56 Štětovnice se vyrábějí v profilech různé velikosti i tloušťky, z čehož rezultují odpovídající hodnoty průřezových veličin, potřebných pro dimenzování štětové stěny. Únosnost štětové stěny je možné zvýšit přivařením ocelových plechů či válcovaných profilů do oblasti maximálních ohybových momentů, stanovených statickým výpočtem. Štětové stěny se mohou použít jako pažení stavebních jam, jejichž dno leží pod hladinou podzemní vody, protože vytvořené pažení je díky rychlému zanesení zámků štětovnic rezem a částicemi zeminy téměř nepropustné (obr. 68). Obr. 68 Jáma s boky zapaženými štětovými stěnami a se souvislou pilotovou stěnou v čele 5.1.3 Pilotové stěny Pažící pilotová stěna tvořena řadou pravidelně rozmístěných pilot, podepřených po výšce víceúrovňovým systémem podpor, nejčastěji kotev s převázkami. Jednotlivé piloty ve stěně jsou zhotovovány na místě, mají větší průměry (obvykle min 600 mm, menší průměry 350 až 450 mm se používají při vrtání pažících stěn v blízkosti stávajících objektů). Podle charakteru horninového prostředí a statických požadavků vytvářejí piloty stěnu, v níž jsou mezi jednotlivými pilotami různé odstupy (obr. 69): - Piloty se nedotýkají nesouvislé pilotové stěny, - piloty se dotýkají souvislé, tzv. tangenciální stěny, - piloty se překrývají převrtávané stěny.
57 Obr. 69 Typy pilotových stěn a) nesouvislá stěna; b) souvislá (tangenciální) stěna; c) převrtávaná stěna 1 vyztužené piloty, 2 stříkaný beton, 3 piloty z prostého betonu Nesouvislé pilotové stěny jsou vhodné do zemin soudržných (osová vzdálenost pilot tři a více jejich průměrů) bez podzemní vody, u nichž je teprve po provedení každé jednotlivé etáže hloubení možno provést zajištění volného prostoru mezi pilotami, nejčastěji sítěmi vyztuženým stříkaným betonem (obr. 69a, 70)). Tangenciální pilotové stěny (obr. 69b) jsou vhodné do všech typů zemin, pokud se nacházejí nad hladinou podzemní vody. Vzájemně se dotýkající piloty totiž nezajišťují těsnost pažící stěny, navíc se za tangenciální považují i stěny s mezerami mezi pilotami menšími než 10 % průměru piloty. Pokud má být tangenciální pilotová stěna nepropustná, je nutno styky mezi pilotami utěsnit injektáží po výšce až nad hladinu podzemní vody, což je poměrně náročné jak časově, tak nákladově. Převrtávané pilotové stěny (obr. 69c) jsou vhodné pro těžké podmínky současného tlakového působení zeminy i podzemní vody. Stěna se buduje tak, že se nejdříve zhotoví každá lichá pilota, která je z prostého betonu a dodatečně, po určitém zatvrdnutí betonu, se přes ně převrtají piloty opatřené výztuží. Vyztužené piloty jsou často většího průměru, čímž se zvyšuje únosnost stěny jako celku. Lze je použít jako konstrukční stěny, které tvoří součást definitivní konstrukce. Obr. 70 Nesouvislá pilotová stěna
58 5.1.4 Podzemní stěny Podzemní stěny jsou železobetonové stěnové konstrukce, které se budují v rýze široké zpravidla 40 až 100 cm, výjimečně i více. Stabilita stěn rýhy v zemním masivu je během hloubení zajištěna pomocí tlaku tekuté bentonitové (jílové) suspenze, kterou je rýha naplněna. Podzemní stěny mohou být betonovány přímo na místě (monolitické stěny), nebo lze s výhodou použít prefabrikátů, které je možno u pohledově exponovaných definitivních konstrukcí (podchody, podjezdy, vestibuly a stanice podzemní dráhy) předem opatřit esteticky vyhovující úpravou líce (obr. 71). Podzemní stěny, zejména monolitické, mohou být hluboké i několik desítek metrů, jsou proto vždy kotveny v potřebném množství úrovní. Vzhledem k vysoké ohybové tuhosti konstrukce může být vzdálenost kotevních řad 4 až 5 m. Obr. 71 Prefabrikovaná podzemní stěna Bentonitová suspenze, jejíž objemová hmotnost je vyšší než u vody (1060 až 1090 kg/m 3 ), zajišťuje stabilitu stěn i dna hloubené rýhy kombinovaným účinkem hydrostatického tlaku a elektrochemických jevů, jejichž účinkem se na stěně rýhy vytvoří kolmatovaná zóna ( filtrační koláč ). Tato utěsněná oblast zeminy tloušťky několika milimetrů zabraňuje vnikání podzemní vody do vyhloubené rýhy a pronikání suspenze z rýhy do širšího okolí. Zvláštním typem bentonitové suspenze je tzv. samotuhnoucí suspenze. Ta se skládá z vody, aktivovaného bentonitu, cementu a přísad, které zpomalují tuhnutí hydratovaného cementu a zajišťují potřebnou viskozitu a stálost (stabilitu) suspenze. Objemová tíha suspenze je vyšší než u bentonitové suspenze běžného typu a činí 1200 až 1300 kg/m 3. Samotuhnoucí suspenze plní v první fázi použití stejnou funkci jako běžná suspenze, tj. paží stěny rýhy při hloubení, po zatvrdnutí má částečně nosný, zejména však těsnící účinek. Samotuhnoucí suspenze se používá zejména při
59 výstavbě prefabrikovaných podzemních stěn, často též u tzv. stěn těsnících, používaných k těsnění podloží objektů vodního stavitelství, nebo jako ochranných clon proti šíření polutantů a kontaminaci podzemních vod. Monolitické podzemní stěny se budují nejčastěji přímé. Potřebné únosnosti se dosahuje volbou tloušťky stěny a množstvím výztuže. U hlubokých jam lze použít velmi únosných stěn půdorysně upravených jako T nebo H profily. Technologický postup výstavby monolitických podzemních stěn (obr. 72) má několik základních fází: - Budování betonových vodících zídek, které stabilizují horní část rýhy; umožňují vedení rozpojovacího zařízení při hloubení a vytvářejí zásobní prostor pro pažící bentonitovou suspenzi. - Strojní hloubení rýhy šachovitě po jednotlivých záběrech (lamelách) pod ochranou pažící suspenze, jednotlivé lamely mají šířku do 7 m. V zeminách se používá pro rozpojování drapáku, v zeminách frézování. Po vyhloubení rýhy je osazen armokoš a do obou konců lamely se osadí ocelové pažnice s těsnícími pásy. - Betonáž lamely podzemní stěny, která se provádí pomocí kolon betonovacích rour s násypkou. Spodní část kolony musí být neustále ponořena min. 0,5 m do betonu, aby ve styku s vytěsňovanou bentonitovou suspenzí byla stále stejná povrchová vrstva čerstvého betonu. Tato znečistěná vrstva betonu se v případě navázání dalších konstrukcí odstraňuje. Pro dodržení potřebné kvality podzemní stěny je nutné, aby betonáž celé lamely proběhla bez přerušení a co nejrychleji. Ocelové pažnice se v průběhu tvrdnutí betonu vytáhnou, vytvořený zámkový styk s těsnícím pásem zajišťuje nepropustnost spojovací spáry mezi jednotlivými lamelami. Obr. 72 Postup výstavby monolitické podzemní stěny 1 hloubení rýhy drapákem v pokryvných útvarech 2 frézování rýhy ve zvětralých horninách 3 betonáž do násypky 4 výztuž stěny 5 hotové lamely
60 - Po zatvrdnutí celé podzemní stěny se provádí postupné hloubení stavební jámy a kotvení podzemní stěny. Odkrytý hrubý povrch stěny je možno upravovat frézováním nebo stříkaným betonem. Prefabrikované podzemní stěny (obr. 73) se budují poněkud odlišným způsobem: - Budování a funkce betonových vodících zídek zůstávají stejné. - Strojní hloubení rýhy po jednotlivých záběrech (lamelách) se provádí pod ochranou samotuhnoucí suspenze. - Po vyhloubení rýhy je osazen prefabrikovaný díl stěny šířky až 3 m a délky do 15 m. Jednotlivé deskové prefabrikáty mají kontakty provedeny systémem péro a drážka nebo oboustrannou drážkou vyplněnou gumovým těsněním, případně gumovou hadicí, která se zainjektuje. Známý je i tzv. záporový typ prefabrikovaných podzemních stěn svislé opěrné nosníky jsou zapuštěny patřičně hluboko pod dno stavební jámy, deskové výplně mezi nimi končí na dně výkopu. - Po zatvrdnutí samotuhnoucí suspenze kolem celé podzemní stěny je možné provádět postupné hloubení stavební jámy a kotvení stěny. Odkrytý povrch stěny, který se předem opatřuje vhodnou separační vrstvou umožňující snadné odstranění samotuhnoucí suspenze, není již nutno dodatečně upravovat (obr. 6.29). Obr. 73 Prefabrikované podzemní stěny a) deskový typ; b) záporový typ 1 vodící zídky 2 samotuhnoucí suspenze 3 prefabrikovaný stěnový panel 4 železobetonová zápora 5 deska 6 horninové kotvy 7 dno Podzemní stěny jsou velmi únosné konstrukce, které se používají jako pažení stavebních jam zejména v případech, kdy jsou začleněny jako trvalá součást definitivního objektu (konstrukční stěny). Lze je využít i pro přenos velkých svislých zatížení (uložení stropu definitivní konstrukce).
61 Jako dočasná pažení jsou používány při zajištění a utěsnění stěn velmi hlubokých stavebních jam prováděných pod hladinou podzemní vody, kdy už štětové stěny nejsou prakticky proveditelné. 5.2 Vztah pažící konstrukce k podpovrchovému objektu 5.2.1 Pažící konstrukce je součástí definitivní stavby. Pažící stěny, které se stanou součástí definitivní konstrukce, se nazývají konstrukční stěny. Jsou to zpravidla podzemní železobetonové stěny betonované na místě nebo stěny prefabrikované; prefabrikované stěny mají oproti stěnám betonovaným na místě tu výhodu, že mají kvalitní a pohledově připravený povrch, který není třeba již dále upravovat. Řidčeji se u podchodů, podjezdů nebo ramp využívají jako definitivní konstrukce i stěny pilotové. Jejich pohledově nevyhovující povrch se často vylepšuje přivěšenými lícními prefabrikáty. Stejně tak i rozpěrné konstrukce mohou být z hlediska trvání dočasné nebo trvalé. Trvalé rozpěrné konstrukce se začleňují se během výstavby do konstrukce podpovrchového objektu většinou ve formě definitivních stropů a bývají železobetonové, řidčeji ocelové. Rozpěrné stropní desky se zřizují s postupujícím výkopem, takže vyžadují těžení zeminy z jámy zakryté stropy, v nichž je nutno vynechat těžební a větrací otvory (obr. 74a). Obr. 74 Rozepření pomocí definitivních stropů a) postupně budované stropy; b) spouštěné stropy A) betonáž stropních desek; B) stropy zavěšeny, těžení zeminy; C) spouštění stropů 1 stropy 2 pažící stěny 3 střední podpora (pilota) 4 prvek podzemní stěny 5 dočasný prostup
62 Deskovou rozpěrnou konstrukci lze též realizovat metodou spouštěných stropů, při níž se předem na úrovni terénu vybetonované stropy spouštějí všechny (vyjma horního) do prohlubovaného výkopu a v jednotlivých rozpěrných úrovních se postupně zmonolitňují s konstrukčními podzemními stěnami (obr. 74b). Konstrukční stěny, které jsou využity i jako součást definitivní konstrukce podpovrchové části objektu slouží jako podpěry definitivním stropním konstrukcím podpovrchového objektu, které se budují po etapách sestupným způsobem. Výhodou tohoto postupu je, že po zhotovení konstrukčních stěn a prvního stropu je možné realizovat současně výstavbu podzemní i nadzemní části objektu (tzv. metoda Top and Down ). Ta umožňuje zkrátit dobu výstavby a ve stísněných podmínkách využít strop v úrovni terénu jako součást zařízení staveniště. Zemní práce a hrubá stavba podpovrchové části objektu jsou v tomto případě méně ovlivněny počasím, což je výhodné zejména v zimním období; stavba také podstatně méně obtěžuje životní prostředí okolí (hluk, prašnost). Využití tuhých rozpěrných konstrukcí definitivních stropů při postupném hloubení jámy umožňuje snížit velikost vodorovných i svislých deformací okolí stavební jámy v porovnání s jinými typy podepření (rozpěry, kotvy). Při tomto postupu se méně naruší původní napjatostní a deformační stav v podloží než při úplném odstranění objemu zeminy a vody ze stavební jámy a následném přitížení definitivním objektem. Tím se snižuje riziko resp. rozsah možných škod na přilehlé zástavbě. U liniových podzemních staveb v exponovaných urbanizovaných oblastech umožňuje překrytí (prvním) stropem obnovit nad budovaným podzemním objektem původní nebo alespoň redukovaný dopravní režim. Na obr. 75 je znázorněna tzv. milánská metoda výstavby podpovrchového objektu (tunelu) v jámě pažené podzemními stěnami. Postup výstavby je následující: - Etapa I vybudování vodících zídek pro hloubící zařízení, - etapa II vyhloubení rýh pod ochranou bentonitové suspenze a vybetonování podzemních stěn; mohou být použity i prefabrikované podzemní stěny; etapy I a II se musí provádět za úplně vyloučeného nebo alespoň částečně omezeného provozu, - etapa III odtěžení zeminy pod úroveň stropu konstrukce a osazení stropních prefabrikátů (provádí se za vyloučeného provozu), - etapa IV provedení zásypu a vozovky a obnovení provozu; pod rozpěrným stropem se odtěžuje hornina čelním postupem až na požadovanou úroveň a vybetonuje se základová deska. Tato metoda byla poprvé použita v r. 1956 při výstavbě podzemní dráhy v Miláně a od té doby se v různých modifikacích používá dodnes.
63 Obr. 75 Milánská metoda 1 vodící zídky, 2 monolitické podzemní stěny, 3 strop tunelu, 4 úprava nadloží a vozovky, 5 čelní odtěžování z vnitřku tunelu pod ochranou definitivního stropu Příkladem starší aplikace může být výstavba stanice Dejvická na trase IA pražského metra (obr. 76), u níž byla použita následující modifikace milánské metody. Železobetonové podzemní stěny, betonované na místě, pažily stavební jámu a tvořily současně i definitivní obvodové stěny stanice. Ty byly nahoře rozepřeny předpjatými mostními prefabrikáty, dolní rozepření tvořil železobetonový mezistrop, který byl na horní strop zavěšen pomocí ocelových táhel umístěných v místě budoucích sloupů. Obr. 76 Konstrukční podzemní stěny rozepřené stropy definitivní konstrukce 1 strop z předpjatých nosníků 2 závěsy 3 mezistrop 4 monolitické podzemní stěny 5 základová deska 6 dočasně přeložená tramvajová trať V současnosti je poměrně frekventovanou variantou tzv. metoda želva. Po provedení konstrukčních stěn, které jsou součástí definitivního tunelového ostění, se strop budoucího výrubu vybetonuje na nízké skruži v předvýkopu nebo přímo na upraveném terénu bez použití bednění. Čelním odtěžováním mezi předem provedeným ostěním se realizuje výrub (obr. 77).
64 Obr. 77 Výstavba Jihlavského tunelu modifikovanou milánskou metodou Všechny modifikace milánské metody jsou zvláště vhodné pro budování podzemních objektů využívajících plnou výšku nadloží těsně pod dopravně exponovaným povrchem území. Možnost rychlého obnovení provozu na povrchu ještě v průběhu odtěžování horniny z tunelu je výraznou předností oproti běžnému postupu výstavby hloubených tunelů. 5.2.2 Pažící konstrukce není definitivní součástí podzemní stavby Při takovémto uspořádání se pažící konstrukce vybuduje samostatně (včetně podepření) a potom se z úrovně základové spáry buduje vzestupně vlastní definitivní objekt. Funkce pažící konstrukce po dokončení objektu zaniká. Definitivní objekt s dočasnou konstrukcí pažení nesouvisí a je snahou pažící konstrukci z horninového či zemního prostředí odstranit, což je možné pouze u rozepřených jam. K těmto typům podzemních staveb je možno počítat dva klasické typy postupů výstavby objektů v záporovém pažení a štětových stěnách tzv. varianta berlínská a hamburská (obr. 78). V obou případech se provádí pažení obvyklým postupem, rozdíl je pouze v šířce jámy. Zvětšení šířky stavební jámy oproti šířce podpovrchového objektu o dvakrát cca 1000 mm u hamburské varianty umožňuje dokonalou izolaci tunelové roury a možnost opakovaného použití pažícího materiálu, a to bez nebezpečí poškození rubové izolace podzemního objektu při vytahování pažících prvků. Obdobně je možno postupovat i u železobetonových typů pažících stěn, samozřejmě bez nároků na jejich odstranění.
65 Obr. 78 Vztah mezi dočasným pažením stavební jámy a definitivním objektem a) berlínská metoda, b) hamburská metoda; 1 pažení, 2 ochrana izolace, 3 prostor pro provádění izolace Jako příklady lze uvést pažení dvou stavebních jam ze starší části mělce uložené trasy C pražského metra. Na obr. 79a je znázorněn příčný řez stanicí Kačerov, která byla vybudována hamburským způsobem v odsazeném pažení na celou výšku jámy. Na obr. 79b je příčný řez stanicí Pankrác, která byla vybudována obdobným způsobem, ale v kombinované stavební jámě. Jáma byla zapažena v souvrství pokryvných útvarů záporovým pažením, kotveným ve dvou úrovních tyčovými kotvami. V kvalitnějších břidlicích skalního podkladu byla jáma provedena jako nepažená se sklonem svahu 8:1. Stabilita skalních stěn byla zajištěna svorníky, proti větrání byla břidlice zajištěna stříkaným betonem vyztuženým svařovanými sítěmi. V důsledku nedostatečného odvodnění rubu stříkaného betonu a následné negativní změny smykových parametrů došlo u této jámy v průběhu výstavby ke ztrátě stability skalní stěny a zřícení obou etáží stavební jámy. Obr. 79 Příklady pažených jam stanic pražského metra a) jáma pažená na celou výšku s předvýkopem - Kačerov; b) kombinovaná stavební jáma - Pankrác 1 pažení (podzemní stěny resp. záporové pažení), 2 kotvy, 3 svorníky, 4 stříkaný beton
66 6. SANACE A REKONSTRUKCE PODZEMNÍCH STAVEB. Sanací se rozumí aplikace vhodné metody nebo souboru metod, které zajistí kvalitní opravu konstrukce buď poškozené (časem, mimořádnými vlivy), nebo též špatně navržené. Hlavními objektivními příčinami postupně se zhoršujícího stavu starších tunelů jsou: - Přirozené stárnutí materiálu ostění, zejména zdiva a pojiva ve spárách; proces je urychlován promrzáním celého zdiva u krátkých tunelů nebo jen portálových částí u dlouhých tunelů, - prosakování podzemní vody ostěním a vyluhováním uhličitanu vápenatého z betonu i pojiva, - působení zplodin provozu na materiál ostění, - stárnutí, případně poškození izolace a ucpávání drenáží, - nepříznivé působení dynamických účinků dopravy, - špatná kvalita předchozích sanací (materielní i technologická). 6. 1 Sanace drobných poruch ostění a jeho netěsností Drobných poruch se u zděných i betonových ostění starých tunelů vyskytuje celá řada. K nejčastějším patří: - Zvětrávání malty ve spárách, neboť je obvykle méně kvalitní než kamenné zdivo. Prosakující hladové vody, agresivita prostředí a klimatické vlivy maltu časem výrazně degradují. Sanace se provádí hloubkovým spárováním spáry je nutno vysekat a vyčistit tlakovou vodou do hloubky 10 a více centimetrů a zaplnit kvalitní cementovou maltou pomocí spárovací pistole. Poslední krycí vrstva spárování se obvykle vyhlazuje. - Výměna zvětralých či poškozených kamenů zdiva poškozený prvek se vyseká a na jeho místo se do maltového lože vsune nový přesně opracovaný kámen, který se stabilizuje uklínováním. Po zatvrdnutí se klíny odstraní a provede se hloubkové spárování. - Lokální poruchy monolitických betonových ostění se obvykle sanují tzv. oddělenou betonáží. Porušená vrstva betonu se vyseká, dutiny se zabední a vyplní tříděným drceným kamenivem, které se proinjektuje aktivovanou cementovou maltou. - Plošné průsaky betonovým ostěním malé intenzity se opravují po odstranění vrstvy zvětralého betonu pomocí sanačních omítek různého typu, preferují se materiály s rekrystalizačním účinkem. - Pro odvedení soustředěných průsaků se využívá tzv. hadicová metoda. Na líci ostění se vysekají sběrné kanálky do hloubky 10 až 15 cm, které po překrytí rychletuhnoucí maltou (kanálek se vytváří postupně vytahovanou gumovou hadicí) svádějí vodu z míst průsaků do podélných odvodňovacích tunelových kanálů. Tuto úpravu je nutno zajistit proti promrzání např. překrytím tepelně izolační vrstvou.
67 - Velmi účinného snížení průsaků ostěním je možno obvykle docílit obnovením funkce rubových drenáží opakovaným intenzivním propláchnutím tlakovou vodou. 6.2 Komplexní sanace a rekonstrukce Jedná se o pracné a nákladné operace, při nichž je obvykle cílem: - sanace silně zvodnělých oblastí horninového masivu (odvodnění nadloží), - utěsnění a zvýšení únosnosti ostění, - zvětšení světlého profilu tunelu se současnou rekonstrukcí ostění. Odvodnění nadloží tunelu se nejčastěji provádí pomocí těsnících injektáží. Je to metoda náročná jak z hlediska času tak nákladů, dokonalý výsledek sanace však není jistý. Nehomogenní prostředí stěžuje optimální volbu injekční směsi, drenážní tunelové prvky zase omezují velikost injektážních tlaků, neboť nesmí dojít ke znehodnocení drenáží proniknutím injekční směsi. Dobrých výsledků při utěsňování soustředěných průsaků se dosahuje při použití injektáží polyuretanovými pryskyřicemi. Ke stejnému účelu lze účinně použít vějířů odvodňovacích vrtů, které zachytávají a odvádějí podzemní vodu z hlavních vodních kolektorů a puklinových pásem. Vrty je třeba situovat tak, aby jejich provádění a údržba co nejméně narušovaly provoz v tunelu. Využívají se proto prohloubené tunelové výklenky (obr. 80), výjimečně může být pro tento účel vyražena samostatná zarážka nebo odvodňovací štola. Obr. 80 Odvodňovací vrty do nadloží tunelu 1 tunelový výklenek nebo samostatná zarážka 2 odvodňovací vrty Utěsnit a zvýšit únosnost tunelového ostění v případě, že existuje ve světlém průřezu tunelu rezerva pro jeho zmenšení, je možno pomocí vrstvy vyztuženého stříkaného betonu, případně stříkaného drátkobetonu, pod níž je nutno provést drénující nebo izolační úpravy. Spolupůsobení starého a nového ostění s horninovým masivem se zajišťuje pomocí svorníkové výstroje.
68 Není-li možné světlý průřez tunelu zmenšit, je nutno provést buď zpevnění horninového masivu injektáží, nebo vybourat část starého ostění, provést drénující či izolační úpravy a nastříkat nové betonové ostění. V obou případech lze použít místo stříkaného betonu i beton monolitický, obvykle v kombinaci se ztraceným bedněním z plechů různých typů (prolamované, zvlněné). Zvětšení světlého tunelového profilu se současnou rekonstrukcí ostění je velmi náročnou operací, která vyžaduje po jednotlivých záběrových prstencích spojit bourací práce s řadou prvků provizorního i definitivního vystrojení. Jedná se o operaci typickou pro rekonstrukci starých železničních tunelů při elektrifikaci příslušné tratě. LITERATURA: [1] Barták, J. Bucek, M.: Podzemní stavby. Skriptum. Ediční středisko ČVUT, Praha 1983. [2] Eisenstein, Z. Barták, J.: Outline of a Course Tunnelling in Soft Ground. Metrostav a.s., Praha 1994. [3] Taschenbuch für Tunnelbau 1998, 22. Jahrgang, Verlag Glückauf GmbH, Essen 1997. [4] Klepsatel, F. Kusý, P. Kopáčik, A.: Podzemné stavby I. Skriptum. Vydavateľstvo STU, Bratislava 1998. [5] Recommendations A.F.T.E.S.: Choozing Mechanized Tunnelling Techniques. Tunnel et ouvraghes souterrain, 2005, Hors-serie No 1, pp. 137-163