Tunel Stad – největší námořní tunelová stavba světa

Norský poloostrov Stad se nachází na otevřeném pobřeží Severního moře, kde není téměř žádná přirozená ochrana před přímým působením vln a větrů z Atlantského oceánu. Tato oblast patří k nejnebezpečnějším úsekům pro plavbu podél norského pobřeží. Kombinace mořských proudů, silného větru a tvaru dna vytváří velmi složité a nepředvídatelné podmínky pro tvorbu vln, jejichž výška může za nepříznivých podmínek dosahovat 6 až 8 m. Při silných bouřích může výška vln vystoupat i nad 10 m. Svůj podíl na tom má i volné moře v okolí poloostrova, na kterém zejména severozápadní vítr vytváří vlny a žene je k pobřeží. Klimatické podmínky se v této oblasti liší v závislosti na ročním období. V zimě jsou bouře a větry mnohem častější a silnější, ale také v létě, kdy je podnebí obecně klidnější, se mohou objevit rychlé změny počasí, které náhle vytvoří velmi nebezpečné předpoklady pro plavbu. Podle údajů z meteorologických stanic se zde ročně vyskytuje až 110 bouřkových dnů s rychlostí větru větší než 20 m/s.

Historicky zde došlo k mnoha nehodám, včetně ztroskotání lodí se ztrátami na životech. Tunel Stad tuto rizikovou oblast umožní lodím obeplout a poskytne bezpečnou alternativu k plavbě podél pobřeží (obr. 2). Kromě bezpečnostních důvodů hrály při volbě tunelové varianty významnou úlohu i důvody ekonomické. Námořní tunel umožní lodím plout za stabilních podmínek nezávisle na počasí, což je důležité pro pravidelné trajektové a obchodní linky, které dnes kvůli bouřím a nepříznivým podmínkám často čelí zpožděním nebo úplnému odkladu plavby. Zlepšení podmínek pro plavbu zvýší intenzitu lodní dopravy v regionu s pozitivními dopady jak na cestovní ruch, tak na odvětví napojená na lodní dopravu a rybolov. V neposlední řadě bude mít výstavba tunelu přesunem dopravy zboží a materiálu z automobilové na lodní dopravu, snížením spotřeby paliva spojeného se zkrácením lodní trasy a zmenšením rizika ztroskotání spojeného mnohdy s ekologickými katastrofami vliv i na zlepšení životního prostředí.

Historický vývoj projektu

První zmínka o možné výstavbě průplavního tunelu v této oblasti byla uveřejněna v novinách Nordre Bergenhus Amtstidende již před 150 lety v roce 1874. Od té doby došlo, jak to u projektů obdobných dimenzí často bývá, k celé řadě vývojových změn a zvratů. Hlavní studie proveditelnosti probíhaly v letech 2000 až 2001 a 2007 až 2008. Jejich cílem bylo vyhodnotit několik variant příčných řezů i vedení trasy tunelu. Konečná trasa byla zvolena s ohledem na nejkratší vzdálenost mezi portály umístěné ve fjordech chráněných před větrem a s klidnou hladinou umožňující bezproblémové vplutí do tunelu za naprosté většiny povětrnostních podmínek.

Další studii výběru koncepce vypracovala v roce 2010 jménem Norské pobřežní správy na základě zadání Ministerstva rybolovu a pobřežních záležitostí společnost DNV.

Mezi Ministerstvem rybolovu a pobřežních záležitostí a Ministerstvem financí byla objasněna následující hlavní koncepce studie:

• •  referenční nulová alternativa bez tunelu (A0);
• •  varianta tunelu pro malé lodě (A1);
• •  varianta tunelu pro velké lodě (A2).

Ve variantě pro malé lodě byla uvažována plavidla o šířce 13 m a hloubce ponoru 8 m nebo nákladní plavidla (mrazicí lodě) o šířce 18 m a hloubce ponoru 6 m. V případě návrhu tunelu pro velké lodě se předpokládal průjezd lodí norské společnosti Hurtigruten. Další etapy projektování probíhaly v letech 2014, 2017 a 2019.

V únoru 2023 bylo zpracováno vyhodnocení nákladů a nejistot, ze kterého vyplývá, že očekávané náklady činí 4,558 mld. norských korun (NOK), což je o 741 mil. a 19 % více než základní odhad ve výši 3,817 mld. NOK.

Relativní velikost očekávaného nárůstu vnímá zpracovatel vyhodnocení jako odpovídající charakteristice projektu a převaze rizika spojeného s projektem ve vztahu k předpokladům v základním odhadu. Úroveň nejistoty, vyjádřená jako relativní směrodatná odchylka, činí přibližně 25 % očekávaných nákladů, což zpracovatel považuje za přiměřené a očekávané. Lodní tunel Stad je obzvláště jedinečný projekt s charakteristikami, které naznačují větší relativní směrodatnou odchylku, než je obvyklé u velkých infrastrukturních projektů (cca 17 %).

Základní parametry tunelu

Tunel pro lodě by měl v celé své délce 1,7 km vést nejužším místem mezi vesnicemi Kjødepollen a Moldefjorden. Rozměry profilu tunelu vycházejí z rozměrů lodí, únikových cest, vodicích konstrukcí a dalších zařízení. Zohledněny byly také nejvyšší a nejnižší hladiny vody. Tunel je 50 m vysoký a 36 m široký. Standardní plocha výrubu je 1 661 m². Pro srovnání – plocha výrubu dvoupruhového dálničního tunelu se pohybuje podle typu konstrukce od 90 do 100 m². Plocha výrubu námořního tunelu je tak cca 16x větší. Objem výrubu přesahuje 2,8 mil. m³ horniny v rostlém stavu. Provádění zemních prací však bude nutné i v předportálových oblastech a celkový objem by měl dosáhnou až 5,4 mil. m³ horniny. Konstrukce jsou navrhovány na životnost 100 let.

Výška ode dna k vrcholu horní klenby tunelu je určena požadavkem na výšku od nejvyššího přílivu k vrcholu klenby 35,5 m a požadavkem na minimální hloubku vody při nejnižším stavu odlivu 12,0 m. Pro stanovení výškových rozměrů tunelu se používá referenční úroveň „normální nuly“ označované jako NN2000. Nejnižším odlivem se rozumí nejnižší astronomický odliv (LAT) a nejvyšším přílivem se rozumí nejvyšší astronomický příliv (HAT).

V tab. 1 jsou uvedeny hodnoty LAT a HAT pro lokality Kjøde a Moldefjorden a pro měřicí stanice v Måløy a Ålesundu. Měření jsou vztažena k námořním mapám, protože úroveň NN2000 není pro Moldefjorden a Kjøde k dispozici.

Pro tunel Stad se při výpočtu požadované výšky odhaduje LAT na 1,25 m pod NN2000 a HAT na 2,41 – 1,26 = 1,15 m nad rovní NN2000. Dno tunelu vztažené k rovni NN2000 se nachází v hloubce -12,0 – 1,25 = -13,25 m. Minimální výška nad úrovní NN2000 navržena 1,15 + 35,5 m = 36,65 m. To představuje celkovou teoretickou výšku tunelu 13,25 + 36,65 = 49,9 m ode dna k vrcholu klenby tunelu. Poloha vrcholu klenby byla nadvýšena o 100 mm, tj. je navržena v úrovni 36,750 nad NN2000. Výška stropu tunelu 10 m od osy tunelu je 33,717 m. Výška k HAT je potom 33,717 – 1,150 = 32,567 m, což splňuje požadavek min. 32,5 m v úrovni průjezdného průřezu lodi. Nad výškou 33,717 m lze umístit svítidla a případně lávku pro údržbu osvětlení tunelu. Geometrické vztahy jsou zřejmé z obr. 3.

Po obou stranách tunelu budou zřízeny lávky šířky 3,75 m umožňující v případě mimořádné situace evakuaci osob z poškozeného plavidla. Součástí lávek budou i svodidla umístěná ve vzdálenosti 4,75 m od stěny tunelu, která budou usměrňovat lodě při průjezdu a bránit nárazu do boku tunelu. Svodidla jsou v přední části tak vysoká, aby pod nimi menší plavidla nemohla podplout a poškodit konstrukci lávky. Pro dimenzování svodidel byla zvolena loď MS Midnatsol norské společnosti Hurtigruten, která by do svodidla narazila pod úhlem 3,5° při rychlosti 5 uzlů. Uvedená loď se specializuje na plavby podél norského pobřeží a do polárních oblastí. Délka lodi je 135,75 m, šířka 21,5 m, ponor 5,15 m a výtlak 16 151 tun, s kapacitou až 650 pasažérů a 80 členů posádky (obr. 4).

Boční lávky rovněž zajistí přístup do technologických místností trafostanice umístěné v boční rozrážce tunelu. Pro lávky budou z důvodu urychlení montáže a zjednodušení postupu výstavby vyrobeny speciální železobetonové prefabrikáty, které budou ukládány na monoliticky prováděné sloupy betonované ze dna tunelu a konzoly přibetonované k boku tunelu. Boční lávky navazují na přístupové komunikace vedoucí k oběma portálům. Situování lávek a svodidel pro usměrnění plavidel ukazuje vizualizace na obr. 5.

Další lávka o světlé šířce mezi zábradlím 2 m bude v celé délce tunelu zavěšena na horninových kotvách pod jeho klenbou. Proti rozkmitání lávky ve vodorovném směru jsou instalovány příčné výztuhy se zakotvením do horniny horní klenby tunelu. Kromě revize a údržby navigačního osvětlení bude lávka sloužit k upevnění dopravního a informačního značení (obr. 6). Přístup na lávku bude zajištěn ze silničního mostu vedoucího přes tunel na straně Moldefjordenu.

Jedná se o silniční most převádějící místní komunikaci, který je konstrukčně spojen s portálem tunelu. Jedná se o obloukovou konstrukci s mezilehlou mostovkou o rozpětí 43,5 m, šířkou vozovky 7,5 m a šířkou vnější boční rampy pro pěší a cyklisty 3 m. Celková šířka konstrukce je cca 13,5 m. Do oblouků mostu se síly z mostovky a zavěšené konstrukce portálu přenášejí táhly. Oba oblouky mostu jsou založeny přímo na skále. Předpokládá se použití částečně prefabrikované konstrukce (obr. 7).

Geotechnické podmínky

Geotechnické podmínky v oblasti projektu byly zmapovány, prozkoumány a popsány v několika stupních zpracování projektové dokumentace. Vše naznačovalo, že horninový masiv bude tvořen světle šedými a páskovanými rulami, některými ostrovními rulami a tmavšími slídovými rulami. Zájmová oblast v Moldefjordenu a Kjødepollenu byla zmapována a prozkoumána refrakční seismikou a jádrovými vrty. Vzhledem ke značně velkým rozměrům výrubu i délce tunelu je třeba počítat se širokým rozpětím vlastností horninového masivu, od velmi dobrých až po méně kvalitní horniny.

Pro ověření předpokladů bylo v trase plánovaného námořního tunelu v rámci detailního geologického průzkumu provedeno 42 jádrových vrtů. Cílem průzkumu bylo získání informací o kvalitě a struktuře horninového masivu v oblasti budoucí trasy tunelu. Vyhodnocení vrtných jader je důležitým podkladem pro stanovení stability výrubu při ražbě tunelu, zjištění přítomnosti tektonických poruch a zlomových struktur a stanovení potřebných technických opatření pro zajištění bezpečnosti práce při ražbě tunelu. Vzhledem k tomu, že převažující horninou v trase tunelu jsou ruly různého mineralogického složení a stupně zvětrání, byl průzkum zaměřen na tento typ metamorfovaných hornin. I když se průzkum věnoval také identifikaci zlomových struktur a tektonických poruch, které by mohly být příčinou komplikací při výstavbě, bylo objeveno pouze několik zlomových struktur, jež mohou vyžadovat přijetí doprovodných opatření k zajištění stability výrubu (např. zpevňující injektáže). Nepředpokládá se, že by avizované poruchy mohly být příčinou významnějších komplikací při ražbě.

Vrtný průzkum prováděla a jeho výsledky vyhodnocovala firma NGI (Norges Geotekniske Institutt), což je přední norská instituce zabývající se geotechnikou, inženýrskou geologií a výzkumem v těchto oblastech. Dalším subjektem, který se na vyhodnocování získaných informací podílel, je firma SINTEF. Ta poskytovala technickou podporu při hodnocení a posouzení geologických dat, zejména při modelování a simulacích stability horninového masivu v okolí plánovaného tunelu. Jejich odborníci se podíleli na výzkumu vlastností hornin, vlivu podzemních vod a dalších geotechnických faktorů, které mohly ovlivnit výstavbu a dlouhodobou bezpečnost při provozování tunelu. Vyhodnocení vrtných jader probíhalo na základě tunelářské klasifikace BLLL, pojmenované podle jejích autorů (Barton, Liem, Lunde, Loset), resp. podle indexu Q. Klasifikace byla vytvořena v roce 1974 na základě vyhodnocení celé řady podzemních děl ražených ve skandinávských horninových poměrech a od té doby se na základě zkušeností neustále doplňuje a zdokonaluje. Jako vstupní parametry pro hodnocení horninového masivu podle této klasifikace vstupuje do výpočtu počet puklinových systémů, bodové hodnocení drsnosti puklin, stupně zvětrání diskontinuit a vlastnosti jejich výplně, vodní tlak, podmínky původní geostatické napjatosti horninového masivu a výsledky klasifikace RQD jednoduše popisující stav porušení vrtného jádra při jeho výnosu. V dané lokalitě byl výnos jádra velmi dobrý a hodnota RQD se často pohybovala nad 70 %. Podle intervalu hodnot parametru Q je horninový masiv hodnocen jako dostatečný (Q = 4 až 10), dobrý (Q = 10 až 40), velmi dobrý (Q = 40 až 100) nebo výborný (Q = 100 až 400).

Kromě vertikálních jádrových vrtů byly provedeny i horizontální směrové vrty v profilu tunelu. V oblasti Kjødepollenu výsledky hodnocení vrtných jader ukazují, že necelých 40 % délky tunelu bude raženo v horninovém masivu velmi dobré kvality, přibližně 60 % délky tunelu bude raženo v horninovém masivu dobré kvality a jen jednotky procent délky tunelu budou raženy v horninovém masivu pouze dostatečné kvality, tj. v kvalitě Q < 10. Od začátku jádrového vrtu se do hloubky cca 20 m hodnota Q postupně zvyšuje, až v této hloubce dosáhne podle klasifikace dobré kvality. Podobná situace je v oblasti Moldefjordenu, kde je 49 % horninového masivu ve velmi dobré kvalitě, dalších cca 49 % spadá do dobré kvality a opět pouze jednotky procent odpovídají dostatečné kvalitě. Je však třeba si uvědomit, že směrové vrty byly situovány do horní části profilu tunelu výšky 50 m a šířky 36 m. Na této ploše se mohou geotechnické podmínky měnit. Podle uvedené klasifikace byl navržen způsob zajištění stability výrubu. Na základě laboratorních zkoušek prováděných na vzorcích odebraných z vrtných jader byly stanoveny geotechnické parametry horninového masivu. Pevnost v tlaku se pohybuje v rozmezí 100 až 250 MPa, pevnost v tahu pak 5 až 15 MPa. Horniny v oblasti tunelu mají relativně vysoký modul pružnosti. Typické hodnoty se pohybují v intervalu 50 až 70 GPa, Poissonovo číslo se pohybuje v rozmezí 0,2 až 0,3. Pokud jde o komerční využití vytěžené rubaniny, odebrané vzorky hornin naznačují, že horninový masiv bude přibližně ze 70 až 80 % vhodný pro podkladní vrstvy silnic a železnic nebo jako kamenivo do betonu. Zmenšení tohoto objemu může způsobit vyšší obsah slídy v hornině. Předpokládá se, že velká část celkového objemu horniny, která má být rozpojena trhacími pracemi, bude rozpojena hrubým odstřelem tak, aby se dosáhlo obzvláště velkých rozměrů kamenných bloků, které bude možno použít pro vlnolamy a přístaviště nebo jako kameny do nasucho skládaných gravitačních zdí.

Z hydrogeologického hlediska je rula považována za obecně málo propustnou horninu, ve které je podzemní voda vázána na puklinový systém. Zvýšené přítoky podzemní vody do výrubu lze očekávat v příportálových oblastech s nízkým nadložím a v místě tektonických poruch. Celkově jsou hydrogeologické podmínky považovány za příznivé.

Portálové předzářezy

V příportálových oblastech vzniknou stavební jámy hloubky 70 až 80 m, která bude postupně klesat na 10 až 15 m. Z celkové hloubky jámy bude po dokončení stavby cca 13 m pod úrovní hladiny moře. Z toho důvodu je při jejich návrhu věnována velká pozornost zajištění stability svahů skalních zářezů. Celková stabilita skalních zářezů musí být zachována během výstavby i po celou dobu životnosti stavby. V některých případech projekt připouští drobné lokální sesuvy nebo skalní řícení, pokud neovlivní celkovou stabilitu řezu, nezasáhnou místa, kde se pohybuje veřejnost, ani nepoškodí zařízení nebo konstrukce stavby. Stabilizace líce svahů bude podle charakteru horniny zajištěna stříkaným betonem, vysokopevnostními ocelovými sítěmi a v místě přípustných skalních řícení dynamickými bariérami k pohlcení kinetické energie padajících úlomků horniny.

Technologický postup ražby tunelu

Pro návrh způsobu zajištění stability výrubu a technologického postupu výstavby byla použita jednoduchá empirická kritéria. Návrh vycházel z předpokladu vysoké samonosnosti horninového masivu. Vstupními parametry byla výška nadloží a rozpětí tunelu, což je v případě tunelu Stad 36 m. Při výšce nadloží větší než 1,5násobek šířky výrubu (tj. cca 54 m) lze předpokládat vytvoření přirozeného samonosného systému a dosažení dostatečné celkové stability výrubu bez použití dalších opatření. Při výšce nadloží rovné šířce výrubu se v dobrých geotechnických podmínkách rovněž počítá s vytvořením horninové klenby. Horninový masiv bude v méně příznivých podmínkách zajištěn ve vrcholu klenby systémovým kotvením. Výška nadloží odpovídající cca polovině šířky výrubu (tj. cca 18 m) je považována za spodní hranici proveditelnosti tunelu konvenčními tunelovacími metodami bez nasazení speciálních opatření. Pro zahájení ražby se proto předpokládá minimální výška nadloží 20 m. Výška nadloží vzhledem ke konfiguraci terénu rychle stoupá. Příportálové úseky s nižším nadložím budou hloubené.

Vzhledem k ploše výrubu 1 661 m² a odpovídajícímu objemu výrubu se při výstavbě nepreferuje rychlost provádění, ale ekonomické hledisko, tj. výstavba s co nejnižšími investičními náklady. Ražení tunelu se předpokládá od obou portálů tzv. metodou „drill and blast“.

Pouze s využitím samonosnosti horninového masivu lze počítat jen v mimořádně dobrých geotechnických podmínkách. V ostatních případech je nutno počítat s dále popsanými opatřeními ke zvýšení stability výrubu. Členění výrubu a postup odtěžování je zřejmý z obr. 9. Stabilitu výrubu kaloty v dílčích výrubech 1 a 2 proto bude zřejmě nutné zajistit systémovým kotvením a stříkaným vláknobetonem. Výrub tunelu je rozdělen do 5 etáží s výškou cca 10 m. Ty může zhotovitel dále členit podle typu použité mechanizace a optimálního postupu výstavby.

Výrub tunelu se předpokládá členit na 7 hlavních dílčích výrubů, přičemž tyto výruby je možné dále členit podle rozhodnutí zhotovitele. Pro rozpojování horniny bude nutné použít trhací práce. Ty budou vzhledem k velikosti tunelu a umístění dílčího výrubu v ploše příčného řezu dvojího typu. V dílčích výrubech 1 a 2 v oblasti klenby tunelu se bude používat rozpojování typické pro ražbu tunelu, tj. s vrtnými schématy pro délku záběru cca 4 až 5 m. To však bude představovat pouze malou část z celkového objemu trhacích prací. Po vyražení a zajištění stability výrubu v klenbě tunelu bude pro další dílčí výruby v nižších etážích použita technologie rozpojování clonovým odstřelem, používaná k těžení horniny v kamenolomech. Limitujícím faktorem pro použití trhacích prací bude riziko poškození horninového masivu v okolí výrubu a možnost ovlivnění stávajících objektů v blízkosti tunelu nebo nových konstrukcí prováděných v rámci výstavby tunelu. Na straně Moldefjordenu se nachází omezené množství budov, které jsou umístěny v poměrně velké vzdálenosti od trasy tunelu. Očekává se proto, že ohrožení stávajících objektů vibracemi nebude pro práce v této lokalitě významným omezením. Jiná situace je v oblasti Kjødepollenu, kde je podstatně více budov, z nichž některé se nacházejí přímo u portálů nebo v trase tunelu. V současné době není známo, v jakém rozsahu bude nutné tyto budovy v souvislosti se stavebními pracemi vykoupit nebo zbourat. Je však zřejmé, že řada objektů zůstane zachována, což bude omezovat rozsah provádění trhacích prací. Na zvážení zhotovitele pak bude vytvoření takového harmonogramu výstavby, aby nové konstrukce tunelu a infrastruktury před portály nebyly vlivem technické seismicity poškozeny.

Zahájení ražby kaloty bude probíhat se zajištěním obvodu výrubu pomocí ocelových jehel délky 8 m až 10 m z betonářské oceli Ø 32 mm vrtaných s roztečí 0,5 m až 1 m a podélným přesahem cca 2 m až 4 m. Při postupu od portálu se předpokládá navrtání až tří takovýchto jehlových deštníků. Obvod kaloty bude zajištěn systémovým radiálním kotvením tyčovými SN kotvami z betonářské oceli délky 6 m až 8 m ve standardním rastru cca 2 x 2 m. Ten bude možné podle zastižené kvality horniny měnit od rastru 1 x 1 m až po 3 x 3 m. Ve zhoršených geotechnických podmínkách není vyloučeno doplnit systémové kotvení o kotvy délky 10 až 20 m. Líc výrubu bude stabilizován stříkaným betonem tloušťky 100 až 200 mm.

Vzhledem k rozsahu díla lze předpokládat, že prioritní z hlediska harmonogramu bude zahájení ražby tunelu. Tomu musí předcházet vytvoření přístupových komunikací a doků pro nakládku rubaniny na lodě, které budou odvážet vytěžený materiál jak pro jeho další využití, tak pro trvalé uložení na deponie. Počítá se i s uložením přebytku vytěženého materiálu na mořském dně. Z ekonomických i časových důvodů je snaha minimalizovat mezideponie a vytěžený materiál vyvážet přímo na lodě. S automobilovou dopravou pro dopravu rubaniny mimo staveniště se nepočítá. Z logistického hlediska bude důležitý i návrh postupu ražeb v podélném směru. Nejprve bude ve dvou dílčích výrubech odtěžen a zajištěn prostor klenby tunelu. Následně dojde k odtěžení jádra druhé etáže označeného na obr. 9 jako etapa č. 3. Po vytěžení jádra druhé etáže dojde k jejímu rozšíření na celou šířku etáže v etapách č. 4. Boky tunelu budou zajištěny stříkaným betonem. Tento postup se bude opakovat až po vyražení tunelu na úroveň jeho dna. Ražení bude probíhat ve všech etážích. Vzhledem k tomu, že je nutné z každé etáže zajistit odvoz rubaniny, přísun materiálu a možnost úniku, bude třeba s postupem prací vytvářet a likvidovat dopravní rampy k jednotlivým etážím. Schéma postupu ražby v podélném směru ukazuje obr. 10. Odstup čeleb jednotlivých etáží bude záviset na zhotoviteli. Lze očekávat, že se bude snažit s ražbou jednotlivých etáží, pokud možno rychle, vzdálit od portálů, aby na nich a v jejich blízkosti mohl bez rizika poškození nových konstrukcí provádět další stavební činnosti.

Předpokládá se, že na obou portálech budou zhotovitelem ponechány horninové prahy, které po dobu výstavby zabrání průniku mořské vody do výrubu tunelu. Tak bude možno provést nejen výrub dna tunelu pod úrovní hladiny moře, ale i betonářské práce související s výstavbou bočních lávek a jejich podpor, případně dalších konstrukcí vnitřního vybavení tunelu v suché stavební jámě. Po dokončení konstrukcí dojde k řízenému odstřelu horninových prahů. Vzhledem k tomu, že by proudící voda mohla již provedené konstrukce poškodit, je možné prostor tunelu řízeně napustit vodou ještě před odstřelem.

Podmínky pro plavbu tunelem

V rámci návrhu a dimenzování tunelu byly provedeny studie chování předpokládaných typů plavidel při plavbě v tunelu:

• •  Plavba lodi mezi Moldefjordenem a Kjødepollenem v obou směrech v plnorozměrovém simulátoru pro vizualizaci plavby a testování interakce člověka a lodě, kterou provedla společnost ­FORCE Technology, Lyngby, Dánsko.
• •  Laboratorní zkoušky s plavbou rozměrných typů lodí v tunelu pro testování směrové stability, spotřeby energie a omezení rychlosti v tunelu, které provedla společnost MARINTEK.
• •  Studie výpočtové dynamiky tekutin (CFD – Computational Fluid Dynamics) pro zjištění účinků interakce plavidla a kanálu. Numerické modelování odporu a směrové stability plavidla provedla společnost FORCE Technology, Lyngby, Dánsko.

Zkoušky na simulátoru ukázaly, že s vjezdem do tunelu jsou spojeny problémy, a to zejména ve směru plavby od Kjødepollenu, kde je možný konflikt na posledním mysu vlevo. Vjezd od Moldefjordenu severním směrem je jednodušší a přímočařejší, problémy však mohou nastat, pokud je třeba vjezd do tunelu zrušit, například kvůli protijedoucímu plavidlu. Testování ukázalo, že je důležité, aby lodě mohly přímo bez zastavení přejít z plavby ve fjordu k vjezdu do tunelu. Prostor na moři před oběma portály by neměl sloužit jako vyčkávací místo pro zastavení větších lodí.

Závěry ze simulátorů plavby a laboratorních experimentů jsou následující:

• •  Lodě typu Hurtigruten budou schopny udržovat v tunelu rychlost 3,5–4,0 uzle bez ohledu na aktuální plavební podmínky. Za příznivých podmínek může rychlost dosáhnout až 5 uzlů.
• •  Kontejnerová loď bude schopna udržovat stálou rychlost 2,5–3 uzle. Při střední úrovni hladiny a bez vlivu proudění vody tunelem je možné dosáhnout rychlosti až 3,5 uzlu. To však pouze za vysoké přesnosti řízení a směrové stability ­plavidla.
• •  Požadavky na výkon motorů pro výše uvedené rychlosti jsou mírné a v rámci možností lodí.
• •  Při stanoveném intervalu rychlosti jsou lodě snadno ovladatelné a zpravidla se vyhnou srážce s fendry, tj. tlumiči nárazu umístěnými na bočních svodidlech v tunelu.
• •  Pokusy o zvýšení rychlosti nad stanovenou maximální rychlost při modelování způsobily, že se loď stala neovladatelnou a odpor výrazně vzrostl.
• •  Hloubku kanálu je možné snížit přibližně o 1 až 1,5 m bez výrazných negativních účinků, ale zmenšení šířky plavební dráhy znamená, že je loď vtažena k jednomu z boků tunelu.

Výhled z můstku plavidla při výjezdu z tunelu ukazuje obr. 11.

Požárně bezpečnostní řešení

Koncepce úniku osob z tunelu se předpokládá stejná jako u železničních tunelů. Hlavní opatření k zajištění bezpečnosti v případě požáru proto spočívá v tom, aby se plavidlo pokusilo z tunelu pokud možno vyplout. Lodě bude možné kotvit u vstupních objektů na obou stranách tunelu, aby evakuace pasažérů z lodě zasažené požárem mohla probíhat při vjezdu a hořící loď do tunelu vůbec nevjela (obr. 12).

V případě vzniku požáru lodi při průjezdu by hašení probíhalo až po vyjetí z tunelu. Evakuace uvnitř tunelu se proto uskuteční pouze v případě, pokud plavidlo nebude schopno vyplout ven. V takovém případě je princip evakuace založen na sebezáchraně, kdy by evakuovaní neměli být závislí na pomoci z vnějšku. To znamená, že je třeba se z tunelu dostat vlastními silami, přičemž pomůckami jsou zde chodník na bočních lávkách, nouzové osvětlení a značky směru úniku.

Únik z lodí se uskutečňuje po lávkách, žebřících atd. na boční lávky umístěné na obou stranách tunelu. Musí být umožněna evakuace oběma směry po lávce ven na otevřené prostranství, na bezpečné místo. Tedy do prostoru mimo portály, kde mohou všechny evakuované osoby setrvat, než bude k dispozici další pomoc.

Na základě provedených výpočtů se předpokládá doba úniku nejméně 60 min. Podle prohlášení zástupců společnosti Hurtigruta je doba potřebná pro evakuaci všech osob z lodi dolů na chodník v tunelu cca 30 min. Dalších 30 min je třeba na opuštění tunelu v případě, že hořící loď stojí uprostřed jeho délky, takže vzdálenost k portálu je přibližně 875 m. Výpočty zohledňují cestující s omezenou pohyblivostí, rychlost chůze při evakuaci je stanovena na 0,5 m/s.

V případě plně obsazené lodi společnosti Hurtigruta bude evakuace z tunelu do bezpečné oblasti na portálu trvat déle než 60 min. U rychlého trajektu se předpokládá doba evakuace více než 30 min. Přitom je třeba počítat také s dalším časovým intervalem do zahájení evakuace, tj. doba potřebná pro rozhodnutí o evakuaci a na přípravu s tím spojenou, jako např. spuštění kotvy, zajištění lávky atd. Celková doba evakuace z tunelu by pak mohla být výrazně delší než 60 min. V případě rozdílu tlaku mezi portály většího než 20 Pa a s ním spojeného proudění vzduchu v tunelu bude koncentrace kouře podél chodníku relativně nízká a možnost přežití i při požáru o výkonu 100 MW bude reálná i po 60 min.

Provedená analýza šíření kouře ukázala, že viditelnost podél chodníku je při velikosti požáru do 100 MW a standardní rychlosti proudění vzduchu přibližně 10 m. V případech, kdy se proudění vzduchu v tunelu zastaví nebo má malý tah (rozdíl tlaků na portálech je menší než 20 Pa), se může viditelnost časem zhoršit natolik, že na únikovém chodníku povede ke kritickým podmínkám. Na základě vyhodnocení klimatických podmínek v místě budoucích portálů tunelu bylo konstatováno, že k situaci, kdy v tunelu nebude proudit vzduch, dojde jen zřídkakdy. Jedná se o stav, kdy se mění tlakové poměry na portálech a v tunelu se mění směr proudění vzduchu. Scénář, kdy by hořící loď nemohla vyjet z tunelu a zároveň bylo v tunelu bezvětří, byl vyhodnocen jako vysoce nepravděpodobný a při posuzování evakuace nebyl uvažován. Šíření kouře a možnosti evakuace při tlakovém rozdílu mezi portály menším než 20 Pa nebyly proto předmětem zkoumání. Totéž platí pro situace, kdy se v tunelu během evakuace mění směr proudění vzduchu. Nucené větrání ventilátory není v tunelu navrženo s ohledem na jeho obrovskou plochu, a tím i malou účinnost tohoto opatření.

Požár na lodi může způsobit kritické vyzařování tepla z plamenů směrem k únikové cestě na bočních lávkách. To by mohlo evakuovaným osobám znemožnit únik nejkratší cestou k portálu. Vzdálenost k portálu a doba úniku v tunelu tedy mohou být dlouhé.

Výchozím bodem pro výpočty šíření kouře je skutečnost, že růst požáru je velmi rychlý. Jeho vývoj má největší vliv na evakuaci po únikovém chodníku ve vztahu k:

• •  tepelnému záření podél lodí na boční lávce s ohledem na plameny šlehající z oken nebo z otevřených dveří. Tepelné záření tak může zabránit evakuaci osob na lávku.
• •  koncentraci kouře v tunelu s malým nebo žádným prouděním vzduchu, kdy se horký kouř může hromadit pod klenbou tunelu a po ochlazení klesat, až nakonec může dojít ke kritické koncentraci kouře na únikovém chodníku.

Doba růstu požáru použitá jako základ pro simulace šíření kouře se považuje za konzervativní. Požár v horních částech lodi velmi pravděpodobně nezabrání vyplutí lodi z tunelu, protože nebude zasažena strojovna a loď bude schopna plavby. Nejpravděpodobnějším scénářem vyžadujícím evakuaci osob v tunelu je proto požár v dolních částech lodi, který by měl za následek ztrátu jejího pohonu.

Výpočty ukazují, že vývin kouře v tunelu směrem k únikovému chodníku na bočních lávkách nebude vzhledem k velké ploše průřezu a kapacitě prostoru pod klenbou kritický. V případě požáru o výkonu až 100 MW bude tepelné záření ovlivňovat osoby na únikovém chodníku pouze prostřednictvím tepelného záření z plamenů v blízkosti požáru.

Technologické vybavení tunelu

Kromě stavební části je pro provoz tunelu zásadní i část technologická, která zajišťuje především bezpečnost provozu. Na obou portálech budou situovány provozně technologické objekty (PTO). Napájení tunelu bude zajištěno na obou portálech nezávislou přípojkou 22 kV s rozvodnami 22/0,4 kV umístěnými v PTO. Trafostanice bude umístěna i v technologické místnosti zhruba uprostřed délky tunelu. Pro vedení kabelů vysokého napětí bude určena chránička Ø 160 mm vedená na kabelové lávce umístěné nad boční lávkou na stěně tunelu. Pro vedení nízkého napětí a datové kabely budou sloužit další chráničky vedené na kabelových lávkách na boku tunelu a případně na příčných trasách propojujících přes klenbu levý a pravý bok tunelu. Součástí systému jsou také čidla pro měření kvality ovzduší v tunelu, měření opacity, vlhkosti a teploty vzduchu v tunelu a před portály a měření směru a rychlosti proudění vzduchu. Pro monitorování dopravy budou v tunelu a na portálech instalovány videokamery a radary. Uvnitř tunelu musí být pomocí rádiových opakovačů a antén zřízen rádiový systém. Norská pobřežní správa bude potřebovat pokrytí pro námořní VKV, AIS, nouzové sítě (TETRA) a vysílání (DAB). Komerční mobilní operátoři budou moci instalovat pro požadovaná pásma společné opakovače. Norská pobřežní správa umístí do nových plavebních drah pro příjezd k tunelu nezbytná navigační zařízení.

Závěr

Článek popisuje pouze návrh a výstavbu vlastního tunelu. Součástí stavby je také infrastruktura na obou portálech. Projekt námořního tunelu Stad je v mnoha ohledech výjimečným počinem jak po stránce technické, tak z hlediska zvýšení bezpečnosti plavby podél norského pobřeží. Jeho výstavba bude mít kromě zlepšení podmínek pro podnikání v daném regionu i pozitivní environmentální aspekty. Norská vláda vyčlenila na přípravné práce a realizaci výběrového řízení v roce 2024 přibližně 130 mil. NOK. Norská pobřežní agentura uspořádala za velkého národního i mezinárodního zájmu dvě kola předběžných tržních konzultací, kterých se účastnilo 160 zástupců z 80 dodavatelských firem. Lze proto předpokládat, že tento ohlas může mít pozitivní vliv na nabídkovou cenu. Výběrové řízení na stavbu tunelu Stad v Norsku bylo naplánováno na říjen 2024. Jedná se o soutěž na klíčový kontrakt s pevnou cenou. Proces zadání veřejné zakázky zahrnuje předkvalifikační fázi v očekávané délce 3 měsíce. Poté budou vybraní uchazeči vyzváni k podání nabídek, což obvykle trvá 6 až 9 měsíců. Pokud by nabídková cena přesáhla částku 5 060 mld. NOK, vrátilo by se schválení investice zpět do norského parlamentu a celý proces by se zřejmě prodloužil. Smlouva s vybraným dodavatelem by mohla být podepsána koncem roku 2025, výstavba tunelu by tak mohla začít na přelomu let 2025/2026 s očekávanou dobou realizace přibližně 5 let.

Zdroje

[1] https://www.kystverket.no/en/fairway/stad-ship-tunnel/.

[2] https://skipstunnel.no/.

[3] https://no.wikipedia.org/wiki/Stad_skipstunnel.

[4] Stad Skipstunnel, Kysverket, Teknisk forprosjekt, Oppdrags nr.: 5161743, Dokument nr.: 001, Versjon: J01, Dr. Techn. Olaf Olsen, Nordconsult, 29. 3. 2017.

[5] Stad Skipstunnel, Kysverket, Teknisk forprosjekt, Veedlegg A, Tekniske tegninger, Skipstunnel fra Moldefjorden til Kjodepollen Selje Kommune, Sogn og Fjordane, Dr. Techn. Olaf Olsen, Nordconsult, 30. 9. 2016.

[6] Stad Skipstunnel, Kysverket, Teknisk forprosjekt, Veedlegg D, SHA Restrisiko, 5161743, Dokument nr.: 001-D, Versjon: J01, Dr. Techn. Olaf Olsen, Nordconsult, 30. 9. 2016.

[7] Stad Skipstunnel, Kysverket, Teknisk forprosjekt, Veedlegg E, Brannkonsept, 5161743, Dokument nr.: 001-E, Versjon: J01, Dr. Techn. Olaf Olsen, Nordconsult, 2. 12. 2016.

[8] Stad Skipstunnel, Kysverket, Teknisk forprosjekt, Veedlegg F, Risikoanalyse, 5161743, Dokument nr.: 001-F, Versjon: J01, Dr. Techn. Olaf Olsen, Nordconsult, 2. 12. 2016.

[9] Stad Skipstunnel, Kysverket, Teknisk forprosjekt, Veedlegg H, Ventilasjon, 5161743, Dokument nr.: 001-F, Versjon: J01, Dr. Techn. Olaf Olsen, Nordconsult, 23. 11. 2016.

[10] Kostnads- og usikkerhetsanalyse Stad skipstunnel, Oppdatering av kostnadsestimat 2023, Kystverket 15. 2. 2023.

[11] Stad skipstunnel – Miljøgeologiske undersøkelser, Rapport, Kystsak nr.: 2021/1246, Multiconsult 17. 2. 2022.

[12] Deltagere, leverandørkonferanse for Stad skipstunnel, Bistand fra Multiconsult og Kluge, 7. 9. 2021.

[13] Ekstern kvalitetssikring (KS 2) av Stad skipstunnel, Utarbeidet for Finansdepartementet og Samferdselsdepartementet, Oslo Economics/Atkins Norge, 5. 11. 2020.

[14] Stad skipstunnel - Videreutvikling og prosjektoptimalisering, Concreto 15. 6. 2019.

[15] Accident Frequency Analysis for the Stad Ship Tunnel, Erik Alan Ariansen, NTNU Norwegian University of Science and Technology, 01/2018.

[16] Kvalitetssikring av Stad skipstunne, Terramar AS, 15. 12. 2003.