Zesílení obezdívky konstrukce primárního kolektoru tunelu v důsledku interakce s novou podzemní konstrukcí

Transkript

1 Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavební Studentská vědecká a odborná činnost Akademický rok 2005/2006 Zesílení obezdívky konstrukce primárního kolektoru tunelu v důsledku interakce s novou podzemní konstrukcí Jméno a příjmení studenta : Otakar Krásný Ročník, obor : 5-K Vedoucí práce : Doc. Ing. Vladislav Horák, CSc. Ústav : Geotechniky - 0 -

2 Primární kolektor Malinovského náměstí v Brně úsek pod CD Palace Lokalita v blízkosti protnutí ulic Benešova a Koliště poblíž železničního uzlu Nádraží Brno má velice vhodnou polohu. Leží v těsné blízkosti samotného centra města a probíhají okolo ní pro návštěvníky města nejdůležitější dopravní tahy. Z pohledu životního prostředí a estetického hlediska není okolí ani samotná lokalita zdaleka v pořádku. Potřeba určitého zklidnění a umožnění navrácení života je patrná. Dlouho nevyužívané odstavné depo ve výše zmiňované lokalitě má být v následujících letech odstraněno a místo něho zde bude realizována stavba nové multifunkční budovy. V minulosti byly lidé v této oblasti zatěžováni častými výkopy z důvodu pokládání nové a nebo rekonstruování staré rozvodné elektrické sítě, kanalizace, plynovodů a vodovodů. Proto se v 70. a 80. letech minulého století započal velice potřebný projekt výstavby primárních a sekundárních kolektorů v okolí městského centra. Tím se většina důležitých inženýrských sítí soustředila do těchto podzemních objektů a již není k jejich údržbě žádných výkopů. V současné době se ve většině velkých měst celého světa stává samozřejmostí, že při řešení stavby musí být velice pečlivě zvážen výskyt podzemních děl v podzákladí, vzhledem k tomu, že využití podzemí je velmi vysoké. Pod jihovýchodním rohem nově plánované vícepodlažní stavby však prochází primární kolektor Malinovského náměstí. Dochází tak ke klasickému střetu. V patě podzemních stěn a pod o čtyři metry výše situovanou základovou deskou objektu bylo stanoveno zatížení od horní stavby značné velikosti. Po studiu podélných řezů a půdorysu bylo určeno, že základová konstrukce bude končit pouhých pět metrů nad rubem záklenku kolektoru. Je jasné, že takto malá vrstva jílů není schopná byť částečně přenést podstatnější část zatížení od podzemního díla a že tedy dojde k značnému přitížení, se kterým se při dimenzování obezdívky kolektoru rozhodně nepočítalo. Vznikla tedy otázka, zda dojde k podstatnému statickému ovlivnění tunelové trouby, které bude muset být vyřešeno zesílením obezdívky v liniové délce odpovídající dosahu zatížení od projektované stavby v nadloží

3 BRNĚNSKÉ KOLEKTORY Definice Kolektor: podzemní objekt v němž jsou uložena vedení technického vybavení obytného území Technická chodba: úsek kolektoru, procházející podzemním podlažím budovy, prostorově od něho oddělený a stavebně související s konstrukcí budovy Technická galerie: komplexní uzel pro společné vedení, umožňující bezstykové odbočení nebo křížení jednotlivých druhů podzemních vedení v jediném podzemním objektu Vedení technického vybavení: je podzemní vedení, umožňující zásobování vodou a energiemi, přenos informací, jakož i zabezpečení proti škodlivým účinkům přírody a činnosti lidí Zahájení výstavby brněnských kolektorů se vztahuje k rokům 1972 a 1973, tedy do období, kdy byla vydána ČSN Kolektory pro sdružené trasy městských podzemních vedení a shodou okolností byla také založena Dopravně inženýrská organizace města Brna. Jejím hlavním posláním byl výkon investorské činnosti pro zajištění chodu dopravního systému a k tomu příslušející odborná vědecko-technická a koncepční činnost. Cílem bylo podstatné zvýšení objemu prací ve výstavbě a obnově komunikací. Velký problém z hlediska technického, časového i ekonomického vyvstal v koordinaci dopravních staveb s rozvody inženýrských sítí. Byly provedeny průzkumy, které ukázaly, že sítě jsou vedeny v naprosté většině v souběhu s komunikacemi a že v každé komunikaci na území města je uloženo průměrně - 2 -

4 sedm kabelů, kanalizace a tři trubní rozvody. V hlavních dopravních trasách,kde jsou vedeny také primární inženýrské sítě, je trojnásobná hustota oproti průměru. Dále bylo zjištěno, že při dané šířce komunikací nelze často dodržet bezpečnostní vzdálenosti předepsané ČSN Prostorová úprava vedení technického vybavení, nehledě k potřebné prostorové rezervě. Zkušenosti z velkých oprav komunikací tyto průzkumy potvrdily. Náklady na přeložky inženýrských sítí vyvolané úpravou komunikace v centru města, technickým stavem inženýrské sítě nebo odstraněním vedení mimo provoz, případně prostorovou úpravou, představovaly a stále představují cca. 15% až 25% celkových nákladů na rekonstrukci komunikace a práce na sítích trvají více než polovinu doby výstavby komunikace. Dopad těchto skutečností byl tak citelný, že se muselo začít uvažovat nad vztahem inženýrských sítí k podzemním stavbám. Na rozdíl od jiných měst se v Brně začalo nejprve s výstavbou kolektorů ražených, hlubinných, primárních. Rozhodující impuls k jejich vzniku daly problémy s přeložkami a obnovou inženýrských sítí při přípravě rekonstrukce křižovatky Dornych Křenová Koliště. Zde byla v roce 1973 zahájena výstavba ve spolupráci s dodavatelem Podzemní inženýrské stavby Zbraslav (pozdější název Výstavba dolů uranového průmyslu k.p. Praha, nyní Subterra a.s.), závod Tišnov a ve spolupráci s projektantem Interprojekt Praha, závod Brno. Souběžně byl v roce 1974 zpracován Generel kolektorů města Brna, který započatou výstavbu začlenil do širšího rámce rozvoje a obnovy města Brna. Generel se opíral zejména o podklady koncepcí, technického stavu a rozvoje technických sítí získané od příslušných správců a navrhoval trasy kolektorů tak, aby vyhovovaly prognózám o vývoji města. Návrh však nebyl reálný. Délka tras činila v podstatě nereálných 86 kilometrů a náklady byly vyčísleny v miliardách Kčs. Tak rozsáhlou kolektorovou síť nebylo také možno realizovat pouze jako primární, bez dořešení připojení odběratelů, což generel skutečně téměř vůbec neřešil a toto nebylo v té době známo ani z jiných projektů. Byla proto v roce 1978 zpracována studie souboru staveb, určující dva základní okruhy primárních kolektorů s výhledovými směry, v celkové délce 12 km a s investičním nákladem 1,1 miliardy Kčs (samozřejmě jde o miliardu z roku 1978! ). Studie určila také reálný postup výstavby s ohledem na finanční a kapacitní možnosti. Tak vzniknul na svou dobu zcela ojedinělý návrh kolektorového systému, pojatého komplexně, jako nový technický a urbanistický prvek městského centra Brna

5 Z uvedeného vyplývá podstata vzniku Brněnské kolektorové sítě, a to je, že nevznikla uceleným urbanistickým návrhem, ale postupně, na základě řešení vztahu dopravních staveb a inženýrských sítí investorem dopravních staveb. Tento přístup je vysvětlitelný, protože v té době nebyly žádné zkušenosti s podobným projektem. Postupně pak byly primární kolektory v duchu této studie zapracovány do územních generelů městských funkcí a do dalších územně plánovacích o koncepčních dokumentů. Z příčného řezu uspořádání vedených inženýrských sítí v primárním kolektoru je patrné, že všechny prostory kolektoru jsou navrženy tak, aby se jednotlivé druhy vedení daly montovat a demontovat v libovolném pořadí, bez omezení provozu ostatních sítí. Montáž sítí se provádí většinou až po zprovoznění příslušného úseku kolektoru se základním vybavením, včetně provozní budovy a po zahájení činnosti správce kolektoru. Správu jednotlivých sítí provádějí jednotlivý správci, podle svých provozních řádů, které musí vyhovovat základnímu provoznímu řádu kolektorů. Po stránce investorské byly primární kolektory realizovány formou sdružených investic v rámci velkých oprav komunikací. Finanční prostředky sdružovali správci inženýrských sítí, národní výbor a větší podniky nacházející se v blízkosti kolektoru. Provoz byl hrazen z prostředků NIMB. V devadesátých letech minulého století klesl zájem správců jednotlivých sítí financovat provoz kolektorů, finanční prostředky stačily na dokončení primárních kolektorů Cejl a Malinovského náměstí, čímž byl uzavřena výstavba kolektorového okruhu směrem do průmyslové části města. Sekundární kolektory na území města Brna se dají jednoznačně rozdělit na kolektory budované v nové zástavbě sídlišť a na kolektory realizované ve stávající historické zástavbě města. Samostatné pojednání si zaslouží kolektory ve stávající zástavbě, které jsou v současné době nejobtížnější kolektorářskou disciplinou. Mohou být ražené i hloubené. Jejich návrh musí být výsledkem všech dostupných variant řešení a musí vycházet z generelů městských funkcí včetně infrastruktury, protože kolektor není cílem, ale prostředkem pro efektivní údržbu a rozvoj města. Koncepční příprava těchto kolektorů byla zahájena začátkem 80. let minulého století. V první fázi byl vytvořen vnitroblokový způsob rozvodů inženýrských sítí a výstupními šachtami uvnitř domovních bloků, který by problematiku inženýrských sítí oddělil od městské dopravy. Tento systém nebyl schválen, protože jeho realizace - 4 -

6 jako celku, pro celé historické jádro města, má řadu úskalí. V jednotlivých případech lze použít, ovšem bez efektu vyloučení inženýrský sítí z okolních komunikací. Následně bylo přikročeno ke zkoumání dalších variant, podle vzoru kolektoru v Celené ulici v Praze, ale již s ucelenou představou vytvořit jednolitý systém sekundárních kolektorů pod celým městským centrem Brna. STAVBA CD PALACE Popis plánovaného projektu CD Palace bude přirozeným vstupním bodem pro všechny, kteří chtějí v klidu a pohodě přijet vlastním vozem do centra města, zaparkovat v podzemí paláce (782 parkovacích míst v podzemních garážích a m 2 skladovacích ploch), nakoupit, nebo projednat svou záležitost a zase stejným způsobem centrum Brna opustit

7 Lokalita a parametry Centrum města Brna, v prostoru mezi ulicemi Koliště a Benešova. Dobrá dopravní dostupnost: automobilem - prostřednictvím mimoúrovňové křižovatky na ulici Koliště; městskou hromadnou dopravou - z přestupního uzlu tramvaje Malinovského náměstí; pro pěší - objekt bezprostředně přiléhá k městskému centru. Celková výměra: m 2 podlahové plochy, z toho kanceláře m 2 obchody,plochy pro volný čas m 2 byty m 2 sklady m 2 parkovacích míst 782 Inženýrský pohled na objekt Z inženýrského úhlu pohledu a ve vztahu ke kolektoru Malinovského náměsí je objekt důležitý hlavně způsobem založení. Jedná se o vícepodlažní budovu, jak v nadzemí, tak v podzemí. Z toho vyplývají vysoké nároky na technologii provádění stavební jámy. V oblasti se také vyskytují zvodnělé horizonty v kvartérních fluviálních sedimentech, takže by mohlo docházet k náhlým přítokům do otevřeného výkopu. Je jenom logické, že pro založení objektu a pro vytvoření stavební jámy byla navržena metoda podzemních stěn. Ty budou končit v přibližné hloubce 20 metrů pod úrovní ulice Benešova. Budou zakončeny v nepropustném prostředí neogenních vápnitých jílů, takže by nemělo docházet k větším přítokům vody do prostoru stavební jámy

8 Inženýrskogeologické poměry Povrch terénu celého zájmového území je pokrýván vrstvou navážek. V největší mocnosti byly navrtány sondou JM 4 v severním cípu areálu, v ostatních sondách činila jejich mocnost 5,3 až 6,5 m. Nejčastěji mají charakter hlinitého písku či písčité hlíny s úlomky stavebních materiálů (cihelné zdivo, keramika, sklo dřevo). Složení navážek zřejmě umožňuje snadnou infiltraci povrchových vod a v příhodných místech vytváření lokálních zavěšených zvodní v sondě HV 11 byl takový zvodnělý horizont navrtán v hloubce 1,1 až 1,4 m. Navážky spočívají v nadloží akumulace fluviálních sedimentů. Svrchní patro této akumulace je tvořeno převážně hlinitými uloženinami, hlubší štěrkovitými či písčitými. Plošné rozšíření vykazují šedočerné až hnědočerné hlíny jílovité, proměnlivě prachovité i písčité, často s příměsí štěrkových zrn i úlomky hornin. Občas lze rozeznat i zbytky rostlinných pletiv a kusy zuhelnatělé hmoty. Přítomnost drobných, vodou ohlazených a snadno rozpadavých úlomků cihel v nejvyšších partiích této akumulace svědčí o výskytu nejmladších povodňových sedimentů. Pouze sondou HV 12 byla navrtána v nadloží těchto tmavých hlín vrstva prachovité, velmi jemně písčité hlíny žlutohnědé, černě žíhané a místy rezavě skvrnité. Hlinité sedimenty v celé akumulaci mají převážně tuhou, místy měkkou konzistenci. Jejich mocnost je poměrně stálá v rozmezí 3,4 až 5,5 m. Spodní patro fluviální akumulace je zastupováno převážně písčitými štěrky s příměsí jemnozrnné zeminy. Polozaoblená štěrková zrna do velikosti cca 12 cm jsou tvořena nejčastěji křemenem a granitoidy. Sondou PM 5 byl zastižen jemnější sediment, světle hnědý písek se štěrkovými zrny do velikosti 2 cm. Zdá se, že směrem k severu mocnost štěrkopísčité vrstvy klesá. V sondě byla navrtána jen 0,5 m mocná poloha silně zajílovaného štěrku a v sondě JM 4 nebyla zjištěna vůbec. V sondách HV 12 a PM 5 dosahuje mocnosti 3,4 respektive 3,0 m. Tato skutečnost dokumentuje variabilitu úložných poměrů v nivě Ponávky. Povrch neogénu je mírně zvlněný, v sondách zjištěný v hloubce 9,5 až 15,0 m, tj. na úrovni 192,0 až 197,3 m n.m. Je zde zastoupen spodnobadenskými vápnitými jíly. Obsahují značný podíl prachovité frakce. Jsou kompaktní, nevrstevnaté, nerozpukané, s miskovitým odlomem. Mají zelenošedou barvu a pevnou konzistenci

9 Fyzikálně - mechanické vlastnosti zemin a hornin Navážky Značně pestrá skladba. Středně ulehlé. Tab.1 Fyzikálně mechanické vlastnosti navážek objemová tíha zeminy γ [kn/m 3 ] 19 Jílovité hlíny Tab.2 Fyzikálně mechanické vlastnosti jílovitých hlín Klasifikace dle ČSN F8 CH Konzistence tuhá měkká objemová tíha zeminy γ [kn/m 3 ] modul přetvárnosti E def [MPa] 4 2 Poissonovo číslo ν [1] 0,42 0,42 pevnostní parametry; totální soudržnost c u [kpa] totální úhel vnitřního tření ϕ u [- o ] 0 0 efektivní soudržnost c ef [kpa] 8 4 efektivní úhel vnitřního tření ϕ ef [- o ] Třída těžitelnosti dle ČSN

10 Písčité štěrky Tab.3 Fyzikálně mechanické vlastnosti písčitých štěrků Klasifikace dle ČSN G3 G-F objemová tíha zeminy γ [kn/m 3 ] 19 modul přetvárnosti E def [MPa] 90 Poissonovo číslo ν [1] 0,25 pevnostní parametry efektivní soudržnost c ef [kpa] 0 efektivní úhel vnitřního tření ϕ ef [o] 35 Třída těžitelnosti dle ČSN Neogénní prachovité jíly Tab.4 Fyzikálně mechanické vlastnosti prachovitých jílů Klasifikace dle ČSN F8 CV Konzistence tuhá pevná, Sr > 0,8 objemová tíha zeminy γ [kn/m 3 ] modul přetvárnosti E def [MPa] Poissonovo číslo ν [1] 0,42 0,42 pevnostní parametry totální soudržnost c u [kpa] totální úhel vnitřního tření ϕ u [- o ] 0 8 efektivní soudržnost c ef [kpa] efektivní úhel vnitřního tření ϕ ef [- o ]

11 Měření Schmidtovým tvrdoměrem č. měření hodnota odrazu pevnost betonu prům. 38,4 MPa [kg/cm2] MPa Brno, primárn rní kolektor

12 Matematické modelování Výpočet vnitřních sil a deformací byl proveden programem Plaxis 8.1. Vytvořeno 7 fází vystihujících postupný vznik kolektoru a předpokládaný postup vytvoření zesilující obezdívky a budování stavby CD-Palace. Použit plastický výpočet a konsolidace s vyrovnáním pórových tlaků. Jednotlivé výpočtové fáze 1. Výrub profilu kolektoru ΣMstage=0,5 2. Vložení ostění 3. Konsolidace 4. Volžení nové zesilující obezdívky 5. Přitížení novou stavbou (200 kpa) 6. Konsolidace První tři fáze výpočtu reprezentují někdejší budování kolektoru.reálnost jejich výsledků, která se dala ověřit v porovnání se získanými výsledky měření přímo ze stavby inkriminovaného úseku kolektoru, byla předpokladem pro vytvoření dalších výpočtových kroků, které představují zesílení kolektoru a jeho přitížení novou stavbou

13 Současný stav Napětí v obezdívce

14 Deformace v okolívýrubu Celkové deformace po obvodu výrubu Extrémníhodnota 22,14*10-3 m (fáze: 5)

15 Normálové síly na prutu Extrémníhodnota -1,01*10 3 kn/m (Fáze: 5) Smykovésíly na prutu Extrémníhodnota 677,10 kn/m (Fáze: 5)

16 Ohybové momenty na prutu Extrémní hodnota 808,89 knm/m (Fáze: 5)

17 Deformace v okolí výrubu

18 Obálka normálových sil na prutu Extrémníhodnota -1,50*10 3 kn/m (Fáze: 7) Obálka smykových sil na prutu Extrémní hodnota 982,42 kn/m (Fáze: 7) s

19 Obálka ohybových momentů na prutu Extrémníhodnota 808,89 kn/m/m (Fáze: 7) Total displacements in beam Extremevalue 143,25*10-3 m (phase: 7)

20 Model podélného směru Vytvořeno pro určení délky kolektoru ovlivněného podzemními stěnami. Model vychází z geologických profilů po délce trasy kolektoru. Úsek, který bude nutno zesílit stanoven na délku 66,4 m, tj. mezi km 0, až km 0, od vstupní šachty UŠ1. Návrh nové zesilující obezdívky Uvažovány dvě varianty: 1. Příhradové oblouky, Kari-sítě, stříkaný beton 150 mm, v počvě zabetonované válcované profily 2. Subtilnější příhradové oblouky, Kari sítě, stříkaný drátkobeton 100mm, v počvě zabetonované válcované profily Posouzení dle EC

21 Použitá literatura Geotest Brno: Stavba CD CENTRUM závěrečná zpráva, červen 2002 Doc. Ing. Horák Vladislav CSc.: Brno- kolektor Gottwaldova II šachta 15A,geotechnický sled-1987 Kolektory pro sdružené trasy městských inženýrských sítí: sborník příspěvků, Brno 1990 Brno a geologie: sborník přednášek, Brno 1982 F. Klepsatel, P. Kusý, L. Mařík: Výstavba tunelů ve skalních horninách, Bratislava