Aplikácia Smaragdovej knihy FIDIC – geotechnické výzvy a optimalizácia výstavby tunela Homole

Projekt diaľničného úseku D35 Ostrov – Vysoké Mýto je kľúčovou súčasťou cestnej infraštruktúry v Pardubickom kraji, pričom jeho najvýznamnejším stavebným prvkom je tunel Homole. Tunel prechádza pod vrchom Homole a jeho konštrukcia sa stretáva s viacerými geotechnickými výzvami, ktoré ovplyvňujú samotnú výstavbu aj prevádzku.

Cieľom článku je predstaviť technické riešenia použité pri návrhu a výstavbe tohto úseku so zameraním na aplikáciu zmluvných podmienok Smaragdovej knihy FIDIC, ktorá bola špeciálne vyvinutá pre podzemné a tunelové projekty. V článku sa analyzujú geotechnické riziká, manažment rizík, optimalizácia stavebných postupov a výhodné prístupy, ktoré zvyšujú bezpečnosť a efektivitu celého projektu, t. j. výzvy, ktoré stoja pred spoločnosťou Amberg Engineering Slovakia, s. r. o., ako projektantom tunela Homole.

Tunel Homole

Stavba úseku diaľnice D35 Ostrov – Vysoké Mýto je situovaná v Pardubickom kraji, v katastrálnych územiach obcí Ostrov, Opočno nad Loučnou, Stradouň, Vraclav, Janovičky u Zámrsku, Zámrsk a Vysoké Mýto. Komunikácia je navrhnutá v kategórii R25,5/120 so stredovým deliacim pásom so šírkou 3,5 m.

Trasa sa začína severovýchodne od obce Ostrov, kde nadväzuje na predchádzajúci úsek D35 Časy – Ostrov. Pokračuje medzi obcami Radhošť a Stradouň, následne smerovým oblúkom obchádza obec Vraclav a napája sa na cestu I/35. Kľúčovým technickým prvkom na tejto trase je tunel Homole, ktorý prechádza pod rovnomenným vrchom Homole (307 m n. m.) a má dĺžku 570 m (obr. 1). Tunel tvoria dve jednosmerné tunelové rúry so svetlým profilom širokým 10,63 m, ktoré sú navzájom prepojené jednou prepojkou.

V razenej časti tunela má horninový pilier šírku približne 17 m, výška nadložia sa pohybuje od 8,5 až do 24 m. Tunel Homole podchádza frekventovanú cestu I/17 pod uhlom približne 30°, pričom výška nadložia v mieste kríženia je okolo 13,5 m.
Tunelové rúry sú prepojené prepojkou, ktorá je oddelená železobetónovými priečkami s priechodným otvorom s minimálnymi rozmermi 1 100 × 1 970 mm. Pred vjazdovými portálmi sú vždy vpravo v smere jazdy navrhnuté združené plochy, ktoré slúžia pre jednotky integrovaného záchranného systému (IZS) alebo na vykonávanie úkonov Dopravnej polície ČR a servisných prác.

Združená plocha pri západnom portáli má rozlohu približne 2 280 m2, umiestnený je na nej riadiaci prevádzkovo-technický objekt (PTO). Definitívny portál tunela je navrhnutý ako svahovaný s premenlivým sklonom (maximálny sklon 3 : 1) so stupňovitým lícom zo zemných valcov, ktoré sú oddelené tkanou geotextíliou. Medzi tunelovými rúrami (PTT a LTT) je na základe vzduchotechnického posúdenia navrhnutá deliaca konštrukcia s trojuholníkovým pôdorysom z gabionov, ktorá vystupuje približne 15 m pred svah definitívneho portálu.

Združená plocha pri východnom portáli má rozlohu zhruba 870 m2, je pri nej navrhnutý podružný PTO. Pod týmto objektom je navrhnutá nádrž na požiarnu vodu s minimálnym objemom 108 m3. Na východnom portáli bude služobný zjazd z komunikácie napájajúci pozemky na cestu I/17. Portál PTT je tu predsadený o približne 45 m oproti portálu LTT z dôvodu premenlivého profilu terénu. Definitívny portál je zabezpečený železobetónovou zádržnou stenou s premenlivou výškou 5 až 10 m. Vzhľadom na zložité terénne podmienky dosahuje táto stena dĺžku približne 164 m a je štyrikrát pôdorysne zalomená.

K obom združeným plochám vedú samostatné príjazdové cesty napojené na miestne komunikácie spojené s cestou I/17, ktoré sú na vjazdoch zabezpečené zábranami. Prístupové cesty spĺňajú všetky požiadavky na príjazd vozidiel IZS a Hasičského záchranného zboru (HZZ) podľa normy ČSN 73 7507.

Zmluvné podmienky FIDIC

Pri zadávaní projektu tunela Homole boli použité podmienky Žltej knihy FIDIC, často nazývané Design and Build. Tento formát je vhodný pre štandardné stavebné projekty, kde sú riziká a podmienky relatívne predvídateľné. Pri tunelových a podzemných projektoch však vznikajú nové riziká, ktoré klasické zmluvné podmienky, ako podľa „žltej knihy“, nestačia efektívne pokryť.

Tunelové a podzemné projekty si preto vyžadujú špecifické zmluvné podmienky na zvládnutie jedinečných rizík, akými sú nepredvídateľné geologické podmienky. V reakcii na tieto potreby bola v roku 2019 predstavená Smaragdová kniha FIDIC, ktorá je navrhnutá špeciálne pre tunelové a podzemné projekty. Smaragdová kniha zabezpečuje mechanizmy zvládania neočakávaných geologických podmienok a obsahuje spravodlivé riešenie sporov pomocou mechanizmov Fair Dispute Resolution. Napríklad základnú geotechnickú správu (Geotechnical baseline report, GBR) využíva ako zmluvný dokument na riadenie geotechnických rizík. Tento prístup podporuje jasnú komunikáciu a spoluprácu, čo je kľúčom k úspešnému zvládnutiu náročných projektov.

Pri projekte tunela Homole boli prvky Smaragdovej knihy FIDIC ako GBR začlenené do zmluvných podmienok s cieľom optimalizovať rozdelenie rizík. Táto integrácia umožňuje lepšie plánovanie a manažment nepredvídateľných faktorov, čo môže prispieť k hladkému priebehu stavebných prác a minimalizácii potenciálnych problémov spojených s nepredvídateľnými zmenami v geologických podmienkach.

Základná geotechnická správa

Základná geotechnická správa je jediný zmluvný technický dokument definujúci podpovrchové podmienky, ktoré sa očakávajú počas realizácie projektu. Slúži na účely projektovania aj riadenia rizík a poskytuje základnú referenciu na porovnanie skutočných podmienok na stavenisku s predpokladanými podmienkami. V kontexte Smaragdovej knihy FIDIC zohráva GBR rozhodujúcu úlohu pri stanovení očakávaných podpovrchových podmienok, najmä pri podzemných prácach. Zabezpečuje, aby zhotoviteľ aj objednávateľ mali jasnú predstavu o fyzikálnych podmienkach, s ktorými sa pravdepodobne stretnú.

GBR obsahuje opisy, údaje, informácie a upozornenia o predpokladaných fyzikálnych podmienkach a správaní sa horninového masívu (obr. 2). Tieto informácie sú kľúčové pre riadenie rizík súvisiacich s nepredvídanými podmienkami v podzemí, pretože stanovujú jasné očakávania. Okrem toho GBR zohráva neoddeliteľnú úlohu pri technickom plánovaní projektu, usmerňuje prípravu na výkopové práce a výber potrebného vybavenia. Poskytnutím podrobných geotechnických informácií pomáha GBR obom stranám pripraviť sa na práce a slúži ako kľúčový nástroj pri riešení sporov súvisiacich s neočakávanými podmienkami pod povrchom. Na riešenie týchto neočakávaných situácií možno pripraviť množinu predbežných riešení, ktorá sa nazýva geotechnický toolbox (obr. 3).

Jednou z hlavných funkcií GBR je rozdelenie rizika. GBR vymedzuje riziká súvisiace s podpovrchovými podmienkami medzi objednávateľa a zhotoviteľa pre určené prvky diela. Toto rozdelenie rizík slúži ako jediná zmluvná definícia predvídateľných podpovrchových podmienok a vytvára jasný rámec pre návrh, výstavbu a riadenie projektu. Technické riešenie zvolené objednávateľom spolu s výkladmi v rámci GBR predstavujú uprednostňovanú stratégiu riadenia rizík v súvislosti s podpovrchovými podmienkami zo strany objednávateľa. To platí nielen pre referenčný projekt, ale aj pre všetky alternatívne riešenia navrhnuté zhotoviteľom.

Hoci GBR vychádza zo správy o geotechnických údajoch (Geotechnical data report, GDR), môže ísť nad rámec vecných geologických, hydrogeologických a geotechnických údajov uvedených v GDR. GBR upravuje tieto parametre tak, aby odrážali technické riešenie zvolené pre projekt a geotechnické podmienky známe v čase formulovania požiadaviek objednávateľa. Aj keď zhotoviteľ navrhne alternatívne technické riešenia, GBR stále slúži ako východisko na definovanie podpovrchových podmienok. Zhotoviteľ musí pri príprave svojej ponuky zohľadniť všetky potenciálne riziká vyplývajúce z odchýlok od parametrov GBR, čím sa zabezpečí správne riadenie rizík aj pri rôznych technických prístupoch.

Odchýlky od podpovrchových podmienok uvedených v GBR môžu predstavovať významné riziká vrátane prekročenia nákladov, časových oneskorení a sporov. Ak sa skutočné podmienky na stavenisku líšia od podmienok opísaných v GBR, dodávatelia môžu vyžadovať viac zdrojov, čo môže zvýšiť náklady na projekt a oneskoriť časový harmonogram. Na riadenie týchto rizík sa v zmluve zveruje zodpovednosť za monitorovanie podmienok na stavenisku a zabezpečenie súladu prác zhotoviteľa s GBR a zmluvnými podmienkami stavebnému dozoru. Ak sa vyskytnú odchýlky od východiskových podmienok, stavebný dozor môže upraviť zmluvnú cenu projektu alebo časový harmonogram tak, aby sa prispôsobili týmto zmenám.

V konečnom dôsledku je GBR nevyhnutný na riadenie rizík pri výstavbe podzemných stavieb. Zabezpečuje spravodlivé rozdelenie rizík medzi zadávateľa a zhotoviteľa, minimalizuje spory a poskytuje štruktúrovaný prístup k riadeniu nepredvídaných podpovrchových podmienok. Táto zrozumiteľnosť pomáha zachovať kontinuitu projektu, podporuje úspešné dokončenie prác a zároveň minimalizuje neočakávané problémy.

Riziká projektu tunela Homole

V ďalšom texte sa zameriame na konkrétnu identifikáciu, analýzu a manažment rizík spojených s týmto dielom. Pochopenie a efektívne riadenie týchto rizík je kľúčové pre návrh statického modelu tunela a dimenzáciu prvkov ostenia.

Riadenie rizík

Manažment rizík zohráva zásadnú úlohu v úspechu a bezpečnosti projektov, pričom riziká musia byť identifikované, analyzované a riadené už počas počiatočných fáz návrhu stavby. Cieľom je vždy minimalizovať riziká, ktoré sa môžu vyskytnúť počas výstavby.

Riadenie rizík zahŕňa tieto kľúčové aspekty:
1. Včasná identifikácia rizík – geotechnické riziká ako napríklad nestabilita tunelových stien, neočakávaný prítok vody alebo nadmerné deformácie musia byť identifikované už počas návrhu a musia byť pripravené riešenia na ich zmiernenie.
2. Spolupráca všetkých zúčastnených strán – úspech závisí od tímovej spolupráce medzi návrhármi, staviteľmi, geotechnickými odborníkmi a klientom. Spoločným cieľom musí byť bezpečná a ekonomická výstavba.
3. Geotechnický plán bezpečnosti – je základným nástrojom na riadenie rizík a obsahuje očakávané správanie systému počas výstavby, alarmové a výstražné hodnoty, ako aj kroky na zvládanie nepredvídateľných situácií. Plán sa upravuje podľa skutočných podmienok na mieste stavby.
4. Monitoring a adaptácia – počas výstavby sa nepretržite monitorujú deformácie, stresy a ďalšie faktory. Na základe získaných údajov sa môžu vykonávať úpravy návrhu a stavebných postupov.

Vyhodnotené riziká predmetného úseku

Na základe inžiniersko-geotechnického zhodnotenia lokality tunela Homole možno identifikovať nasledujúce geotechnické riziká:

1. Geologické nesúlady a nepresnosti vo vrtoch
V prieskumoch a vrtoch boli zistené značné nesúlady, ktoré komplikujú presné určenie geologickej stavby a vrstiev. Tieto nepresnosti môžu mať za následok chybné rozhodnutia pri návrhu tunela, najmä v kritických úsekoch, ako je východný portál.
2. Kvartérne sedimenty
V oblasti od východného portálu (obr. 4) po úsek, kde tunel podchádza komunikáciu I/17, sa zistil posun kvartéru do hĺbky 15 m. To naznačuje nestabilné podmienky s potenciálom pre zosuvy a svahové deformácie, keďže kvartérne sedimenty sú zvyčajne mäkšie a menej stabilné.
3. Zosuvy a svahové deformácie
V oblasti východného portálu tunela bol identifikovaný stabilizovaný zosuv, ktorý zasahuje do tunelových rúr. Tento zosuv predstavuje riziko počas výstavby aj prevádzky tunela a jeho správanie bude treba monitorovať a stabilizovať. Okrem toho svah smerujúci k východnému portálu je hodnotený ako potenciálny zosuv, ktorý môže byť ovplyvnený stavebnou činnosťou.
4. Nedostatok podrobnejších prieskumov
Niektoré úseky, najmä v kvartérnych vrstvách, neboli dostatočne preskúmané hlbšími prieskumnými vrtmi. Nedostatok penetračných skúšok a nedostatočné sledovanie podzemných vôd zvyšujú riziko nepresných údajov o stabilite podložia a hĺbke kvartérnych vrstiev.
5. Geotechnické disproporcie
Výrazné disproporcie medzi geologickými rezmi a geofyzikálnymi meraniami naznačujú komplikované geotechnické podmienky v tunelovej trase. Tieto rozdiely môžu ovplyvniť správnosť výpočtov a návrhov na stabilitu tunela.
6. Podzemná voda
Hoci vo vrtoch nebola priamo identifikovaná hladina podzemnej vody, treba realizovať podrobnejšie sledovania režimu podzemných vôd a ich vplyvu na stabilitu tunelového koridoru.
7. Zosuvy a historické lomy

V oblasti sa predpokladá existencia historických zosuvov (obr. 5 a 6) a zasypaného lomu, čo môže ovplyvniť stabilitu výkopov a stavebnej jamy. Nedostatočné prieskumy na potvrdenie týchto skutočností predstavujú ďalšie riziko. Uvedené riziká poukazujú na potrebu ďalšieho podrobného geotechnického a geofyzikálneho prieskumu pred pokračovaním stavebných prác.

Odporúčania pre ďalší prieskum

Na základe vyhodnotených geotechnických rizík boli navrhnuté tieto doplňujúce prieskumné práce:
• doplnkové vrty a prieskumné práce, najmä inklinometrické vrty na monitorovanie pohybu zosuvov,
• geofyzikálne prieskumy (odporová tomografia) na presné vymedzenie hĺbky kvartéru a hranice zosuvov,
• pokračovanie a rozšírenie monitorovania svahových pohybov a režimu podzemných vôd na zabránenie budúcim problémom so stabilitou tunela.

Návrh a optimalizácia ostenia razeného tunela

Správna identifikácia rizík umožňuje realizovať optimalizáciu raziaceho procesu a vystrojenia tunela. Na tento účel je potrebný výber správneho modelu a použitie primeranej výpočtovej metodiky.

Geotechnické a geometrické parametre

Nadložie nad tunelovými rúrami má 24 m a v rámci geológie zahŕňa celé horninové prostredie – geneticky pestré kvartérne zeminy, ktoré prechádzajú do hornín skalného podložia. Ide o zástupcov kriedy od slieňovcov až po vápence.

Generálne je na povrchu skalného podložia vyvinutá premenne mocná eluviálna vrstva charakterizovaná štrkovitými až kamenitými ílmi. Mocnosť je ovplyvnená erozívnymi pochodmi v minulosti. Týmto predpokladom zodpovedali aj geotechnické parametre použité vo výpočte.

Materiálový model konštrukcie

Matematický model v geotechnických úlohách je založený na detailnom skúmaní vzájomného pôsobenia medzi horninovým masívom a stavebnými konštrukciami. Tento model využíva metódu konečných prvkov (MKP), ktorá je základom na analýzu vzájomných vplyvov medzi konštrukciou a okolitou horninou. Pri tvorbe modelu je kľúčové správne definovať materiálové vlastnosti horniny, ktoré sa prejavujú prostredníctvom materiálového modelu. Tento model sa snaží čo najvernejšie zachytiť správanie horniny alebo zeminy pri rôznych zaťaženiach.

Pri geotechnických výpočtoch, najmä pri podzemných stavbách, sa používajú nelineárne modely, pretože lineárne modely poskytujú nereálne výsledky. Pri výbere správneho nelineárneho modelu horniny treba mať čo možno najviac inžinierskogeologických informácií o mieste, kde bude konštrukcia umiestnená. Vychádza sa totiž z predpokladu, že každý konštitučný vzťah opisujúci materiál má určité obmedzenia.

Modelovanie sa vykonáva v niekoľkých krokoch. Na začiatku sa namodeluje konštrukcia tunela a určia sa pružné vlastnosti zeminy. Následne sa vygeneruje hrubá sieť konečných prvkov, ktorá sa počas výpočtu zjemňuje. Počas modelovania sa simulujú všetky fázy výstavby, pričom každá fáza sa analyzuje samostatne. Ak výpočet zlyhá, model sa upraví a výpočet sa zopakuje.

V záverečných fázach modelovania sa pružný materiálový model nahradí nelineárnym, aby sa získali presnejšie výsledky. Výber vhodného nelineárneho modelu závisí od geologických podmienok daného miesta, pretože každý model má svoje obmedzenia a zohľadňuje špecifické mechanické vlastnosti horninového masívu.

Hlavným cieľom modelovania je čo najpresnejšie predpovedať správanie systému počas výstavby a po nej. Model však nikdy nie je úplne presný a vyžaduje si priebežné overovanie a dopĺňanie. Finálne výsledky modelovania slúžia na návrh výstuže sekundárneho ostenia a optimalizáciu konštrukcie, čo znamená výrazné úspory materiálu a zníženie nákladov na výstavbu.

Optimalizačné postupy použité pri modelovaní

Voľba konštitučného vzťahu

Jednou z najdôležitejších úloh pri modelovaní metódou konečných prvkov je správna voľba konštitučného vzťahu materiálu (zeminy alebo horniny). Tento výber priamo ovplyvňuje presnosť modelovania správania sa zeminy alebo horniny počas stavby.
Ak by sa nesprávne zvolil materiálový model, výsledky výpočtov by mohli byť zavádzajúce a spôsobiť predimenzovanie alebo poddimenzovanie ostenia, čo by malo za následok buď zbytočné navýšenie nákladov, alebo nedostatočnú stabilitu konštrukcie.

Zohľadnenie degradácie primárneho ostenia

Prístup, ktorý sa zameriava na postupnú degradáciu primárneho ostenia, prináša presnejšie výsledky a umožňuje hlbšie porozumenie spolupôsobenia primárneho a sekundárneho ostenia v konštrukčných projektoch. Tento prístup bol integrovaný do modelov ako dôležitý výpočtový krok, ktorý simuluje postupné strácanie funkcie primárneho ostenia, nikdy však nenastane úplná strata jeho funkcie.

Kľúčovým aspektom bolo zahrnutie modelu postupnej degradácie, ktorý nie je definovaný ako náhla strata pevnosti, ale prebieha pozvoľna. Týmto spôsobom modelovanie lepšie odráža reálne podmienky, čo umožňuje presnejšie určovanie vnútorných síl v sekundárnom ostení. Vďaka tomuto prístupu sa zníži potrebné množstvo výstuže na miestach, kde bolo dokázané, že aj degradované primárne ostenie prispieva k stabilite konštrukcie.

Celkovým prínosom tohto prístupu je presnejšie zohľadnenie interakcií medzi primárnym a sekundárnym ostením, výsledkom čoho sú realistickejšie výsledky a efektívnejší optimalizovaný dizajn konštrukcií. Táto metodológia poskytuje významné výhody pre optimalizáciu dizajnu, čím pomáha šetriť materiály a náklady bez ohrozenia stability a bezpečnosti daných stavieb.

Optimalizácia výstuže a úspory materiálu

Správny výber modelu a jeho aplikácia umožnili úsporu materiálu, predovšetkým výstuže v sekundárnom ostení. Pri použití geotechnického modelu sa výstuž optimalizovala v rôznych častiach tunela. V menej namáhaných častiach sa dokonca ukázalo, že nie je potrebná žiadna výstuž a postačuje použitie prostého betónu.

V najviac namáhaných miestach sa mohla profilová výstuž výrazne znížiť.
Konkrétnym výsledkom optimalizácie bolo zníženie potreby výstuže v určitých blokoch tunela o 37 %. To sa dosiahlo práve na základe presného modelovania a zohľadnenia mechanických vlastností horninového masívu. Celkové posúdenie sumarizujú tab. 1 a 2.

Záver

Projekt výstavby úseku diaľnice D35 Ostrov – Vysoké Mýto s tunelom Homole predstavuje významnú inžiniersku výzvu, ktorá kombinuje moderné technologické postupy a sofistikované riadenie rizík. Implementácia zmluvných podmienok Smaragdovej knihy FIDIC priniesla dôležitú možnosť spravodlivého rozdelenia rizík a flexibilitu v reakcii na nepredvídané geologické podmienky.

Využitie základnej geotechnickej správy ako kľúčového nástroja na riadenie rizík spolu s dôkladným geotechnickým prieskumom a monitoringom poskytuje solídny základ úspešnej realizácie projektu. Aplikácia primeraných materiálových modelov a optimalizačných postupov umožnila významné úspory materiálu, konkrétne zníženie potreby výstuže v určitých častiach tunela o 37 %, a to bez ústupkov v oblasti bezpečnosti.

Tento integrovaný prístup k návrhu a realizácii, zahŕňajúci správnu voľbu zmluvných podmienok, dôkladné riadenie rizík a využitie moderných výpočtových metód, predstavuje cestu k efektívnejšej a ekonomickejšej výstavbe podzemných stavieb, t. j. výzvy, ktoré stoja pred spoločnosťou Amberg Engineering Slovakia, s. r. o., ako projektantom tunela Homole.

TEXT a FOTO: Amberg Engineering
Slovakia, s. r. o.

Literatúra
1. Bednárik, M. (2024). Inžiniersko-geotechnické zhodnotenie lokality tunela Homole.
2. Maclure, J. (2019). The role of the Engineer in the Emerald book. ITA-AITES World Tunnel Congress 2019, Proceedings.
3. Ortuta, J., & Tóth, V. (2003). Geotechnical Baseline Report (GBR), nástroj na riadenie rizík.
4. Ortuta, J., Boltvan, J., & Štefko, V. (bez dátumu). Vplyv spôsobu výpočtu na návrh sekundárneho ostenia.
5. Proprenter, M., & Lenz, G. (2018). Risk Management in Tunnelling – A Joint Approach of all Involved. ITA-AITES World Tunnel Congress 2018, Proceedings.
6. Společnost ŘSD BIM MAX 2020 – SAS4RP (2022) – Dálnice D35, 3504 Ostrov – Vysoké Mýto, Referenční projekt.