Betonová vozovka v tunelech: výhody a doporučení pro návrh a konstrukci vycházející z některých belgických případových studií

Udržitelnost je jedním z klíčových kritérií pro konstrukci vozovek. Pro realizaci nových komunikací je stále důležitější nejen životnost, ale také bezpečnost, dopad na životní prostředí, pohodlí, využívání ploch. Aby byl minimalizován dopad na životní prostředí a maximalizována společenská přijatelnost komunikací, stále více dálnic, městských magistrál, obchvatů, a dokonce i místních komunikací je konstruováno jako tunely. Tím je nejen minimalizován dopad na životní prostředí snížením hluku a směrováním vzduchu, ale vzniká také možnost provést nové krajinné úpravy na jejich povrchu.

Aby byla zajištěna bezpečnost a spolehlivá dopravní dostupnost, je pro vozovku v tunelu nutný dobrý návrh a vhodný výběr materiálů. Betonové vozovky a zejména vozovky se spojitě vyztuženým cementobetonovým krytem jsou pro tento účel maximálně vhodné. Nenáročná údržba, vysoká spolehlivost, dobrá životnost i nehořlavost a netoxicita přispívají k bezpečnosti v tunelech a k celkové udržitelnosti silniční sítě.

Tento příspěvek se nejprve zaměřuje na celkové vlastnosti a konstrukční aspekty betonových vozovek v tunelech. Následně jsou představeny dva projekty: nově vybudovaná dálnice A11/E34 mezi Knokke a Zeebrugge na belgickém pobřeží, kde je vozovka se spojitě vyztuženým cementobetonovým krytem (CRCP) použita jak v tunelech, tak i na zahloubených silničních komunikacích. Druhým projektem je dokončení okružní komunikace v Antverpách spojkou Oosterweel, která je důležitou spojnicí v transevropské dopravní síti. V tomto projektu nebudou tunely použity pouze k překonání řeky Šeldy a Albertova kanálu, ale formou tunelu bude také provedena rekonstrukce stávajícího obchvatu s nadjezdem, což umožní navrátit zpět do města plochy pro volnočasové aktivity.

ÚVOD

Díky rostoucímu globálnímu povědomí o zásadách udržitelnosti a důležitosti omezování a zmírňování dopadů změn klimatu rozšiřují vlastníci komunikací konstrukční požadavky s ohledem na dopad na životní prostředí, potřeby okolní komunity a ekonomické parametry po celou dobu životnosti konstrukce.

Tento příspěvek představuje dva projekty z Belgie, kde byly za účelem zmírnění dopadu dopravy na okolí vybudovány tunely a zahloubené komunikace, aniž by byla ohrožena mobilita. V obou případech se na těchto stavbách použila nebo použije CRCP, aby vznikl odolný kryt vozovky s minimálními nároky na údržbu, vysokou úrovní bezpečnosti, dobrými jízdními vlastnostmi a nízkou hlučností.

Prvním projektem je dálnice E34, která spojuje stávající dálnici E34 s E40 a tím zlepšuje dostupnost přístavu Zeebrugge na pobřeží Belgie. Díky oddělení silného provozu v okolí námořního přístavu od místního provozu se zvýší bezpečnost, aniž by se tím omezily možnosti rozšiřování přístavu. Zvláštní pozornost je dále věnována dopadům na životní prostředí a multimodalitě projektu s přihlédnutím k požadavkům přístavního průmyslu (dobré a plynulé dopravní spojení s vysokou spolehlivostí), zemědělského průmyslu (co nejméně rozparcelování a dobrý přístup k zemědělské půdě), přírodních rezervací (zachování přirozeného prostředí a sídlišť zejména pro ptactvo), místních vesnic v poldrech (co největší snížení dopadu) a turistického ruchu (zachování výhledů na poldry spolu s možností projíždět jimi na kole).

Proto projekt představuje mnohem více než nové spojení mezi E34 a E40. Bylo provedeno přehodnocení výchozí silniční sítě a byla vytvořena rozsáhlá síť cyklostezek. Pro tunely a zahloubené silniční komunikace byl jako vozovka zvolen spojitě vyztužený cementobetonový kryt (CRCP).

Druhým projektem je Oosterweelská spojka, pojmenovaná po opuštěné vesnici v oblasti dnešního přístavu v Antverpách. Jedná se o projekt, jehož cílem je dokončit obchvat Antverp. Vytvoří se nové propojení v severozápadní části okružní komunikace, které umožní nákladní dopravě z levého břehu řeky Šeldy projíždět na sever do Nizozemska a na východ do Německa, aniž by musela projíždět jižní částí města. Prvotním plánem bylo postavit několik mostů, avšak požadavky na lepší kvalitu života ve městě přiměly úřady opustit tuto myšlenku a přiklonit se k tunelům. Ve stejném duchu minimalizace dopadu dopravy na životní prostředí bude stávající okružní komunikace zahloubena a toto zahloubení bude následně zakryto, čímž se nejen sníží hladina hluku z dopravy, ale do města se také vrátí plochy, které vytvoří zelený okruh kolem Antverp. Také v tomto projektu je CRCP zvolen jako hlavní kryt vozovky nejen pro tunelové úseky, ale pro všechny dálniční vozovky, aby odolával silnému provozu po dobu životnosti 30 až 40 let.

POŽADAVKY NA KRYTY V TUNELECH

Všeobecné požadavky
Na kryt v tunelu v zásadě nejsou ve srovnání s kryty mimo tunel kladeny žádné zvláštní požadavky, kromě toho, že je potřeba vzít v úvahu několik odlišných okolností. Hlavní z nich je bezpečnost v tunelu, zejména možnost dobré evakuace a záchrany v případě vzniku požáru. Dalším důležitým aspektem je dostupnost silniční sítě, což zejména v tunelu s omezenými přístupovými body předpokládá nízké nároky na údržbu a dlouhou životnost.

Cementobetonové kryty, JPCP (spojitě nevyztužená cementobetonová deska) s kluznými trny a zejména CRCP (spojitě vyztužená cementobetonová deska), jsou pro použití v tunelech velmi vhodné. Beton je nehořlavý materiál, který při vystavení ohni neuvolňuje toxické plyny, a i při vysokých teplotách si zachovává velmi důležitou část svých statických vlastností (1). Beton není hořlavý, a proto nepřispívá k požárnímu zatížení, které určuje uvnitř tunelu riziko požáru a rozsah a následky z něj vyplývající. V Rakousku i ve Španělsku existují předpisy, podle kterých je v tunelech delších než 1 km povinně používán beton, aby byla zajištěna nezbytná bezpečnost.

Cementobetonové kryty v tunelech mají další výhody:

• Díky jasu betonu lze snížit intenzitu osvětlení, aniž by byla ohrožena viditelnost. Výsledkem je menší počet osvětlovacích těles a nižší spotřeba energie;
• Cementobetonové kryty, pokud jsou pokládány s přísadami odolnými proti obrusu, mají velmi vysoký součinitel tření, což má za následek dobrou odolnost proti smyku, která přetrvává po celou dobu životnosti. Vzhledem k tomu, že se na vozovce obvykle nevyskytuje voda, bude brzdná dráha v tunelu kratší, pokud jde o vyšší koeficient tření;
• Cementobetonové kryty vyžadují minimální údržbu, omezující se hlavně na údržbu spár;
• Cementobetonové kryty zvyšují hmotnost tunelu, což je často žádané z důvodu zabránění pohybu tunelu.

Konstrukce vozovky v tunelu
Konstrukce betonové vozovky se od klasického provedení neliší. Teplotní gradient ve vrstvě krytu je však mnohem omezenější, protože v tunelu nepůsobí přímé slunce a konstrukce může těžit z přítomnosti betonového podkladu tunelu, který poskytuje velmi tuhou základovou vrstvu. Proto může být tloušťka betonu mírně snížena a samotná podkladní vrstva může být vynechána. Cementobetonový kryt může být nevyztužený se spárami opatřenými trny, avšak v Belgii se z důvodu ještě větší minimalizace údržby používá pro silně zatížené komunikace spojitě vyztužená betonová deska.

V Belgii jsou typické níže uvedené konstrukce vozovky se spojitě vyztuženým cementobetonovým krytem:

Přidání porézní asfaltové vrstvy pod sendvičovou vrstvu je technologie, která vzešla z konstrukce asfaltových vozovek v tunelech, kde existuje riziko infiltrace vody. Porézní asfaltová vrstva zabrání, aby voda vytvářela přímý tlak na asfaltový kryt. Na druhé straně přítomnost pórovité asfaltové vrstvy rozvede vodu takovým způsobem, že již nebude možné určit přesné místo průsaku. Kromě toho cementobetonový kryt bude méně ovlivněn tlakem vody v důsledku přítomnosti vody procházející trhlinou nebo spárou v tunelu než asfaltový kryt. Proto bylo rozhodnuto v případě projektu Oosterweel nepoužít porézní asfaltovou mezivrstvu a vložit sendvičovou vrstvu přímo na dno tunelu s nepropustnou ochrannou vrstvou.

Provedení betonového krytu v tunelu
Pokládka cementobetonového krytu v tunelu je obdobou pokládky klasického krytu. Logistika však může být komplikovanější z důvodu omezeného prostoru, který je k dispozici co do výšky i co do šířky. Více podrobností je uvedeno v (1).

Pokud se použije CRCP, musí být beton pokládán ve dvou fázích, aby byl umožněn transport materiálu. Pokud to světlá výška dovoluje, provádí se přeprava běžnými sklápěcími nákladními vozidly. Mezi alternativní řešení patří:

• autodomíchávače betonu (i když může dojít ke snížení výkonu: doba vykládky autodomíchávače s objemem 8 m³ může přesáhnout 10 minut, pokud jsou zapotřebí dlouhé skluzné žlaby)
• nákladní vozidla s bočním vyklápěním (obr. 3)
• nákladní vozidla s výtlačným čelem, kde je beton pomocí pístu vytlačen do finišeru (obr. 4).

Cementobetonový kryt lze pokládat v jedné nebo ve dvou vrstvách, metodou mokrý do mokrého. Pokud je prostor omezený, lze použít mobilní dopravníky, které umožňují, aby byl beton transportován přes prvky umístěné před finišerem (např. kluzné trny). Podobně lze postupovat při provádění vozovky ve dvou vrstvách současně. Pro dodávku betonu před zadní finišer pokládající horní vrstvu lze použít dopravníkový pás namontovaný na předním finišeru.

Použití provzdušňovací přísady do betonu se doporučuje v exteriéru, ale také uvnitř tunelů. Provzdušňovací přísada do betonu nejen zvýší odolnost proti usazování vodního kamene z důvodu přítomnosti silniční posypové soli, ale v důsledku tvorby malých pórů a vzduchových bublin, které fungují jako expanzní komory, také sníží vnitřní tlak, který vzniká zvýšením teploty během požáru.

Jako úprava povrchu cementobetonového krytu se upřednostňuje technologie obnažení kameniva, aby se co nejvíce snížil hluk vznikající odvalováním pneumatik. Složení betonu musí být přizpůsobeno této metodě povrchové úpravy tím, že bude obsahovat alespoň 20% kameniva o velikosti zrna od 4 do 6 mm v případě jednovrstvového betonu, nebo omezením velikosti kameniva v horní vrstvě na 6,3 mm nebo maximálně 10 mm.

Zvláštní požadavky na CRCP v tunelech
V Belgii je standardní použití CRCP pro silně zatížené dálnice. Koncept se v průběhu let mírně změnil, z čehož vyplynula konstrukce uvedená v tabulce 1. Procento podélné výztuže je 0,75 %.

Za účelem optimalizace struktury trhlin se ihned po betonáži provedou řezy iniciující trhliny (obr. 5). Tyto řezy jsou umístěny ve vzdálenosti každých 1,20 m a mají hloubku 40 mm a délku 400 mm. Řezy iniciující trhliny je třeba provést do 24 hodin po betonáži (2).

Za účelem snížení hluku vznikajícího odvalováním pneumatik se provádí stále více dvouvrstvových CRCP metodou mokrý do mokrého, ale také jednovrstvových CRCP, s úpravou povrchu krytu technologií obnaženého kameniva s optimalizovaným rozložením velikosti kameniva, čímž lze dosáhnout nízkých úrovní hluku. V tunelech se doporučuje použít jednovrstvovou CRCP. Užitek ze snížení hluku je v tunelu velmi omezený a logistika realizace dvouvrstvového krytu je v tunelu mnohem komplikovanější, protože často není k dispozici boční prostor.

CRCP má tu výhodu, že se jedná o spojitou desku, pouze na začátku a na konci je třeba počítat s kotvícími opěrami, aby se zabránilo pohybu CRCP. Tyto opěry jsou umístěny mimo tunel. Kotevní oka jsou umístěna v zemi. Přechod mezi konstrukcí v tunelu a konstrukcí uložené na zemině se provádí pomocí základové desky, aby se zabránilo nerovnoměrnému sedání v přechodové zóně.

E34, PŘÍJEZD DO PŘÍSTAVU ZEEBRUGGE

Všeobecně
E34 je nově postavená dálnice, která vede částečně kolem přístavu a částečně přes poldr s výhledy do široké krajiny, který tvoří přirozené sídliště pro ptactvo. Aby se snížil dopad na okolí a zejména se zachovaly pohledy na poldr, byla velká část dálnice uložena do tunelu nebo zahloubena.

Projekt je veřejně-soukromým projektem. Protože provoz není až tak hustý, byla zvolena asfaltová vozovka. Pro tunel a zahloubené části však byla zvolena dvouvrstvová CRCP. A to nejen kvůli zvýšené bezpečnosti díky vyšší odolnosti proti ohni, ale také kvůli delší životnosti, minimální údržbě a vyšší odrazivosti světla.

Byla zvolena dvouvrstvová CRCP, protože ne všechny části dálnice jsou zakryty, a proto musí být snížení hluku co nejvyšší. CRCP byl položen přes různé segmenty tunelu a zahloubené části bez přerušení ve 2 fázích: pravý jízdní pruh a odstavný pruh a následně levý jízdní pruh. Dvouvrstvový cementobetonový kryt provedený technologií mokrý do mokrého, s horní vrstvou s maximální velikostí kameniva 6,3 mm, byl zvolen z důvodu nízké hlučnosti srovnatelné s SMA 0/10 (asfaltový koberec mastixový).

A11 má dva jízdní pruhy v každém směru, oba široké 3,75 m, a odstavný pruh o různé šířce. Na levé straně se předpokládá odstavný pruh široký 2,02 m, jak je znázorněno na obrázku 8. Vozovka je umístěna na betonovém dně tunelu o tloušťce 1 m, s dvojitou asfaltovou mezivrstvou, 50 mm sendvičovou vrstvou (hutný asfaltový beton ABT) na 50 mm porézní asfaltové směsi. Dno tunelu je založeno na pilotech a slouží jako podkladní vrstva pro cementobetonový kryt.

Více informací je uvedeno v (3).

Provedení
Provedení cementobetonového krytu zahloubené komunikace a v tunelu se významně neliší od klasického CRCP. Vzhledem k tomu, že výška tunelu přesahuje 5 m, nebylo nutné provádět žádná zvláštní měření z důvodu přepravy betonu, která se uskutečnila v otevřených zásobnících. Pokud je výška omezená, je nutno na staveniště umístit menší zásobníky pro přepravu betonu k finišeru.

Na dně tunelu je položena asfaltová mezivrstva o tloušťce 50 mm, na kterou se umisťuje příčná a podélná výztuž. Pod touto hutnou asfaltovou vrstvu byla položena další porézní asfaltová vrstva.

Pokládka cementobetonového krytu probíhá v různých fázích: nejprve se provádí odstavný pruh a polovina pravého jízdního pruhu (přičemž se šířka odstavného pruhu výrazně mění po celé délce vozovky) a následně druhá polovina pravého jízdního pruhu a levý jízdní pruh. Ve vozovce nebyly provedeny žádné příčné pracovní spáry, protože betonování probíhalo 24 hodin denně, sedm dní v týdnu. První vozovka ve směru na Knokke byla položena mezi březnem a červnem 2016, druhá vozovka ve směru na Antverpy byla položena mezi 20. březnem a 3. dubnem 2017.

Kotvy do podélné pracovní spáry byly automaticky uloženy finišerem s kluznými bočnicemi do čerstvého betonu během betonáže spodní vrstvy. Po přejezdu prvního finišeru nebyly použity žádné hladicí lišty, aby povrch betonu zůstal drsný pro lepší přilnavost k horní vrstvě.

Horní vrstva byla položena druhým finišerem s kluznými bočnicemi, který následoval velmi těsně za prvním, obrázek 9. Beton byl dodáván v domíchávačích. Po přejezdu druhého finišeru byla použita hladicí lišta. Jelikož byl předepsán vymývaný povrch, byl na povrch betonu nastříkám zpomalovač tuhnutí a následně plastová fólie, dobře zajištěná po stranách, jak je vidět na obrázku 10.

Do 24 hodin po betonáži bylo provedeno vymetání povrchu, jak je znázorněno na obrázku 11. Byly provedeny tři průjezdy kartáče, nejprve v kombinaci s vodou, následně na sucho. Je důležité důkladně vyčistit povrch asfaltové vrstvy kolem čerstvě položeného betonu, jak je znázorněno na obrázku 12, aby se optimalizovala přilnavost mezi betonem a asfaltem. Tím se prodlouží životnost cementobetonového krytu.

Řezy pro aktivní kontrolu trhlin jsou prováděny těsně po vymetání a pro druhou fázi dokonce i během vymetání povrchu. To má za následek velmi dobře distribuovanou strukturu trhlin, přičemž 70 % až 85 % trhlin vycházelo z řezu iniciujícího vznik trhliny. Průměrná vzdálenost mezi trhlinami byla mezi 1,40 m a 2,30 m, s mírně větší vzdáleností mezi trhlinami v tunelu ve srovnání se zahloubenými úseky v důsledku sníženého tepelného namáhání.

OOSTERWEELSKÁ SPOJKA, PŘÍMÉ PROPOJENÍ DO ANTVERPSKÉHO PŘÍSTAVU A DOKONČENÍ OKRUŽNÍ KOMUNIKACE R1

Všeobecně
Oosterweelská spojka se rozprostírá v délce přibližně 15 km. Prostřednictvím několika nových tunelů pod řekou Šeldou a Albertovým kanálem spojí Oosterweelská spojka E17 (Gent) a E34/N49 (Bruggy) na levém břehu s dálnicemi E19/A12 ve směru na Nizozemsko a E34/E313 ve směru na Lutych Německo a Lucembursko.

Oosterweelská spojka je koncipována pro těžkou nákladní dopravu a posune důležité dopravní toky jižní osy na severnější a kratší trajektorii procházející přístavem. Proto musí být všechny kryty provedeny jako CRCP, s výjimkou krytů na některých konkrétních místech, kde konstrukce neumožňuje větší tloušťku krytu a kde musí být omezena hmotnost.

Aby se minimalizoval dopad stavby, byla Oosterweelská spojka navržena převážně jako podzemní infrastruktura. Výsledkem tohoto přístupu bude funkční silniční spojení umožňující optimální přístup k přístavu a okolním průmyslovým a ekonomickým klastrům při respektování požadavků městského regionu, pokud jde o životní prostředí, kvalitu života a územní plánování.

Výsledkem bude zelený koridor kolem Antverp, který navrátí plochy kolem Albertova kanálu zpět do města, aby mohly být využívány pro volnočasové aktivity či jako cyklistické a turistické stezky.

CRCP v tunelu
Propojení mezi levým a pravým břehem řeky Šeldy bude provedeno tunelem se 3 jízdními pruhy v každém směru, únikovým koridorem uprostřed a jízdním pruhem pro cyklisty na druhé straně.

CRCP o tloušťce 25 cm je položen na asfaltovou sendvičovou vrstvu o tloušťce 50 mm a porézní asfaltovou vrstvu položenou pod ní, aby byl zajištěn odtok vody, která by mohla prosakovat prvky tunelu. Dno tunelu se využívá jako podkladní vrstva.

CRCP bude provedena v jedné vrstvě, v různých fázích. Nejprve bude položen pravý a střední jízdní pruh a poté levý. Pozornost bude věnována poloze podélné spáry. Zvláště v pravém jízdním pruhu by tato spára neměla být ve stopě kol těžké dopravy.

ZÁVĚRY

Nutnost minimalizovat dopady silničních sítí na životní prostředí vede projektanty k využívání tunelů nebo zahloubených komunikací, zejména v okolí měst, přírodních rezervací apod. Z toho vyplývají další požadavky na vozovku, na zajištění bezpečnosti v tunelu a na vysokou spolehlivost a dostupnost komunikací.

Cementobetonové kryty a zejména CRCP jsou ideální pro použití jako kryty v tunelech. Kromě dobré kvality jízdy, snížené hlučnosti a vysoké odrazivosti světla jsou důležitými parametry i minimální údržba, dlouhá životnost a nehořlavost.

Byly představeny dvě případové studie z belgické dálniční sítě, které ukazují proveditelnost CRCP v tunelech.

Prof. Anne Beeldens, PhD, eng.
konzultační inženýrka
AB-Roads, Belgie

POUŽITÁ LITERATURA
[1] Jofré, Carlos, Romero, Joaquin en Rueda, Rafael. Contribution of concrete pavements to the safety of tunnels in case of fire. sl: EUPAVE, 2010
[2] Recent devlopments in the design and construction of CRCP – Towards a more durable concept. Rens Luc, Beeldens Anne, De Winne Pieter. Prague : International symposium on Concrete Roads, 2015
[3] Two case studies of two lift CRCP on Belgian highways: the open tunnel on the E34 and the ring road of Couvin (E420). Beeldens Anne, Vinckier Brecht, Lambert Geert, Balfroid Nathalie. Berlin: International Symposium on Concrete Roads, 2018