Projekt tunelů Poříčí a Opevnění na dálnici D11 v úseku Trutnov – státní hranice s Polskem

Na polské straně na dálnici D11 navazuje rychlostní komunikace S3, která je součástí mezinárodní komunikace E65 vedoucí ze švédského Malmö až na řeckou Krétu. Na souběžně připravovanou stavbu 1108 Jaroměř – Trutnov tento dálniční úsek 1109 délky 21 175 m navazuje severně od obce Střítež. Dálnice je vedena směrem ke státní hranici koridorem souběžným se stávající silnicí I/16 a kromě celé řady umělých objektů jsou její součástí i dva dvoutroubové, směrově rozdělené tunely Poříčí a Opevnění, ražené Novou rakouskou tunelovací metodou (NRTM). Článek popisuje proces projektování stavební části obou tunelů ve stupni zadávací dokumentace, význam vyhodnocení výsledků geotechnického průzkumu pro technologický postup výstavby, použití observační metody a význam optimalizace technického řešení jak ve fázi projektu, tak následně realizace stavby.

Základní informace o tunelových objektech

Oba tunely na dálničním úseku D11 1109 jsou navrženy jako dvoutroubové, směrově rozdělené se šířkovou kategorií T 8,0. Šířková kategorie určuje šířku vozovky mezi obrubníky 8 m. Výška průjezdného průřezu je 4,8 m. Vzhledem k výšce nadloží a kvalitě horninového masivu lze tunely až na krátké připortálové úseky razit pomocí NRTM. Hloubené tunely u portálů jsou prováděny v otevřené stavební jámě a po dokončení budou z větší části zasypány.

Trasa dálnice podchází východně od Trutnova Poříčský hřbet tunelem Poříčí o délce levé tunelové trouby 540 m a pravé tunelové trouby 576 m. Po cca 4,5 km jízdy vjede řidič do tunelu Opevnění se shodnou délkou obou tunelových trub 492 m. Polohu obou tunelů okazují obr. 3 a obr. 4.

I když se délka tunelových trub obou tunelů na první pohled výrazně neliší, z hlediska normy [1] se v případě tunelu Poříčí jedná o tunel střední délky, tunel Opevnění je tunelem krátkým, i když do hranice 500 m schází pouhých 8 m. Hranici mezi krátkým a středním tunelem totiž představuje délka 500 m. Stanovení délkové kategorie má přímý vliv na zařazení tunelu do bezpečnostní kategorie a v případě tunelů delších než 500 m je již nutné se řídit požadavky nařízení vlády č. 264/2009 Sb. [2]. Kromě délky tunelu závisí bezpečnostní kategorie ještě na předpokládané intenzitě dopravy. Na základě těchto vstupních dat je tunel Poříčí zařazen do bezpečnostní kategorie TC a tunel Opevnění do kategorie TB. S tím úzce souvisejí požadavky definované předpisem [3] na rozsah technologického vybavení tunelu, které zajišťuje správnou funkci tunelu a zejména bezpečnost provozu.

Z hlediska směrového a výškového řešení tunel Poříčí klesá směrem od jižního k severnímu portálu ve sklonu 4,6 %. Levá tunelová trouba je navržena ve směrovém oblouku 1 650 m, pravá tunelová trouba leží ve směrovém oblouku 1 256 m. Tunel Opevnění stoupá od jižního směrem k severnímu portálu ve sklonu 1,1 %. Levá tunelová trouba je navržena ve směrovém oblouku 2 194 m, pravá pak ve směrovém oblouku 1 500 m, přičemž 156 m od jižního portálu zasahuje do obou tunelových trub přechodnice. Směrové i výškové řešení tunelů umožňuje průjezd tunelem návrhovou rychlostí 100 km/h.

Ze stavebního hlediska jsou oba tunely v ražených úsecích zajištěny dvouplášťovým ostěním. První vrstvu ostění tvoří primární ostění ze stříkaného betonu, druhou vrstvu pak sekundární ostění z monolitického betonu. Vodonepropustnost ostění zajišťuje mezilehlá fóliová izolace. Tloušťka primárního ostění se pohybuje v závislosti na předpokládaných geotechnických podmínkách od 150 mm do 250 mm a společně s radiálními kotvami vyztuženým horninovým prstencem v okolí výrubu tvoří hlavní nosný systém tunelu. Tloušťka primárního ostění i technologický postup výstavby se mění v závislosti na použité technologické třídě výrubu. Vzhledem k tomu, že výstavba ražených tunelů je činností prováděnou hornickým způsobem, musí být dokumentace těchto úseků tunelů zpracována báňským projektantem v souladu s požadavky předpisu [4]. Geometrické vztahy primárního a sekundárního ostění a skladbu primárního ostění v technologické třídě výrubu určené do nejhorších geotechnických podmínek ukazuje obr. 5. Primární ostění je v tomto případě oproti teoretické poloze nadvýšeno o předpokládanou deformaci výrubu 80 mm a stavební toleranci 70 mm. Obě tyto hodnoty se v závislosti na technologické třídě výrubu mění. Na rozdíl od primárního ostění je tloušťka sekundárního ostění v celé délce tunelu konstantní. Ve vrcholu klenby činí min. 300 mm a směrem k bokům tunelu se zvětšuje. V reakci na předpokládané zatížení lze upravovat stupeň jeho vyztužení, případně v nejlepších geotechnických podmínkách je možné použít nevyztužené ostění. Jeho použití přes počáteční nedůvěru již začíná v České republice zdomácňovat.

Z plochy výrubu tunelu 90 m², šířky výrubu 12,3 m a výšky 8,8 m je zřejmé, že takto subtilní ostění by nebylo při velikosti tunelu schopné samo přenášet horninový tlak a zajistit stabilitu výrubu. Hlavní nosný systém tunelu proto tvoří nejen primární ostění, ale především horninový prstenec v okolí výrubu vyztužený ocelovými, tyčovými kotvami. Tento princip NRTM založený na využití samonosnosti horninového masivu bude v dalším textu vysvětlen a podrobně je popsán např. v [5].

Hydroizolační funkci tunelu zajišťuje v ražených úsecích hydroizolační fólie instalovaná mezi primárním a sekundárním ostěním. Navazující hloubené úseky tunelu jsou navrženy z betonu odolného proti průsakům s těsněním pracovních spár vnitřními těsnicími pásy. Vzhledem k jednostrannému podélnému sklonu tunelu i příznivému režimu podzemní vody lze použít deštníkový hydroizolační systém, při kterém podzemní voda volně stéká po hydroizolační fólii k bočním tunelovým drenážím situovaným v blízkosti základové spáry ostění. Ty podzemní vodu gravitačně odvádějí k níže položenému portálu.

Po obou stranách vozovky se nacházejí nouzové chodníky šířky minimálně 1 m, které slouží pro potřeby provozovatele a v případě mimořádné události v tunelu k úniku osob buď mimo tunel, nebo tunelovou propojkou do sousední tunelové trouby. Ta je bezpečným únikovým prostorem, neboť řídicí systém tunelu po registraci mimořádné události tunel uzavře a umožní pouze výjezd vozidel.

Prostor pod služebními chodníky je po obou stranách tunelu určen pro vedení inženýrských sítí souvisejících jednak s technologickým vybavením tunelu, jednak k vedení průběžných kabelů dálničního informačního systému. Kabelovody pod služebními chodníky tvoří plastové chráničky zalité do monolitického betonu. Na kabelovodech situované kabelové šachty slouží k zatahování kabelů při výstavbě nebo výměně, odbočení kabelů do příčných propojení kabelovodů pod vozovkou, odbočení do sekundárního ostění k vybavení instalovanému na bocích nebo ve vrcholu klenby tunelu, vedení kabelů k SOS kabinám nebo do tunelových propojek. Vlevo ve směru jízdy vede podél kabelovodu trvale zavodněné potrubí požárního vodovodu napojené na požární hydranty. V případě požáru v tunelu je tak možné vodu z hydrantů použít k zásahu. Na rozdíl od železničních tunelů je u dálničních tunelů požární vodovod trvale zavodněn a okamžitě připraven k použití. Vzhledem k jeho vedení mělce pod chodníkem je nutné v zimním období čidly kontrolovat teplotu v potrubí a cirkulací vody nebo ohřevem topnými kabely zajistit jeho provozuschopnost.

V obou tunelech je navržena asfaltobetonová vozovka. V tunelu Poříčí je příčný sklon vozovky 3,5 %, v tunelu Opevnění 2,5 %. V souladu s příčným sklonem vozovky dochází k natočení celého příčného řezu tunelu, což má pozitivní vliv na dispozici kabelovodů, hloubku šachet na čistění tunelové drenáže a zejména minimalizaci plochy výrubu s přímým dopadem na výši investičních nákladů. I při snaze projektanta o maximální unifikaci navrhovaných konstrukcí obou tunelů bylo nutné zohlednit určitá specifika a návrh tunelů přizpůsobit místním prostorovým i geotechnickým podmínkám, neboť kvalita horninového masivu zásadním způsobem ovlivňuje postup výstavby a dimenzování primárního i sekundárního ostění. Prognóza geotechnických podmínek byla vytvořena na základě vyhodnocení výsledů doplňkového geotechnického průzkumu [6].

Geotechnické podmínky tunelu Poříčí

Terén nad tunelem Poříčí tvoří dvě na sebe navazující elevace Poříčského hřbetu a Červeného kopce s osou protaženou ve směru severozápad – jihovýchod. Jižní portál tunelu se nachází v nadmořské výšce 476 m n. m. a z této úrovně tunel klesá k severnímu portálu ležícímu v nadmořské výšce 451,5 m n. m. Pro vyhodnocení geotechnických podmínek je kromě geologických poměrů důležitým parametrem výška nadloží nad klenbou tunelu a rozměry výrubu. Výška nadloží se pohybuje od minimálně 6 m v oblasti portálů až po maximálně 40 m. Prvotní představu o chování horninového masivu při ražbě a době jeho stability (samonosnosti) při ražení pak lze empiricky získat z poměru mocnosti nadloží tvořeného kvalitním horninovým masivem a průměru tunelu. V případě tunelu Poříčí je v převážné většině nad klenbou tunelu zastižen kvalitní horninový masiv o mocnosti nejméně 2,5násobku průměru tunelu. To dává velmi dobré předpoklady pro využití samonosnosti horninového masivu a dobré podmínky pro ražení. S tím souvisí poměr zastoupení technologických tříd výrubu a dimenzování sekundárního ostění včetně nasazení ostění bez výztuže.

Tunel prochází horninovým masivem tvořeným sedimenty permského stáří, tj. posledního období prvohor před cca 250 až 300 miliony let. Převážně se jedná o pískovce a prachovce různého stupně zvětrání, které jsou na povrchu překryty kvartérními sedimenty. Mocnost pokryvných útvarů dosahuje malých hodnot a vyskytují se spíše na svazích nebo jako výplň nerovností pískovcového podkladu na hřbetu elevace. Tvoří je zejména nesoudržné hlinité písky a štěrky, méně se objevují pevné hlíny, sility a písčité hlíny. Mocnost a geotechnické parametry kvartérních sedimentů a eluvia skalního podkladu mají význam především z hlediska návrhu zajištění stability stavebních jam hloubených úseků tunelů na obou portálech. Dále ovlivňují návrh předstihových opatření a zajištění stability výrubu při zahájení ražby s nadložím cca 6 m, kdy zóna zvětrání již zasahuje do profilu tunelu.

Horninový masiv zpracovatel doplňkového geotechnického průzkumu rozdělil podle vlastností do geotechnických typů označovaných P1 až P5 (perm). Z hlediska geotechnických vlastností nejhorší geotyp P1 představuje eluvium pískovců nebo prachovců charakteru prachovité hlíny se střípky horniny, hlinitého písku nebo zahliněného drobně úlomkovitého materiálu. Geotypy P4 a P5 naopak tvoří relativně slabě porušené horniny, tj. navětralé a zdravé pískovce nebo prachovce pevnostní třídy R3 až R2. Fotodokumentaci standardního výnosu jádra se skladbou horninového masivu tunelu Poříčí ukazuje obr. 6. Šipka ukazuje úroveň vrcholu klenby tunelu. Vrt je situován cca 300 m od portálu a nadloží tunelu v tomto případě dosahuje 40 m. Vrstvy pokryvu a eluvia dosahují pouze do cca 5 m pod úroveň terénu.

Z hydrogeologického hlediska je tunel veden horninovým masivem s podzemní vodou vázanou na puklinový systém. Hladina podzemní vody má většinou spojitý charakter se zvlněným povrchem. Celkový očekávaný přítok do levé tunelové trouby je pouze 1 l/s, v pravé tunelové troubě lze očekávat až 4,5 l/s.

Kromě rozdělení do geotypů, které horninový masiv rozdělují spíše ve vertikálním směru, rozdělil zpracovatel geotechnického průzkumu trasu v podélném směru do sedmi kvazihomogenních úseků, které ohodnotil podle celé řady tunelářských klasifikací. Polohu úseků a výsledky hodnocení ukazuje přehledně tab. 1.

Tunelářské klasifikace hodnotí horninový masiv podle různých principů na základě různých vstupních informací bodovým nebo popisným hodnocením. Jejich použití souvisí spíše s obdobím empirického návrhu technologických postupů výstavby. Autor tunelářské klasifikace zpravidla podle bodového hodnocení uváděl doporučený postup výstavby z hlediska členění výrubu, způsobu zajištění jeho stability, doby stability nezajištěného výrubu, nebo v některých případech i předpokládané geotechnické parametry horninového masivu. V dnešní době již význam těchto klasifikací ustupuje do pozadí a je nahrazován moderními přístupy hodnocení horninového masivu, ke kterým patří např. směrnice pro geotechnické plánování Rakouského spolku pro geomechaniku. Ta však vyžaduje od autora průzkumu nejen znalosti z oboru geologie, ale i geotechniky a konkrétně výstavby podzemních děl. V případě použití tunelářských klasifikací je nutné zohlednit okolnosti jejich vzniku, pro jaký typ horninového masivu byly stanoveny, zda odpovídají nasazení moderních tunelovacích metod, případně osobní zkušenost uživatele s jejich aplikací v praxi.

Geotechnické podmínky tunelu Opevnění

Trasa tunelu prochází relativně výraznou a souměrnou terénní elevaci s plochým vrcholem protaženým ve směru západ – východ. Niveleta dálnice se na jižním portále nachází v nadmořské výšce cca 480 m n. m. a z této úrovně tunel stoupá k severnímu portálu ležícímu v nadmořské výšce 485,5 m n. m.

Výška nadloží se pohybuje od minimálně 6 m v oblasti ražených portálů až po maximálně 37 m. Průměr a tvar výrubu tunelu je stejný jako v případě tunelu Poříčí. Trasa prochází horninovým masivem tvořeným tentokráte sedimenty karbonského stáří, tj. předposledního období prvohor před cca 300 až 350 miliony let. Kromě pískovců a prachovců zastižených na tunelu Poříčí masiv tvoří i slepence. Kvarterní sedimenty tvořené nesoudržnými hlinitými písky a štěrky dosahují mocnosti maximálně 1,5 m. Ty pak přecházejí do eluvia pískovců, prachovců a slepenců, které má spíše charakter slabě zpevněné zeminy. Horninový masiv tvořený karbonskými sedimenty byl v rámci vyhodnocení geotechnického průzkumu opět rozdělen do geotypů, tentokráte označených C1 až C4 (Carbon). Geotyp C1 opět zahrnuje nejhorší geotechnické podmínky. Jedná se o eluvium, tj. nepřemístěnou vrstvu rozložené horniny skalního podloží.

Geotyp C2 reprezentuje silně zvětralé prachovce, pískovce i slepence pevnostní třídy R5. Nejkvalitnějším geotypům C3 a C4 odpovídají navětralé až zdravé pískovce, prachovce a slepence pevnostních tříd R4 (geotyp C3) a R3 (geotyp C4). V trase tunelu však lze zastihnout i horniny vulkanosedimentárního, případně čistě vulkanického původu, které petrograficky náleží k ryolitům a ryolit-andezitovým vulkanoklastikám. V tenkých polohách lze očekávat i výskyt tufitů. Jedná se vesměs o velmi kvalitní horniny pevnostní třídy R3. Obr. 7 ukazuje výnos jádra vrtu v blízkosti portálu tunelu Opevnění, kde výška nadloží nad vrcholem klenby dosahuje pouze 10 m.

I v tomto případě je však zřejmé, že pod vrstvou pokryvů a eluvia o mocnosti cca 3 m již lze očekávat poměrně kvalitní slepence a pískovce. Šipka na obrázku ukazuje prostor tunelu.

Z hydrogeologického hlediska je tunel veden horninovým masivem s puklinovou propustností. Téměř v celé délce tunel zasahuje pod úroveň hladiny podzemní vody. Ta nekopíruje úroveň terénu a lze v ní určit dva úseky se zaklesáním hladiny oproti standardnímu průběhu až o 20 m. Příčinou snížení hladiny podzemní vody může být větší tektonické porušení horninového masivu a tím i jeho větší propustnost. Očekávané přítoky vody do jednotlivých úseků tunelu nepřesáhnou 2 l/s.

V podélném směru je trasa tunelu rozdělena opět do sedmi kvazihomogenních úseků. Hodnocení horninového masivu v jednotlivých kvazihomogenních úsecích podle tunelářských klasifikací i charakteristických geotypů ukazuje tab. 2.

Vyhodnocení výsledků geotechnického průzkumu pro návrh tunelu

Výsledky geotechnického průzkumu jsou základním vstupem pro návrh technologického postupu výstavby. V ražených úsecích tunelu se jedná o návrh členění plochy výrubu na dílčí výruby, návrh délky záběru a způsobu zajištění jeho stability a návrh sekundárního ostění. Z uvedených tabulek je zřejmé, že hodnocení podle tunelářských klasifikací vykazuje u jednotlivých kvazihomogenních úseků určitou podobnost. Projektant tedy provedl vlastní interpretaci výsledků geotechnického průzkumu, ve které vzal při návrhu technického řešení v potaz i další aspekty, ke kterým patří poměr výšky nadloží k velikosti tunelu, kvalita horninového masivu v oblasti 1,5 průměru tunelu nad vrcholem jeho klenby, v profilu tunelu a pod jeho dnem, vzdálenost od raženého portálu apod. Ve smyslu požadavků vyhlášky báňského úřadu č. 55/1996 Sb. došlo k redukci celkem sedmi kvazihomogenních úseků na tři kvazihomogenní celky nejen s obdobnými geotechnickými parametry, ale i očekávaným obdobným chováním horninového masivu při ražbě.

Těmto celkům pak byly přiřazeny technologické třídy výrubu a sloužily i při stanovení prognózy použití vyztuženého a nevyztuženého sekundárního ostění. Kvazihomogennímu celku KC1 byla přiřazena technologická třída výrubu 5a, určená do připortálových úseků s nízkým nadložím do 15 m a zhoršenými geotechnickými parametry horninového masivu zejména v nadloží tunelu. Kvazihomogenní celek KC2 odpovídal použití technologické třídy výrubu 4 určené do geotechnických podmínek s výškou nadloží > 15 m, s očekávaným výskytem tektonických poruch nebo střídáním vrstev horších geotypů v prostoru ražby tunelu. Z geotechnického hlediska lze nejlepší podmínky očekávat v kazihomogenním celku KC3, kterému byla přiřazena technologická třída výrubu 3, určená do nejlepších geotechnických podmínek s nadložím vyšším než 20 m, tvořeným geotypy P4/C3 a P5/C4 o mocnosti alespoň jeden profil tunelu nad vrcholem kaloty a vyšší.

Stavební jámy hloubených tunelů

V úsecích s nízkým nadložím jsou oba tunely prováděny ve svahovaných stavebních jámách. Sklon svahů stavební jámy závisí na kvalitě horninového masivu. Horní partie stavební jámy v kvarterních sedimentech a eluviu skalního podkladu jsou svahovány ve sklonu 1 : 2 až 1 : 1,5.
Dolní partie zasahují do kvalitnějších hornin a jejich svahy jsou navrženy ve sklonu 3 : 1. Horninový masiv je však vyztužen ocelovými tyčovými kotvami Ø 25 mm délky 6 m osazovanými do vrtů s cementovou zálivkou v rastru 1,5 × 1,5 m. Svahy spodních etáží stavební jámy jsou proti erozi zajištěny stříkaným betonem tloušťky 200 mm vyztuženým jednou vrstvou sítě 8/150 × 8/150. První etáž stavební jámy je proti splavování chráněna protierozní plastovou sítí. Hloubka stavebních jam dosahuje u raženého portálu až 17 m. Pro představu o tvaru a rozsahu stavebních jam je na obr. 8 uveden příčný řez stavební jámy jižního portálu tunelu Opevnění včetně způsobu kotvení portálového svahu a bočních svahů. Obdobným způsobem jsou řešeny i zbývající stavební jámy obou tunelů.

Součástí stavebních jam je i opatření k zahájení ražby tunelu. Po obvodě budoucí kaloty tunelu jsou rovnoběžně s obrysem tunelu navrtány jehly z betonářské oceli, jejichž základní funkcí je omezit tvorbu nadvýrubů a stabilizovat líc výrubu před nástřikem primárního ostění. Jehly jsou na líci portálového svahu podepřeny příhradovými rámy zastříkanými do takzvaného falešného primárního ostění. Jedná se o skořepinu ze stříkaného betonu vyztuženého ocelovými sítěmi a příhradovými rámy. Takto vytvořený zárodek kaloty chrání osádku při prvních záběrech ražby tunelu a zároveň slouží jako rubové bednění sekundárního ostění (viz příklad na obr. 10).

Odtěžování stavebních jam hloubených tunelů probíhá po etážích, se současným zajišťováním stability jejich svahů a ve vazbě na členění výrubu navazujících úseků tunelu. Důležitou roli hraje i jejich odvodnění, aby nedocházelo k degradaci horninového masivu na dně stavebních jam.

Ostění hloubených tunelů

Dobré geotechnické podmínky umožňují u obou tunelů použít konstrukční systém ostění založeného jak v hloubených, tak ražených úsecích tunelu na patkách. Jednostranný sklon tunelu pak umožňuje použít deštníkový hydroizolační systém, takže ostění není zatíženo hydrostatickým tlakem. Rychle narůstající výška nadloží v oblasti portálů i kvalita horninového masivu umožňuje zahájit ražbu v krátkém odstupu od definitivního portálu obou tunelových trub. To má pozitivní vliv na délku úseku hloubených tunelů a tím i na rozsah stavebních jam, ve kterých jsou prováděny.

V případě tunelu Poříčí je na jižním portále v obou tunelových troubách pouze jeden blok betonáže, na severním portále pak bloky dva. Délka bloků betonáže je standardně 12 m, což umožňuje optimalizaci blokového schématu tunelu a minimalizaci atypických bloků betonáže sekundárního ostění. K těm patří bloky betonáže s výklenky na čistění drenáže, výklenky požárního hydrantu, výklenky kabin SOS a bloky s napojením na tunelové propojky. K posunu raženého portálu a tím k prodloužení hloubeného úseku na severním portálu oproti předchozímu stupni projektové dokumentace došlo na základě vyhodnocení výsledků doplňkového geotechnického průzkumu a posouzení rizika spojeného se zahájením ražby s nízkým nadložím ve zhoršených geotechnických podmínkách, kdy silně zvětralé horniny zasahovaly až do prostoru kaloty.

U tunelu Opevnění jsou ve stavební jámě jižního i severního portálu pro každou tunelovou troubu použity vždy dva bloky betonáže. Tloušťka železobetonového ostění hloubeného tunelu je ve vrcholu minimálně 600 mm a směrem do boků se zvětšuje až na cca 1 m. Ostění horní klenby je navrženo z betonu C30/37 XC3, XD3, XF4 odolného proti průsakům. Těsnění pracovní spáry mezi bloky betonáže vnitřním těsnicím pásem zajišťuje vodonepropustnost systému, který je stejným způsobem napojen na poslední a první blok betonáže ražených úseků tunelu. Fóliová izolace tak může být ukončena pod falešným primárním ostěním zárodku kaloty. Vyztužování klenby ostění hloubených tunelů se předpokládá na bednění, bez nutnosti použití samonosné výztuže. Příčný řez hloubeným tunelem ukazuje obr. 9.