a guide to track bed micro piling v4

31
A Guide to Track bed Micro Piling Produced by IP Track: Engineering & Innovation  Page 1 of 31      A GUIDE TO TRACK BED MICRO PILING Produced: December 2017 Prepared by: Peter Musgrave IEng MICE, FPWI Dr. Mohamed Wehbi, BSc, MSc, PhD Liam Jackson, BEng Railway Engineering Adrian Stevenson Lynsey O’Neil, BA Hons, CIMA

Upload: others

Post on 01-Oct-2021

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: A Guide to Track Bed Micro Piling v4

A Guide to Track bed Micro Piling 

Produced by IP Track: Engineering & Innovation    Page 1 of 31 

   

   

A GUIDE TO TRACK BED MICRO PILING Produced: December 2017

Prepared by: Peter Musgrave IEng MICE, FPWI

Dr. Mohamed Wehbi, BSc, MSc, PhD

Liam Jackson, BEng Railway Engineering

Adrian Stevenson

Lynsey O’Neil, BA Hons, CIMA

Page 2: A Guide to Track Bed Micro Piling v4

A Guide to Track bed Micro Piling 

Produced by IP Track: Engineering & Innovation    Page 2 of 31 

Document History

Date Version Author / Editor Reason for Revision

23/10/2017  V.1(Draft)  PM/LJ/LO/MW  DRAFT for review 

26/10/2017  V.2 (Draft)  PM/LJ/LO/MW  Commercial sections removed 

02/01/2018  V.3 (Final)  LJ  Updated following feedback from Plain Line 

 

Disclaimer

This guide is owned and updated by Network Rail Infrastructure Projects (IP) Track Engineering and 

Innovation Group. 

It has been produced for the benefit of the rail industry and permitted for free copy distribution. 

The information is believed to be correct at the time of publication and best endeavours have been 

used to ensure the content, layout and text within the document are accurate, complete and 

suitable for its stated purpose. 

The IP Track Engineering Group will not be held responsible for any loss or damage arising from the 

adoption or use of anything referred to or contained in this publication. 

Each user is reminded of their own responsibility to ensure health and safety at work and their 

individual duties under health and safety legislation. 

 

Acknowledgements

This guide is the output of IP Track Bed Design & Innovation Group 

Lead authors and editors:

Technical authors: Peter Musgrave, Mohamed Wehbi ‐ Theory & Design of Railway Micro Piling  

Liam Jackson ‐ Construction 

Adrian Stevenson ‐ Site investigation 

Lynsey O’Neil – Commercial 

 

Page 3: A Guide to Track Bed Micro Piling v4

A Guide to Track bed Micro Piling 

Produced by IP Track: Engineering & Innovation    Page 3 of 31 

 

Contributions from:

Van Elle – piling installations 

AECOM – site investigation 

Levente Nogy, Senior Design Engineer – contributor to design process 

Aspin Foundations – piling installations 

University of Birmingham, School of Civil Engineering (Dr Michael Burrow & Dr Gurmel Ghatoara) – 

contributor to design and theory 

Contacts:

Please e‐mail: 

[email protected] 

[email protected]  

[email protected] 

Abstract

The purpose of this guide is to provide information to the reader on the process for the 

identification of sites suitable for micro‐piling; a relatively new technique introduced to UK railways 

used to stiffen the railway track bed and improve track performance. This is achieved without the 

removal of the track. 

This guide describes the theory behind micro‐piling and their application in a rail environment. It 

details case studies where micro‐piling has been undertaken and the construction process 

associated with their installation on UK railways. This guide specifically references the case study of 

a micro piling site at Brind Embankment, which was delivered in the summer of 2017. It also covers 

the design of micro‐piles, subsequent track performance and business case considerations. 

This guide is aimed at Route Asset Management Engineers (RAM), Track Maintenance Engineers 

(TME) and IP Track Renewals Teams. 

BRIND CASE STUDY

This document regularly refers to a case study where track bed micro piling was completed at Brind 

Embankment, which is located on the HUL1 line between Hull and Selby. The works were completed 

in summer 2017 and are considered to be the best example of a micro piling site delivered at first 

publication. 

All sections in the document relating to this case study are found in these blue boxes. 

Page 4: A Guide to Track Bed Micro Piling v4

A Guide to Track bed Micro Piling 

Produced by IP Track: Engineering & Innovation    Page 4 of 31 

CONTENTS

List of abbreviations ............................................................................................................................................... 6 

1. Introduction to track stiffness & micro piles ...................................................................................................... 7 

1.1 Introduction .................................................................................................................................................. 7 

1.2 Theory to micro piles .................................................................................................................................... 8 

2. Application of micro‐piles ................................................................................................................................... 9 

3. How to identify a micro piling site .................................................................................................................... 10 

4. Case Study: Brind Embankment problem statement & site conditions ........................................................... 10 

4.1 Site history of Brind Embankment .............................................................................................................. 10 

4.2 Brind Site Investigation results ................................................................................................................... 11 

5. Desk Top Study ................................................................................................................................................. 12 

6. Site Investigation stage 1 & 2 ........................................................................................................................... 13 

6.1 Stage 1 Investigation................................................................................................................................... 13 

6.2 Stage 2 Investigation................................................................................................................................... 14 

7. Design/Specification ......................................................................................................................................... 15 

7.1 General design outline ................................................................................................................................ 15 

7.2 Stiffness design charts ................................................................................................................................ 15 

7.3 Design risk considerations .......................................................................................................................... 17 

7.4 Interface with other assets ......................................................................................................................... 18 

7.5 Strategic risk assessment ............................................................................................................................ 18 

8. Planning ............................................................................................................................................................ 18 

8.1 Asset Management Plan (AMP) .................................................................................................................. 18 

8.2 Engagement with local Route Asset Manager Track (RAM [T]) .................................................................. 18 

8.3 Interface with other disciplines .................................................................................................................. 19 

8.4 Possession management & access planning ............................................................................................... 19 

8.5 Pre installation site walkout ....................................................................................................................... 20 

8.6 Contingency planning ................................................................................................................................. 20 

9. Constraints ........................................................................................................................................................ 21 

9.1 Unsuitable sub grade‐types ........................................................................................................................ 21 

Page 5: A Guide to Track Bed Micro Piling v4

A Guide to Track bed Micro Piling 

Produced by IP Track: Engineering & Innovation    Page 5 of 31 

9.2 Existing geotextiles ..................................................................................................................................... 21 

9.3 Structures ................................................................................................................................................... 21 

9.4 Unforeseen ground conditions ................................................................................................................... 22 

9.5 Buried services & drainage ......................................................................................................................... 22 

9.6 DC conductor rails ....................................................................................................................................... 22 

9.7 Overhead Line Equipment .......................................................................................................................... 22 

9.8 Any Line Open ............................................................................................................................................. 22 

9.9 S&C ............................................................................................................................................................. 22 

10. Delivery ........................................................................................................................................................... 23 

10.1 Site work tracker ....................................................................................................................................... 23 

10.2 Survey requirements ................................................................................................................................ 23 

10.3 Critical Rail Temperature (CRT) ................................................................................................................. 24 

10.4 Measurement of installation quality ........................................................................................................ 24 

10.5 Tamping .................................................................................................................................................... 24 

10.6 Piling rig safety considerations ................................................................................................................. 24 

10.7 handback speeds ...................................................................................................................................... 25 

10.8 Handback documentation ........................................................................................................................ 25 

10.8 Continuous improvement ......................................................................................................................... 26 

11. Case Study: Production rates achieved at Brind Embankment ...................................................................... 26 

12. Deflection & Track Quality measurment results: pre & post micro piling ...................................................... 27 

12.1 Deflection ................................................................................................................................................. 27 

12.2 Track Quality deterioration rates ............................................................................................................. 28 

13. Asset information ........................................................................................................................................... 29 

14. Conclusion ...................................................................................................................................................... 29 

15. References ...................................................................................................................................................... 30 

Appendix A. Brind Embankment Risk Assessment ............................................................................................... 31 

 

Page 6: A Guide to Track Bed Micro Piling v4

A Guide to Track bed Micro Piling 

Produced by IP Track: Engineering & Innovation    Page 6 of 31 

LIST OF ABBREVIATIONS

 

ALO  Any Line Open

ABS  Automatic Ballast Sampler

AMP  Asset Management Plan

COSS  Controller of Site Safety (Safe Work Leader) 

CP5  Control Period 5

CRT  Critical Rail Temperature

E&P  Electrification & Plant

ES  Engineering Supervisor

ESR  Emergency Speed Restriction 

GEOGIS  Geography and Infrastructure System 

GPR  Ground Penetrating Radar

HSTRC  High Speed Track Recording Coach 

HUL1  Hull to Selby

INM  Integrated Network Model

OLE  Overhead Line Equipment

PICOP  Person In Charge Of Possession 

RAM  Route Asset Management

SD  Standard Deviation

SI  Site Investigation

SFT  Stress Free Temperature

S&T  Signalling & Telecommunications 

TRS  Track Renewals System

TSR  Temporary Speed Restriction 

WCML  West Coast Main Line

 

 

 

 

 

 

 

Page 7: A Guide to Track Bed Micro Piling v4

A Guide to Track bed Micro Piling 

Produced by IP Track: Engineering & Innovation    Page 7 of 31 

1. INTRODUCTION TO TRACK STIFFNESS & MICRO PILES

1.1  INTRODUCTION 

Track stiffness can be defined as the amount of force required to deflect the track vertically, and its 

values depend on the effective stiffness’s of all the individual elements of the track system 

combined; including ballast, rail, fastenings, sleepers and subgrade.   

Track stiffness influences track performance, affecting the inherent track quality of a section of 

track, and how quickly it deteriorates. Low stiffness values generate high rail deflections and rapid 

deterioration in track quality.  It is therefore important that track stiffness is optimised and 

regulated, and high rates of change of stiffness are avoided.   

Whilst the stiffness of most track system components can be controlled (E.g. rail, sleepers ballast), in 

the UK the subgrade is variable and more difficult to control, and a very soft subgrade can have 

detrimental effects on the overall track stiffness of a section of track. In areas of soft subgrade, 

micro piles can offer a solution to these types of problems without the requirement to remove the 

track.  Figure 1 below illustrates the severe vertical alignment problems that can occur in areas of 

soft sub‐grades. 

 

Figure 1: Rapid rate of geometry deterioration as a result of low track stiffness

Micro piles can be used to target specific sites where soft and variable subgrade conditions are 

present. They can be installed with the track left in‐situ, and immediately improve the stiffness 

properties of the subgrade.  

Micro piles provide an alternative to conventional track renewals solutions and are a targeted 

treatment developed to treat specific sites with soft and variable subgrades. At the time of writing 

this book no other method were available to treat these types of problems with the track left in situ. 

Page 8: A Guide to Track Bed Micro Piling v4

A Guide to Track bed Micro Piling 

Produced by IP Track: Engineering & Innovation    Page 8 of 31 

1.2  THEORY TO  MICRO  PILES 

Track bed micro piles are installed in pairs in the sleeper crib with the track in‐situ. The required 

depth of pile installation is dependent on the existing ground conditions. The pile cap is typically 

located at 1m below ground level (sleeper top level). This is to maximise the load spread on to the 

piles and facilitate the arching effect between the respective piles through the ballast. Figure 2 

below illustrates the load (P) applied to the sleeper and load transfer on to the pile, with the 

frictional and end bearing resistance to the applied load. 

Figure 3 below illustrates Finite Element Modelling techniques showing the stress transfer through 

the piles. It shows the stress transfer from the ballast layer through the piles, into the competent 

ground at the base of the piles. 

 

Figure 2: Load distribution from sleepers down, with micro pile in situ

Ballast layer 

Sleepers 

Page 9: A Guide to Track Bed Micro Piling v4

A Guide to Track bed Micro Piling 

Produced by IP Track: Engineering & Innovation    Page 9 of 31 

Figure 3: Finite Element Modelling of stress transfer through piles

 

2. APPLICATION OF MICRO‐PILES

Micro piles can be used to treat the following problem areas: 

Track sections with underlying soft subgrades 

Critical velocity locations 

Embankment instability problems 

High rates of change of stiffness such as transitions at structures 

The following types of micro pile are available for use: 

Concrete 

Granular 

Steel driven 

Steel screw (preferred) 

Advantages of using Micro‐piles: 

Quick and easy to install (circa 5 minutes per pile in some cases) 

No track removal required  

Limited impact on signalling systems (generally no disconnections are required) 

Treatment areas can be targeted to avoid extensive conventional track removal 

Minimal track disturbance during piling work 

Work can be undertaken in short possessions 6 – 8hrs 

Instant improvement in track performance 

Ballast layer 

Soft layer 

Competent 

ground 

Page 10: A Guide to Track Bed Micro Piling v4

A Guide to Track bed Micro Piling 

Produced by IP Track: Engineering & Innovation    Page 10 of 31 

Micro piles increase track stiffness values, reducing the rate of track quality deterioration and wear 

on the track components (rail/ballast/sleeper/fastenings), increasing their design life. Micro piles 

should be adopted as part of a wider strategy to manage track performance and system component 

life in areas with poor subgrade conditions. 

Micro piles are installed at a sufficient depth so the pile caps will not conflict with future renewals or 

maintenance activities. To further enhance the track performance following micro piling, during 

future renewal works geocells can be installed.  Geocells combined with micro piles reduces the 

number of piles required on site as the pile spacing can be increased due to the arching effect of the 

geocells. 

In very soft ground conditions the installation of geocells or micro piles in isolation will not necessarily solve soft sub‐grade issues.  The combination of piles and or geocells must be determined at the design stage through the modelling process. 

 

3. HOW TO IDENTIFY A MICRO PILING SITE

Through desk study analysis it is possible to identify potential micro piling sites prior to site investigation, by aligning the following data & information sources: 

Ground probing radar to eliminate subgrade erosions sites which exhibit similar symptoms to soft subgrade sites 

Track quality deterioration rates for vertical & horizontal parameters i.e. higher rates of deterioration indicate excessive ballast settlement and potential embankment problems 

Assessment of underlying geology from Geological Mapping to determine existing subgrade materials with low strength characteristics  

Analysis of track recording raw data to pinpoint problem areas accurately 

More detail on the desk top study process can be found in section 5. 

It is important to talk to the Track Maintenance Engineer to fully understand the problems experienced and the maintenance work undertaken to mitigate the track quality problems and seek guidance from the Network Rail Track Bed Team. 

Ultimately micro piles will become a standard design option which will be specified in Track Renewals Systems (TRS). 

 

4. CASE STUDY: BRIND EMBANKMENT PROBLEM STATEMENT & SITE

CONDITIONS

4.1  SITE  HISTORY  OF  BRIND  EMBANKMENT    

The Down line on Brind Embankment HUL1 suffered from historical track quality problems due to poor subgrade materials. These materials were derived from the construction of the low embankment using locally sourced materials from “borrow pits” adjacent to the railway line.  This resulted in poor vertical and horizontal alignment and high rates of track quality deterioration, particularly following heavy rainfall.  The subgrade conditions did not adequately support the 

Page 11: A Guide to Track Bed Micro Piling v4

A Guide to Track bed Micro Piling 

Produced by IP Track: Engineering & Innovation    Page 11 of 31 

dynamic loading of trains at line speed (90mph) for a sustainable period time. This resulted in high levels of maintenance intervention, rough rides reported and temporary speed restrictions. The treated location was a long standing problem which could not be rectified by conventional track renewal methods as it was a deeper seated embankment problem.   Maintenance staff also reported loss of cross level and miss‐alignment towards the cess direction following periods of heavy rain fall due to the poor quality embankment material sensitive to changes in moisture content. 

4.2  BRIND  SITE  INVESTIGATION  RESULTS 

 

Due to the above site conditions, a desktop study and Site Investigation were conducted at Brind Embankment. More details on the desktop study and Site Investigation process can be found in sections 5 and 6. 

Following the site investigation, the track bed and subgrade conditions were summarised in table 1 below. 

A soft layer with low dynamic probing values of 0 – 2 / 100mm were found at Brind during the heavy dynamic probing survey to a depth of 3.5m, within the soft fibrous peaty clay layers.  Beyond this depth the probing values increased to 5 – 20 / 100mm, as the ground increased in stiffness. More detail on the method of heavy dynamic probing can be found in section 6.2 

No significant drainage problems were identified during the site investigation, and ground water was encountered at a typical depth of 5.5m. 

 

Depth Ground condition

From sleeper bottom level up to 1m   dirty ballast 

1m ‐ 1.3m   clayey silty ash, course soil & weak rock 

1.3 – 6.0m  mixture of very soft fibrous peaty clay overlying firmer clay 

6.0m – 10.0m  clay 

Table 1: Ground conditions at Brind

 

 

 

 

 

 

Page 12: A Guide to Track Bed Micro Piling v4

A Guide to Track bed Micro Piling 

Produced by IP Track: Engineering & Innovation    Page 12 of 31 

 

 

5. DESK TOP STUDY

 Figure 4: Site schematic of Brind embankment

The first stage of analysis for a micro piling site is the desktop study. The desk top study collates all of the key information available to the Track Bed Engineer from various data sources; this includes the following.  

HSTRC (High Speed Track Recording Coach) – the data from track recording coaches allows accurate location of the problem areas and subsequent determination of the treatment limits 

Vertical and horizontal track quality deterioration rates – used to determine the inherent track quality problems and higher annual rates of deterioration which are a key indicator of stiffness related track bed problems 

GPR (Ground Penetrating Radar) data – used to differentiate between sub‐grade erosion and soft sub‐grade, both conditions present stiffness related track quality symptoms but require 

HSTRC data

Track quality information

GEOGIS (asset

info/age)

ABS Long sections (bore

holes)

Ground Probing Radar

information

Underlying Geology

Track layout

Page 13: A Guide to Track Bed Micro Piling v4

A Guide to Track bed Micro Piling 

Produced by IP Track: Engineering & Innovation    Page 13 of 31 

different types of treatment.  It is therefore important this is confirmed at the desk study stage and the presence of any significant sub‐grade erosion identified 

Underlying Geology – this information helps to confirm the presence of any materials likely to cause track bed stiffness related problems 

Other relevant data – includes topography, previous bore hole information (where available) and component age 

The above data combined and longitudinally aligned (as seen in fig. 4) provides visualisation of the site by 1/8th mile allowing it to be assessed by the Track Bed Engineer to determine the extent and proposed scope of the targeted site investigation of the potential micro‐piling site. 

 

6. SITE INVESTIGATION STAGE 1 & 2

6.1  STAGE  1  INVESTIGATION 

Figure 5: Brind Embankment STAGE 1 bore hole investigation results

Once the desk top study has been completed, the next step in the micro piling process is the Site Investigation (SI). The SI is split into two parts.  

Stage 1 SI bore hole results for Brind Embankment are detailed above in fig 5.  This is a shallower type of site investigation (maximum depth 2m) normally undertaken using the Automatic Ballast Sampler (ABS) and used for conventional track bed investigations.  It is sometimes undertaken ahead of a stage 2 deeper site investigation for a micro piling site.  The stage 1 SI facilitates accurate targeting of the stage 2 deep SI.  All bore hole samples are logged in accordance with the Network Rail standard logging key adapted for the UK track bed in accordance with BS 5930. 

Page 14: A Guide to Track Bed Micro Piling v4

A Guide to Track bed Micro Piling 

Produced by IP Track: Engineering & Innovation    Page 14 of 31 

6.2  STAGE  2  INVESTIGATION 

An example of Stage 2 deeper site investigation bore hole results are detailed in fig 6.  This investigation is typically undertaken to a depth of up to 10m and includes Heavy Weight Dynamic Probing to determine ground stiffness.  This survey provides information which allows the length and configuration of the micro piles to be determined at the design stage.  It is also information that is presented on the design drawing. 

Note: Prior to any site investigation all buried services information and relevant asset information must be provided for the site location to be investigated and passed on to the investigating Contractor.  

 

 

Figure 6: Brind Embankment STAGE 2 heavy weight dynamic probing results

 

 

 

Page 15: A Guide to Track Bed Micro Piling v4

A Guide to Track bed Micro Piling 

Produced by IP Track: Engineering & Innovation    Page 15 of 31 

7. DESIGN/SPECIFICATION

7.1  GENERAL  DESIGN  OUTLINE 

 

Figure 7: Example of micro piling design

Figure 7 is an example of design drawing, showing the type of pile and pile configuration.  Piles may be located within the 4 foot, or installed on sleeper ends as shown in fig 7. Piles must always be designed in pairs (to prevent track twist) and be symmetrically placed in relation to the track system.  The following pile configurations can be specified: 

Piles in pairs in every sleeper bed located within the sleeper ends 

Piles in pairs in sleeper bed located within the four foot 

Depth of the pile cap is located 800mm below sleeper bottom level 

Any of the above but installed in alternative sleeper cribs, dependent on the severity of the ground stiffness problems 

7.2  STIFFNESS  DESIGN  CHARTS 

In order to design the micro piles to perform adequately and provide sufficient support to the track system, Finite Element Modelling is recommended.  However, it is recognised that Finite Element Modelling may not always be available to all designers, hence the need for a simplified design approach.  This approach consists of the following design steps: 

1. Carry out desk study and site investigation (see sections 5 and 6)  2. Check drainage functionality. Address drainage problems if present. 3. Check for signs of subgrade erosion. If subgrade erosion is present, this should be treated 

prior to any micro‐piling.  

Page 16: A Guide to Track Bed Micro Piling v4

A Guide to Track bed Micro Piling 

Produced by IP Track: Engineering & Innovation    Page 16 of 31 

4. Determine the track bed properties, layers thickness and modules of stiffness, through targeted SI scoping, site investigation and factual report. 

5. Determine the required length of the micro‐piles using Equation 1 below.  

L H 0.7  Eq.  1 

       

          Where,  

          L : is the piles length, in m. 

          H  : is the thickness of the soft treated subgrade, in m. 

6. Determine the configuration of the micro‐piles, every sleeper bay vs. alternate sleeper bays, using the following criteria: 

if GH 0.5m  Piling in alternate sleeper bays is permitted 

if 0.4m GH 0.5m  Piling every alternate sleeper bay is not permitted, piles should be installed every sleeper bay. 

Where,  

GH: is the minimum thickness of the granular layer below the sleeper bottom (i.e. ballast plus sub‐ballast/blanketing layer).         

7. Determine the target dynamic sleeper support stiffness (k) for linespeed, taken from NR/L2/TRK/4239. A minimum of 30kN/mm/sleeper end is required. 

8. Depending on the piling configuration and target dynamic sleeper support stiffness (k), use Figure 8 or 9 to determine the level of sleeper support stiffness improvement using Micro‐piles 

9. Carry out a cost‐benefit analysis using the cost of micro‐piling compared to other design solutions, considering engineering aspects of the design solutions such as ease of installation, cost, time and available site access. 

 

Figure 8: The influence of micro‐piling every sleeper bays. 

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 10 20 30 40 50 60

Dyn

amic

sle

ep

er

Sup

po

rt S

tiff

ne

ss

(kN

/mm

)

Subgrade modules (MPa)

0.6m construction depth(without piling)

0.6m construction depth(with piling)

0.5m construction depth(without piling)

0.5m construction depth(with piling)

0.4m construction depth(without piling)

0.4m construction depth(with piling)

Note: Note: this charts assumes no drainage or subgrade eroision issues

Page 17: A Guide to Track Bed Micro Piling v4

A Guide to Track bed Micro Piling 

Produced by IP Track: Engineering & Innovation    Page 17 of 31 

Figure 9: The influence of micro‐piling alternate sleeper bays

7.3  DESIGN  RISK  CONSIDERATIONS 

A site specific risk assessment should be completed during the design process. A sample list of generic micro piling design risks are included below in table 2: Typical Design Risk/Consideration  Mitigation 

Loss of vertical design alignment due to heave or settlement during piling works resulting in poor ride quality for customers and possible impact on the safe running of trains following piling works 

Temporary Speed Restriction Follow up tamp 

Loss of lateral design alignment due to heave or settlement during the installation process resulting in poor ride quality for customers and possible impact on the safe running of trains following piling works 

Temporary Speed Restriction CRT management process Follow up tamp 

Loss of lateral track stability and ballast shoulder due to piling at the sleeper ends 

Temporary Speed Restriction CRT management process 

Damage to adjacent structure during piling works Identify structures and establish adequate clearance from nearest micro pile (recommended 3m) 

Contamination of the track ballast during grouting & pile driving process 

Use of screw piles if possible SSOWP, manual handling training 

Differential settlement caused by transition from existing track bed to piled track bed 

Design pile mileage into an area of similar stiffness. Track survey requirements 

Inadequate existing track drainage depth and drainage condition is poor impacting on the track bed performance 

Complete drainage survey and water table survey. Take water table depths into consideration during design process 

Risk of damaging buried services  Buried services process (NR/L2/ INI/CP1030) 

Unforeseen ground conditions such as extended localised depth of soft peaty ground 

Contingency planning –extra pile lengths so that piles can be installed to a depth where adequate support is established 

Assessment of track stiffness before and after piling. This can be undertaken using accelerometers to measure vertical rail deflections before &  after piling 

Table 2: Generic Design Risks for micro piling

0

20

40

60

80

100

120

140

0 10 20 30 40 50 60

Dyn

amic

sle

ep

er

Sup

po

rt S

tiff

ne

ss

(kN

/mm

)

Subgrade modules (MPa)

0.6m construction depth(without piling)

0.6m construction depth(with piling)

0.5m construction depth(without piling)

0.5m construction depth(with piling)

Note: Note: this charts assumes no drainage or subgrade eroision issues

Page 18: A Guide to Track Bed Micro Piling v4

A Guide to Track bed Micro Piling 

Produced by IP Track: Engineering & Innovation    Page 18 of 31 

7.4  INTERFACE  WITH  OTHER  ASSETS    

During the design stage of the micro‐piles the relevant Network Rail Asset Management Team must be consulted where there is any risk associated with the pile design and impact on other assets e.g. civils schemes, drainage or structures.   

7.5  STRATEGIC  RISK  ASSESSMENT  

Once installed, micro piles will become a permanent fixed asset, which would be difficult and 

expensive to remove. Therefore, the decision to design and install micro piles should be undertaken 

as part of a wider strategic risk assessment of the affected site, taking into account the design life of 

the micro pile. Future construction works to consider in this risk assessment include: 

Civils works e.g. new structures, culverts, underbridges 

Enhancement works 

Change of track layout 

Drainage works 

Tunnelling/mining works 

Decommissioning of the railway 

Change of land ownership/usage 

8. PLANNING

8.1  ASSET  MANAGEMENT  PLAN  (AMP) 

The AMP process is considered the most appropriate form of asset management for micro piling works. The AMP process describes the arrangements for maintenance of new and changed assets during works delivery and on transition into operational use. The appropriate standard is NR/L3/MTC 089. 

At this stage, the small number of trial sites has been completed using specialist piling companies acting as the Principle Contractor. These piling contractors may require support from the routes in order to successfully deliver a micro piling site. It is therefore imperative that the AMP process is followed so that it robustly documents the roles and responsibilities of the project team, the piling contractor and the routes. 

Although every effort should be made to meet the AMP timescales; at this stage it should be noted that due to the trial nature of the micro piling works, the actual timescales for sites delivered so far e.g. Brind Embankment were significantly shorter. However all timescales were agreed with the project team, Track Maintenance Engineer (TME) and the Route Asset Management team (RAM). 

8.2  ENGAGEMENT  WITH  LOCAL ROUTE  ASSET  MANAGER TRACK  (RAM  [T])  

Early engagement with the local track RAM [T] team and Track Maintenance Engineer is key to the success of a micro piling project.  The principle contractor may be a piling specialist; in which case there may be areas where support is required from the route. These include but are not limited to: 

Site access and materials storage 

Page 19: A Guide to Track Bed Micro Piling v4

A Guide to Track bed Micro Piling 

Produced by IP Track: Engineering & Innovation    Page 19 of 31 

Possession management 

S&T, OLE, E&P, civils interface 

CRT monitoring 

P Way works e.g. temporary speed restrictions, emergency response, follow up tamping 

It is essential that these requirements are detailed and agreed in the AMP documentation as early as possible. It is good practice to arrange regular conference calls with the project team, RAM and TME to review these requirements as the project progresses.   

For the Brind micro piling works, the local RAM and TME were engaged from the very start, as the site was a known problem site which regularly required speed restrictions. This buy‐in was reflected in the cooperation between all parties to complete the works. In this case, the TME provided PWAY emergency cover, S&T testing and tamping cover. Weekly conference calls were also held to review project progress as well as hot weather conditions for the next planned weeks work. 

8.3  INTERFACE  WITH  OTHER  DISCIPLINES 

Although track bed micro piling is considered primarily a track and civils activity, the project team should make every effort to engage with the other disciplines at the earliest opportunity. Roles and responsibilities should be recorded on the AMP documentation. Below is a list of areas where micro piling works may interface with other disciplines: 

S&T – Is there any rail mounted signalling and telecoms equipment within the worksite which requires disconnection and/or testing following piling works? E.g. treadles, lubricators, axle counters, AWS magnets etc. 

OLE – If OLE or third rail is present, electrical isolation will be required, or potentially removed.  

Structures & Civils ‐ Are there any lineside structures which could be at risk of damage by piling works? E.g. culverts, UTX, underbridges, weak embankments etc. 

E&P, Off‐Track – Although impact is expected to be minimal for these disciplines, it is worth confirming that access points and materials storage points do not cause conflict  

8.4  POSSESSION  MANAGEMENT &  ACCESS PLANNING 

The project team should supply the rules of the route possession information to the micro piling contractor at the earliest opportunity.  

The number of possessions/shifts required by the piling contractor will depend on: 

Available possession times 

OLE isolation required 

Time taken to access machines and propel to and from site 

Plant setup time 

Pre and post survey 

Length/depth of micro pile to be installed 

Where possible, the Piling Contractor should lead their own worksite in a possession.  Where this is not possible, the Piling Contractor must make every effort to understand what impact any other work in the worksite/possession will have on the available micro piling production times. 

Page 20: A Guide to Track Bed Micro Piling v4

A Guide to Track bed Micro Piling 

Produced by IP Track: Engineering & Innovation    Page 20 of 31 

The micro piling contractor should attend all relevant PICOP meetings with the following information: 

Work site limits 

Lines working on 

Work details & shift times 

Train/plant movements 

Access/Egress points 

ES & COSS (SWL) details 

8.5  PRE  INSTALLATION  SITE  WALKOUT  

A site walkout is essential, with representation from: 

TME (all relevant disciplines) 

RAM 

Track Bed Design Team 

Piling Contractor 

During the site walkout, access points shall be agreed and any plant/equipment storage locations identified. The start and end points of the job should be marked up, as well as any obstructions such as S&T equipment, structures and buried services. 

Figure 10: Piling limits marked out on site at Brind

8.6  CONTINGENCY  PLANNING 

The project team should put together a robust contingency plan as part of the Works Package Plan. A hazard workshop for micro piling was conducted by the IP Track: Engineering & Innovation team in March 2017. The main types of hazard identified were focused on: 

Piling rig/micro pile fouling unforeseen materials such as buried service or structure causing damage and/or injury 

Micro pile reduces the lateral stability of track 

Piling causing heave and/or lateral movement resulting in track geometry fault  

Plant failure during pile installation 

Page 21: A Guide to Track Bed Micro Piling v4

A Guide to Track bed Micro Piling 

Produced by IP Track: Engineering & Innovation    Page 21 of 31 

Therefore the works package plan should reflect all of the above hazards, and detail the procedure to be undertaken should any occur. These hazards can be mitigated in advance by planning the following: 

Exclusion zones, OLE isolations and ALO working  

A method of work around identified buried services 

A robust track monitoring strategy in place during micro pile installation 

Emergency speed designs completed for the site. At Brind, the site was already on a 50mph TSR due to the track geometry at the site. The project team also supplied designs for 20mph and 5mph ESR’s.  

A robust CRT management process, with the site entered onto the maintenance register as ‘ballast disturbed 8 beds or more’.  During periods of hot weather, best practice is to hold regular go/no go conference calls  

 

9. CONSTRAINTS

The following section addresses possible constraints and other considerations for micro piling works, which shall be addressed during the design and planning stages: 

9.1  UNSUITABLE SUB  GRADE‐TYPES  

Micro piles can be successfully installed in most sub‐grade soil types. An example of unsuitable 

conditions would be very deep soft sub‐grades that exceed the design length of the piles, e.g. a very 

deep peat layer 

9.2  EXISTING  GEOTEXTILES  

In some circumstances it may be necessary to install piles through an existing geotextile layer. The 

presence of existing geotextile layers should be established during the site investigation. In these 

circumstances, the track quality benefit to stiffening the sub‐grade with micro piles will far outweigh 

the disadvantages of piercing an existing geotextile. 

9.3  STRUCTURES  

Micro piles can be used to transition stiffness from stiff structures into soft ground. However the 

location of any underground structures shall be fully understood and a suitable method of 

installation selected. Depending on the piling method and condition of the structure, additional 

monitoring may have to be put in place during installation, with mitigation plans put in place. This 

shall be agreed with the asset owner. 

Overhead structures such as bridges, gantries and platform awnings must be taken into account 

when selecting the piling method and micro pile section length. Micro piling is not suitable for 

tunnels work. 

 

 

Page 22: A Guide to Track Bed Micro Piling v4

A Guide to Track bed Micro Piling 

Produced by IP Track: Engineering & Innovation    Page 22 of 31 

9.4  UNFORESEEN  GROUND  CONDITIONS 

It is likely that during the micro piling process, the piling contractor may come across isolated areas 

of ground which are harder or softer than expected, and which were not discovered during the track 

bed investigation process. 

If softer ground than expected is encountered at the design depth of the pile, it is important that the 

micro piling contractor increases the installation depth until the pile can be anchored in competent 

ground. The piling contractor should carry a reserve of pile materials for this eventuality. 

If harder ground than expected is encountered during the installation process (e.g. boulders, 

pitching layers), then consult with the piling contractor on the best way to proceed. It may be 

necessary to change piling rig equipment or pile type in this localised area.  Do not leave piles 

partially installed, and always ensure piles have been installed in pairs in a sleeper bed. Do not install 

single piles in a sleeper bed. 

9.5  BURIED  SERVICES  & DRAINAGE 

The process of managing buried services is stated in ‘Working Safely in the Vicinity of Buried Services 

(NR/L2/INI/CP1030).  

9.6  DC  CONDUCTOR  RAILS 

Third and fourth rails must be isolated prior to micro piling works. The position of any electrified rails 

(sleeper end or 4‐foot) must be taken into account during the micro pile design stage, as they can 

potentially cause obstructions to the micro piling rigs. If necessary, the third/fourth rails shall be 

removed prior to the installation of the micro piles. 

9.7  OVERHEAD  LINE  EQUIPMENT 

Overhead Line Equipment must be isolated before micro piling installation works commences. When 

selecting the pile section length and installation method, the OHLE heights and staggers shall be 

taken into account. 

9.8  ANY  LINE  OPEN 

On track plant which has the potential to foul open lines must follow the process outlined in 

NR/L2/RMVP/0200 and COP0032 Code of Practice for Any Line Open (ALO).  

The pile section length shall be taken into account when calculating fouling points. The Safe System 

of Work should recognise that staff may need to manually handle long lengths of pile materials on 

site. 

9.9  S&C  

Due to the amount of obstructions in the track bed in and around S&C, micro piling is currently out 

of scope in these areas unless micro‐piling is undertaken before the S&C is installed. 

Page 23: A Guide to Track Bed Micro Piling v4

A Guide to Track bed Micro Piling 

Produced by IP Track: Engineering & Innovation    Page 23 of 31 

10. DELIVERY

10.1  SITE  WORK  TRACKER  

The piling contractor should complete a tracker of completed piling works versus planned after every shift and submit it to the project team. This live document should contain a diagram of the site, and should clearly show which piles have been completed and which are outstanding. The tracker should also record: 

Possession start and finish times (planned vs actual) 

Piling start and finish times (planned vs actual) 

Average minutes per pile installation 

The reasons for any delay or loss in production time 

The site work tracker should be reviewed by the project manager following every shift. Conference calls should be set up at agreed regular intervals between the project team, the piling contractor and the RAM to review progress and make any necessary changes to the method of works. 

10.2  SURVEY  REQUIREMENTS  

A robust survey regime is required to monitor track movement during piling works. Movement may occur as a result of track heave and subsequent settlement. Lateral movement may also be experienced. This movement may result in track geometry faults if not properly monitored and controlled. The amount of track movement experienced will be as a result of the piling installation methodology. As a rule, more movement will be experienced where piles have been hammered or vibrated into position. Less track movement is experienced with screw piles. 

The piling Contractor must be compliant with the track survey methods specified for track (accuracy band 1 & 1A) and not civils earthworks (accuracy band 3). See NR/L2/TRK/3100 for more detail. 

The survey regime must record the following at 3m intervals, pre works and post works: 

Position of both rails (x, y, z) 

Crosslevel 

Change in crosslevel 

3m twist 

Vertical displacement 

Lateral displacement 

Track gauge 

Change in track gauge 

6 foot gauge 

Change in 6 foot gauge 

All survey measurements should be compared to the tolerances laid out for the specific linespeed in NR/L2/TRK/001 module 11. Any alert limit, intervention limit or actionable limit exceedances should be notified to the TME and project team immediately. 

Due to the risk of track heave, all piles must be installed in pairs in a sleeper bed to prevent any track 

geometry problems e.g. twist. Never install a single pile in a sleeper bed.  It is best practice to survey 

following the installation of the first 4‐6 piles on any given shift. This will provide an early indication 

Page 24: A Guide to Track Bed Micro Piling v4

A Guide to Track bed Micro Piling 

Produced by IP Track: Engineering & Innovation    Page 24 of 31 

of the amount of heave at the site. The piling rig operators may be able to alter their method if they 

are notified at an early stage that the piling is causing unacceptable amounts of track movement.  

10.3  CRITICAL  RAIL  TEMPERATURE  (CRT) 

The CRT should be managed as per NR/L2/TRK/001 module 14 Managing Track in Hot Weather and 

TRK NR/L3/TRK/3011 Management of Rail Stress and Critical Rail Temperature. 

It should be decided by the project team and the RAM/TME in the AMP planning process who will 

manage the CRT. The CRT data should be recorded in either the maintenance CRT registers or in IP 

Track’s CRT management plan. 

Micro piling has an unknown effect on lateral track stability. Until further research has been 

completed in this area, it is safe to assume that the most applicable track condition to use when 

calculating CRT is “8 Ballast generally full between sleepers and on shoulders, but not consolidated 

(8 beds or more)”. For more detail see table 5 in NR/L2/TRK/001 module 14. A TEF3028 should be 

completed following each shift. 

During periods of hot weather, regular reviews should take place for upcoming micro piling works to 

ensure that CRT is being managed effectively 

10.4  MEASUREMENT  OF  INSTALLATION  QUALITY 

The piling contractor should record the actual depth achieved by the pile, and the torque recorded on the piling rig (depending on piling method). This information should be noted and made available to the project team. 

10.5  TAMPING 

Micro piling alone will not restore the track geometry to acceptable levels. It is essential that design 

tamping is undertaken on completion of the micro piling works so the system benefits from a 

smooth running railway, reducing any localised high dynamic loading. It is recommended this is 

completed within 4‐8 weeks of the micro piling works (depending on tonnage at the site). 

10.6  PILING RIG  SAFETY  CONSIDERATIONS 

Due to the type of plant involved, appropriate exclusion zones shall be enforced around Road Rail 

Vehicles.  

The length of micro pile section installed will affect the overall height of any road rail vehicle with 

piling rig attachment. This needs to be considered in the works package plan particularly around 

overhead structures and OHLE. 

Staff will need to work in and around the piling rig attachment when installing new micro pile 

sections. This work needs to be carefully coordinated between the site supervisor, COSS and 

Machine Controller. The piling contractor shall undertake a risk assessment of this activity to ensure 

the piles are lifted onto the rig safely. If using an auger, it is best practice to use a physical guard to 

prevent trapping injuries, as seen in the figure 11 below.  

Page 25: A Guide to Track Bed Micro Piling v4

A Guide to Track bed Micro Piling 

Produced by IP Track: Engineering & Innovation    Page 25 of 31 

   

Figure 11: Piling rig attachment guard used at Brind

All buried services must be clearly identified on site. Where buried services exist, an agreed method 

of works must be established for micro piling around them. 

10.7  HANDBACK  SPEEDS 

Due to minimal changes in track geometry following piling works, speed restrictions can be kept to a 

minimum or avoided. 

Site Name Existing TSR in place Handback speed following micro piling

Gravel Hole  (West Coast Main Line) 

Yes  ‐ 80mph  80mph 

Severn Tunnel  No  75mph 

Brind Embankment  Yes ‐ 50mph  50mph 

Table 3 Examples of handback speeds

10.8  HANDBACK  DOCUMENTATION 

The piling contractor should provide the following information upon completion of each shift: 

Form G Infrastructure Conformance Certificate TEF3203 

CRT Assessment Form TEF3208 

Updated Site Work Tracker 

Pre & Post Work Track Geometry Survey 

AMP004 Staged Completion (if applicable) 

AMP013 Staged Construction Report ( if applicable) 

The piling contractor should provide the following information once the micro piling works have 

been completed: 

Form G Infrastructure Conformance Certificate TEF3203 

Final Site Work Tracker 

Page 26: A Guide to Track Bed Micro Piling v4

A Guide to Track bed Micro Piling 

Produced by IP Track: Engineering & Innovation    Page 26 of 31 

Final Track Geometry Survey 

AMP014 Construction Completion Certificate 

Completed “as built drawings” 

(All the documentation listed above is correct at the time of writing) 

10.8  CONTINUOUS  IMPROVEMENT 

One of the key areas which led to the success of the Brind micro piling works was a positive 

relationship between Network Rail and the piling contractor. As the track bed micro piling process is 

still in its trial phase, there may be instances where unforeseen events occur, which impact on 

delivery. It is therefore crucial that the project management team keep in regular contact with the 

piling contractor, and have regular reviews when problems arise.  

Lessons learnt during the development stage of micro piling at a number of sites which have 

impacted on delivery have arisen around: 

Unforeseen ground conditions, such as pitching stones 

Plant failures 

Possession delays 

Congested worksites 

S&T equipment (axle counters/treadles/level crossings) 

It is essential that the Project Manager, design team and the piling contractor work together to 

resolve such issues as and when they arise. Contingency should be built into the plan and budget to 

cover delays in production. 

Upon completion of a micro piling site, it is essential that a ‘lessons learnt’ session is held with the 

project manager, the piling contractor and members of the route team 

 

11. CASE STUDY: PRODUCTION RATES ACHIEVED AT BRIND EMBANKMENT

The table below demonstrates the micro piling production rates achieved at Brind Embankment by 

the piling contractor.  

*These rates were based on the specific site and access conditions at Brind and therefore should

not be taken as indicative rates. 

 

Mileage treated HUL1 2100 23m 880y‐990y 

Total yards 100y 

Page 27: A Guide to Track Bed Micro Piling v4

A Guide to Track bed Micro Piling 

Produced by IP Track: Engineering & Innovation    Page 27 of 31 

Piles per sleeper bed 2 

Total piles installed 290 

Average pile depth 4m 

Midweek shifts (6 hours) 10 

Weekend shifts (9 hours) 1 

Average piles installed per shift 26 

Most piles installed in single shift 34 

Average time per pile (first shift) 12min 34sec 

Average time per pile (last shift) 4min 54sec 

Table 4: Brind production outputs

 

12. DEFLECTION & TRACK QUALITY MEASURMENT RESULTS: PRE & POST MICRO

PILING

12.1  DEFLECTION 

At the micro piling trial sites delivered to date, rail and sleeper deflection measurements under live 

traffic conditions were undertaken using cameras and accelerometers. These measurements were 

taken prior to the micro‐piling works and following micro‐pile installations. Examples of the 

measurements are detailed in table 4 below: 

Site Location & Description Rail

deflection prior to piling (mm)

Rail deflection after piling (mm)

% reduction in rail

deflections

Location

6m high embankment, piles installed 

in every sleeper bay soft peaty clay 

within embankment core 

3.6  2.2  38  Brind

Embankment

(HUL1)

Page 28: A Guide to Track Bed Micro Piling v4

A Guide to Track bed Micro Piling 

Produced by IP Track: Engineering & Innovation    Page 28 of 31 

Cutting, critical velocity problem site 

with deep very soft peaty layer piles 

installed in alternative sleeper bays 

6.5  3.2  51  Gravel Hole

(WCML)

Table 5: Deflection measurements pre and post micro piling works

It should be noted that as a rule of thumb rail deflections for a good railway should be circa 2mm but 

is dependent on line speed and traffic types.   

The Gravel Hole site, delivered in 2013, is still showing slightly higher deflection than is 

recommended. This site had micro piles installed in pairs in every alternate sleeper bay. Rail 

deflection could be further improved at this site by piling in the ‘missed’ alternate sleeper bays; 

although over time the track quality has improved further due to the build‐up of residual stresses in 

the ballast layer and the arching effect within the granular layer above the micro piles. 

12.2  TRACK QUALITY  DETERIORATION  RATES 

The application of micro piles will reduce the rate of track quality deterioration rate at a given site. At the time of writing this report, sufficient track recording data is not available for the trial site at Brind.  

Below in figure 12 is a graph showing the deterioration rate at another micro piling site, Gravel Hole, delivered on the West Coast Main Line from Sep‐Nov 2013. Prior to the micro piling works, the vertical alignment (35m top) had an annual standard deviation (SD) deterioration rate of approximately 1.2 per year. Following the installation of steel micro piles in alternate sleeper bays at the site, this SD deterioration rate was decreased to 0.1 per year. This reduction in deterioration rates has removed the requirements for speed restrictions at the site, and has significantly reduced the number of maintenance interventions required. 

It is worth highlighting that micro piling alone will not restore the track geometry at a site to a good or satisfactory state. The site requires design tamping following the installation of micro piles (see section 10.5) 

 

 

Figure 12: 35M Top deterioration rates at Gravel Hole, west Coast Main Line

 

 

Page 29: A Guide to Track Bed Micro Piling v4

A Guide to Track bed Micro Piling 

Produced by IP Track: Engineering & Innovation    Page 29 of 31 

13. ASSET INFORMATION

Once the micro piling works have been completed, the project AMP documentation should be held 

by the local Civils RAM, with copies held centrally by the Track Bed Investigation team.  

Micro piles will be assets owned by the track team. Although there is no requirement to inspect or 

maintain the micro piles once installed, the asset information needs to be stored and made available 

to other project works. The micro piles are installed at a specific design depth which will prevent 

them from coming into contact with any maintenance, ballast cleaning or traditional track renewals 

activities. However there is a risk that future civils, drainage or track lowering schemes could come 

into contact with the micro piles if the information is not readily available. 

At the time of writing, work is being undertaken to add the micro piling asset information into 

Network Rails Integrated Network Model (INM) systems, and included in the National Hazard 

Directory. It is the aim of the IP Track Engineering & Innovation team that these updates will be 

completed in 2018 

 

14. CONCLUSION

Track bed micro piling offers a new and unique method for improving track stiffness and 

performance on UK railways. This technique is still in its trial phase; however it has developed 

significantly over the last 5 years with positive results on all 6 sites where micro piling has been 

undertaken.  To further improve the installation process and reduce costs, more sites installations 

are required to promote piling to a point where it becomes business as usual and the full cost and 

performance benefits are realised. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 30: A Guide to Track Bed Micro Piling v4

A Guide to Track bed Micro Piling 

Produced by IP Track: Engineering & Innovation    Page 30 of 31 

15. REFERENCES

Burrow, M., Shi, J., Wehbi, M. & Ghatoara, G., 2017. Assessing the Damaging Effects of Railway 

Dynamic Axle Loads. TRB, Volume 2607. 

NR/L2/INI/CP1030 Working Safely in the Vicinity of Buried Services (Issue 1) 

NR/L3/MTC/089 Asset Management Plan (Issue 1) 

NR/L2/TRK/001 module 11 Track Geometry – Inspections and Minimum Actions (Issue 8) 

NR/L2/TRK/001 module 14 Managing Track in Hot Weather (Issue 6) 

NR/L2/TRK/2102 Design & Construction of Track (Issue 8) 

NR/L2/TRK3011 Continuous Welded Rail (Issue 7) 

NR/L2/TRK/4239 Track bed investigation, design & installation (Issue 1) 

TEF3203 Form G Infrastructure Conformance Certificate (Issue 5) 

TEF3208 CRT Assessment Form (Issue 4) 

A Guide to Track Stiffness, Cross Industry Track Stiffness Working Group, August 2016  

 

 

   

Page 31: A Guide to Track Bed Micro Piling v4

A Guide to Track bed Micro Piling 

Produced by IP Track: Engineering & Innovation    Page 31 of 31 

APPENDIX A. BRIND EMBANKMENT RISK ASSESSMENT