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 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. 1 2 TUNEL PRACKOVICE - PRAŽSKÝ PORTÁL 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.
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 2 Obrázek 3. Pohled na Pražský portál s vyraženými tunely
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 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. 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
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. 4 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. 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
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 předpětím 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. 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