogenisieren, kommt nach dem Stopfvorgang der dynamische Gleisstabilisator zum Einsatz. Hier wird an den Gleisen eine horizontal gerichtete Schwingung induziert. Bei gleichzeitiger lotrechter Belastung wird der Schotter durch die Vibrationen schonend in eine geordnete, flächendeckende, homogene Lagerung gebracht. Nach dem Stabilisieren weist das Schotterbett höhere Festigkeiten auf. Somit wird eine verbesserte Gleislage über eine längere Dauer erzielt und auch der Querverschiebewiderstand der Schwellen wird maßgeblich erhöht.