Hĺbkové založenie a ochrana stavebných jám v rámci výstavby troch veží projektu SKY PARK v Bratislave

V súčasnosti prebieha realizácia prác na I. etape výstavby rezidenčného projektu SKY PARK Bratislava od svetoznámej architektky Zahy Hadid, ktorého investorom je spoločnosť Penta Investments. V tejto etape vznikne v troch vežiach 700 bytov a 1 100 parkovacích miest. Vzhľadom na celkový rozsah diela a výsledky inžinierskogeologického prieskumu bolo nevyhnuté komplexne navrhnúť a aj v krátkom čase realizovať viaceré geotechnické konštrukcie, ktorým sa venuje tento článok.

Okrajové podmienky návrhu a realizácie diela

V rámci troch veží projektu SKY PARK sa objednávateľ diela obrátil na spoločnosť BAUER Spezialtiefbau Ges.m.b.H. – o. z., Bratislava, s týmito úlohami:
• zrealizovať komplexné hĺbkové založenie diela pomocou vŕtaných pilót do hĺbky až 35 m na základe realizačného projektu SPAI, s. r. o. (autori: Balucha, Kostúr),
• navrhnúť optimálne technické riešenie na ochranu troch stavebných jám dočasnými pažiacimi konštrukciami a na ich utesnenie podzemnými tesniacimi stenami na realizáciu výkopov pod hladinou spodnej vody vrátane odvodnenia pomocou systému čerpacích a vsakovacích studní realizovaných na pozemku investora.

Riešené územie sa nachádza v mestskej časti Staré Mesto v  zóne Chalupkova, ohraničenej Továrenskou ulicou, Bottovou ulicou, Landererovou ulicou a  Čulenovou ulicou. Historicky slúžilo širšie územie na priemyselnú výrobu, ide teda o tzv. brownfield. Územie je rovinaté, terén je približne na úrovni 137,00 m n. m.
Na založenie jednotlivých veží, označených pracovne ako Veža 1 (A), Veža 2 (B) a Veža 3 (C), je navrhnutá priamo pod nimi základová dos­ka s hrúbkou 1 700 mm (pod dojazdmi výťahov lokálne len 800 mm), pod ktorou sú navrhnuté pilóty. Na ostatnej ploche objektu mimo pôdorysu veží má základová doska hrúbku 650 mm, pričom je založená plošne bez pilót. V geotechnickom návrhu projektanta pilót sa počítalo s doskovo-pilótovým prenosom zaťaženia od stavby do podložia.

Vzhľadom na pôdorysnú polohu plánovanej podzemnej trasy železničného koridoru TEN-T cez záujmové územie bolo potrebné zohľadniť túto skutočnosť už v samotnom koncepte návrhu založenia objektov. Projekt TEN-T je v súčasnosti spracovaný len v stupni DÚR. V tomto úseku je navrhnutá trasa, ktorú tvoria dva paralelné jednokoľajové tunely s priemerom 8,6 m. Výška nadložia tunelov dosahuje v blízkosti Veže 1 približne 28,5 m. Trasovanie tunelov je situované v neogénnych zeminách. Veža 1 je umiestnená v bezprostrednej blízkosti jedného z traťových tunelov (vo vzdialenosti asi 2,0 m). Princíp riešenia zakladania Veže 1 a Veže 2 v tesnej blízkosti s plánovaným tunelom TEN-T je tak založený na návrhu dostatočne dlhých pilót, ktorých päta siaha pod zónu vplyvu tunelov. Pred realizáciou tunelov budú tieto pilóty pôsobiť ako výrazne tuhšia podpera v porovnaní s pilótami pod ostatnými hlavnými obvodovými stĺpmi veže.

Geologické pomery podložia a vplyv na zvolenú technológiu realizácie

Z geologického hľadiska je podložie budované sedimentmi kvartéru a neogénu. V rámci prípravy projektu boli geologické pomery v záujmovom území zdokumentované podrobným inžinierskogeologickým prieskumom, pričom prieskumné vrty sa realizovali až do hĺbky 45,0 m. Základové pomery projektovanej stavby sú zložité aj vzhľadom na úroveň hladiny podzemnej vody a jej kolísanie v priamej hydraulickej spojitosti s hladinou rieky Dunaj. Z toho dôvodu bude nevyhnutné realizovať odvodnenie stavebnej jamy pod ochranou podzemnej tesniacej steny votknutej do relatívne nepriepustných neogénnych zemín.

Povrchovú vrstvu územia tvorí navážka stavebného odpadu (úlomky tehly, betónu a pod.) so zeminami z výkopov okolitých stavieb s premenlivou hrúbkou od 1,50 do 5,0 m. Ide o heterogénny materiál nevhodný ako základová pôda. Pod navážkou sa vyskytuje komplex kvartérnych štrkov. Hrúbka štrkovej vrstvy sa pohybuje od 6,0 do 8,5 m. Ide o zle zrnené štrky GP triedy G2 s prímesou kameňov do 12 cm, ojedinele do 15 cm. Lokálne sa nad neogénnym komplexom nachádzajú v hĺbke 10,00 až 12,00 m pod terénom polohy zle zrnených pieskov S2 SP. Na kontakte kvartéru s neogénom v tejto oblasti sa často vyskytuje tzv. balvanitá zóna, v ktorej sa zistili balvany s veľkosťou 20 až 50 cm, prípadne aj väčšie. Ich výskyt je nepravidelný, ich prítomnosť sa overila aj pri prieskumoch mnohých budov v širšom okolí.
Neogénne sedimenty reprezentuje prevažne ílovitý vývoj, ktorý je charakterizovaný piesčitými siltmi F3 MS, piesčitými ílmi F4 CS, ílmi so strednou plasticitou F6 CI a ílmi s vysokou plasticitou F8 CH. V ílovitom vývoji neo­génu vystupujú polohy ílovitých pieskov S5 SC, ktoré dosahujú rôznu hrúbku. Na tieto piesčité polohy v neogéne, kde sú piesky plne nasýtené vodou, sa viaže niekoľko úrovní napätých hladín podzemnej vody. Rizikám tlakových neogénnych horizontov podzemnej vody sa musí prispôsobiť aj výška pracovnej úrovne na realizáciu pilót.

Na základe odberu vzorky podzemnej vody, ktorá vykazovala agresivitu v dôsledku zvýšeného obsahu chloridov podľa STN EN 206-1, odporúčal projektant na realizáciu pilót použitie betónu triedy C30/37, XC2, XD2.

Technické riešenie realizácie vŕtaných pilót

Na hĺbkové založenie všetkých troch veží projektu SKY PARK navrhol projektant jednotný priemer pilót 900 mm. Pilóty majú dĺžky od 21,5 do 35,0 m tak, aby vyhovovali posúdeniu na medzný stav použiteľnosti. Spolu ide o realizáciu 351 ks pilót s celkovou dĺžkou približne 8 200 b. m.
Vystuženie pilót je navrhnuté v súlade s STN EN 1536. Dĺžka armokošov je pri CFA pilótach do 25,0 m maximálne 14,0 m. Dlhšie pilóty pod Vežou 1 a Vežou 2 (s dĺžkou od 25,0 do 35,0 m) v blízkosti plánovaného tunela TEN-T sú vystužené na celú dĺžku. Z dôvodu maximálnej transportnej dĺžky armokošov je výstuž pilóty zhotovená pomocou 3 ks nadpájaných armokošov s maximálnou dĺžkou jedného kusa 14,0 m.

Z hľadiska projektovania, ako aj realizácie takého významného projektu, ako je SKY PARK, sú mimoriadne dôležité skúsenosti zo zakladania porovnateľných objektov v podobných geologických podmienkach. Tieto skúsenosti bolo možné čerpať na základe realizovaných projektov hneď na vedľajších pozemkoch – Panorama City I (realizácia pilót, 2013), Panorama City II (realizácia pilót, 2015), Panorama City III (realizácia pilót, 2016) –, kde rovnako spolupracoval projektant zakladania (SPAI, s. r. o.) a zhotoviteľ (BAUER Spezialtiefbau Ges.m.b.H. – o. z., Bratislava) pri vŕtaní pilót až do hĺbky 25,0 m pod úroveň základovej škáry. Pri týchto stavbách nebolo z dôvodu geológie možné odvŕtať hlboké pilóty klasickou technológiou, tzn. pod ochranou oceľovej pažnice. Zvodnené neogénne zeminy vnikali pri prvotných pokusoch iného zhotoviteľa do pažnice cez pätu vrtu, čím sa úplne znehodnocovali vlastnosti zemného prostredia v okolí pilóty. Realizácia všetkých pilót sa následne uskutočnila len technológiou CFA. Pri tejto technológii sa zavŕta kontinuálny vrták až do finálnej hĺbky v úrovni päty pilóty a následne sa cez stred vrtáka pomocou betónovej pumpy betónuje pilóta odspodu smerom nahor za súčasného vyťahovania vrtáka zo zeminy, pričom vyvŕtaná zemina je zachytená na špirále vrtáka. Tým, že sa vrt okamžite vypĺňa betónovou zmesou z otvoru na konci vrtáka, nehrozí vďaka stĺpcu betónovej zmesi hydraulické prelomenie dna vrtu pilóty z dôvodu napätých piesčitých polôh.

Na základe uvedených skúseností boli všetky pilóty s dĺžkou do 25,0 m zhotovené technológiou CFA. Štandardné vrtáky na použitie pri technológii CFA dosahujú dĺžku približne 16,0 až 18,0 m, z toho dôvodu bolo nevyhnutné predĺžiť CFA vrtáky pomocou Kellyho tyče s dĺžkou 8,0 m v ich hornej časti, čo umožnilo dosiahnuť projektovanú hĺbku pilót. Na realizáciu týchto hlbokých CFA pilót sa nasadila vrtná súprava BAUER BG 40 s vysokým krútiacim momentom na prekonanie plášťového trenia pôsobiaceho na vrták počas vŕtania v hĺbke 25,0 m.
Pri ostatných pilótach s dĺžkou od 25,0 do 35,0 m je nevyhnutné použiť z dôvodu hĺbky klasickú technológiu vŕtania s oceľovou výpažnicou. V súvislosti s hydrogeologickými pomermi a rizikom tlakových neogénnych horizontov podzemnej vody je pri použití klasickej metódy vŕtania pilót pod ochranou výpažnice nevyhnutné eliminovať tento vplyv hydraulickým pretlakom pomocou tekutiny, ktorá vyvodí na dno vrtu väčší hydraulický tlak, ako je vztlak zvodneného piesčitého neogénu.

Bežne sa ako pracovná tekutina pri hydraulickom pretlaku používa voda, ktorá sa kontinuálne pridáva do pažnice počas vŕtania. Pri projekte SKY PARK by bolo použitie vŕtania s pretlakom vody nevhodné vzhľadom na výšku pracovnej úrovne na vŕtanie pilót vo vzťahu k úrovni hladiny spodnej vody. Ďalšiu z možností predstavuje použitie bentonitového výplachu ako hydraulického pretlaku, pri jeho použití je však nevyhnutné redukovať hodnotu plášťového trenia a zároveň treba mať na stavbe bentonitové hospodárstvo na recykláciu použitého materiálu. Zhotoviteľ pilót sa na základe svojich skúseností z iných krajín pri realizovaní podobných hlbokých pilót rozhodol použiť pažiacu suspenziu vo forme polyméru zo syntetickej celulózy, ktorá v porovnaní s bentonitom umožňuje efektívnejšie pracovné postupy a viacnásobné použitie pažiacej suspenzie po jej recyklovaní v miešacom centre. Na realizáciu hlbokých pažených pilót bola nasadená vrtná súprava BAUER BG 28 a následne aj BAUER BG 40 po ukončení CFA pilót.

Na základe dohody so stavebným dozorom, resp. objednávateľom diela, sa vykonali skúšky integrity pilót (PIT), kde sa skúmalo, či nedošlo k narušeniu homogenity drieku pilóty po celej dĺžke až po pätu pilóty. V ďalšom kroku sa realizovali dynamické zaťažovacie skúšky na dvoch systémových skúšobných pilótach s priemerom 900 mm a dĺžkou 21,5 m. Dynamické zaťažovacie skúšky mali overiť splnenie podmienok spoľahlivosti pri medznom stave používateľnosti (SLS – Service Limit State). Statik stanovil ako limitné kritérium maximálne prípustné sadanie pod vežou pri charakteristickom zaťažení s hodnotou slim = 25 mm. Významným prínosom vykonaných zaťažovacích skúšok je možnosť porovnať výpočtovú prognózu zo statického výpočtu a skutočne nameranú zaťažovaciu krivku, pričom výsledky merania potvrdili správnosť návrhu pilót projektantom.
Zároveň sa s investorom dohodla aj realizácia statickej zaťažovacej skúšky ako ďalší krok v optimalizácii návrhu hĺbkového zakladania pripravovaných etáp projektu SKY PARK.

Technické riešenie paženia a utesnenia stavebných jám

Z dôvodu veľkej pôdorysnej dĺžky podzemných tesniacich stien (približne 700 b. m.) na utesnenie svahovaných prehĺbených častí základovej dosky, a preto, že dno základovej škáry bolo pod hladinou podzemnej vody, bolo pod jednotlivými vežami potrebné navrhnúť cenovo a časovo efektívne riešenie. Vzhľadom na vhodnú geológiu a predpokladanú hĺbku podzemných stien asi 12,0 m sa zhotoviteľ diela rozhodol použiť na zhotovenie podzemných tesniacich stien bezvýkopovú technológiu Mixed-In-Place (MIP) pomocou preinjektovania štrkového podložia so samotvrdnúcou cementovou suspenziou. Na realizáciu MIP stien sa využíva vrtná súprava BAUER RG20, ktorá je vystrojená 3 ks špirálových vrtákov s priemerom 550 mm. V dvoch úsekoch pre Vežu 1 (A) a Vežu 3 (C) plní MIP podzemná stena zároveň pažiacu aj tesniacu funkciu. Výstuž MIP podzemných pažiacich stien tvoria oceľové profily. Tieto nosníky sa vtláčajú do čerstvej, ešte nezatvrdnutej suspenzie. Vodorovné napätie vznikajúce v MIP podzemnej stene sa prenáša pomocou klenbového efektu do ohybovo tuhých oceľových nosníkov.
Čerpanie statickej zásoby podzemnej vody a udržiavanie hladiny spodnej vody pod úrovňou základovej škáry výkopu sú zabezpečené pomocou systému čerpacích studní v stavebnej jame a vsakovacích studní mimo pôdorysu stavebnej jamy na pozemku investora.

Na realizovanie výkopu pre Vežu 2 (B) pozdĺž Továrenskej ulice až po pracovnú úroveň na realizáciu MIP podzemných tesniacich stien je navrhnuté paženie predvýkopu pomocou klincovaných svahov. Odkop prebiehal v etapách v závislosti od krátkodobej stability otvoreného výkopu. V jednotlivých fázach odkopu sa na vyprofilovaný svah inštalovali oceľové zvárané siete a následne sa zrealizoval nástrek striekaného betónu (torkrét) s hrúbkou 7 až 10 cm. Na zabezpečenie stability sa zrealizovali dva rady zemných klincov. Ostatné úseky výkopu po úroveň základovej škáry majú voľné svahovanie v sklone 1 : 1 na pozemku investora.
Paženie stavebnej jamy pre Vežu 1 (A) poz­dĺž existujúceho kolektora je navrhnuté ako dočasné záporové paženie bez nutnosti kotvenia. Vypaženie priestoru medzi záporami je navrhnuté z výdrevy s hrúbkou 80 mm.

Záver

Na výstavbe I. etapy rezidenčného projektu SKY PARK Bratislava prebieha aktuálne realizácia posledných pilót pre Vežu 1. Na Vežiach 2 a 3 sa práce špeciálneho zakladania úspešne ukončili a prebieha betonáž železobetónových konštrukcií vežových objektov.

TEXT: Dipl.-Ing. Juraj Chropen
FOTO: BAUER Spezialtiefbau Ges.m.b.H. – o.z.

Juraj Chropen pôsobí v spoločnosti BAUER Spezialtiefbau Ges.m.b.H. – o. z. ako Design & Acquisition Manager.

Článok bol uverejnený v časopise inžinierske stavby/Inženýrské stavby 4/2017.