Odvodnenie tunela Višňové ako trvalá inžinierska výzva

Pri stavbe tunelov je kľúčovým aspektom kvalitné odvodnenie, ktoré chráni konštrukciu pred poškodením a zabezpečuje bezpečnú prevádzku. Bez adekvátneho odvodnenia by mohol byť tunel vystavený rôznym nebezpečenstvám a problémom. Odvodnenie tunela je však nevyhnutné nielen z hľadiska stavebnej integrity a bezpečnosti, ale aj z hľadiska hospodárnosti a ochrany životného prostredia. Zároveň je dôležité, aby boli pri výstavbe tunelov použité správne techniky a materiály na zabezpečenie efektívneho odvodnenia.

Návrh tunela Višňové prešiel od svojho pôvodného riešenia dlhým a nelineárnym vývojom, čo sa prejavilo aj na návrhu odvodňovacieho systému. Článok predkladá komplexný prehľad jednotlivých odvodňovacích systémov použitých na rôznych stavebných objektoch tunela.

Geologická a hydrogeologická charakteristika územia

Geologická stavba a vývoj
Tunel Višňové sa nachádza na území pohoria Malá Fatra. Malá Fatra je 55 km dlhé horské pásmo v severozápadnej časti Slovenska, rozprestierajúce sa na juhovýchod od Žiliny v línii hlavného oblúka Západných Karpát. Hlavný hrebeň smeruje od juhozápadu na severovýchod. Stred horského pásma je rozdelený korytom rieky Váh. Na tomto mieste vytvorila rieka 12 km dlhé úzke údolie známe pod menom Strečnianska tiesňava. Nadmorská výška horského pásma na projektovanej trase tunela sa pohybuje od 800 do 1 300 m.

Geologické podmienky na trase tunela boli overené pred začatím razenia tunela prieskumnou štôlňou, ktorá bola v rokoch 1998 až 2002 vyrazená v celej predpokladanej dĺžke tunela.
V smere od západného portálu bola prieskumná štôlňa razená cez horniny centrálnokarpatského paleogénu Žilinskej kotliny. V rámci týchto hornín dominujú ílovce, ktoré prevládajú nad pieskovcami. Pozoruhodné je, že prvých 60 m bolo ovplyvnených svahovými deformáciami, ktoré dosiahli hĺbku až 50 – 60 m od pôvodného západného portálu.

Priebeh štôlne od 1 115 do 2 400 m odhaľuje zastúpenie mezozoika. Kľúčové úseky vrstevného sledu zahrňujú Fatrikum – krížňanské tektonické jednotky v rámci zliechovskej a ďurčínskej série a potom Tatrikom – malofatranskú tektonickú jednotkou s charakteristikou kataklasticky porušených vrstiev zo spodného triasu.
Horniny fatrika a krížňanského príkrovu reprezentujú celú túto oblasť až po staničenie približne 2 346 m. Tieto horniny sú charakterizované vápnitými ílovcami, piesčitými vápencami a tektonickými bridlicami.

V úseku od 2 400 m až k východnému portálu môžeme pozorovať dominantné formácie kryštalinika. V rámci tohto úseku sa dajú vyznačiť dve hlavné časti:
• úsek 2 400 – 2 880 m, kde je kryštalinikum tvorené prevažne mylonitmi,
• úsek 2 880 – 8 480 m, kde je kryštalinikum charakterizované prítomnosťou granitoidov.

Na západnom okraji masívu kryštalinika (v oblasti kontaktu s mezozoickým masívom) je masív mylonitizovaných granitoidov s rôznym stupňom mylonitizácie a mladšieho porušenia od charakteru kryštalických bridlíc až po masívnejšie granitoidné blastomylonity.
Je dôležité zdôrazniť, že tento horninový masív je väčšinou nepriepustný. Zóny mylonitov sú však v styku s vodou nestabilné a čiastočne „rozbredavé“, najmä v oblastiach, kde tektonická aktivita vytvorila nové praskliny a deformácie.

Hydrogeologická charakteristika
Z hľadiska prítoku podzemných vôd je pozoruhodné, že výrazné prítoky vody sú identifikované v úzkom pásme od staničenia 2 100 do 2 345 m. Intenzity týchto prítokov kolíšu od 25 do 30 l/s. Najvýraznejšie prítoky sú v oblasti päty južnej steny a dna štôlne.

Na východnom okraji tejto oblasti bola zistená výrazne tektonicky porušená zóna, ktorá je charakterizovaná silným tatrikom a malofatranskými horninami. Zvlášť v tejto oblasti je zastúpenie silne tektonicky porušených hornín s prítomnosťou pieskovcov a ílových bridlíc.

Za touto zónou nasleduje masív kryštalinika, ktorý je v úseku od 2 400 do 2 880 m tvorený mylonitmi a potom granitoidmi. Tento masív je v značnej miere nepriepustný. Z hľadiska hydrogeológie predstavuje systém priečnych zlomov významné riziko, keďže v minulosti spôsoboval intenzívne zvodnenie s tlakom podzemnej vody vyšším ako 3,0 – 3,5 MPa.

Západný portál

Geologická a hydrologická charakteristika oblasti
Prieskumy v oblasti západného portálu odhalili dynamiku podzemnej vody. Hladina tejto vody kolíše v hĺbke 8,0 až 8,7 m pod terénom (vrty ZP-1, ZP-2) s výstupom k 7,2 m pod terénom. Existuje však aj ďalší, hlbší horizont podzemnej vody v hĺbke 12,6 m (ZP-2), ktorý je spojený s bazálnou šmykovou plochou. Chemické analýzy vzoriek podzemných vôd z vrtov ZP-1 a ZP-2 odhalili základný, výrazný kalcium-bikarbonátový charakter vody.

Podľa normy STN EN 206-1 vody ani zeminy v tejto oblasti nie sú agresívne pri styku s betónom. Podľa tabuľky 1 STN 03 8375 sa však podzemné vody javia pre vysoké hodnoty konduktivity ako vysoko agresívne pri kovových potrubiach.
Západný portál je geograficky situovaný v oblasti Višňovskej doliny, ktorá je význačná svojimi strmými svahmi vrchov ako Bukovec, Sedlová a Valientov diel. Bezmenný potok odvodňuje túto dolinu a následne preteká smerom k obci Višňové bez významnejšej regulácie. Vzhľadom na túto konfiguráciu je oblasť zraniteľná voči možnému vybreženiu potoka, najmä počas intenzívnych zrážok.

Problematika a predpokladané riešenia
V reakcii na potenciálne hydrologické riziká v tejto oblasti bol stanovený limit prítoku vody z diaľničného úseku na maximálne 200 l/s. Ako riešenie je navrhnutá konštrukcia detenčno-retenčnej nádrže s objemom 314 m³. Navrhovaná nádrž je koncipovaná ako podzemná, prefabrikovaná sklolaminátová valcová konštrukcia. Jej kľúčovým prvkom je vírový regulátor prietoku, ktorý je navrhnutý tak, aby zabezpečil konzistentný odtok 185,60 l/s do bezmenného potoka.

Technické špecifikácie a umiestnenie nádrže
Navrhovaná detenčno-retenčná nádrž bude umiestnená medzi kanalizačnými šachtami Š7 a Š9 a s celkovou vzdialenosťou 44,5 m (obr. 1). Do nádrže bude možné vstupovať cez dva vstupné komíny vybavené rebríkmi, ktoré sú špecifikované ako súčasť nádrže. Ďalšie bezpečnostné prvky zahŕňajú bezpečnostný prepad z vertikálneho potrubia, ktorý je súčasťou odtokového systému.

Vzhľadom na geotechnické vlastnosti terénu, najmä riziko zosuvov, bude konštrukcia nádrže budovaná postupne. Po každom vybudovanom segmente konštrukcie bude potrebné zabezpečiť stabilizáciu terénu – predtým, než sa bude pokračovať v ďalšej časti.

Vejáre vrtov
Aby sa dosiahla optimálna hladina podzemnej vody, bol už v štádiu prieskumnej štôlne navrhnutý a následne realizovaný systém „pred-odvodňovacích“ vrtov pri západnom portáli. Tento systém pozostáva z dvoch vejárov vrtov, s každým vrtom dlhým 115 m (obr. 2). Realizácia vrtov prebiehala z hniezd. Ústia vrtov vedú do šácht, pričom ich vyústenia sú umiestnené približne 4 m pod niveletou projektovanej diaľnice. Aj keď sa tieto vejáre vrtov nachádzajú v priestore budúcej diaľnice, resp. stredného deliaceho pásu, vzhľadom na ich významný vplyv na stabilitu portálu došlo k rozhodnutiu ponechať ich aj počas prevádzky diaľnice.

Systém odvodnenia portálu tunela
Odvodnenie samotného západného portálu je koncipované pomocou viacerých opatrení:

Povrchové odvodnenie
Hlavná časť portálu je zabezpečená betónovými priekopovými tvárnicami so šírkou 600 mm (obr. 3). Tieto tvárnice zabezpečujú odtok nadbytočných povrchových vôd, ktoré smerujú k recipientom – na severnej strane k priekope prístupovej komunikácie SO V127-00 a na južnej strane k preložke a úprave bezmenného potoka SO V342-00.

Odvodnenie stien portálu
Zabezpečenie odvodnenia zo stien portálu je realizované cez striekaný betón s drenážnymi rúrkami s priemerom 50 mm. Tieto rúrky účinne odstraňujú nadbytočnú vodu z okolia výkopu portálu. Voda, ktorá preteká cez drenážne rúrky, je odvádzaná systémom medzi striekaným betónom a obkladovými tvarovkami. Systém zahrňuje priestor medzi tvarovkami, žliabky vytvorené na kotevných trámoch a základe pod tvarovkami. Voda následne smeruje k portálovej ploche, kde je usmerňovaná do štrbinových alebo betónových odvodňovacích žľabov na kraji spevnenej plochy SOV101-00.

Východný portál

V úseku východného portálu tunela bol vytvorený komplexný systém odvodnenia, ktorý rieši problematiku z rôznych hľadísk.
Hlavným prvkom odvodnenia je odvodňovacia priekopa umiestnená v korune portálu. Táto priekopa je pravidelne udržiavaná, očisťovaná od usadenín, pričom tlakovou vodou sa odstraňujú jemné nánosy. Aby bola zabezpečená dlhodobá životnosť, jej povrch je upravený sanačnou zmesou a škáry medzi tvárnicami sú vyplnené škárovacou maltou MC 25, odolnou proti mrazu. Tieto vody sú následne presmerované do priekopy odvodnenia vozovky SO 101-00 (diaľnica) na južnej strane alebo do existujúcej priekopy na severnej strane.

Prebytočné vody z bezprostredného horninového prostredia sú efektívne odvádzané pomocou drenážnych rúrok integrovaných do striekaného betónu. Hoci tieto rúrky sú väčšinou suché, sú pripravené zachytávať a odvádzať vodu, a to najmä v podobe kvapkania. Systém následne usmerňuje vodu do odvodňovacích priekop na obidvoch stranách portálu.

Základným riešením odvodnenia plochy portálu sú melioračné tvárnice a cestné priekopy v kombinácii so sklonom spevnenej plochy, ktorý usmerňuje vodu k najbližším odvodňovacím priekopám cestných komunikácií.
Gabionový múr, ktorý tvorí stenu portálu (úvodný obrázok), môže byť vystavený prenikaniu dažďovej vody, preto bol na odvodnenie zvolený drenážny geokompozit. Tento kompozit je zložený z geotexílie a drenážneho jadra s mriežkou a fóliou, kotvený je do striekaného betónu. Na určitých úsekoch sú použité separačné geotextílie, ktoré zabezpečujú správne fungovanie drenážneho systému.

V severnej časti východného portálu je existujúci základ, na ktorom je budovaný gabionový múr. Medzi cestným obrubníkom a gabionom je vytvorený štrkový pás s drenážnym systémom. Nad južnou tunelovou rúrou je inštalovaný existujúci drenážny systém s PVC rúrami, ktorý bol upravený a ochránený vodoodpudivým náterom, aby zabezpečil jeho trvanlivosť.

Odvodnenie razeného tunela a odvodňovacia štôlňa

Pred samotným razením tunela Višňové nastala potreba revízie pôvodného zámeru pre prieskumnú štôlňu. Pôvodne mala byť táto štôlňa zrušená s vybudovaním južnej tunelovej rúry. No vzhľadom na konštantný vysoký prítok vody a potrebu navrhnutia efektívneho drenážneho systému bol tento plán zmenený. Rozhodlo sa, že prieskumná štôlňa sa prebuduje na drenážnu, ktorá prevezme funkciu hlavného zberača, eliminujúc tak potrebu jeho umiestnenia v priestore tunelových rúr. V dôsledku tejto úpravy sa vyžadovala revízia smerového aj výškového vedenia obidvoch tunelových rúr.

Prítoky vôd z horninového masívu sú prostredníctvom hydroizolačného systému usmerňované do drenážneho potrubia a následne cez vrty do drenážnej štôlne. Rozostup týchto odvodňovacích vrtov sa mení na základe charakteristík prítoku. Na mieste priečnych prepojení v tuneli sú inštalované zvodové vrty s priemerom od 250 do 300 mm, v závislosti od hydrogeologických podmienok. Táto inštalácia sa uskutočnila po zaistení tunela primárnym ostením. Vŕtanie pre potrubia sa realizovalo z úrovne tunela do štôlne, približne 80 cm nad úrovňou dna štôlne. Nasledovalo vybudovanie sekundárneho ostenia tunela. Na miestach, kde môže dôjsť ku kolízii s konštrukciou priečnych prepojení, sa vŕtanie uskutočnilo z nižšej úrovne, pričom sa zabezpečilo, aby nevznikla kolízia s existujúcou konštrukciou.

Hlavným komponentom odvodňovacieho systému tunela Višňové sa stala odvodňovacia štôlňa, ktorá je umiestnená medzi severnou a južnou tunelovou rúrou pozdĺž celej dĺžky tunela a do ktorej sú odvádzané vody z tunela.
Štôlňa je členená na štyri hlavné úseky, ktoré závisia od technológie razenia a časového obdobia realizácie:
1. úsek
Je to dobudovaný úsek od západného portálu (s použitím metódy razenia NRTM) s dĺžkou 292,03 m. V tomto mieste kolidovala pôvodná prieskumná štôlňa s navrhovaným tunelom, preto bol tento úsek dobudovaný súčasne s razením hlavných tunelových rúr.
2. úsek
Ide o pôvodný úsek prieskumnej štôlne, kde bola použitá metóda razenia NRTM, s dĺžkou 2 799,78 m.
3. úsek
Takisto ide o pôvodný úsek prieskumnej štôlne, kde bola použitá metóda razenia TBM, s dĺžkou 3 800,22 m.
4. úsek
Ide o dobudovaný úsek blízko východného portálu (s použitím metódy razenia NRTM) s dĺžkou 554,72 m. Tento úsek bol dobudovaný z rovnakých dôvodov ako úsek na západnom portáli.

Celková dĺžka štôlne dosahuje 7 446,75 m. V rámci štôlne je navrhnutá inštalácia stálej zbernej stanice na zásobovanie požiarneho vodovodu tunela. Štôlňa obsahuje aj 10 vertikálnych servisných prestupov na údržbu tunela a v oblastiach, kde sa nachádzajú odvodňovacie vrty, sú vytvorené špeciálne výklenky OV.
Hlavný odvodňovací kanál (obr. 5), ktorý odvádza drenážne vody z oboch tunelových rúr, je vedený na dne štôlne, pričom varíruje v priereze v závislosti od konkrétneho úseku štôlne. Týmto kanálom sú vody odvádzané na portály tunela.

V samotnej štôlni sa vyskytujú lokálne prítoky podzemnej vody, ktoré sú odvádzané do hlavného kanála pomocou integrovaného systému zvodov a flexibilných hadíc.
Výklenky OV, vytvorené na zaústenie odvodňovacích vrtov, majú minimálnu šírku 550 mm. Medzi tunelom a štôlňou je 62 týchto vrtov zo severnej rúry a 64 z južnej. Výklenky sú navrhnuté tak, aby zodpovedali požiadavkám každého odvodňovacieho vrtu, v závislosti od jeho výškovej polohy v štôlni. Na každom vrte je nainštalovaná spätná klapka, aby sa predišlo neželanému prítoku vzduchu do drenážneho systému v súvislosti s vetraním štôlne. Výklenky sú jasne označené poradovým číslom a umiestnením v štôlni, ako aj označením tunelovej rúry, z ktorej vychádza odvodňovací vrt.

Sanácia drenážneho systému

Pri monitoringu rubových drenáží razeného
tunela bola vykonaná podrobná diagnostika zrealizovanej drenáže, ktorej výsledkom je záverečná správa so zhodnotením zisteného stavu. Zistili sa rôzne nedostatky, ktoré zahŕňajú:
– neúmerné vyčnievanie tesniaceho materiálu a jeho posun,
– výskyty prasklín na obvode potrubia,
– poškodenie povrchu a chýbajúce časti stien,
– nežiaduce cudzie predmety v potrubí,
– deformácie, ako sú zmenšenie prierezu či zakrivenie potrubia,
– nepravidelnosti v spojoch a sedimentácie v potrubí,
– lokálne konvexné deformácie a stojatá voda,
– nepriaznivý odtok vody proti spádu tunela.

Navrhované riešenia
V reakcii na tieto zistenia bola spracovaná dokumentácia navrhujúca odstránenie nedostatkov. Ako optimálna metóda bola zvolená Alternatíva č. 2 – implementácia drenážnych bypassov a renovácia drenážnych šácht.

Aby sa minimalizovala invazivita a nároky na búracie práce, zostane existujúci drenážny systém zachovaný. Nové bypassy budú konštruované z PVC hladkých perforovaných kanalizačných rúr D 200 SN8. Tieto rúry s kruhovým profilom budú mať perforáciu umiestnenú v hornej časti (120°). Potrubie bude umiestnené na betónovom lôžku s hrúbkou 10 až 150 mm a bude obalené medzerovitým drenážnym betónom. Toto všetko bude potom chránené separačno-filtračnou geotextíliou.

Čo sa týka drenážnych šácht, časť základového pásu sa bude musieť odstrániť, aby umožnila napojenie nového bypassu. Prispôsobenia sa budú robiť v čelnej stene drenážnej šachty a podľa špecifických požiadaviek danej šachty. Bypassy budú vchádzať do a zo šachty pod uhlovým sklonom 15°, použije sa kombinácia dvoch a potom troch 15° kolien, aby sa dosiahlo smerovanie popri základovom páse. Po dokončení týchto úprav sa obnoví vybúraná časť základového pásu (obr. 6).

V rámci navrhovaných prác sa predpokladá vedenie drenážnych bypassov v oboch tunelových rúrach – južnej aj severnej. Bypassy budú umiestnené na obidvoch stranách každej rúry. V prípade, ak to konštrukcia revíznej drenážnej šachty umožní, prítok aj odtok bypassov bude na rovnakej úrovni ako existujúca drenáž.
Práce na sanácii drenážnych šácht sú rozdelené do dvoch častí. V prvej časti, lokalizovanej pri západnom portáli, bude v južnej rúre sanovaných celkovo 56 šácht – 28 na pravej a 28 na ľavej strane. Severná rúra počíta so sanáciou 68 šácht, pričom 34 bude na pravej a 34 na ľavej strane.

Drenážne revízne šachty zostanú zachované a sanácia je navrhnutá vo dvoch možných alternatívach:

Alternatíva 1
V prípade, že pri búracích prácach primárneho ostenia došlo k poškodeniu celej čelnej steny, bude táto stena kompletne odstránená s výnimkou 60 mm, ktoré sa ponechajú na obidvoch stranách. Zachované časti budú slúžiť na pridruženie novej čelnej steny. Nová stena bude obsahovať otvory pre drenážne bypassy v súlade s výkresovou dokumentáciou.

Alternatíva 2
Ak zostala čelná stena po búracích prácach nepoškodená, vyrežú sa v nej nové otvory pre drenážne bypassy a existujúce otvory budú zabezpečené.
V situácii, keď je dno šachty umiestnené nižšie, než je nášľapná vrstva, je nevyhnutné odstrániť túto vrstvu. Ďalej sa odstráni betónové dno šachty, aby mohol byť zabezpečený adekvátny odtok na tej istej úrovni, ako bola pôvodná drenáž. Po inštalácii novej drenáže sa dno a boky šachty zabetónujú a následne sa vytvorí nová nášľapná vrstva.

Záver

Článok ponúka základný pohľad na komplexnosť odvodňovacieho systému tunela Višňové, ktorý si vyžiadala príroda aj samotná história výstavby tunela. Drenážny systém zabezpečuje bezpečnosť stavby aj prevádzkyschopnosť tunela, preto je ho potrebné neustále udržiavať a inovovať, aby plnil svoju funkciu počas celej životnosti diela.

TEXT: Peter Paločko
FOTO: Amberg Engineering Slovakia, s. r. o.

Peter Paločko pôsobí v spoločnosti Amberg
Engineering Slovakia, s. r. o.

Zdroje
Diaľnica D1 Lietavská Lúčka – Dubná Skala vrátane tunela Višňové, dokumentácia na realizáciu stavby,