zde - Pragoprojekt

Problematika tunelových portálů v sesuvných územích
K. Novosad
PRAGOPROJEKT, a.s., Praha, Česká republika
SOUHRN: Portálové části silničních a dálničních tunelů jsou zpravidla nejnáročnější části výstavby tunelů, neboť bývají realizovány v oblasti s méně či nejméně kvalitními horninami. V oblastech postižených svahovými
pohyby, ať povrchovými či s hloubkovými smykovými plochami či deformačními zónami pak najdou uplatnění
téměř všechny metody speciálního zakládání od hřebíkovaných a kotvených stěn, přes pilotové a mikropilotové
zajištění se sanacemi prostředí tryskovou injektáží po odvodňovací vrty. Portály jsou nejdéle otevřenými částmi
stavby, často s několika fázemi výstavby, vystaveny povětrnostním vlivům a zátěží dopravy stavby. Tyto okolnosti vyžadují zvýšenou pozornost návrhu zajištění portálů již v přípravných fázích projektů, ve výběru polohy
a situování portálů, tedy i při trasování silnice nebo dálnice jako takové.
1 ÚVOD
2 TUNEL PRACKOVICE - PRAŽSKÝ PORTÁL
Portálové části silničních a dálničních tunelů jsou
zpravidla nejnáročnější části výstavby tunelů, neboť
bývají realizovány v oblasti s méně, či nejméně kvalitními horninami. V oblastech postižených svahovými pohyby, ať už s povrchovými nebo hloubkovými smykovými plochami, či s deformačními
zónami, najdou uplatnění téměř všechny metody
speciálního zakládání, od hřebíkovaných a kotvených stěn, přes pilotové a mikropilotové zajištění se
sanacemi prostředí tryskovou injektáží, až po odvodňovací vrty. Portály jsou nejdéle otevřenými
částmi stavby, často s několika fázemi výstavby.
Jsou vystaveny povětrnostním vlivům a zátěži od
dopravy stavby. Tyto okolnosti vyžadují zvýšenou
pozornost návrhu zajištění portálů již v přípravných
fázích projektů, ve výběru polohy a situování portálů, tedy už při trasování silnice nebo dálnice jako takové.
Jako příklad náročného zajištění portálu pro ražené dálniční tunely uvádíme realizované řešení tunelu
Prackovice-pražský portál na stavbě D8 – 0805 Lovosice – Řehlovice, která je součástí dálničního tahu
Praha – Ústí nad Labem – státní hranice ČR/SRN.
Koridor, jímž dálnice prochází chráněnou krajinnou oblast České středohoří na svém začátku, navazuje v prostoru Lovosic na již provozovanou dálnici
D8 Praha – Lovosice. Na konci navazuje na rovněž
provozovaný úsek Řehlovice – Trmice. Celková délka stavby 0805 je 16,4 km.
Technický návrh obsahuje několik jedinečných
řešení průchodu krajinou - jako například dálniční
most Vchynice, zakrytý protihlukovým tubusem,
dálniční obloukový most přes Opárenské údolí, budovaný bez zásahu do údolí, ekomosty – krátké přesypané tunely pro přechod zvěře s naváděcí výsadbou zeleně, dvě dvojice ražených dálničních tunelů s
názvem tunel Prackovice a tunel Radejčín a řadu
dalších.
Tunel Prackovice je dálniční tunel jednosměrný,
dvoupruhový, kategorie T 9,5. Má 2 samostatné tunelové trouby o délkách 270 m (LTT) a 260 m
(PTT). Prostupuje masiv hřebene kopce Debus ve
vrcholové partii Prackovického lomu nad obcí Prackovice.
Tunelové trouby mají ražené části a na koncích
hloubené části, v definitivním stavu zasypané. Trouby tunelu Prackovice procházejí z hlediska geologické stavby území a konfigurace terénu velmi komplikovaným prostředím. Dle ČSN 73 1001 je stavba
zařazena do III. geotechnické kategorie, tj. náročná
stavba ve složitých geotechnických podmínkách.
3 INŽENÝRSKO-GEOLOGICKÁ
CHARAKTERISTIKA
Zájmové území patří do Českého středohoří, které je tvořeno komplexem menších, někdy zcela izolovaných vulkanických těles různého složení a tvaru.
Složitý reliéf vznikl za neogénní a kvartérní denudace a eroze, přičemž se výrazně uplatnily rozdíly v
odolnosti hornin. Údolí a kotliny se vytvořily v tufech nebo měkkých podložních křídových sedimentech a rozsáhlejší příkrovy podmínily vznik tabulových vrchů. Menší tělesa dala vznik kuželovitým
tvarům různého vzhledu podle charakteru horniny,
jako např. oblast čedičových lomů Prackovice a
Dobkovičky. Východní okraje vulkanického tělesa
postihují v zájmovém území svahové pohyby blokového typu a zasahují až do prostoru dálnice D 8. Labe se zde zařezávalo pod bázi vulkanického příkrovu
do měkkých křídových hornin a odnášelo zpod okrajů ker vytlačované turonské slínovce, takže se menšil sklon svahů a jednotlivé kry vulkanitů se posouvaly do údolí Labe. Během vývoje údolí se okraj
vulkanitů od řeky vzdaloval, rychlost pohybu se
zmenšovala, až dnes téměř dozněla.
1
Obrázek 1. Přehledná situace
Hloubená část obou tunelových trub v oblasti
Pražského portálu je z hlediska geologické stavby a
morfologie terénu ve velmi komplikovaném prostředí. Z petrografického hlediska je zde zastoupena
pestrá škála hornin.
Jednotlivé lávové výlevy bazaltu čediče (nebo
příbuzných horninových typů), vícenásobně střídají
sopečné vyvrženiny – pyroklastika. Zejména se jedná o sopečný popel - tuf s příměsí zrn a úlomků vyvrženin (lapilil, případně s izolovanými lávovými
kameny a balvany vyvrženými v průběhu explozí).
Sopečné tufy mají charakter úlomkovitě až kusovitě
odlučné horniny s pórovitou nebo konglomerátovou
strukturou (místy podobné škváře s obsahem pevných čedičových úlomků a kamenů). Rozložené tufy
mají z důvodů vysokého obsahu montmorillonitické
složky (od 28 % do 75 %) teoretickou schopnost
bobtnání.
nejsou významně postiženy postvulkanickou přeměnou (hydrotermálními roztoky). V případě intenzivního zvětrání mají původně velmi pevné vyvřeliny
charakter drobně úlomkovitě rozpadavé, zvětralé až
hlinitoúlomkovitě rozložené horniny. Přechod pevné
horniny v hlinitoúlomkovitě rozloženou je zde jak
pozvolný, tak velmi ostrý.
Lom Prackovice byl vytěžen před více než 15 lety. Pro rozrušování horninového masivu (pro vlastní
těžbu) zde byly prováděny také komorové odstřely,
které silně narušily stabilitu horninového prostředí.
Kromě popisované různorodosti horninového
prostředí komplikovala stavební práce výrazná členitost povrchu blízkého okolí a také staré důlní dílo
(štoly ložiskového průzkumu).
Svahy u portálu tunelů jsou z převážné části pokryté sutí. Sutě mají většinou kamenitý a místy až
balvanitý charakter, výplň je převážně hlinito-písčitá
a celkově jsou kypré. Atmosférickými srážkami a
ostatními klimatickými vlivy dochází k zřícení
úlomků skal, opadání kamenů a posouvání suťových
kuželů z okolních svahů nad budoucí dálnicí.
Obrázek 2. Pohled na Pražský portál před zahájením prací
Jak bazaltoidní horniny, tak efuziva jsou v prostoru zkoumané lokality různou měrou postiženy
zvětrávacími procesy. Uvedené horniny lze zastihnout jednak jako pevné, či velmi pevné – pokud
Obrázek 3. Pohled na Pražský portál s vyraženými tunely
2
prostředí vyplnit formou doplňujícího průzkumu
portálového úseku. V blízkosti hrany lomové etáže
byly provedeny čtyři průzkumné vrty, jejichž úkolem bylo ověřit mocnost navážky - nestabilních kamenitých a balvanitých zemin, nasypaných na čelo
lomové etáže.
Vrtání nových jádrových vrtů doprovázely problémy. Sondy s velkým úsilím pronikly ve dvou případech do hloubky 7 m; jeden vrt havaroval v
hloubce 4 m, kde došlo k zaklínění vrtného nářadí,
mezi balvany čediče.
Byla zjištěna poměrně velká porušenost skalních
výchozů, zejména ve svahu nad spodní plošinou v
místě portálu na Pražské straně tunelů. Trhliny jsou
rozevřené, strmě ukloněné a jsou většinou orientovány šikmo k ose dálnice.
Komplikované geologické poměry jsou také v celé délce zárubní zdi, která navazuje na Pražský portál na levé straně do svahu. Jedná se zejména o sopečný popel - tuf s příměsí zrn a úlomků vyvřelin.
Sopečné tufy se místy podobají škváře s obsahem
pevných čedičových úlomků a kamenů. Tedy původně velmi pevné vyvřeliny mají v dané oblasti
charakter drobně úlomkovitě rozpadavé, zvětralé až
hlinito-úlomkovitě rozložené horniny.
Před realizací výkopů a zajišťovacích prací byla v
předstihu realizována průzkumná štola v pravé opěře
levé tunelové trouby, za účelem ověření konkrétních
geologických a hydrogeologických poměrů, k ověření vhodnosti a účinnosti konstrukčních prvků použitých k zajištění ražených tunelů a v neposlední řadě k zajištění přístupu a k zahájení prací u druhého
severního „Ústeckého portálu“.
Průzkumná štola byla vybudována již v letech
2004 až 2005 jako provizorní dílo. Podrobným způsobem ověřila složité geologické podmínky a stanovila vlastnosti horninového masivu, včetně reakce na
ražbu.
Vzhledem k tomu, že realizace úvodního úseku
průzkumné štoly pražského portálu byla pro
komplikace se stabilitou zemin v čele lomové etáže
vynechána, považoval zhotovitel tunelového díla za
důležité, zbývající mezeru ve znalosti geologického
Obrázek 4. Pohled na Ústecký portál s vyraženými tunely
Vrtný průzkum byl proto doplněn geofyzikální nepřímou průzkumnou metodou - mělkou refrakční
seismikou.
Obrázek 5. Pražský portál s opěrným horninovým klínem a stabilizačním blokem-podélný řez
3
Tuto interakci tahových prvků - hřebů s armovaným prostředím horninového masivu nebylo možno
spolehlivě zajistit bez ověření charakteru rozložených poloh, resp. bez jejich případné sanace.
Sanace se prováděly formou zpevnění prostředí
tryskovou injektáží po celé aktivní délce jednotlivých hřebů. Teprve do takto sanovaného prostředí
byly prováděny vlastní vrty, osazovány hřeby a aktivovány cementovou zálivkou.
S ohledem na složitou a nepravidelnou strukturu
masivu bylo možno zprvu rozsah vrtů sanovaných
tryskovou injektáží pouze odhadnout. Přesnější rozsah byl stanoven teprve poté, kdy byly známy výsledky a vyhodnocení aplikace hřebů ze zkušebního
pole. Dle vyhodnocených zkoušek vrtání, zálivky,
aktivace hřebů a výsledků tahových zkoušek, provedených nezávislou akreditovanou zkušebnou, byl dále stanoven rozsah v dalších dílčích etapách a byl
postupně upřesňován.
Výsledkem doplňujícího IG průzkumu úseku
pražského portálu bylo nové, konkrétnější prostorové vymezení geologických struktur vulkanoklastického komplexu.
Strukturní schéma úseku ražby za portálem se
vyznačovalo střídáním subvertikálně orientovaných
těles pevnějších bloků horniny (hrubozrnných aglomerátových tufů) nebo méně zvětralých (alterovaných) bazaltových žil s polohami omezeně pevného,
až hlinitoúlomkovitě rozloženého tufu. Nestejnorodé
prostředí bylo při zajišťování portálu příčnou komplikací při vrtání a fixaci kotevních prvků. Podstatně
hlubší byl rovněž dosah lokálního rozvolnění, než
jaký udávala dokumentace průzkumné štoly. Blokovitě odlučná, pevnější tělesa komplikovala pozdější
ražbu „vyjížděním“ ze stropu a z čela výrubu.
Vzhledem ke všem těmto skutečnostem byla věnována mimořádná pozornost zajištění svahů portálu
(definitivních i dočasných), aby nemohlo dojít během stavby i po stavbě k aktivaci starých nebo nových místních sesuvů.
4 TECHNICKÉ PROVEDENÍ
ZABEZPEČOVACÍCH PRACÍ
Rozsah výkopů a zajišťovacích prací pro Pražský
portál je zhruba od km 58,280 do km 58,370 (staničení trasy dálnice). Hloubený pravý tunel zde bude
dlouhý cca 90,0 m a levý hloubený tunel cca 87,0 m.
Výkopy a plochy před jižním Pražským raženým
portálem tunelů musely zajistit prostor pro vlastní
hloubené tunely, zařízení staveniště, dopravu rubaniny z tunelů a zavážení materiálu do tunelů. Výkopy a zajištění svahů bočních i čelního (portálového)
byly postupné a shodné s etážemi zajišťovacích prací.
Při postupném odtěžování materiálu bylo použito
jako základní technologie zajišťování ocelovými tyčovými kotvami SN - zemní hřeby. Ty tvořily dva
profily betonářské oceli průměru 25 mm, kvality BSt
500 S.
Technologie přispěla k zajištění stability zemního
nebo horninového tělesa dvěma základními faktory.
Zálivka kromě propojení hřebů s okolím současně
vyplnila i systém puklin, či dutin v okolí vrtu a
zpevnila tak okolí vrtu. Vlastní táhla hřebů pak
umožnila přenos sil od povrchových oblastí do
vnitřních oblastí zajišťovaného svahu, tj. do míst s
příznivější napjatostí. Jde o vyztužení masivu (poloskalní horniny) pruty armovací výztuže, která je
prostřednictvím cementové zálivky propojena s okolím v celé své délce. Silové namáhání hřebů plyne ze
změn napjatosti vlivem odtěžení horniny v oblasti
kolem líce. Hřeby jsou pak v této části namáhány tahy, přičemž zmenšují deformace a pokles napjatosti.
Tahy jsou přenášeny do hlubších částí masivu, kde
je již vliv odtěžení malý.
Obrázek 6. Pražský portál s opěrným horninovým klínem a stabilizačním blokem
Zajištění armovaného svahu portálu bylo dále doplněno pramencovými kotvami z předpínané oceli
ve třech úrovních přes ocelové převázky. Kotvy byly
v délce 26, 24 a 18 m, třípramencové, předpínané na
300 kN s kořenovou částí délky 9 m. Převázky byly
ze štětovnic Larssen III-n, délky 7 resp. 3,5 m pro
tři, resp. dvě kotvy. Kontakt převázek se zajištěnou
portálovou stěnou ze SB byl zajištěn po osazení převázek obetonováním, rovněž z SB. Kotvy situované
nad obrysem budoucích tunelů byly směrově odkloněny, aby nezasahovaly do profilu tunelů.
Postup armování horniny a stříkaní betonu na povrchu probíhal postupně shora, v koordinaci s výkopovými pracemi.
Pro návrhy sklonů a rozměrů zajišťovacích prvků
byl volen portál v km 58,367 (staničení osy dálnice),
kde celkový rozdíl výšek činí až asi 25 m.
Sklon stěny portálu kolmé na osu tunelů byl členěn do 3 typů: ve spodní části je sklon 2,5:1 (tj. 68
stupňů). Strmější sklon je tu výhodnější pro nasazení
ražby. Nad úrovní tunelů je volen sklon mírnější, a
4
tím 300 kN, délky 28 m s kořenem délky 9 m. Odklon od vodorovné byl 20o. Půdorysně kotvy tvoří
vějíř v rozteči na věnci 2,6 m. Po realizaci tohoto
horního věnce a jeho aktivaci pokračovalo zajištění
portálové stěny do nižších etáží s postupným odtěžováním pomocného zásypu.
Pro zajištění boků obou ražených tunelů Pražského portálu v úvodní části portálové stěny byla
provedena sanace (zpevnění boků) mikropilotovými vějíři po stranách tunelu ze dvou trojic MP
114/12,5, realizovaných při zajišťovacích pracích
portálu z druhé pracovní úrovně na kótě 326,30 m
n. m.
Během realizace všech těchto zajišťovacích prací
probíhal současně s nimi geotechnický monitoring,
který, prováděla společnost „AZ Consult“, a který
sledoval velikost a vývoj deformací portálové stěny
3D geodetickým měřením vybraných bodů. Zároveň
byla sledována odezva v hlubších partiích masivu
inklinometrickým a extenzometrickým sledováním.
Vytipovaná zhlaví předepjatých kotev byla osazena
dynamometry pro sledování vývoje a velikosti změn
v předpětí.
Výsledky měření byly pravidelně předkládány a
vyhodnocovány na schůzkách Rady geotechnického
monitoringu a v případě potřeby byla přijímána rozhodnutí o nutných opatřeních, či byl stanovován další postup prací.
Měření ukázala poměrně výraznou reakci na postupující práce zejména velikostí a vývojem deformací vlastní portálové stěny. K největším pohybům
došlo na hraně koruny portálu, na horní ploše za touto hranou a pak zejména na ploše svahu portálu
uprostřed mezi tunely, a to velikosti až 80 mm. Deformace potvrzovaly i inklinometrická a extenzometrická měření a nárůst předpětí pramencových kotev.
Poklesy byly nejvýraznější nad portálem a pak horizontální deformace - vytlačování stěny portálu do
jámy uprostřed nad tunely, u kterých byla zahájena
ražba.
Deformace byly reakcí na postupné odtěžování a
zajišťování portálu, ale také poměrně výrazně na
ražbu vlastních tunelů v jejich úvodní portálové časti
a na dílčí etapy členění výrubů.
sice 1,75:1 (tj. asi 60 stupňů) a nejvýše je sklon
1,25:1, volen s ohledem na zcela rozvolněný charakter horniny (tj. asi 50o). Portálová stěna byla odlehčena dvěma lavičkami šířky 1,5 m.
Hustota a délka armování vyšla z výpočtů. Plošné
členění bylo navrženo v síti 1,8x1,8 až 2,0x2,0 m.
Délka hřebů byla odstupňována od 8 m při patě, do
12 m při koruně svahu. Délky byly stanoveny pomocí fiktivní smykové plochy (pukliny), jež dávala největší aktivní síly. Za tuto plochu byly hřeby zataženy min. 5 m, přičemž bylo zohledněno využití délek
hřebů.
Povrch armovaného svahu byl zajištěn stříkaným
betonem C16/20-X0 tl.20 cm, který byl armován
dvojitou sítí "KARI" prof. 6 mm, s oky 10x10 cm.
V rámci prací stabilizujících odtěžovaný svah byla provedena zesilující konstrukce pro usnadnění
ražby tunelů - ochranný deštník z mikropilot
114/12,5 mm délky 20 m nad obrysem budoucích
tunelů.
Aby nedocházelo k padání kamenů do výkopů z
úžlabí s nestabilní části suťového kužele při a nad
pravou stranou výkopů, bylo v této části úžlabí, kde
vyznívá plošina nad portálem v úrovni cca 340 m n.
m. provedeno posílení zajištění železobetonovým
kotveným věncem šířky 60 cm, výšky 90 cm v délce
cca 26 m s mikropilotovou stěnou.
Tvar věnce nepravidelným obloukem kopíruje
vrstevnici zhruba na úrovni cca 340 m n. m. V předstihu před realizací věnce byl seshora proveden částečný zásyp úžlabí tak, aby byla vytvořena dostatečně široká plošina (cca 6 m) pro provedení
mikropilotové stěny z MP 114/12,5 mm, délky 10 m,
po 90 cm v ose budoucího železobetonového věnce.
MP byly vždy střídavě svislé a odkloněné směrem
do masivu pod 30°. Horní část MP vyčnívá cca 90
cm nad korunu věnce a slouží jako zábrana proti sesouvání kamenů. Na vyčnívající MP jsou navařeny
tyče armovací výztuže se záchytným plotem z Kari
sítí do výšky cca 1,5 m. Počet MP je 28 kusů. Po zabetonování MP do železobetonového věnce byl věnec za rubem důkladně obetonovaný pro zajištění
kontaktu se svahem a byl za ním proveden odvodňovací žlab ze stříkaného betonu. Přes předem osazené průchodky byl na závěr železobetonový věnec
přikotven osmi třípramencovými kotvami s předpě-
5
Obrázek 7. Rozvinutý pohled na zajištění Pražského portálu
Koncem roku 2008 byl vývoj deformací postupně
klesající avšak setrvalý. Aby bylo zajištěno ustálení
deformací, bylo přikročeno k dodatečnému posílení
stability paty svahu portálu mezi tunely přibetonováním stabilizačního bloku mezi tunely na opěrný
horninový klín. V patě stabilizačního bloku byly v
předstihu realizovány šikmé mikropilotové bárky.
Toto opatření po vyhodnocení měření výrazně
přispělo k ustálení deformací, i když se tyto projevovaly i nadále v podstatně menší míře jako reakce
na další postup ražeb a na změny v klimatických
poměrech.
Dnes jsou dokončeny ražby obou tunelových
trub, probíhá betonáž hloubených tunelů a následují
definitivní zásypy.
Zajištění Ústeckého portálu na opačné straně tunelů bylo provedeno s použitím shodné technologie
jako na pražském portále. Přesto že zde byly velmi
stísněné prostorové poměry a přístup k zajišťovacím
pracím byl po jistou dobu pouze malým profilem
průzkumné štoly, bylo zajištění portálu provedeno
bez komplikací. Ústecký portál byl podstatně menší
a prakticky shodné horniny nebyly tak silně postiženy alterací a lomovou činností v minulosti. Minimalizace rozlohy a zajištění portálu byla také umožněno schopností zhotovitele provést prorážku pravého
tunelu prakticky s nulovým nadložím.
LITERATURA:
PRAGOPROJEKT, a.s., TUBES spol. s.r.o., 2008-2009, Realizační dokumentace stavby
6