Projekt French Hill: Projektování a výstavba silničních tunelů v Jeruzalémě

Cílem projektu je zmírnit dopravní zácpy pro obyvatele severního Jeruzaléma a jeho okolí a umožnit odstranění semaforů ze stávající dálnice č. 1. Společnost Dr. Sauer & Partners zajišťuje detailní návrh ražby a primárního ostění tunelů pod French Hill. V trase tunelů se nachází pestrá škála geologických formací zahrnujících křídu, dolomit, vápence, ale také slabý výplňový materiál. Ražba tunelů probíhala s nízkým nadložím pod dálnicí, mosty a pod ­tramvajovou trasou, které byly neustále v provozu, a zároveň v blízkosti inženýrských sítí. ­Náročnost ražby byla umocněna přítomností značného množství krasových dutin.

 

Představení projektu

French Hill je jednou z nejrušnějších dopravních křižovatek v Jeruzalémě. Nachází se na severu města a je klíčovým přestupním uzlem. Kromě velmi frekventované silniční sítě prochází lokalitou také červená linka tramvajové trasy (LRT). Záměrem dopravního plánu rozvoje lokality ­

French Hill je zmírnit dopravních zácpy výstavbou dvou dvoutubusových silničních tunelů. Přibližně 2,5 km dlouhé tunelové tubusy TU-M1 a TU-M2 zajistí rychlé dopravní spojení do oblasti Mrtvého moře. Dva další tunelové tubusy TU-P1 a TU-P2, ražené s nižším nadložím (minimálně 5 m) o délce přibližně 1,1 km, spojí tzv. Road One, což je stávající dálnice mezi Tel Avivem a Jeruzalémem, s jednou z největších čtvrtí Jeruzaléma, Pisgat Ze’ev.

Výstavba tunelů probíhala v městském prostředí a byla spojena s problémy provázejícími ražbu s nízkým nadložím pod rušnou dálnicí, mostem a tramvajovou tratí LRT. Pro splnění harmonogramu výstavby bylo zapotřebí razit současně na 12 tunelových čelbách. Z důvodu umožnění simultánní ražby na více čelbách bylo přistoupeno ke zřízení dočasného přístupového tunelu raženého kolmo na silniční tunely. Společnost Dr. Sauer & Partners vyprojektovala návrh ražby a primárního ostění tunelů pro dodavatele stavby ­Tunnelling Division of Electra Infrastructure.

 

Geologické podmínky

V oblasti Jeruzaléma dominují geologickému prostředí dvě hlavní antiklinály, přičemž samotné město je umístěno na strukturálním sedle mezi nimi [2]. Obě antiklinály, Judejská antiklinála na sever od města a Hebronská antiklinála na jih od města, se vyvinuly v reakci na kolizi Afro-Arábie a Eurasie během oligocénu až raného miocénu [1]. Asymetrické antiklinály jsou orientovány ve směru SV-JZ s prudkým západním sklonem a s mírným sklonem směrem na východ [2]. ­Podélný řez s vyznačením geologické skladby zájmového území ukazuje obr. 3.

Ražba tunelů pod French Hill probíhala v jihovýchodní části antiklinály Judea v prostředí horninového masivu dvou geologických formací Menusha a Bina, přičemž procházela několika úseky s různorodými antropogenními navážkami. Senonské souvrství Menusha se skládá z bílých, většinou nezvětralých křídových až slínovito-křídových hornin s diskordancí vůči podkladovým vrstvám. Turonské souvrství Bina tvoří vápence béžové barvy a dolomity s proměnlivými stupni zvětrání. Společnými znaky obou souvrství je výskyt mezilehlých jílovitých vrstev a výskyt krasových jevů [3]. Obr. 4 ukazuje čelby tunelů při ražbě v obou formacích, přičemž vlevo je čelba při ražbě ve formaci Menusha, vpravo pak čelba s tmavou, zainjektovanou krasovou dutinou ve formaci Bina. Krasové dutiny byly zjišťovány ­systematickými předstihovými vrty realizovanými z čelby tunelu a poté vyplněnými injektáží.

Krasové jevy ovlivňují hydrogeologické poměry v regionu a způsobují anizotropní a heterogenní proudění podzemní vody, což zapříčiňuje odlišnosti v úrovních hladin podzemní vody [3]. Při ražbě tunelů pod French Hill však nepříznivé hydrogeologické podmínky nebyly zastiženy. 

Přibližně 30 km východně od Jeruzaléma se nachází příkopová propadlina, údolí Jordan Rift Valley. Tento levostranný transformační systém je součástí 1 000 km dlouhé tektonické hranice, která vznikla v důsledku oddělení Arábie od Afriky [1]. Systémy geologických zlomů byly identifikovány i v oblasti projektu, nicméně žádný z nich nebyl klasifikován jako aktivní. Přestože od roku 1980 nebyla v oblasti Jeruzaléma zaznamenána žádná velká zemětřesení, seismické aktivity podél trhliny Mrtvého moře mohou mít v oblasti stále určitý vliv [3].

Filozofie návrhu ražby

Návrh ražby vycházel z konceptu konvenční ražby. Jako okamžitá podpora obnaženého líce horninového masivu byl použit stříkaný beton a v závislosti na technologické třídě výrubu v různých kombinacích se svorníky, příhradovými nosníky a stabilizací obvodu výrubu deštníky z mikropilot nebo jehel. Stříkaný beton primárního ostění byl vyztužen ocelovými vlákny, aby se zjednodušila a urychlila ražba tunelů. Aplikace stříkaného drátkobetonu (SFRC) zároveň přispěla ke zlepšení bezpečnosti práce tím, že odstranila nutnost provádění prací přímo pod obnaženým výrubem nebo v jeho blízkosti a s tím spojených rizik. Zatřiďování horninového masivu do technologických tříd výrubu (SC-Support Class) bylo prováděno na základě klasifikace horninového masivu podle Q-systému (Norský geotechnický institut NGI). Na základě vyhodnocení hodnoty Q byla volena technologická třída výrubu a metoda návrhu tak, jak uvádí graf na obr. 7.

V numerické analýze byla použita výpočetní metoda modelování diskontinua v případech, kdy se jednalo o pevnější horninový masiv prostoupený plochami nespojitosti tak, že o poruše masivu nerozhodovaly deformační charakteristiky samotné horniny, ale smyková pevnost na plochách nespojitosti a riziko vyjetí horninových bloků podél těchto ploch. Metoda modelování kontinua byla použita v případech oslabeného horninového masivu, kdy byl mechanismus porušení masivu závislý na jeho pevnostních a deformačních ­charakteristikách.

V horninovém masivu, jehož chování dominoval malý počet diskrétních ploch nespojitosti, bylo navrženo zajištění stability výrubu systematickými horninovými svorníky a primárním ostěním ze stříkaného drátkobetonu (SFRC) jak je pro technologické třídy výrubu SC I, SC II a případně SC III patrné z obr. 8. V těchto technologických třídách bylo využito vlastní pevnosti horniny prokotvené a tím vyztužené horninovými svorníky s cílem mobilizovat horninovou klenbu v okolí výrubu a zajistit tak bezpečný přenos zatížení.

Pro velmi porušený horninový masiv významně prostoupený plochami nespojitosti bylo navrženo zajištění stability výrubu odpovídající technologickým třídám výrubu SC IV až SC VI, případně SC III (obr. 8). Bezpečnou ražbu v těchto technologických třídách výrubu zajišťovalo primární ostění ze stříkaného drátkobetonu (SFRC) aplikovaného souvisle po stěnách a klenbě výrubu. V případě potřeby bylo doplněno lokálně instalovanými horninovými svorníky. V podmínkách značně porušeného horninového masivu nebylo systémové použití horninových svorníků typu SN ­(tj. osazovaných do vrtů s cementovou zálivkou) považováno za účinný výztužný prvek. Vrtání svorníků by dále degradovalo již tak značně porušený horninový masiv (obr. 9) a jejich účinnost by tedy byla diskutabilní.

V technologických třídách výrubu SC III až SC VI bylo hlavním nosným prvkem primární ostění ze stříkaného betonu C35/45 tloušťky až 200 mm (třída SC VI). V těchto třídách se razilo s kratší délkou záběru (1,5 m) a ve třídách SC V a SC VI ještě pod ochranou předstihových deštníků tvořených ocelovými jehlami. Důsledně byl rovněž kontrolován tvar výrubu tak, aby horninový masiv mohl plnit požadovanou nosnou funkci. Únosnost primárního ostění i výztužných prvků horninového masivu a napěťové a deformačními stavy horninového masivu byly numericky analyzovány a vyhodnoceny ve všech technologických třídách výrubu SC I až SC VI.

 

Numerická analýza

Na základě předchozí projektové dokumentace byly připraveny numerické modely ve všech relevantních příčných řezech a to tak, aby reprezentovaly jednotlivé technologické třídy výrubu. Numerické modely byly rovněž vytvořeny pro rozšířené příčné řezy tunelu v místech odstavných jízdních pruhů a křižovatek (obr. 10).

Postup ražby a jednotlivé kroky použití prvků pro zajištění stability výrubu byly modelovány v souladu s projektovou dokumentací.

Při analýze metodou konečných prvků byla pro popis chování horninového masivu použita Hoek-Brownova podmínka porušení a pro popis chování masivu charakteru zeminy a navážek Mohr-Coulombovo kritérium porušení.

V třídách SC I až SC III byl horninový masiv modelován formou jednotlivých skalních bloků s definovanou soudržností a smykovou pevností na plochách diskontinuit. Třída SC IV byla navíc zkontrolována nezávislým výpočtem metodou oddělených prvků (DEM). Tato analýza zohledňovala případ porušení horninové klenby nezajištěné primárním ostěním (obr. 11). Tato analýza zohledňovala vzdálenost a orientace ploch nespojitosti byly získány z geologického mapování. Parametry normálové a smykové tuhosti a pevnosti na plochách nespojitostí byly stanoveny odhadem na základě charakteristik povrchu a výplně diskontinuit. Neporušená hornina a plochy nespojitosti byly v numerickém modelu zohledněny pomocí Mohr-Coulombova kritéria porušení.

 

Dočasný portál a přístupový tunel

Za účelem urychlení výstavby byl zřízen dočasný portál a přístupový tunel tak, aby byl zajištěn další přístup k hlavním tunelům TU-M. Tím se navýšil počet čeleb, ze kterých mohla být prováděna současná ražba, o čtyři čelby na celkových 12. Hloubený dočasný portál přístupového tunelu i svahy přilehlých zářezů byly zajištěny zemními hřebíky v kombinaci se stříkaným betonem, včetně instalace odvodnění (obr. 12).

Dočasný přístupový tunel, který bude na konci stavby vyplněn hubeným ­betonem, značně urychlil dobu výstavby a poskytl zhotoviteli při výstavbě tunelů pod French Hill potřebnou flexibilitu. Na obr. 13 jsou zachyceny dopravní tunely v místě napojení na přístupový tunel.

Závěr

V článku byla podrobně představena filozofie návrhu použitá společností Dr. Sauer & Partners při návrhu ražby a primárního ostění tunelů na projektu French Hill Tunnels v severním Jeruzalémě. Původní návrh ražby a způsobu zajištění stability výrubu, který byl vypracován na základě klasifikace horninového masivu podle Q-systému, počítal s instalací ocelových výztužných sítí a svorníků. Společností Dr. Sauer & ­Partners implementovala nový přístup návrhu primárního ostění tunelů ve fragmentované hornině (blízké charakteru zemin) využívající tzv. Shell Support. Tento přístup spočíval ve významné redukci množství instalovaných ocelových sítí a svorníků primárního ostění, kdy namísto použití těchto výztužných prvků byl použit stříkaný drátkobeton.

Na místní podmínky se jednalo o inovativní a jedinečný návrh, který prokazatelně vedl ke zkrácení doby výstavby a ke zvýšení bezpečnosti ražby. Široká škála geologických formací zastižená v průběhu ražby tunelů zahrnovala křídu, dolomit, vápence s různými krasovými jevy a navážky. Přítomnost dálnice, mostů, inženýrských sítí a tramvajové tratě LRT provozovaných nad tunely raženými s nízkým nadložím a značný výskyt krasových dutin představovaly hlavní výzvy v průběhu ražby tunelů. Úzká spolupráce mezi investorem, dodavatelem a projektantem vedla k úspěšné realizaci tohoto složitého projektu.

Poděkování

Autor by rád poděkoval za podporu při přípravě tohoto dokumentu společnostem Electra Infrastructure, Moriah Jerusalem Development Corporation a Dr. Sauer & Partners.

Zdroje

[1] Ghalayini, R., Daniel, J. M., Homberg, C., Nader, F. H. & Comstock, J. E. Impact of Cenozoic strike-slip tectonics on the evolution of the northern Levant Basin (offshore Lebanon), Tectonics, 33, 2121–2142, doi:10.1002/2014TC003574, 2014.

[2] Arkin, Y. & Eker, A. Geology of infrastructure and water of Jerusalem, GSI/08/2014, 2014.

[3] Levin, M. Geological & Geotechnical Report. Geological & Geotechnical Surveys Ltd., 2019.

[4] NGI, Handbook, Using the Q-System, Rock mass classification and support design, 2015.

 

Odborné posouzení

Ing. Libor Mařík, vedoucí projektant ­Oddělení geotechniky a podzemních staveb ­SAGASTA s.r.o., člen předsednictva České tunelářské asociace ITA-AITES.