Ražba tunelů pro evropské vysokorychlostní železnice Prof. Dr.-Ing. Alfred Haack, exprezident ITA Mezinárodní tunelářské asociace a výkonný ředitel a člen představenstva STUVA Výzkumné asociace pro podzemní dopravní systémy. Od 80. let minulého století prožívá osobní doprava renesanci. Zejména Francie a o něco později Německo začaly stavět a provozovat své první vysokorychlostní trati s rychlostmi v rozmezí 300-350 km/h. Později se touto cestou začaly vydávat i další evropské země, jako např. Itálie, Španělsko a Velká Británie a dokonce i alpské země s extrémně obtížnými topografickými charakteristikami. Historie moderních těžkých železničních systémů začala v Evropě pro osobní dopravu v roce 1830, kdy byla postavena trať mezi Liverpoolem a Manchesterem ve Velké Británii. Brzy poté následovaly země Evropského kontinentu, které zaváděly britský systém ve svých regionech, jako například Německo v prosinci 1835 mezi Norimberkem a Fürthem s využitím slavné Stephensonovy lokomotivy Adler ( Orel ) s aplikací britského rozchodu 1435 mm. Během následujících několika desetiletí došlo ke skutečnému boomu při výstavbě železnic. Souběžně s výstavbou železničních tratí netrvalo dlouho a bylo nutno začít stavět první tunely s aplikací historických tunelářských metod s využitím velkého množství dřevěných opěrných materiálů a kopáním v několika souběžných dílčích štolách. Vezmeme-li jako příklad Německo, tak zde byl první tunel postaven v letech 1837-1838 a měl délku 1620 metrů. V roce 1850 již bylo v provozu 21 tunelů. Tento počet se do roku 1860 zvýšil na 68 tunelů a v roce 1870 zde bylo již 138 tunelů. V průběhu nadcházejícího desetiletí bylo do roku 1880 postaveno dalších 157 tunelů o celkové délce 65 km. Průměrná délka tunelů byla relativně malá. V roce 1880 mělo přibližně 300 provozovaných železničních tunelů celkovou délku 114 km. Ocelová rytina od Carla Augusta Lebscheeho zobrazující tunel v blízkosti Erlangenu nejstarší bavorský železniční tunel postavený v roce 1842. V dnešní době potřebují moderní vysokorychlostní železniční tratě v porovnání se staršími železnicemi výrazně více tunelářských prací. Tato skutečnost je způsobena potřebou zachovat co nejpřímější a nejrovnější profil tratí, aby bylo možno zajistit provozní rychlost 300-350 km/h, a to jak z fyzikálního hlediska, tak i vzhledem k ekonomickým parametrům provozu (spotřeba energie). U některých z těchto nedávno postavených tratí je procentuální podíl tunelů vztažený k celkovým trasám 30-40 % a v extrémních případech i mnohem více. Tato skutečnost samozřejmě vede k výrazně vyšším nákladům na průzkum, který je nezbytný při stavbě těchto vysokorychlostních tratí. Nicméně různé země vynakládají tyto ohromné hospodářské prostředky, aby nahradily leteckou dopravu na krátké vzdálenosti, aby byla tato doprava atraktivní pro lidi cestující automobilem, aby došlo ke zrychlení osobní dopravy a za účelem zlepšení politicky vysoce hodnocené mobility občanů. Současně s tím těmito opatřeními přispívají k lepší ochraně životního prostředí.
TEN-T Jaques Barrot, místopředseda Evropské komise odpovídající za dopravu, jednou prohlásil, že moderní ekonomiky nemohou vytvářet bohatství a zaměstnanost bez vysoce efektivních dopravních sítí. To zvláště platí v Evropě, kde musíme pro zajištění rychlého a snadného pohybu zboží a osob mezi členskými státy budovat chybějící spojení a odstraňovat úzká hrdla v naší dopravní infrastruktuře. Transevropská dopravní síť je již z výše uvedeného důvodu jedním z klíčových prvků v opětně oživené lisabonské strategii pro konkurenceschopnost a zaměstnanost v Evropě: umožňuje uvolnit hlavní dopravní trasy a zajistit udržitelnou dopravu, včetně realizace předních technologických projektů. Skutečností je, že seznam klíčových tras obsahuje 30 prioritních os a projektů, které dohromady vytvářejí transevropskou dopravní síť (TEN-T), jež sehrává klíčovou úlohu při zajišťování volného pohybu cestujících a zboží v Evropské unii. Tato síť zahrnuje všechny druhy dopravy a zajišťuje přibližně polovinu všech pohybů nákladu a cestujících. Do roku 2020 bude TEN-T obsahovat 89 500 km silnic a 94 000 km železnic, včetně přibližně 20 000 km vysokorychlostních železnic vhodných pro rychlosti alespoň 200 km/h. Dokončení sítě do roku 2020 obnáší výstavbu tzv. chybějících spojení, čímž dojde ke zvětšení stávající silniční sítě o 4 800 km a železniční sítě o 12 500 km. Kromě toho bude provedena podstatná modernizace přibližně 3 500 km silnic a 12 300 km železničních tratí. Výše zmíněných 30 prioritních os se v převážné míře týká železničních tratí. Mezi těmito osami mají zvláště důležitý význam takové osy, jako jsou severojižní spojení Berlín-Verona/Milán-Boloňa- Neapol-Messina-Palermo, včetně brennerského základnového tunelu, nebo vysokorychlostní železniční osa ve směru Paříž-Brusel-Kolín nad Rýnem-Amsterodam-Londýn a vysokorychlostní železniční osa spojující jihozápad Evropy ve směru Salamanca/Porto-Lisabon-Madrid-Paříž/Lyon. Další významné železniční tratě v rámci systému TEN-T zahrnují železniční osu Lyon-Turín-Terst- Lublaň-Budapešť, včetně základnového tunelu Mont Cenis, hlavní trať na západním pobřeží ve Velké Británii ve směru Glasgow/Edinburgh-Liverpool-Birmingham-Londýn, železniční osu překonávající Fehrmanskou úžinu ve směru Kodaň-Fehrmanská úžina-hamburk-hannover nebo železniční osu ve směru Atény-Sofie-Budapešť-Vídeň-Praha-Norimberk/Drážďany. Některé z těchto tratí jsou již nyní ve výstavbě a jejich stavba obnáší rozsáhlé tunelářské činnosti. Nejnovější generace soupravy ICE na nové trase Kolín n/r-rýn-mohan Montáž jednoho ze dvou tunelovacích strojů (TBM) pro Katzenbergský tunel v Německu Tabulka 1: Vývoj železničních sítí v některých vybraných evropských zemích 1 (v km) Země 1850 1860 1880 1910 1950 1985 2000 Rakousko 1 357 2 927 11 434 24 881 6 048 5 797 6 281 Francie 3 083 9 528 26 189 51 188 41 429 34 600 32 515 Německo 6 044 11 633 33 838 63 062 46 866 44 879 36 652 Velká Británie 10 653 16 787 28 854 37 717 32 184 17 400 17 067 Rusko 600 1 600 24 000 76 250 123 000 143 600 141 000
Hlavní tunelářské projekty Pro modernizaci, vylepšení a zrychlení většiny důležitých evropských železničních spojení je v evropských zemích již nyní ve výstavbě nebo alespoň v projektové fázi několik delších a extrémně dlouhých železničních tunelů. Tabulka 2 uvádí v tomto ohledu určitý přehled. Tabulka 2: Některé extrémně dlouhé evropské železniční tunely ve výstavbě nebo v projekční fázi Název tunelu Země Délka Gotthardský základnový tunel CH 56 km Základnový tunel Ceneri CH 15 km Brennerský základnový tunel A/I 56 km Mont d Ambin F/I 52 km mezi Lyonem a Turínem Lötschbergský základnový tunel CH 34 km Guadarrama E 28 km mezi Madridem a Valladolidem Vaglia I 19 km mezi Boloňou a Florencií Bussoleno F/I 12 km mezi Lyonem a Turínem Spojení na Eurotunel (CTL) GB 10 km (západní část) a 7 km (východní část) mezi Eurotunelem a Londýnem Katzenberg D 9 km mezi Karlsruhe a Basilejí Groene Hart NL 7 km mezi Amsterodamem a belgickou hranicí Soumage B 6 km mezi Leidenem a německou hranicí Koralmský tunel A 33 km Téměř všechny tunely uvedené v tabulce 2 jsou navrženy jako dva paralelní jednokolejné tunely ražené s využitím tunelovacího razicího stroje (TBM). Průměr pro ražení je ve většině případů volen mezi 9 a 10 m. Extrémním příkladem je tunel Groene Hart v Nizozemsku s razicím průměrem 14,8 m, který je projektován jako dvoukolejný tunel. Předtím, než se budeme zabývat podrobnostmi u jednoho či druhé projektu, připomeňme, že obecně je možno konstatovat následující (Herrenknecht, Thewes): Během posledních 10 až 15 let byla mechanická ražba tunelů s využitím štítových strojů charakterizována zavedením velkého počtu inovací, jejichž prostřednictvím je tunelářský průmysl schopen reagovat na stále sofistikovanější terénní podmínky. Necháme-li se inspirovat olympijským heslem Citious-altius-fortius, můžeme vývoj v tunelářství popsat slovy rychlejší-většíhlubší-delší : Železniční tunel Groene Hart v Nizozemsku. Průměr tunelovacího stroje je 14,8 m. Rychlejší: došlo k podstatnému zvýšení rychlosti postupu v problematickém podloží (např. vzhledem k materiálům způsobujícím broušení či zanášení) Větší: byly zkonstruovány štítové stroje s průměry přesahujícími 15 metrů Hlubší: těžba proniká na místa až do 60 m hloubky v propustném, měkkém terénu, který přenáší podzemní vody Delší: zhruba dvě třetiny prací na 57 km dlouhém Gothardském základnovém tunelu, který je nejdelším světovým tunelem, byly provedeny převážně za použití tunelovacích strojů (TBM) Pro velký počet předních tunelářských projektů byla stanovena nová měřítka pro řídicí technologii, která je nutno aplikovat. Tato skutečnost vedla k vytvoření určitého katalogu pomocných opatření a zařízení, která je možno v případě požadavků využít, např. v případě složitého geologického nebo hydrogeologického prostředí. V důsledku toho bylo možno rozšířit oblasti aplikace pro štítové stroje a úspěšně zvládnout problematické dílčí sektory. Vývoj v tomto směru není ještě dokončen, očekávejme tedy, jak se bude stále rostoucí část objemu tunelářských prací prováděných aplikací tunelovacích strojů dále vyvíjet.
Pokrok při používání tunelovacích strojů pro ražení delších železničních tunelů bude popsán v následujícím textu prostřednictvím třech příkladů: 1. Železniční tunel Guadarrama součást vysokorychlostní železniční trasy mezi Madridem a Segoviou, Španělsko 28,4 km dlouhý tunel Guadarrama prochází nezvětralou rulou, horninou žulového typu a částečně zvětralým skalním podložím. Společnost Herrenknecht dodala dva tunelovací stroje s dvojitým štítem pro tvrdou horninu, jejichž úkolem je zajistit ražení o délce 2x14,5 km s maximálním masivem nadložních vrstev až 2000 m. Tyto dva tunelovací stroje s razicím průměrem 9,51 m jsou přizpůsobeny specifickým podmínkám projektu, např. geologickým a logistickým parametrům. Dva identické dvojité štíty se řadí mezi technicky nejsofistikovanější stroje v tunelářství, neboť dva aplikační principy, tj. štítový tunelovací stroj a svírací tunelovací stroj, jsou zde spojeny v jednom systému. Když se vstupuje do oblasti geologického zlomu, štít se přizpůsobí relativně rychle daným geologickým parametrům, aniž by došlo k jakýmkoliv větším ztrátám v rychlosti postupu, kterou je nutno akceptovat. Tato koncepce stroje podporuje bezpečnější pracovní podmínky a kontinuální ražení. 2. Lötschbergský a Gotthardský základnový tunel, Švýcarsko Celkem se pro tvorbu hlavní železniční trasy křižující Alpy mezi Německem a Itálií používají čtyři tunelovací stroje. Tyto tunelové trasy procházejí horninou s vysokou pevností v tlaku a vysoce brusným prostředím, přičemž v některých případech se vyskytují zóny s balvany na čelní straně. Pro Lötschbergský základnový tunel se používaly dva svírací tunelovací stroje o průměru 9,43 m. Frézovací hlava byla vybavena 60 sedmnáctipalcovými frézovacími válci. Štít frézovací hlavy byl zachován jako velmi krátký, aby bylo možno provést zajištění podlahy raženého tunelu v celé ploše s co nejkratším časovým odstupem a v co nejbližší vzdálenosti u frézovací hlavy. Kromě toho mohou být ocelové výztuže (trvalá nadzemní ochrana) nainstalovány bezprostředně za krátkým štítem frézovací hlavy. Zjištění provedená ve složitém geologickém prostředí během ražení dvou tunelových systémů v Lötschbergu byla zahrnuta do inovační koncepce pro 4 stroje pro pevnou horninu určené pro Gotthardský základnový tunel. Tunelovací stroj má hladkou frézovací hlavu pro nezbytné pronikání do bloků horniny přičemž držáky frézovacích válců jsou nastaveny ve vyrovnané poloze vzhledem ke struktuře frézovací hlavy. Frézovací válce jsou zakomponovány do ocelové konstrukce frézovací hlavy prostřednictvím těles s valivými dláty a mohou být vyměněny ze zadní sekce. V důsledku toho koncepce frézovací hlavy rovněž usnadňuje instalaci střešní opěry v blízkosti lícní části. Návrh strojů pro Gotthardský základnový tunel určuje nové standardy vzhledem k dosažitelným časům pro výměnu nástrojů. Přístupnost frézovacích válců byla dále optimalizována za účelem minimalizace prostorových časů pro výměnu nástrojů. Gotthardský základnový tunel ve Švýcarsku ražený za použití vysoce moderních tunelovacích strojů 3. Katzenbergský tunel, Německo Společnost Deutsche Bahn AG se nyní zabývá modernizací tzv. Rheintalbahn mezi Karlsruhe a Basilejí, v jejímž rámci má být tato dvoukolejná trasa přestavěna na spojitou čtyřkolejnou trasu. Trasa je součástí transevropské sítě (TEN), která má vysoký mezinárodní význam, a slouží jako hlavní přístupová trať ke Gotthardskému základnovému tunelu ve Švýcarsku, který je v současné době též ve výstavbě. Největší jednotlivá konstrukce na této trase je tvořena dvoutubusovým Katzenbergským tunelem s délkou 9,4 km, ze které je 9 km vytvořeno tunelovacími razicími stroji (TBM). Tento tunel je navržen tak, aby mohl být využíván vlaky s jízdními rychlostmi až 300 km/h. Maximální nadloží dosahuje 110 m. Kromě čtvrtohorních pokryvných vrstev v oblasti vstupu tunelu byly během výzkumných prací zjištěny především třetihorní sedimentární horniny, jako jsou například hlinité břidlice, jílovec a příležitostně též pískovec v různých stupních zvětralosti. Pevnost horniny je nízká. V jižním úseku tunelu bylo nutno proniknout masivními útvary jurského vápence v délce zhruba 800 m. Výplňové krasové struktury, jež nepředstavují žádné problémy z hlediska tunelářských prací, se
očekávají zejména v přechodových zónách k třetihorním sedimentům. Tunelovací stroje byly smontovány v předrazicí fázi. První stroj začal pracovat ve východním tubusu v červnu 2005. Závěr Historie železnic se začala psát v první třetině 19. století. Od posledních dvaceti až třiceti let zažívá železniční doprava určitou renesanci, která je v převážné míře charakterizována výstavbou a provozováním supermoderních vysokorychlostních tratí. Tyto nové tratě vyžadují co nejpřímější vedení s pokud možno nulovým gradientem, což je motivováno jak fyzikálním hlediskem, tak ekonomickými parametry provozu. Na základě těchto skutečností je nutno stavět velký počet tunelů na vysokorychlostních tratích, zejména tehdy, když tyto tratě křižují horské hřebeny nebo dokonce alpské řetězce. Délka těchto tunelů a někdy i extrémní nadloží jsou spojeny s nejrůznějšími problémy pro tunelářský průmysl. Veškeré úsilí vynakládané různými evropskými zeměmi významným způsobem přispívá k rychlejší a spolehlivější dopravní infrastruktuře, a tím i zajišťuje lepší podmínky pro vyšší mobilitu pro osoby i zboží v Evropském společenství. ODKAZY 1. Brockhaus Enzyklopädie, 19. vydání 1988 2. Haack, A.: Underground Construction Germany 2005 (Podzemní stavitelství v Německu 2005), vydáno v souvislosti s konferencí STUVA 2005 v Lipsku organizací STUVA Studiengesellschaft für unterirdische Verkehrsanlagen e.v., Kolín nad Rýnem a DAUB Deutscher Ausschuss für unterirdisches Bauen e.v., Kolín nad Rýnem 3. Transevropská dopravní síť: Prioritní osy a projekty TEN-T 2005: Generální ředitelství Evropské komise pro energii a dopravu, Brusel, 28. července 2005 Alfred Haack Prof. Dr.-Ing. Alfred Haack je stavební inženýr, který vystudoval Technické university v Hannoveru a v Berlíně a získal svůj doktorský titul (PhD) za výzkum v oblasti požární ochrany při tunelářských pracích v roce 1971. Již po téměř 40 let spolupracuje s organizací STUVA v nejrůznějších oblastech tunelářských prací a mikrotunelování, jako jsou například odvodňovací metody, hydroizolační systémy, různé obkladové systémy, ochrana zdraví a bezpečnost při práci, požární prevence a likvidace požáru. Od roku 1995 je členem výkonné rady STUVA a od roku 1996 je čestným profesorem stavebního inženýrství na Technické universitě v Braunschweigu. V rozmezí let 1995-2004 byl pan Haack členem výkonné rady ITA Mezinárodní tunelářské asociace, Lausanne, Švýcarsko, a v období let 1998-2001 působil jako prezident ITA. Název originálu: Tunnelling for European high-speed railways Zdroj: European Railway Review, č. 4/2006, s. 68-72 Překlad: Petr Zavadil Korektura: ODIS