TAČR Nástroje pro spolehlivé navrhování a realizaci tunelů v městské zástavbě s důrazem na bezpečnost a životnost Název zprávy: ZAJIŠŤOVÁNÍ VOLNÝCH PROSTOR A ANOMÁLNÍCH NESPOJITOSTÍ V HORNINOVÉM PŘÍPADNĚ ZEMNÍM PROSTŘEDÍ METODOU VÝPLŇOVÝCH VAKŮ Zpracovatel zprávy: AC AQUASAN CZ, Ing Jan ČECH Řešitelská organizace: ARCADIS CZ. Hlavní řešitel : Mgr. Jan Kárník Prosinec 2013 1
ZAJIŠŤOVÁNÍ VOLNÝCH PROSTOR A ANOMÁLNÍCH NESPOJITOSTÍ V HORNINOVÉM PŘÍPADNĚ ZEMNÍM PROSTŘEDÍ METODOU VÝPLŇOVÝCH VAKŮ Prosinec 2013 2
OBSAH: str. 1. ÚVOD DO PROBLEMATIKY 3 2. ROZBOR MOŽNOSTÍ VYPLŇOVÁNÍ VOLNÝCH UZAVŘENÝCH MÍST ZA OSTĚNÍM SPECIÁLNÍMI VAKY 4 2.1 Konstrukce výplňových vaků 6 3. TECHNOLOGIE POUŽITÍ VÝPLŇOVÝCH VAKŮ 8 4. ZÁSADY PROJEKTOVÁNÍ VYPLŇOVÁNÍ VOLNÝCH UZAVŘENÝCH MÍST ZA OSTĚNÍM VAKY 10 5. PŘEHLED A POPIS STROJNÍ TECHNOLOGIE VYPLŇOVÁNÍ VOLNÝCH UZAVŘENÝCH MÍST ZA OSTĚNÍM S POUŽITÍM VKLÁDANÝCH VAKŮ 13 5.1 Agregát P 13 13 5.2 Mísící a plnící zařízení NR 1 17 5.3 Vřetenová čerpadla 6. POPIS REALIZACE POLOPROVOZNÍCH POKUSŮ VYPLŇOVÁNÍ VOLNÝCH UZAVŘENÝCH MÍST ZA OSTĚNÍM VAKY S POUŽITÍM VKLÁDANÝCH VAKŮ 19 6.1 Použití výplňových vaků při ražbě kanalizačního sběrače Bánská Bystrica 19 6.2 Provozní nasazení výplňových vaků v Brně 23 18 7. ZÁVĚR 24 3
1. ÚVOD DO PROBLEMATIKY Předložená zpráva je výstupem dílčího úkolu č. 3. kterým je řešení problematiky zajišťování volných prostor a anomálních nespojitostí v horninovém, případně zemním prostředí v okolí ostění tunelové trouby injektáží. Současně se řeší bezpečnostní otázky vyplňování nezaplněných prostor mezi výztuží a hrubým výlomem podzemních objektů, Důraz se klade na provozní spolehlivost ražeb a údržby v podzemním stavitelství. Při ražbách podzemních objektů se v řadě míst z různých příčin vytvoří větší výlomový prostor než je původně projektováno. Vznikají tzv. nadvýlomy, často značných prostorových objemů. Základním principem vyztužování je docílení pevného kontaktu použitého systému vyztužování s obrysem vytvořeného výlomu. Mezi vnější části výztuže a horninovým masivem pak existují volné prostory nepravidelných tvarů a velikostí. Tento volný prostor je nutno vhodně vyplnit. Jedním z účinných způsobů vyplňování je aplikace metody výplňových vaků. Jedná se o technologii, kde se do určeného prostoru vloží uzavřený (obvykle textilní) obal vak, který se následně začerpá vhodně zvolenou výplňovou hmotou. Specifickým příkladem jsou volné prostory mezi panelovou výztuží a hrubým obrysem podzemního objektu. Ty se obvykle vyplňují injektáží hmot na bázi cementu. Kritické místo však vzniká v koruně profilu, kde prakticky nelze zcela docílit vyplnění prostoru mezi korunou výztuže a hrubým obrysem. Předmětný technologický problém (docílení kontaktu výztuže a hrubého výlomu ve vrchní části raženého podzemního objektu) je řešen použitím tzv. výplňových vaků. Jedná se o technologii vyztužování, kdy na důlní panelovou výztuž se již na povrchu připevní prázdný výplňový vak. Po instalaci výztuže se co v nejkratší době přikročí k začerpání výplňové hmoty do předmětného vaku. Tím dojde k nabytí objemu v místech fixace výplňových vaků a tím vyplnění předmětného volného prostoru. Při použití této technologie je naprosto nezbytné zabezpečit naplnění uvedených vaků ještě před poklesem nadloží. Aplikací výplňových vaků při ražbách podzemních objektů se v minulosti na řadě staveb podařilo minimalizovat poklesy povrchu až na hodnoty řádově několika milimetrů. Výsledný pokles závisel od hloubky ražby, geologických podmínek a zejména včasného vyplňování instalovaných vaků. Schéma likvidace volných prostor je uvedena na obr. č. 1. 4
Schéma umístění vaků při ražbě podzemních objektů volné prostory (nadvýlom při ražbě) použití vaků pro výplň volných prostor hrubý výlom podzemního objektu projektovaný průřez Obr. č. 1 2. ROZBOR MOŽNOSTÍ VYPLŇOVÁNÍ VOLNÝCH UZAVŘENÝCH MÍST ZA OSTĚNÍM SPECIÁLNÍMI VAKY Metoda vyplňování volných prostor s použitím výplňových vaků je primárně určena do podmínek, kde zaplňování těchto míst je technicky velmi obtížné a při aplikaci běžných metod likvidace volných prostor metodou začerpávání resp. injektáže neúčinné. 5
Jedná se zejména o rozsáhlé volné prostory, které nejsou izolované (ohraničené) a mají řadu místních komunikací na okolní netěsný prostor, resp. je zde možnost pronikání výplňové hmoty do vnitřního prostoru podzemního objektu. Použití výplňových vaků je prakticky jedinou reálnou technologií při výztuží, která nemá zcela uzavřený vnější obrys. Při ražbách se používá ve velké míře podpěrná výztuž tvořená z ocelových prvků (např. TH výztuž) mezi které se klade tzv. pažení, které však vykazuje určité nespojitosti. Schéma použití výplňových vaků při této výztuži je uvedeno na obr. č. 2. hrubý obrys raženého objektu výplňový vak volný prostor (nadvýlom) pažící prvky ocelová výztuž Obr. č. 2 Schéma výplňových vaků při ocelové výztuži Při tomto způsobu likvidace volných prostor se velikosti vaků jednoznačně vymezí prostor vyplňování, použitá hmota nemůže unikat do jiného místa. Další aplikací výplňových vaků je vytvoření bariér zabraňujících úniku hmoty. Tím se vytvoří ohraničený prostor do kterého se pak začerpává zvolená hmota. Přesná technologie je uvedena na obr. č. 3. volné prostory výplňové vaky ocelová výztuž 6
Obr. č. 3 Použití výplňových vaků jako ohraničující bariéry 2.1 Konstrukce výplňových vaků Výplňový vak se skládá z uzavřené textilní konstrukce požadovaných rozměrů ve velikosti panelů výztuže. V konkrétním případě ražby kanalizačního sběrače v Bánské Bystrici se jednalo o rozměry 120 x 40 cm. Při ražbě kanalizačních sběračů v Brně se pak používalo několik rozměrů a to až 150 x 60 cm. Výplňový vak je vybaven montážním uzávěrem se zpětnou klapou. Jejich situování je obvykle uprostřed vaku, v námi níže popisovaném případě je excentrické 23 cm od užšího okraje v ose vaku. Montážní uzávěr je tvořen 2 ks ocelových podložek, opatřených závitem a gumovou zpětnou klapou. Jeho funkce spočívá v uchycení injektážní jehly prostřednictvím závitu a zabránění zpětného vytékání výplňové hmoty. Pohled na výplňový vak je znázorněn na obr. č. 4. Obr. č. 4 Výplňový vak s excentrickým plnícím otvorem Na panelovou výztuž se fixuje lepením případně ještě pojištěním proti shrnutí použitím tzv. SK pásky. Po instalaci panelu nutno tyto pásky protrhnout. 7
Upevněné výplňové vaky k panelům jsou uvedeny na obr. č. 5, kde lze rovněž pozorovat injektážní jehly (packery), prostřednictvím kterých se výplňová hmota bude do vaku začerpávat. Po ukončení začerpávání lze injektážní packer demontovat, přičemž zpětná klapa uzávěru zabrání vytékání výplňové hmoty. Obr. č. 5 Segment panelové výztuže s nalepeným vakem Osová síla vyvinutá při začerpávání se projeví na samotné panelové výztuži, kdy dojde k jejímu pevnému usazení ve stycích jednotlivých segmentů. 3. TECHNOLOGIE POUŽITÍ VÝPLŇOVÝCH VAKŮ Zásady likvidace volných prostor použitím výplňových vaků a základní princip instalace byl zpracován v předchozích odborných zprávách naší společnosti. Pro ucelenost řešení některé statě z minulé zprávy zpracované v roce 2012 se v následném textu opakují. Použití výplňových vaků začíná na povrchu, kde je nutno vak po celé ploše přilepit k betonovým panelům případně je ještě pojistit SK páskou nebo jiným vhodným uchycením Při dopravě na pracoviště je nutná zvýšená opatrnost, aby nedošlo k proražení textilie vaků. Po instalaci výztuže je nutno v co nejkratším technologickém čase upevnit do závitu uzávěru výplňového vaku injektážní packer a neprodleně zahájit vyplňování. Při 8
procesu začerpávaní hmoty do vaku nutno sledovat tlak a při dosažení 0,2 MPa vyplňování ukončit. Při dalším zvyšování tlaku hrozí nebezpečí roztržení konstrukce vaku. V rámci řešení uvedené problematiky byly uskutečněny zkoušky funkce výplňových vaků mezi dva segmenty panelové výztuže byl umístěn dle výše uvedeného popisu výplňový vak a následně realizována výplňová injektáž. Pohled na instalovaný vak mezi segmenty výztuže je uveden na obr. č. 6. Obr. č. 6 Umístění zkušebního výplňového vaku mezi díly výztuže Výsledný stav po naplnění zkušebního výplňového vaku je uveden na obr. č. 7. K plnění bylo použité běžné vřetenové čerpadlo, provozní tlak se pohyboval okolo 1,5 MPa. Jako výplňová hmota se použila suspenze elektrárenského popílku bez přísad. V průběhu začerpávání docházelo k vytékání vody a tím hustota suspenze se výrazně změnila. 9
Obr. č. 7 Naplněný výplňový vak 10
4. ZÁSADY PROJEKTOVÁNÍ VYPLŇOVÁNÍ VOLNÝCH UZAVŘENÝCH MÍST ZA OSTĚNÍM VAKY Projekce vyplňování volných prostor s použitím vaků je vysoce specifická činnost, která řeší jednotlivé konkrétní případy, které se místo od místa mění. Nutno vycházet z konkrétní situace v místě budoucí aplikace. Základní faktory, které musí být zahrnuty do procesu projektování jsou: Technologie ražby Velikost a tvar průřezu raženého objektu Charakter výztuže podzemního objektu Časová návaznost vzniku volného prostoru na postupu ražby (nadvýlomy vzniklé ihned při razicím procesu, nadvýlomy vzniklé s určitým časovým odstupem) Velikost a tvar nadvýlomu Technické možnosti vkládání vaků do volného prostoru Technické možnosti vyplňování vaků Požadavek na únosnost výplňové hmoty Bezpečnost realizace výplňových prací Stěžejním problémem je zjištění velikosti a tvaru vzniklého volného prostoru. Tomuto se musí podřídit konstrukce samotného výplňového vaku a jeho velikost. Značně problémové je samotné umístění výplňového vaku do volného a prostoru a to při dodržení veškerých pravidel. Další velmi závažnou problematikou je stanovení a zejména dodržení tlaku začerpávaného media. Při překročení určité velikosti hrozí přetržení konstrukce vaku a únik výplňové hmoty mimo prostor zaplňování. Maximální provozní tlak závisí od pevnosti použitého materiálu na konstrukci výplňových vaků a způsobu jeho sešití. Výplň vaků je nutno realizovat v co nejkratší době od vzniku volného prostoru. Pokud dojde k samovolnému vypadávání materiálů nadloží, volný prostor se vytvoří ve vyšší vzdálenosti od obrysu výztuže a jeho likvidace je pak vysoce technicky náročná. Samostatnou projekční otázkou je návrh velikosti a tvaru vaku. Toto musí odpovídat rozsahu vzniklého volného prostoru, přičemž v naprosté většině případů nelze předem předpokládat jaký volný prostor se vytvoří. Je proto nutné vždy velikost vaků stanovit větší než je předpokládaný objem volného prostoru. Při použití menších rozměrů se volný prostor zcela nevyplní a navíc zde reálně hrozí nebezpečí přetržení konstrukce vaků tlakem začerpávaného media. Základní tvary vaků pro výplň prostoru mezi panelovou výztuží a hrubým obrysem raženého objektu jsou uvedeny na obr. č. 8. 11
Obr. č. 8 Základní typy výplňových vaků 12
5. PŘEHLED A POPIS STROJNÍ TECHNOLOGIE VYPLŇOVÁNÍ VOLNÝCH UZAVŘENÝCH MÍST ZA OSTĚNÍM S POUŽITÍM VKLÁDANÝCH VAKŮ Pro začerpávání výplňové hmoty do instalovaných vaků lze použít řadu injektážních agregátů. V následujícím textu jsou uvedeny některé strojní zařízení, která se osvědčila při rozsáhlých provozech výstavby kanalizačních sběračů v Brně. 5.1 Agregát P13 V minulosti byl úspěšně upraven omítací agregát P-13 k realizaci rozsáhlých injektážních prací a to jak pro stabilizační cíle tak pro sanaci termických procesů na důlních odvalech ( napřiklad odval Barré ve Vinařících u Kladna). Základem strojního zařízení je strojní omítačka P13 viz obr. č. 9. Strojní omítačka se dodává s pohonem elektrickým nebo dieselovým. Maximální provozní tlak dopravované směsi činil po úpravách až 10 MPa. Výkon čerpadla může dosáhnout 80 dm³/min. Skladba předmětného strojního zařízení je patrná z obr. č. 10. Úprava spočívala v : - odstranění komponentu, který dodával stlačený vzduch do potrubního řádu - nahrazení potrubního řádu vysokotlakými hadicemi o Ø 32 mm - úprava spojky mezi elektromotorem a mísícím zařízením. Výše uvedený agregát se velmi osvědčil u řady provozních akcí. Jeho základní výhody: - komplexní celek obsahující mísící část, dávkovač a čerpadlo - mobilní zařízení umístěné na kolovém podvozku - možnost použití injektážích hmot s různými účinky (např. elektrárenský popílek) - snadná výměna opotřebovaných součástí (válce, kožené manžety ) - dosažení výrobního množství až několik m³/hod. - plynulý provoz injektážích prací bez nutnosti technologických přerušení 13
Jako příklad lze uvést nasazení 2 ks omítacího agregátu P-13 při sanační injektáži odvalu Barré viz obr. č. 11. Jednalo se o začerpávání v řádu desítek tisíce tun popílkové suspenze do vnitřního prostoru důlního odvalu zasaženého intenzívním termickým procesem. Obr. č. 9 Původní stav omítačky P 13 14
Obr. č. 10 Technické schéma omítačky P13 15
Obr. č. 11 Použití upravené omítačky P 13 při sanačních pracích na odvalu Barré Základní technické parametry : Objem míchačky 170 dm³ Technický výkon čerpadla max. 4,8m³ / hod. Dopravní vzdálenost : horizontálně 500m vertikálně 60m Přetlak v dopravním potrubí max. 6MPa Jmenovitá světlost dopravního potrubí DN 51, DN 35 Otáčky míchací hřídele 52/min Min. čas míchání 60s Jmenovitý příkon 11,4kVa Jmenovitý proud 21A Celkové rozměry při přepravě: délka 3000 mm šířka 600 mm výška 500 mm Hmotnost stroje bez příslušenství Hmotnost příslušenství 900 kg 285 kg 16
5.2 Mísící a plnící zařízení NR 1 Základní části předmětného zařízení tvoří tlaková nádoba vybavená mísícími lopatkami poháněnými vzduchovým motorem viz obr. č.12. Po naplnění zařízení a promíchání hmoty se do nádoby vpustí stlačený vzduch a jeho působením se hmota dopraví do výplňového vaku. Výhody tohoto zařízení spočívají zejména v možnosti stanovení plnícího tlaku, přesného dávkování hmoty, kombinaci mísiče a čerpadla v jednom zařízení a snadné dopravě na místo použití. Obr. č. 12 Mísící a plnící zařizení NR-1 5.3 Vřetenová čerpadla Pro menší rozsah použití výplňových vaků lze použít běžná vřetenová čerpadla malých rozměrů. Tato strojní zařízení jsou schopna začerpávat regulovaným tlakem potřebné množství suspenzí. Výplňová hmota suspenze může být na bázi elektrárenského popílku ale také lze začerpávat sádru případně cementovou suspenzi. Obecné schéma použití vřetenového čerpadla je uvedeno na obr. č. 13. 17
textilní vak s výplňovou hmotou vřetenové čerpadlo základní komponenty výplňové hmoty Injektážní trubka stropní betonový panel Obr. č. 13 Schéma zařízení pro plnění výplňových vaků 6. POPIS REALIZACE POLOPROVOZNÍCH POKUSŮ VYPLŇOVÁNÍ VOLNÝCH UZAVŘENÝCH MÍST ZA OSTĚNÍM VAKY S POUŽITÍM VKLÁDANÝCH VAKŮ 6.1 Použití výplňových vaků při ražbě kanalizačního sběrače Bánská Bystrica Identifikační údaje : Ražba kanalizačního sběrače A Banská Bystrica Hrubý výlom : průměru 2 560 mm Technologie ražby : ručně, zajištění výlomu nemechanizovaným štítem Výztuž : báňská panelová výztuž BZV 256/120 Získané poznatky z aplikace v Banské Bystrici K provoznímu nasazení výplňových vaků bylo přistoupeno při ražbě kanalizačního sběrače mezi šachticemi č. 26 a 27. Z hlediska úložních podmínek lze předmětný úsek charakterizovat údaji. následujícími 18
Stručné geologické údaje úseku nasazení výplňových vaků Ražení štítem se uskutečnilo ve fluviálních sedimentech, které jsou reprezentované šedohnědým štěrkem dobře zrněným až balvanovitým, přičemž největší balvany dosahují bežně rozměrů cca 40 cm, ojediněle až do 1m. Průměr valounů, balvanů, resp. zrn je proměnlivý, pohybuje se následovně : do staničení cca 215 bm : - velikost do 10 cm cca 40%, - velikost nad 10 cm cca 60%, od staničení cca 215 bm : - velikost do 10 cm cca 70 až 60, - velikost nad 10 cm cca 30 až 40. Četnost výskytu větších balvanů směrem k šachtě Š 27 klesá. Voda na čelbě raženého podzemního objektu se vyskytuje jen ve spodní časti prevážně do výšky cca 30 až 50 cm, ve formě plošných výtoků v množství od cca 0,5 do 1 l/sec., blíže k šachtě Š27 množství klesá na 0,1 l/sec. Celkově je ze šachty Š26 čerpáno cca 5 až 7 l/sec. Technologie použití výplňových vaků Na pracoviště v Bánské Bystrici byly použity speciálně vyrobené panely s vybráním do hloubky cca 1,5 cm a rozšířeným plnícím otvorem. Tato skutečnost je patrná z obr. č. 14 a 15. Bylo použito vaků rozměrů 120 x 40 cm s excentrickým uzávěrem situovaným 23 cm od kratší strany v ose vaku viz obrázek č. 4. Uchycení vaků k panelové výztuži se uskutečnilo lepením chemoprenem s pojištěním SK páskami. Vaky byly použity v kombinaci se speciální upravenou panelovou výztuží, ve které bylo vytvořeno zahloubení do hloubky cca 1,5 cm s plnícím otvorem viz obr. č. 15. Ražení probíhalo v štěrkopíscích s ručním rozpojováním pod ochranou razícího štítu. viz obr. č. 16. Postup ražby činil 2,7 m denně. Čerpací agregát byl situován v podzemí, dopravní vzdálenost činila cca 10 15 m. Provozní tlak výplňové injektáže se pohyboval do 0,2 MPa. Náplň hmoty v jednom vaku se pohybovala cca 15 l. 19
Použité výplňové vaky jsou dokumentovány na styku vodorovného kanalizačního sběrače a vstupní jámy. Jejich funkce je patrná z obr. č. 17 a 18. Výplňová hmota Plnění se uskutečnilo suspenzí na bázi cementu s vápencovou přísadou. Hustota výplňové hmoty činila až 2 000 k/m 3. Při začerpávání byla volná voda odfiltrována přes textilii, přičemž nedocházelo k vyplavování pevných zrn. Obr. č. 14 Segment panelové výztuže s vybráním pro výplňový vak otvorem pro plnění 20
Obr. č. 15 Detail segmentu panelové výztuže uzpůsobené pro instalaci výplňových vaků Obr. č. 16 Čelba raženého sběrače s ochranným štítem 21
Obr. č. 17 Zabudované výplňové vaky k naplnění a zatuhnutí hmoty Obr. č. 18 Detail zabudovaného výplňového vaku 6.2 Provozní nasazení výplňových vaků v Brně 22
Provozní použití vaků bylo realizováno při ražbách kanalizačních sběračů v městské aglomeraci Brno. Identifikační údaje : Ražba kanalizačních sběračů Brno Hrubý výlom : průměru 3 600 mm Technologie ražby : mechanizovaně hydraulickým rozpojovacím zařízením, zajištění výlomu ochranným posuvným štítem Výztuž : železobetonové panelové segmenty Použití výplňových vaků bylo v řadě úseků kanalizačních sběračů a to v místech : ohrožení občanské výstavby poklesem terénu zabránění poklesu železniční tratě v lokalitě tzv. trojúhelníku zabránění poklesu silničních komunikací v centrální části města Brna. Pro aplikaci výplňových vaků byla použita technologie popsaná v předchozím textu, Jako výplňová hmota se použila popílkocementová suspenze. K začerpávání byly nasazeny upravené agregáty P 13 dle výše uvedeného popisu. Jejich situování bylo na povrchu, výplňová směs se dopravovala hadicovými řády na místo použití. Vyplňování vaků bylo zařazeno do ražebního cyklu kanalizačních sběrače a realizovalo se ihned za budováním výztuže. Bylo použito obdélníkových vaků rozměrů 40 x 120 cm. Příklad naplněného vaku je uveden na obr. č. 19.. Obr. č. 19 Výplňový vak s injektážní jehlou 23
7. ZÁVĚR Aplikace výplňových vaků při ražbě kanalizačního sběrače A v Banské Bystrici prokázala reálnost předmětné technologie ražby. Hlavním přínosem bylo nahrazení ne zcela spolehlivé technologie injektáže volných prostorů zejména v koruně podzemního objektu. Došlo ke snížení spotřeby výplňové hmoty (cementovápenné suspenze), přičemž nedocházelo k únikům injektážní hmoty do vnitřního prostoru důlního díla. Rovněž došlo k zmenšení poklesu povrchu zejména v úsecích, kde bylo vyplňování včas realizováno. Na rozdíl od poloprovozního nasazení výplňových vaků v Bánské Bystrici bylo použito značného množství těchto prvků při ražbě kanalizačních sběračů v Brně. Zde bylo nutno zejména zabránit poklesu terénu v místech s občanskou zástavbou a velmi důležité bylo jejich nasazení v prostoru pod železniční tratí a silniční komunikací. Ve všech případech nasazení výplňových vaků splnila výše uvedená technologie svůj účel a bylo zabráněno výrazným poklesům poklesu terénu. V Ostravě Plesné, dne 25. 6. 2013 Zpracoval : Ing. Jan Čech 24