1 1. STAVEBNÍ JÁMY (Zpracoval prof. JIŘÍ BARTÁK) 1.1 Účel stavebních jam Stavební jámy jsou výkopy sloužící pro spolehlivé založení stavby a výstavbu podzemních prostor objektu. Orientační dělení podzemních úrovní, dle možností jejich stavebního využití z hlediska podzemního urbanismu: - minimální úroveň 1 až 2 m pod povrchem terénu (podzemní vedení sítí těsně pod chodníky a ulicemi, halové podchody, vestibuly metra, výjimečně i sekundární kolektory a hloubené dopravní tunely), - mělké nadloží 2 až 5 m (podchody pro pěší, objekty v úrovni suterénů obytných budov, kanalizační stoky, sekundární kolektory, krátké silniční tunely, ale též mělce uložené podzemní dráhy tzv. berlínský typ), - nízké nadloží 5 až 20 m (např. objekty s více podzemními podlažími pro pěší, obchodní centra, parkoviště, garáže, primární kolektory, dopravní stavby silniční tunely, podzemní dráhy tzv. pařížský typ) - vysoké nadloží 20 až 50 m (kabelové tunely, silniční tunely, podzemní dráhy tzv. londýnský typ; vysoké nadloží umožňuje vzájemné mimoúrovňové křížení různých typů dopravních staveb), - velmi vysoké nadloží > 50 m (výjimečně trasy metra dáno geologickými podmínkami či druhotným využitím pro civilní ochranu, objekty zvláštního účelu). Stavební jámy objektů pozemního i dopravního charakteru mohou být značně hluboké a plošně rozlehlé, velmi často jsou hloubeny v husté okolní zástavbě. Nelze proto ve většině případů použít jámy svahované, které jsou prostorově velmi náročné, nýbrž se uplatní především jámy roubené.
2 1.2 Druhy stavebních jam Stavební jámy je možno rozdělit do čtyř základních typů, které se často vzájemně kombinují: - svahované jámy, které jsou bočně omezené svahy provedenými ve sklonu zajišťujícím jejich obvykle dočasnou stabilitu, - roubené jámy, po obvodě omezené pažícími stěnami s doplňujícími podporovými konstrukcemi, zajišťujícími dočasnou nebo i trvalou stabilitu jámy. Současně užívaná terminologie dává přednost termínu pažené jámy, který bude také v dalším textu používán. - těsněné jámy se používají pro zakládání v propustných zeminách hluboko pod hladinou podzemní vody, kdy vznikají problémy s vodou přitékající do stavební jámy jejím dnem. Těsné pažící stěny nelze vždy zavázat do nepropustné zemní vrstvy, a proto se musí v řadě případů vybudovat kompletní těsnící vana, která podstatně sníží průsaky do prostoru stavební jámy. - jímkové jámy (jímky) jsou stavební jámy budované přímo ve vodě, nejčastěji pro vytvoření základů vodních a mostních staveb. Možné jámy pro unifikovanou hloubenou stanici pražského metra
3 a) Těsněná jáma s pažením zavázaným do nepropustného podloží b) Těsněná jámy se dnem betonovaným pod vodou c) Těsněná jáma s injektovaným dnem
4 1.2.1 Konstrukční uspořádání pažených jam Konstrukce pažené jámy se skládá obvykle ze tří základních typů konstrukčních prvků, z nichž každý má odlišnou funkci v celkové konstrukci (obr. 1.1). Jedná se o: - pažení, - roznášecí prahy (převázky), v případě potřeby také horní ztužující věnec, - podpěrné konstrukce (rozpěry nebo kotvy). Obr. 1.1 Hlavní části konstrukce pažené stavební jámy a) rozepřené pažení, b) kotvené pažení; 1 pažící stěna, 2 roznášecí prahy, 3 horní věnec, 4 kotvy Pažení je ta část konstrukce pažené jámy, která bezprostředně přiléhá k hornině a zajišťuje spolu s dalšími prvky bezpečnost stěn jámy nejen proti celkovému sesutí, ale i proti erozi, vypadávání menších objemů horniny a u nepropustných pažení i proti pronikání podzemní vody. Pažení jámy uplatňuje svou nosnou schopnost především ve vodorovném směru, v některých případech i ve směru svislém.
5 Roznášecí prahy (převázky) jsou vodorovné nebo mírně skloněné nosníky, které přiléhají k pažení a umožňují roznesení velkých soustředěných sil z podpor na větší plochu pažení (obr.1.2). Roznášecí prahy jsou obvykle ze strany jámy připojené k pažení, což jsou tzv. prahy vnější, v některých případech je účelné vybudovat je ve formě vyztužených nosníků uvnitř pažící konstrukce, čímž vzniknou tzv. prahy vnitřní (skryté). Obr.1.2 Roznášecí prahy a) vnější práh, b) vnitřní (skrytý) práh; 1 dvojice válcovaných ocelových profilů, 2 táhlo kotvy, 3 hlava kotvy, 4 pažící stěna, 5 nosná výztuž stěny, 6 skrytý práh, 7 rozpěra Roznášecí prahy se zhotovují v jedné nebo více výškových úrovních. Vedle podstatné statické funkce plní též funkci ztužení celého konstrukčního systému pažené jámy a zajišťují vyrovnávání deformací dílčích částí pažící konstrukce.
6 Podpěrné konstrukce jsou prvky konstrukce pažené jámy, jimiž se realizují reakce horninových a dalších tlaků působících na pažení. Podle charakteru sil, které vznikají v podpěrných konstrukcích působením tlaků na pažení, rozeznáváme podpěrné konstrukce: - rozpěrné, jimiž se tlakové reakční síly přenášejí rozpěrami buď do protilehlého pažení, nebo do horninového prostředí dna jámy, - kotvené, u nichž jsou reakční síly realizovány tahovými silami v kotvách a přeneseny do horninového prostředí za pažením. Konstrukce pažené stavební jámy může být navržena v různých variantách a kombinacích uvedených tří základních prvků, přičemž některé prvky mohou někdy chybět. Může být např. tvořena jen pažící stěnou vetknutou do podloží dna jámy, nebo naopak může být u jam ve skalních horninách zredukována pouze na kotevní prvky. Typy kotvených stěn
7 1.2.2 Rozpěrné konstrukce Rozpěrné konstrukce zajišťují podepření vlastního pažení pomocí konstrukce vestavěné do vnitřního prostoru jámy. Rozpěrné prvky mohou být podle statických požadavků rozmístěny po výšce pažící stěny ve více úrovních, z hlediska trvání mohou být - dočasné - trvalé. Dočasné rozpěrné konstrukce. Zhotovují se ve formě dřevěných, ocelových, popř. smíšených rozpěrných nosníků, které přenášejí tlaky z pažení výjimečně do horniny uvnitř jámy, běžně do protější pažící stěny (obr.1.3a). Obr.1.3 Typy rozpěrných systémů a) rozpěry, b) vnitřní rámy, c) příhradový rám (Bratislava rozhlas); 1 podzemní stěna, 2 rozpěra, 3 příhradový ocelový rám, 4 vnitřní železobetonový rám, 5 sloupek Rozpěrné konstrukce, za předpokladu jejich dokonalé aktivace, ztužují pažení stavební jámy, čímž se za cenu zvýšení zemních tlaků na stěny jámy poměrně výrazně zmenšují deformace pažení a tím i okolí stavební jámy. Vnitřní rozepření obvykle komplikuje postup výstavby vlastního objektu ve stavební jámě. Rozpěrná konstrukce musí být navíc
8 navržena tak, aby strojní mechanizmy měly dostatek pracovního prostoru. Trvalé rozpěrné konstrukce. Začleňují se během výstavby do konstrukce podpovrchového objektu většinou ve formě definitivních stropů, které bývají železobetonové, řidčeji ocelové. Jako vnitřní podpory, pokud jsou potřebné, se používají vrtané širokoprofilové piloty nebo prvky podzemních stěn. Obr.1.4 Rozepření pomocí definitivních stropů (možnost použití metody Top and down ) 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. Výhodou obou těchto postupů (obr.1.4 b,c), označovaných často jako metoda Top and Down (něm. Deckelbauweise ) je, že po
9 zhotovení konstrukčních stěn a prvního stropu možno realizovat současně výstavbu podzemní i nadzemní části objektu. 1.2.3 Kotevní systémy Kotvení je velmi frekventovanou metodou specielního zakládání, která umožňuje přenos značných tahových sil ze stavební konstrukce do horninového prostředí. Základní operací je provedení vrtu o průměru 100 až 200 mm, do něhož se vsune ocelový liniový prvek (kotva), upevní v kořeni a posléze předepne na požadovanou sílu. Horninová kotva je tvořena třemi hlavními částmi hlavou, táhlem a kořenem. Podepření konstrukce pažení kotvením umožňuje stavbu vlastního podzemního objektu ve volné stavební jámě, což je z hlediska organizace výstavby velmi výhodné. Vlastní kotvení po výšce pažící stěny se provádí průběžně během hloubení stavební jámy. Obr.1.5 Postup hloubení jámy a kotvení pažící konstrukce 1 hloubení na první kotevní úroveň, 2 instalace první řady kotev, 3 hloubení na druhou kotevní úroveň, 4 instalace druhé řady kotev, 5 hloubení na definitivní úroveň dna Dočasné dno jámy se zřizuje v hloubce 0,5 až 1,0 m pod jednotlivými kotevními úrovněmi. Po osazení, předepnutí a vyzkoušení kotev jedné
10 úrovně se provede v dílčích etapách výkop k další úrovni zakotvení a postup se opakuje (obr.1.5). Pro uspořádání kotev v podpěrném systému jsou obvyklé následující geometrické parametry: - rozteč 2 až 3 m, - vzdálenost mezi úrovněmi jednotlivých řad kotev 2,5 až 4,0 m, - minimální sklon 10 o, běžný sklon 15 o až 30 o, maximální sklon 45 o. Půdorysné i výškové uspořádání kotev má zajistit, že po injektáži kořenů nedojde k nežádoucímu vzájemnému ovlivňování. Při těsnějším uspořádání kotev v jedné úrovni je vhodné provést jejich výškové vystřídání (obr.1.6). Minimální vzdálenost mezi začátky kořenů kotev by neměla klesnout pod 1 m (d > 1,0 m). Obr.1.6 Vzájemná poloha kořenů kotev
11 1.2.4 Uspořádání pažících konstrukcí v příčném řezu Základní varianty uspořádání příčného řezu (obr. 1.7) jsou následující: - stavební jáma je pažená na celou výšku, - stavební jáma s odstupňovaným zapažením, - stavební jáma s kombinovaným zajištěním (pažení + svahování). Obr.1.7 Typy příčného uspořádání pažené stavební jámy a) pažení na plnou výšku jámy, b) odstupňované pažení, c) kombinované zajištění; 1 podzemní stěna, 2 snáze demontovatelné pažení, 3 mikropiloty, 4 kotvy nebo svorníky se stříkaným betonem, 5 svahovaná jáma
12 Pažící stěna na celou výšku jámy. Může být po výšce technologicky homogenní, což je nejběžnější uspořádání, nebo se může typ pažení po výšce měnit. Někdy je výhodné použít tzv. nasazené pažení, které umožní snadnější a rychlejší rozebrání potřebné části pažení. Odstupňované zajištění po výšce pažené stavební jámy se navrhuje v případě dispozičních nároků, vyžadujících výrazné půdorysné rozšíření horního podzemního podlaží objektu přes obrys spodních podlaží. K menšímu odsazení může dojít při neočekávané změně geologických poměrů, kdy nelze dosáhnout potřebné hloubky původním typem pažení stěny a spodní část je nutno zajistit jiným, technologicky zvládnutelným způsobem, např. použitím mikropilot. Kombinované zajištění stavební jámy. Situační a geotechnické podmínky umožňují nebo přímo vyžadují kombinované zajištění stavební jámy pomocí pažení a svahování. Stavební jáma s kotveným svahem. Kotvený svah má své uplatnění v pevnějších prostředích a v prostorově méně náročných podmínkách, kdy je umožněno určité rozšíření výkopů svahováním (obr. 1.8). Obr. 1.8 Stavební jáma s kotveným svahem
13 1.2.5 Vztah pažící konstrukce k podpovrchovému objektu Pažící konstrukce je součástí podpovrchového objektu. Pažící konstrukce může a nemusí být součástí definitivní stavby. Pažící stěny, které jsou využity i jako součást definitivní konstrukce podpovrchové části objektu, se označují jako stěny konstrukční. Obr.1.9 Milánská metoda 1 vodící zídky, 2 monolitické podzemní stěny, 3 strop tunelu, 4 úprava nadloží a vozovky, 5 provádění tunelu pod ochranou definitivního stropu U liniových podzemních staveb v exponovaných urbanizovaných oblastech umožňuje překrytí stropem v úrovni terénu obnovit nad budovaným podzemním objektem původní nebo alespoň redukovaný dopravní režim. Na obr.1.9 je znázorněna tzv. milánská metoda výstavby podpovrchového objektu (tunelu) v jámě pažené podzemními stěnami. Tato metoda byla poprvé použita v r. 1956 při výstavbě podzemní dráhy v Miláně a od té doby se v různých modifikacích používá dodnes. Příkladem může být někdejší výstavba stanice Dejvická na trase IA pražského metra (obr.1.10), u níž byla použita modifikace milánské metody. Novějším příkladem je výstavba tunelu na obchvatu Jihlavy z roku 2004 (obr. 1.11).
14 Obr. 1.10 Konstrukční podzemní stěny rozepřené stropy stanice Dejvická na trase A metra 1 strop z předpjatých nosníků, 2 závěsy, 3 mezistrop, 4 monolitické podzemní stěny, 5 základová deska, 6 dočasně přeložená tramvajová trať Obr. 1.11 Čelní odtěžování v Jihlavském tunelu
15 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 (obr. 1. 12). 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. Obr. 1.12 Vztah mezi pažením stavební jámy a definitivním objektem a) neodsazené pažení, b) odsazené pažení ( hamburská metoda ); 1 pažení, 2 ochrana izolace, 3 prostor pro provádění izolace 1.2.6 Časová použitelnost pažení Z hlediska délky provozního působení rozeznáváme pažení dočasná a trvalá. Dočasná pažení. Plní svou stavební a statickou funkci jen po dobu výstavby a ne déle než 2 roky; při návrhu všech dílčích prvků je nutno uvážit vliv koroze a přiměřenou ochranu proti ní. U dočasných pažení je třeba technicky a ekonomicky zvážit možnost a vhodnost odstranění některých konstrukčních prvků pro opakované použití. Pažení trvalá. Jejich stavební i statická funkce trvá po celou dobu životnosti vlastního objektu. Trvalá pažení jsou definitivním stavebním prvkem a začleňují se do konečného objektu jako jeho konstrukční součást. Musí proto vyhovovat požadavkům na pažení i na konečnou funkci objektu.
16
17 Obr. 1.13 Příložné pažení a) svislé; b) vodorovné; 1 pažina, 2 svlak, 3 rozpěra, 4 - klín
18 Obr. 1.14 Zátažné a hnané pažení a) zátažné pažení rýhy - dřevo, b) zátažné pažení šachty ocel, c) hnané pažení; 1 ohlubňový rám, 2 podélník, 3 rozpěra, 4 sloupek, 5 pažina (dřevěná, ocelová), 6 odstavnice, 7 klín, 8 odstavnicový klín Obr. 1. 15 Ocelová pažiny typu UNION