arrows Realizace staveb arrows Bezpečnost a rizika ve výstavbě arrowsRizika při návrhu a provádění podzemního díla
grafické podklady: Jakub Karlíček, archiv SATRA
text: Alexandr Butovič
číslo: 02/10
Rizika při návrhu a provádění podzemního díla
Příspěvek ukazuje na příkladech mimořádných událostí, které doprovázely výstavbu tunelu Blanka v Praze při podcházení parku Stromovka v roce 2008, složitosti při návrhu podzemního díla a dopad doplňujících opatření, zvyšujících bezpečnost ražeb na náklady a dobu realizace stavby.
odeslat odeslat    tisk tisk
Ing. Alexandr Butovič, Ph.D.

Ing. Alexandr Butovič, Ph.D.Vystudoval ČVUT v Praze Fakultu stavební, obor Konstrukce a dopravní stavby. Je autorizovaným inženýrem v oboru geotechnika, báňským projektantem, držitelem ceny akademika Quido Záruby. Od roku 1999 pracuje ve společnosti SATRA, kde se zabývá zejména návrhem geotechnických konstrukcí (tunel Mrázovka, tunelový komplex Blanka). Pedagogicky působí na ČVUT v Praze, je předsedou organizačního výboru mezinárodní konference Podzemní stavby Praha 2010.
E-mail: alexandr.butovic@satra.cz

Při návrhu a realizaci podzemního díla pomocí nové rakouské tunelovací metody (NRTM) se využívá spolupůsobení okolního horninového prostředí s primárním vystrojením tunelu. Horninové prostředí jako takové je však téměř vždy oslabeno různými plochami nespojitostí (vrstevnatost, tektonické porušení, apod.) a nikdy jej nelze dokonale poznat. Stanovení zatížení nosného prstence podzemního díla (hornina + výstroj díla) je velmi složitým problémem, pro nějž doposud neexistuje exaktní analytické řešení. Výpočet zatížení, velikostí vnitřních sil v navrhovaných konstrukcích a prognóza deformačního účinku ražeb na okolní prostředí a povrch terénu jsou tak zatíženy nemalými nejistotami.
Vzhledem ke skutečnosti, že veškerá doplňující opatření v podzemí jsou velmi nákladná, nelze navrhovat podzemní díla na maximální možný stupeň bezpečnosti. Takové podzemní dílo by nebylo pro investory přijatelné a v mnoha případech by byla dána přednost výrazně levnější netunelové variantě, bez ohledu na zásah do životního prostředí, apod. Základním prvkem návrhu se tak stává vyhodnocení rizik.

Situace s vyznačením mimořádných událostí ve Stromovce
¤ Situace s vyznačenim mimořadnych udalosti ve Stromovce

Princip realizace díla pomocí NRTM
Jak již bylo uvedeno, ražba podzemního díla pomocí NRTM využívá nosnosti samotného horninového prostředí – po provedení výrubu vzniká v jeho okolí ochranný prstenec, který se podílí na přenášení vzniklého zatížení.
Při ražbě samotné je horninové prostředí (obecně poměry na čelbě) zatřiďováno do technologických tříd (podle různých klasifikací), a každé z nich potom odpovídají různé podmínky pro ražení a vystrojení výrubu.

Technologická třída určuje zejména:
– délku záběru, na kterou bude dílo „otevřeno“;
– tloušťku a vyztužení primárního ostění (ze stříkaného betonu);
– rozsah, druh a délku radiálních svorníků;
– doplňující opatření (stabilizace čelby, ochranné deštníky, apod.).

V praxi celý systém funguje tak, že geolog určí v předmětném záběru technologickou třídu a zhotovitel provede podle realizační dokumentace stavby (RDS) příslušné vystrojení výrubu.
Celý systém v RDS je během procesu ražení upřesňován na základě výsledků geotechnického monitoringu, jenž je nedílnou součástí technologie NRTM.

Návrh zajištění podzemního díla
Eurokód 7, jakožto současný základní normativní předpis pro návrh a provádění geotechnických konstrukcí, řeší problematiku podzemních děl jen rámcově. Základním prvkem návrhu je, stejně jako u ostatních konstrukcí, statický výpočet. V současné době je díky rozvoji výpočetní techniky s výhodou využívána metoda konečných prvků (MKP), pomocí níž je možné získat informace nejen o velikostech vnitřních sil v navrhovaném primárním ostění, ale i prognózu deformací horninového prostředí a povrchu terénu. U běžných liniových podzemních děl jsou používány dvojrozměrné modely (za předpokladu rovinné deformace), ve složitějších případech (křížení, rozplety, apod.) modely prostorové.
Horninové prostředí je ve výpočtech obvykle nahrazeno homogenním izotropním materiálem různých vlastností (v případě tunelu Blanka byl použit Mohr-Coulombův materiálový model). Primární ostění ze stříkaného betonu je modelováno jako prutová konstrukce (pružný materiál), nebo jako plošné prvky různých vlastností (Mohr- Coulomb, parabolické kritérium, apod.). Skutečné horninové prostředí (hornina) však v žádném případě homogenním materiálem není a jeho vlastnosti se v různých směrech významně liší (i řádově). Záleží zejména na hustotě ploch nespojitostí (diskontinuit), jejich orientaci vůči podzemnímu dílu, podzemní vodě, apod. Úspěšnost výpočtu je tedy založena na zkušenosti projektanta a vhodné volbě materiálových charakteristik horniny i ostění. Z tohoto důvodu se vždy provádí několik výpočtů pro různý rozptyl materiálových charakteristik tak, aby byla zjištěna citlivost sledovaných veličin na změnu vstupních parametrů.

Příčný řez se sanacemi
¤ Přičny řez se sanacemi

Popis podmínek v parku Stromovka 
Geotechnické podmínky v prostoru parku Stromovka jsou velmi komplikované. Dvoupruhové tunely zde procházejí přechodovým pásmem mezi velmi nekvalitními jílovitoprachovitými břidlicemi dobrotivského souvrství a rozpukanými řevnickými křemenci a jílovitými břidlicemi souvrství libeňského. Na skalním prostředí se nacházejí zvodnělé sedimenty vltavské terasy (převážně písky a štěrkopísky) o mocnosti cca 11 m. Z tohoto důvodu byl v minulosti pro tuto část stavby proveden rozsáhlý podrobný geotechnický průzkum (formou průzkumné štoly), který zajistil požadovaný soubor informací o geotechnických podmínkách, potřebných pro návrh podzemního díla.
Složité geotechnické podmínky ještě komplikuje podélné vedení díla, kdy kvůli prostorovým možnostem na Letné (napojení na povrchové komunikace) a maximálně možnému podélnému sklonu díla 5,0 % jsou dvoupruhové tunely vedeny v blízkosti Šlechtovy restaurace jen až s cca 1 metrovým skalním nadložím.
Ražba tunelu o šířce cca 12 m je v takovýchto podmínkách pomocí NRTM nerealizovatelná. Z tohoto důvodu byla v úseku, kde je skalní nadloží menší než 6 m, v předstihu provedena dodatečná opatření, založená na tlakových injektážích horninového prostředí a tryskových injektážích kvartérních sedimentů. Smyslem těchto opatření bylo zlepšit kvalitu v nadloží a dotěsnit horninové prostředí v bezprostřední blízkosti tunelu tak, aby bylo možné bezpečně provádět ražbu (viz časopis Stavebnictví č. 09/2008).

Popis mimořádných událostí
Propad v květnu roku 2008
Je polovina května 2008. Ražba kaloty (horní část výrubu) severní tunelové trouby (STT) probíhá v jílovitoprachovitých břidlicích dobrotivského souvrství ve 4. technologické třídě (TT) NRTM. Výška skalního nadloží se pohybuje okolo 8 m. Při rozpojení se hornina rozpadá na velmi malé úlomky, které na styku se vzduchem a vodou velmi rychle degradují. Délka záběru nepřekračuje 1,5 m.
Po několika významnějších nadvýlomech je rozhodnuto o přeřazení do 5a TT, zkrácení délky záběru do 1 m, provádění stabilizační vrstvy (tenká vrstva ze stříkaného betonu prováděná ihned po realizaci výlomu, která brání degradaci horniny, uzavírá plochy nespojitostí a zvyšuje stabilitu výrubu) a jehlování (soustava vrtů po obvodu díla o vzájemné vzdálenosti 300 mm s osazenými ocelovými tyčemi průměru 32 mm). Ražba tunelu s těmito opatřeními pokračuje bez dalších komplikací dále. Navržená opatření zajišťují bezpečnou ražbu.
Je 20. 5. 2008 cca 5:00 ráno. Při rozpojování horniny dochází k vypadnutí jednoho velkého bloku horniny (poprvé od začátku realizace portálu Troja) a vzniká nadvýlom o velikosti cca 2 m. Padající blok ohýbá instalované jehly a demoluje poslední postavený rám primárního ostění. Raziči okamžitě začínají se stabilizací a výplní nadvýlomu stříkaným betonem. To se bohužel nedaří a nadvýlom se pomalu zvětšuje až k povrchu skalní báze. V tomto okamžiku dochází k průniku zvodnělých sedimentů a cca v 6:30 k vytvoření kráteru, jehož konečná velikost (průměr) dosahuje téměř 20 m.

Následuje likvidace mimořádné události. Pomocí litého betonu, chemických a tryskových injektáží je zastaven přítok podzemní vody (cca 70 l/s), kráter je zasypán a povrch terénu uveden do původního stavu.
Při mimořádné události nedošlo k žádnému zranění v podzemí ani na povrchu. Při vyšetřování Obvodního báňského úřadu v Kladně nebylo shledáno pochybení ani jednoho z účastníků výstavby.

Po mimořádné události došlo k úpravě vystrojení výrubu a technologického postupu razičských prací. Byly provedeny zejména tyto úpravy:
1. Délka záběru kaloty byla zkrácena na 1 m.
2. V každém pátém záběru (5 m) byly realizovány ochranné deštníky z ocelových svorníků průměru 32 mm a délky 9 m ve vzájemné vzdálenosti 300 mm.
3. Nad místem, kde byla ražena kalota, bylo instalováno ochranné oplocení.

Jeden ochranný deštník stojí cca 200 000 Kč. Navržená opatření zdražila každý metr díla minimálně o 100 000 Kč.
S těmito úpravami pokračuje ražba kaloty dvoupruhového tunelu STT o dalších 150 m. Nedochází k žádným významným deformacím ostění, přítokům podzemní vody ani tvorbě nadvýlomů. Po doražení do staničení cca 6,000 km je rozhodnuto o přerušení ražby kaloty STT a rozšíření dvoupruhového tunelu na profil nouzového zálivu (třípruhový tunel). Toto rozšíření je započato o cca 50 m zpět od poslední ukončené čelby a v místě, kde jsou již v předstihu z průzkumné štoly tlakové injektáže horninového prostředí. Po pečlivém zhodnocení zastižených geotechnických podmínek jsou navržena a provedena doplňující technická opatření a navržen způsob rozražení – provedení postupného otvoru šířky cca 2 m v pravém boku výrubu.

Fotografie z mimořádné události (květen 2008)
¤ Fotografie z mimořadne udalosti (květen 2008)

Podélný řez propadem (květen 2008)
¤ Podelny řez propadem (květen 2008)

Propad v říjnu roku 2008
Je neděle 12. října 2008 cca 6:00. Nastupuje denní směna a dokončuje práce na otvoru v primárním ostění tunelu. Cca v 6:30 jsou práce hotovy a začíná postupné rozpojování horniny v šířce cca 2 m na profil třípruhového tunelu. Tyto práce končí cca v 9:00. Po zaměření je nutné ještě skalním bagrem zvětšit část výrubu tak, aby bylo možné instalovat celý výztužný rám. Po pár „hrábnutích“ dochází k prvotnímu nadvýlomu o velikosti přibližně 1 m (cca v 9:10). Raziči ihned začínají s jeho vyplněním pomocí stříkaného betonu. Přes veškerou snahu, v předstihu provedené tlakové injektáže a přítomnost ochranného deštníku z předchozí fáze výstavby, se nadvýlom stále zvětšuje.
V 9:45 se zvětšování nadvýlomu začíná zrychlovat a v 10:02 do výrubu začínají pronikat i nadložní kvartérní sedimenty. Raziči opouštějí pracoviště. V 10:15 dochází k propagaci nadvýlomu na povrch terénu a vytvoření kráteru o velikosti až cca 30 m. Ještě před tímto okamžikem jsou zde však pracovníci zhotovitele a zajišťují prostor na povrchu.
Následuje likvidace mimořádné události. Pomocí litého betonu, chemických a tryskových injektáží je zastaven přítok podzemní vody (cca 100 l/s), kráter je zasypán a povrch terénu uveden do původního stavu.
Během likvidace byly pečlivě získávány podklady pro objasnění důvodů vzniku mimořádné události. Bylo zjištěno, že v místě rozražení na nouzový záliv bylo o 2 m nižší skalní nadloží (místo 6 m, jen 4 m). Tuto skutečnost bohužel neodhalil ani podrobný geotechnický průzkum (nejbližší vrt byl pouhých 20 m od tohoto místa). Dalším faktorem byly beze sporu dynamické účinky od zemětřesní s epicentrem v západních Čechách. Přestože nebylo v pražském prostředí svými účinky nijak zvlášť významné, bylo svou intenzitou největší za posledních 26 let! Z grafu chronologického vývoje mimořádných událostí v říjnu roku 2008 (viz str. 53) vyplývá, že v okamžiku tohoto zemětřesní se horninové prostředí v okolí výrubu nacházelo v rovnovážném stavu spojeném s likvidací prvotního nadvýlomu. Zemětřesení tak pravděpodobně zkrátilo dobu nezbytnou pro zajištění nevystrojeného výrubu, a napomohlo tak k tomu, že se nepodařilo vzniklý nadvýlom včas zlikvidovat z podzemí.
Při mimořádné události nedošlo k žádnému zranění v podzemí ani na povrchu. Při vyšetřování Obvodního báňského úřadu v Kladně nebylo shledáno pochybení ani jednoho z účastníků výstavby.

Po 2. mimořádné události došlo k významné úpravě vystrojení tunelu a technologického postupu razičských prací. Byly provedeny zejména tyto úpravy:
1. Profil kaloty byl vertikálně rozdělen na dva dílčí výruby, které byly postupně za sebou raženy (odstup do 16 m).
2. Délka záběru kaloty byla zkrácena na 0,8 m.
3. V každém čtvrtém záběru byly realizovány ochranné deštníky z ocelových svorníků o průměru 51 mm a délky 9 m, ve vzájemné vzdálenosti 300 mm.
4. Ve stejném intervalu byly nad provizorní částí ostění prvního výrubu kaloty realizovány ochranné deštníky z laminátových svorníku průměru 32 mm.
5. Významným způsobem byla doplněna opatření na povrchu terénu (zvětšení rozsahu tryskových injektáží).
6. Do kontaktní spáry mezi tryskovou a tlakovou injektáž byly v předstihu z průzkumné štoly provedeny chemické injektáže (minimalizace přítoku podzemní vody do výrubu).

S těmito opatřeními se podařilo úspěšně dokončit ražbu i v tak extrémních podmínkách, kdy skalní nadloží (rozložená a zvětralá hornina) nad výrubem tunelu nepřekračovalo 1 m!
Ochranný deštník ze svorníků R 51L stojí cca 300 000 Kč. Svislé členění výrubu kaloty včetně vlivu pomalejšího ražení a likvidace dočasného ostění představuje více než 230 000 Kč na jeden běžný metr tunelu. Každý metr díla, včetně rozpočítání dalších výše uvedených opatření byl tak minimálně o 300 000 Kč dražší. Při délce kritického úseku 179 m tak bylo na oba tunely vynaloženo navíc přes cca 100 mil. Kč.
Všechna výše uvedená opatření z pohledu bezpečnosti mohla být navržena a realizována již od samotného začátku ražby v parku Stromovka, kde byly podmínky pro ražení velmi podobné. Při délce úseku cca 500 m, kde jsou z hlediska rizik podobné podmínky, by tak vlivem výše uvedených doplňujících opatření došlo k nárůstu nákladů ražených tunelů nejméně o dalších 300 milionů korun.

Fotografie z mimořádné události (říjen 2008)
¤ Fotografie z mimořadne udalosti (řijen 2008)

Příčný řez propadem (říjen 2008)
¤ Přičny řez propadem (řijen 2008)

Graf chronologického vývoje událostí (říjen 2008)
¤ Graf chronologickeho vyvoje udalosti (řijen 2008)

Závěr 
Rizika při realizaci však nelze měřit jen penězi. V první řadě jde o bezpečnost v podzemí i na povrchu, a proto platí, že podzemní dílo musí být navrhováno a prováděno co nejbezpečněji, ovšem za ekonomicky přijatelných podmínek, s přihlédnutím k očekávaným rizikům. Skutečnost, že v posledních letech došlo v České republice k několika mimořádným událostem na podzemních stavbách (Březno, Blanka, Jablůnkov, Lahovská), v žádném případě neznamená, že by úroveň českého podzemního stavitelství byla na nižší, než kdekoli jinde na světě. Mimořádné události se při NRTM stávají i v zahraničí. Jako příklad je možné uvést: Penmanshiel Tunnel ve Skotsku, Maragusan Tunnel v Číně, Tunnel Andorra, tunel metra v Cologně v Itálii a v Kolíně v Německu, Heathrow v Anglii a mnoho dalších.
Požadavky investorů a snaha o co nejekonomičtější návrh vedou ke stále odvážnějším technickým řešením. V případě, kdy se kvalita horninového prostředí, byť jen lokálně, významně liší od předpokladů projektu, může dojít i k mimořádné události.
Návrh a provádění podzemního díla je velmi riziková činnost. I v případě dokonalého, podrobného geotechnického průzkumu, pesimistického návrhu počítajícího s nejhoršími kombinacemi možných skutečností a nejpreciznější realizace nelze nikdy zcela vyloučit vznik mimořádné události. Pomocí technických opatření lze jen toto riziko zmenšit na minimum.


Lektor článku: doc. Ing. Alexandr Rozsypal, CSc. autorizovaný inženýr pro obor geotechnika a člen zkušební komise ČKAIT

Bezpečnost a rizika ve výstavbě











Licence Creative Commons

www.casopisstavebnictvi.cz podléhá licenci Creative Commons
Uveďte autora | Neužívejte dílo komerčně | Nezasahujte do díla 3.0 Unported
.

RSS
Líbí se nám: Vše o stavbách a architektůře najdete na 4stav.cz. Použité stroje jako brusky, lisy a jiné naleznete na AKKstroje.cz. Studijní materiály nejen o stavebnictví, ale i strojírenství a zeměpis najdete na Škola, studium, wiki. Pomozte klikem, udělejte dobrou věc a přečtěte si v magazínu nejen o životním stylu.
© 2007