Projekt a výstavba Zvěrotického tunelu podle principů observační metody

Dvoukolejný železniční tunel Zvěrotice délky 370 m je v pořadí devátým tunelem na IV. tranzitním železničním koridoru v úseku mezi Prahou a Českými Budějovicemi. Nachází se na traťovém úseku Soběslav – Doubí u Tábora v poměrně úzkém pruhu území mezi provozovanou dálnicí D3 a městem Soběslav. Stavbu tunelu provádí pro sdružení firem STRABAG RAIL a. s., EUROVIA CS, a. s. a METROSTAV a. s. firma HOCHTIEF CZ, a. s. Geotechnický monitoring zajišťuje firma GeoTec GS a. s. Investorem stavby je Správa železnic, s. o. Autorem realizační dokumentace je firma SAGASTA s. r. o.

ÚVOD

Hloubený tunel Zvěrotice je jedním ze tří právě prováděných železničních tunelů nejen na IV. železničním koridoru, ale na celém území České republiky. Tunel je součástí stavby „Modernizace trati Veselí nad Lužnicí – Tábor – II. část, úsek Veselí nad Lužnicí – Doubí u Tábora, 2. etapa Soběslav – Doubí“. Traťový usek je veden z velké části v nové stopě podél dopravního koridoru dálnice D3. Přeložka má délku 8,8 km a po dokončení dojde ke zrychlení doby jízdy u rychlíkových spojů o 8 minut. Projekt byl původně navržen na rychlost 160 km/h, v průběhu výstavby došlo po úpravě technického řešení ke zvýšení rychlosti pro naklápěcí vlakové soupravy až na 200 km/h, pro standardní vlakové soupravy na 185 km/h. Předpokládaná doba výstavby je od září 2019 do května 2023. Zahájení provozu je plánováno v listopadu 2022.

Geotechnické podmínky jsou i při malé délce tunelu velmi pestré. I když zadávací dokumentace poskytovala kompletní projekt tunelu v podrobnosti realizační dokumentace, zvláštní technické a kvalitativní podmínky požadovaly při návrhu zajištění stavebních jam a konstrukčního řešení tunelu zohlednění skutečně zastižených geotechnických podmínek. Realizační dokumentace uváděla na základě vyhodnocení geotechnického průzkumu prognózu předpokládaného použití jednotlivých typů konstrukcí a kritéria, podle kterých bylo možné tyto konstrukce při výstavbě použít. Ověřování předpokladů realizační dokumentace probíhalo prostředky geotechnického monitoringu. Jednalo se tak o typický příklad výstavby podle principů observační metody.

GEOLOGICKÉ POMĚRY

Před zahájením projekčních prací na realizační dokumentaci měl projektant k dispozici výsledky geotechnického průzkumu. V délce tunelu 370 m bylo k dispozici celkem 15 jádrových vrtů s hloubkou až 26 m. Dno stavební jámy dosahuje hloubky až 14 m. Kombinace vrtného a geofyzikálního průzkumu a interpretace jejich výsledků poskytovala spolu s výsledky laboratorních a presiometrických zkoušek poměrně přesné informace o vlastnostech horninovém masivu a jeho geotechnických parametrech.

Mocnost kvartérního pokryvu v zájmovém území kolísá od 0,3 m do 1,1 m a tvoří ho především deluviofluviální zeminy charakteru jílovitých písku až jílů. Na bázi kvarterního pokryvu se vyskytují pararuly moldanubika, které jsou velmi nepravidelně zvětralé fosilním zvětráním, pro které je charakteristická proměnná hloubka zvětrání. Ve střední části tunelu zvětralá zóna zasahuje až pod dno stavební jámy. V oblasti u obou portálů se slabě zvětralé nebo navětralé horniny vyskytují mělce pod povrchem. Nerovnoměrné zvětrání je do jisté míry podmíněno i tektonickým porušením horninového masivu.

Skalní horniny rozhodující pro návrh technického řešení byly v rámci průzkumu rozděleny podle geotechnických vlastností do tří geotechnických typů. Jejich základní charakteristiky uvádí tabulka 1. Geotechnickým typům byly v rámci průzkumu přiřazeny geotechnické parametry, které byly použity ve výpočtech. Na obr. 1 je výnos jádra z vrtného průzkumu v oblasti vjezdového portálu. Tento charakter horniny byl zastižen i v oblasti výjezdového portálu. Na obr. 2 je výnos jádrového vrtu z horninového masivu zastiženého ve střední části tunelu. Horninový masiv je zde zcela zvětralý a má charakter soudržné zeminy.

TECHNICKÉ ŘEŠENÍ PODLE ZADÁVACÍ DOKUMENTACE

Pro zajištění stability stavební jámy byly navrženy tři základní konstrukční typy:

• Svahovaná stavební jáma
• Svahovaná stavební jáma v místě tektonické poruchy
• Kombinace svahované jámy a zajištění pilotovou stěnou

Typy zajištění stability stavební jámy odpovídaly předpokládaným geotechnickým podmínkám. V oblasti obou portálů, v dobrých geotechnických podmínkách, byla stavební jáma navržena jako svahovaná, ve špatných geotechnických podmínkách, ve střední části tunelu, zajišťovala boky stavební jámy kotvená pilotová stěna. V místě tektonických poruch byla svahovaná stavební jáma v patě druhé výškové etáže zajištěna železobetonovou převázkou s lanovými, předpjatými kotvami. U vjezdového portálu byla svahovaná stavební jáma navržena v délce 130 m, u výjezdového portálu v délce jen 40 m. Zbývající délku stavební jámy 200 m zajišťovaly pilotové stěny hloubky 20 m kotvené vlevo ve směru staničení ve čtyřech výškových úrovních, vpravo ve třech úrovních.

Pro tunelové ostění byly rámci zadávací dokumentace navrženy tři konstrukční typy. V nejlepších podmínkách byla klenba tunelu uložena na základových pasech, ve střední části tunelu ve zhoršených podmínkách byl použit konstrukční typ se spodní klenbou o minimální tloušťce 600 mm. Do nejtěžších geotechnických podmínek byl navržen konstrukční typ se spodní klenbou ležící na železobetonové desce tloušťky až 1,5 m, která půdorysný rozměr tunelu přesahovala na každou stranu o 2 m. Pro celou délku tunelu byla navržena jednotná délka bloku betonáže 10 m. Vodonepropustnost konstrukce zajišťoval hydroizolační systém deštníkového typu s natavovanými asfaltovými pásy. Jako pojistka proti průsakům v případě poškození hydroizolačního pláště sloužily vnitřní těsnící pásy instalované do středu betonového průřezu ve všech příčných spárách mezi bloky betonáže.

Tunel byl mezi pilotovými stěnami navržen se spodní klenbou, přičemž železobetonová deska pod spodní klenbou byla navržena v délce 160 m. Svahovaným úsekům stavební jámy odpovídal konstrukční typ ostění založeného na základových pasech.

OPTIMALIZACE TECHNICKÉHO ŘEŠENÍ V PRŮBĚHU VÝSTAVBY

Změny technického řešení v realizační dokumentaci sledovaly dva cíle: optimalizaci stavebních postupů vedoucí ke snížení rizik při výstavbě a optimalizaci konstrukčních prvků vedoucí ke zlepšení užitných vlastností navrženého díla, zvýšení jeho životnosti a snížení provozních nákladů. Před zahájením projektu stavení jámy byla prověřena její šířka s ohledem na zajištění dostatečného prostoru pro manipulaci s posuvným bedněním tunelového ostění, provádění hydroizolací a zpětných zásypů tunelu. Po posouzení všech geometrických vztahů bylo zjištěno, že stavební jámu je nutné oproti požadavkům zadávací dokumentace rozšířit o 1,5 m. I tak zůstaly prostorové podmínky ve stavební jámě při realizaci velmi stísněné (viz obr. 3).

S postupem výstavby souvisela i úprava počtu a polohy železobetonových převázek pro kotvení pilotových stěn. Projekt zadávací dokumentace předpokládal jiný počet převázek na levé (4 ks) a pravé straně (3 ks) stavební jámy. V realizační dokumentaci byl počet převázek na levé a pravé straně stavební jámy sjednocen na 3 úrovně, což umožnilo provádět těžení stavební jámy po etážích stejné hloubky a s rovným průběhem dna.

Na základě vyhodnocení výsledků geotechnického průzkumu došlo k úpravě rozsahu stavební jámy zajištěné pilotovými stěnami. Délka úseku pilotových stěn byla z původně navržených 200 m zkrácena na 110 m. Úsek svahované stavební jámy se tím v oblasti vjezdového portálu prodloužil ze 130 m na 140 m, u výjezdového portálu ze 40 m na 120 m. Obr. 4 ukazuje přechod mezi svahovanou a pilotovými stěnami zajištěnou částí stavební jámy.

Na základě vlastní interpretace výsledků geotechnického průzkumu snížil projektant realizační dokumentace počet konstrukčních typů tunelového ostění a při výstavbě se rozhodl nepoužít konstrukci tunelu založenou na spodní klenbě a železobetonové desce. Do dobrých geotechnických podmínek bylo určeno ostění založené na základových pasech, do špatných geotechnických podmínek ostění se spodní klenbou. Hydroizolační systém byl změněn z původně navržených natavovaných asfaltových pásů na fóliovou izolaci standardně používanou na tunelových stavbách tohoto typu.

V souvislosti se změnou délky úseků prováděných ve svahované stavební jámě a v jámě zajištěné pilotovými stěnami došlo i ke změně rozsahu použití konstrukčních typů ostění, neboť ve svahované jámě byl použit typ se základovými pasy, v úseku pilotových stěn pak ostění založené na spodní klenbě. Z hlediska kritérií definovaných v realizační dokumentaci byly skutečně zastižené geotechnické podmínky lepší, než předpokládal projekt a na začátku i konci pilotových stěn bylo možné použít vždy jeden blok betonáže ostění bez spodní klenby. Úsek se spodní klenbou se tak zkrátil o dalších 20 m.

K největšímu pokroku v technickém řešení došlo ve změně systému odvodnění tunelu. Původně navržené odvodnění pláně v ose tunelu bylo v realizační dokumentaci nahrazeno jednostranným sklonem pláně a umístěním drenážního potrubí k odvedení podzemní vody ze dna tunelu na bok pláně. Tato změna umožňuje čistění všech tunelových drenáží pouze ze šachet situovaných v záchranných výklencích. Tento systém drenáže nebyl dosud v České republice v žádném dopravním tunelu použit. Nové technické řešení umožňuje kromě snížení celkového počtu šachet na čistění drenáže o třetinu hlavně výrazné snížení provozních nákladů, resp. v principu umožňuje čistění středové drenáže. Stávající řešení umožňovalo čistit středovou drenáž pouze po odstranění štěrkového lože, což je na koridorové trati z hlediska nutných výluk prakticky nemožné.

APLIKACE OBSERVAČNÍ METODY PŘI VÝSTAVBĚ HLOUBENÉHO TUNELU

Aplikace principů observační metody při výstavbě tunelu je z hlediska realizační dokumentace poměrně náročná. Aby se v průběhu výstavby minimalizovalo riziko zastižení geotechnických podmínek, se kterými projektová dokumentace nepočítá, což by vedlo k nežádoucímu zastavení stavby, je nutné v projektu připravit všechny alternativy technického řešení a definovat kritéria pro jejich použití.

To představuje:

• provést vlastní interpretaci výsledků geotechnického průzkumu se zaměřením na použité typy zajištění stability stavební jámy a tunelového ostění;
• na základě vyhodnocení výsledků průzkumu správně navrhnout rozsah svahovaných a pilotovými stěnami zajištěných úseků stavební jámy;
• u svahovaných úseků hloubku stavební jámy rozdělit na etáže, navrhnout jejich výšku, sklon a způsob zajištění,
• v úseku pilotových stěn navrhnout v závislosti na vlastnostech horninového masivu a úrovni dna jámy odpovídající hloubku pilot a způsob jejich kotvení;
• vytvořit prognózu rozdělení stavební jámy na svahované a pilotovými stěnami zajištěné úseky včetně kritérií, za kterých mohou být použity;
• definovat kritéria použití jednotlivých konstrukčních typů ostění a vytvořit prognózu jejich rozdělení po délce tunelu.

Správné rozhodování o použitých konstrukčních typech zajištění stavební jámy i tunelového ostění má zásadní vliv na bezpečnost provádění a výši investičních nákladů.

Svahovaná stavební jáma byla navržena do geotechnických podmínek, které umožňovaly použít pro zajištění stability svahů jejich přirozený sklon, případně systémové kotvení tyčovými kotvami typu SN/IBO. První etáž stavební jámy byla navržena ve sklonu 1 : 2, druhá etáž 1 : 1 a třetí etáž 3 : 1. Svahy první etáže chránila proti splavování povrchových vrstev a degradaci vlivem povětrnostních podmínek protierozní matrace, druhá a třetí etáž byla zajištěna vrstvou stříkaného betonu. Ve druhé a třetí etáži bylo navrženo zlepšení horninového masivu tyčovými kotvami SN/IBO délky 4 m, v rastru 2 × 2 m. V místě tektonické poruchy byl použit stejný systém zajištění, jen došlo k prodloužení tyčových kotev na 6 m a jejich rastr se snížil na 1,5 × 1,5 m. Do nejhorších geotechnických podmínek byl určen typ zajištění stability stavební jámy pomocí pilotových stěn vrtaných ze dna svahované první etáže stavební jámy.

Piloty o světlém průměru 980 mm a roztečí 1,4 m byly přes železobetonovou převázku kotveny ve třech úrovních pramencovými kotvami. Prostor mezi kotvami stabilizovala vrstva stříkaného betonu se sítí. Piloty musely být v každém případě zavrtány minimálně 2 m pod úroveň dna stavební jámy. Realizační dokumentace předpokládala použití pilot pouze v délce od 12 m do 20 m. Statické výpočty byly provedeny a varovné stavy stanoveny i pro délky pilot v tomto intervalu s krokem 1 m. Skutečnou hloubku piloty tak bylo možné určit podle daných kritérií až na základě geotechnických podmínek zastižených v průběhu vrtání.

Pro rozhodování o typu konstrukce tunelového ostění založeného na základových pasech nebo na spodní klenbě bylo zásadním kritériem napětí v základové spáře. Ostění se spodní klenbou bylo nutné použít v prostředí, které nebylo v základové spáře schopné přenášet větší napětí, než Rd = 400 [kPa]. Vyhodnocení podmínek zastižených na stavbě probíhalo v rámci geotechnického monitoringu, který prováděla firma GeoTec‑ -GS. Betonáž monolitického ostění probíhala do bednícího vozu. Jedná se o ocelové posuvné bednění délky přes 10 m a o celkové hmotnosti přes 200 t (viz obr. 5).

GEOTECHNICKÝ MONITORING

Geotechnický monitoring (GTM) je nedílnou součástí stavby každého tunelu. Bez jeho výsledků by použití observační metody nebylo možné. Projekt GTM vycházel z měření a sledování definovaných v zadávací dokumentaci. Byl však projektantem realizační dokumentace upraven tak, aby bylo možné na základě jeho výsledků ověřovat předpoklady projektu, včas identifikovat nepříznivý vývoj sledovaných hodnot a podle daných kritérií rozhodovat o použití konkrétního konstrukčního typu zajištění stavební jámy nebo tunelového ostění. Realizační projekt GTM zpracovala firma SAGASTA, měření a sledování na stavbě provádí firma Geotec GS. V rámci monitoringu byla při hloubení stavební jámy prováděna 3D měření deformací jejích svahů, měření deformací zhlaví inklinometrů, převázek lanových kotev a měření deformací pilotových stěn v místě dynamometrů určených k měření napětí v lanových kotvách. Inklinometry byly osazeny jak do horninového masivu, tak do betonu velkoprůměrových pilot.

Jednotlivá měření byla sestavována do sdružených měřických profilů, které umožňovaly komplexní vyhodnocení naměřených veličin a porovnání chování horninového masivu i navržených konstrukcí s předpoklady projektové dokumentace. Kromě geotechnických měření bylo v každé fázi výstavby prováděno i hodnocení horninového masivu na stěnách a ve dně stavební jámy. V případě potřeby byly prováděny kopané sondy nebo vyhodnocován výnos z vrtů velkoprůměrových pilot. Měření deformací tunelového ostění poskytovalo informaci o jeho chování v průběhu provádění zásypů. Měřické profily tvořené 5 body pro 3D měření vektoru deformace umožňovaly sledovat vliv provádění zásypů na namáhání ostění a kontrolovat i požadovanou symetrii zasypávání po obou stranách konstrukce. Projekt připouštěl maximální odchylku úrovně zásypu na pravé a levé straně tunelu 1 m. Obr. 6 ukazuje časový průběh svislé složky deformace jednotlivých měřických bodů ve staničení tunelu TM 163 v závislosti na postupném provádění zásypů. Na vodorovné ose je čas měření, na svislé hodnota deformace a v horní části grafu je uvedena výška zásypu v době měření, aby bylo možné výsledky správně vyhodnotit. Obdobně lze zobrazit i další složky vektoru deformace.

Vliv výstavby na režim a chemizmus podzemní vody byl průběžně sledován jednak v hydrotechnických vrtech, jednak v soukromých studních, které se nachází v zóně ovlivněné nejen výstavbou tunelu, ale i navazujících stavebních objektů. Další důležitou kapitolou geotechnického monitoringu byla pasportizace a sledování objektů v zóně ovlivnění a sledování vlivu výstavby na tyto objekty.

Díky vstřícnému přístupu investora i zhotovitele se podařilo do konstrukce ostění osadit ve dvou blocích betonáže čidla pro sledování průběhu teploty po tloušťce betonového průřezu. Zároveň s teplotními čidly jsou do ostění osazovány tenzometry pro sledování napětí v konstrukci. Teplotní čidla jsou v tloušťce ostění osazována s roztečí 50 mm a umožňují dlouhodobé sledování průběhu teplotního gradient v závislosti na klimatických podmínkách. Cílem měření je zjištění teplotního namáhání konstrukce. Jedná se o dlouhodobý systém měření, která by měla být v budoucnu prováděna ve všech tunelech. Po získání statisticky významného souboru dat budou podkladem pro stanovení teplotního zatížení ostění tunelů v podmínkách České republiky. Osazování měřických profilů i vlastní měření provádí zástupci stavební fakulty ČVUT Praha. Betonový trámeček s teplotními čidly osazený na boku ostění a tenzometr upevněný k výztuži ukazuje obr. 7.

ZÁVĚR

Výstavba dvoukolejného tunelu Zvěrotice probíhá bez problémů. Konstrukce závislé na geotechnických podmínkách a zatížené tím určitou mírou nejistoty, jsou již dokončené. Tunel je v celé délce zasypaný do úrovně původního terénu. Aplikace observační metody umožnila na základě skutečně zastižených geotechnických podmínek provést oproti zadávací dokumentaci významnou optimalizaci technického řešení, došlo ke zjednodušení konstrukčních typů ostění i zkrácení úseku stavební jámy zajištěné pilotovými stěnami téměř na polovinu. Při dosažení požadované kvality tak byly vynaloženy pouze nezbytně nutné investiční náklady. Při výstavbě se potvrdila prognóza stanovená v realizační dokumentaci, rozsah jednotlivých typů konstrukcí již nemusel být dále výrazně měněn. Tunel se nachází v těsné blízkosti města Soběslav i dálnice D3 (viz obr. 8). Dobré vztahy mezi jednotlivými účastníky výstavby napomáhají k hladkému průběhu projektování a vlastní výstavby tunelu.

Ing. Libor Mařík
SAGASTA s. r. o.