Porovnanie rýchlosti postupov pri rôznych metódach razenia dopravných tunelov

Tunely na novostavbách diaľnic aj železníc predstavujú spravidla nielen objekty s najvyššími nákladmi, ale aj s najdlhším časom výstavby, ktorý následne ovplyvňuje čas výstavby celého úseku príslušnej dopravnej infraštruktúry. Rýchlosť výstavby je okrem objektívnych faktorov, akými sú geologické a morfologické podmienky, podmienená aj subjektívnymi faktormi, najmä zvolenou metódou razenia a tiež počtom pracovísk – čelieb, z ktorých sa tunelové rúry razia.

Výstavba dopravných tunelov na cestnej a železničnej sieti sa v priebehu 20. storočia dlho vyvíjala najmä aplikovaním konvenčných, „banských“ technológií razenia, ktoré sú dnes označované ako cyklické metódy razenia. Nazývajú sa tak preto, že jednotlivé pracovné operácie po sebe nasledujú v cykloch: rozpojovanie, nakladanie a doprava rúbaniny, vystrojovanie výrubu.

Alternatívnou metódou k cyklickým metódam je razenie pomocou plnoprofilových tunelovacích strojov. Táto metóda, ktorej rozmach nastal v druhej polovici 20. storočia, sa označuje ako kontinuálna metóda razenia, pretože sa pri nej odohrávajú pracovné operácie súčasne a nezávisle od seba. Plnoprofilové tunelovacie stroje sa navrhujú a vyrábajú špeciálne pre podmienky jednotlivých projektov. Vo všeobecnosti býva výhodou kontinuálnej metódy razenia jej vyššia rýchlosť v porovnaní s cyklickou metódou. Vzhľadom na vysoké vstupné náklady a tiež čas potrebný na výrobu stroja sa kontinuálna metóda považuje za ekonomicky vhodnú alternatívu najmä pre tunely väčších dĺžok. Táto metóda razenia tunelov sa označuje aj ako mechanizované razenie.

V podmienkach výstavby slovenských dopravných tunelov sa dosiaľ využívala výlučne cyklická metóda razenia, hoci sa pri viacerých projektoch uvažovalo a aj sa uvažuje o kontinuálnej metóde. Na porovnanie metód výstavby z hľadiska času, ktorý si vyžadujú, treba počítať s realisticky stanovenými predpokladanými postupmi razenia. V článku sú prezentované rýchlosti postupov razenia dosiahnuté pri použití oboch metód vo vybraných slovenských a zahraničných projektoch.

Cyklické razenie

Typickým predstaviteľom metódy cyklického razenia, použitej pri výstavbe diaľničných a moderných železničných tunelov na Slovensku, je Nová rakúska tunelovacia metóda (NRTM). Použitá bola pri razení všetkých dopravných tunelov budovaných od roku 1997, ktoré sú v súčasnosti v prevádzke, resp. vo výstavbe. Pri razení tunela Višňové bola ako hlavná použitá metóda ADECO-RS, pri vybraných úsekoch sa však použila aj NRTM. Priemerné postupy razenia pri vybraných slovenských a tiež rakúskych diaľničných tuneloch sú analyzované v ďalšom texte príspevku, pričom výsledky sú zobrazené na obr. 2.

Tunel Branisko

Prvým slovenským diaľničným tunelom sa stal tunel Branisko, ktorého výstavba prebiehala v rokoch 1997 až 2003. Ide o jednorúrový tunel s dĺžkou takmer 5 km, ktorý bol razený v širokej škále horninových podmienok od paleogénnych ílovcov cez permské arkózy, zlepence a pieskovce až po tvrdé horniny kryštalinika, granodiority, ruly, amfibolity a migmatity. Práce na razení tunela sa začali v apríli 1997 a po dvoch rokoch boli v apríli 1999 ukončené prerážkou. Priemerný mesačný postup na čelbe bol 104,6 m, pričom najväčší mesačný postup dosiahol takmer 190 m, čo znamenalo viac ako 6 m za deň. Hoci išlo o úplne prvý moderný tunel razený NRTM na Slovensku, dosiahli sa pri razení veľmi priaznivé výsledky. Ovplyvnili to skúsenosti domácich razičov získané v zahraničí, ako aj účasť rakúskych odborníkov, a to jednak v tíme projektanta, jednak priamo pri riadení prác na stavbe.

Tunel Sitina

Tunel Sitina s dĺžkou 1,4 km bol prvým slovenským dvojrúrovým diaľničným tunelom, ktorého špecifikom bola najmä poloha v intraviláne hlavného mesta Bratislava. Výstavba diaľničného úseku s tunelom prebiehala v rokoch 2003 až 2007. Tunel sa razil prevažne v granitoidných útvaroch kopca Sitina, ktorý sa nachádza na styku Malých Karpát a Lamačského prielomu. Horninový masív sa vyznačoval heterogénnou formáciou v dôsledku rôznych tektonických poruchových zón pozdĺž celého tunela. Horniny priliehajúce k tektonickým poruchovým zónam boli silne zmenené, čiastočne intenzívne mylonitizované. Významným faktorom bola aj pomerne malá výška nadložia tunela pohybujúca sa od 4 do 32 m. Komplikované horninové podmienky spôsobovali pri razení viaceré problémy, ktoré sa prejavili aj niekoľkými závalmi. Zhoršené podmienky a náročné vystrojovacie opatrenia sa premietli aj do postupov razenia. Razenie oboch tunelových rúr sa začalo v novembri 2003 od južného portálu a v júni 2004 od severného portálu. Prerážky sa uskutočnili vo februári a v máji 2005. Priemerný mesačný postup na jednej čelbe bol 47,5 m.

Tunel Višňové

Razenie oboch tunelových rúr najdlhšieho slovenského tunela Višňové s dĺžkou 7,5 km prebiehalo počas rokov 2015 až 2018 od západného aj východného portálu. Horninový masív bol budovaný paleogénnymi ílovcami flyšovej formácie, slieňovcami a vápencami komplexu mezozoických hornín a vápencovo-dolomitickou formáciou krížňanského príkrovu v západnej časti trasy približne do vzdialenosti 1,4 km od portálu. Zvyšnú časť masívu tvorili horniny kryštalinika, granitoidov a mylonitov. Podmienky na razenie zahŕňali celú škálu od najmenej kvalitných v priportálových úsekoch a poruchových zónach až po pomerne kvalitné podmienky masívu kryštalinika umožňujúce dlhé zábery.

Razenie severnej tunelovej rúry sa začalo v apríli 2015 a bolo ukončené prerážkou v septembri 2018. Južná tunelová rúra sa začala raziť v júli 2015 a bola prerazená v auguste 2018. Tunelové rúry sa v prevažnej miere razili metódou ADECO-RS, ktorá je charakteristická plnoprofilovým razením a použitím pomerne masívnych vystrojovacích prostriedkov vrátane zaistenia čela v náročných horninových pomeroch (obr. 3). V časti tunelových úsekov sa použila aj NRTM. Keď hodnotíme postupy razenia oboch tunelových rúr v celkovej dĺžke približne 14,9 km, priemerný mesačný postup razenia bol 96,2 m na jednej čelbe.

Tunel Prešov

Diaľničný tunel Prešov s dĺžkou 2,3 km sa budoval v rokoch 2017 až 2021. Samotné razenie oboch tunelových rúr metódou NRTM prebiehalo od oboch portálov od augusta 2018 do júna 2019. Geologickú stavbu masívu tunela Prešov tvoria flyšové paleogénne horniny s charakteristickým striedaním ílovcovo-pieskovcových vrstiev. Flyšoidné súvrstvie predstavovalo málo zvodnené a veľmi nízko priepustné prostredie. Pomerne priaznivé horninové podmienky umožnili vyraziť 4 354 m tunelových rúr približne za 10 mesiacov, čo predstavuje priemerný postup 107,4 m na jednej čelbe za mesiac.

Rakúske tunely Bosruck a Tauern

Na porovnanie so slovenskými tunelmi sme analyzovali postupy razenia dosiahnuté pri výstavbe druhých rúr dvoch dôležitých rakúskych diaľničných tunelov Bosruck a Tauern. Západná rúra tunela Bosruck s dĺžkou 5,5 km na diaľnici A9 sa razila počas rokov 2010 a 2011. Pre časť horninového masívu boli charakteristické veľmi náročné horninové podmienky s prítomnosťou objemovo nestálych anhydritov. Napriek nepriaznivým podmienkam bolo razenie úseku s dĺžkou 5 233 m ukončené po 17 mesiacoch, čo predstavuje priemerný mesačný postup 153,9 m na jednu čelbu. Tento priaznivý údaj je ovplyvnený aj tým, že priportálové úseky s dĺžkou 193 m už boli vyrazené pri výstavbe východnej rúry v 80. rokoch minulého storočia.

Druhá tunelová rúra tunela Tauern s dĺžkou 6,4 km na diaľnici A10 sa razila v rokoch 2006 až 2008. Razenie bolo ukončené po 22 mesiacoch, čo predstavuje priemerný mesačný postup 145,5 m. Treba poznamenať, že priaznivé postupy razenia sa na oboch rakúskych tuneloch dosiahli pravdepodobne aj preto, že razenie prvých tunelových rúr už prinieslo veľmi kvalitné poznanie horninových podmienok, ako aj odozvy masívu na konkrétne postupy razenia a vystrojenia.

Kontinuálne razenie

Kontinuálne razenie v skalných horninách sa realizuje pomocou plnoprofilových tunelovacích strojov označovaných aj anglickou skratkou TBM (Tunnel boring machine). Plnoprofilový tunelovací stroj rozpojuje skalnú horninu plným profilom pomocou frézovej hlavy. Vystrojovanie výrubu sa vykonáva väčšinou s časovým a priestorovým odstupom od čelby. Rozlišujú sa plnoprofilové tunelovacie stroje bez štítu, so štítom, resp. s dvojitým štítom, pričom výber typu TBM závisí od inžinierskogeologických a hydrogeologických pomerov a od spôsobu vystrojovania. V náročnejších podmienkach zemín a mäkších hornín sa používajú tunelovacie stroje so štítom – väčšinou sú to zeminové alebo bentonitové štíty.
Priemerné postupy razenia pri vybraných tuneloch v zahraničí sú analyzované v ďalšom texte príspevku, pričom výsledky sú zobrazené na obr. 4.

Tunel Wienerwald

Výstavba železničného tunela Wienerwald v rokoch 2004 až 2009 predstavovala prvé použitie kontinuálnej metódy razenia pri dopravnom tuneli mimo mestského prostredia v Rakúsku. Tunel s celkovou dĺžkou 13,3 km bol budovaný v horninovom prostredí tvorenom formáciami flyšu a molasy, reprezentovanými ílmi, pieskovcami a slieňovcami. Dvojkoľajný úsek s dĺžkou 2,4 km bol razený cyklicky, jednokoľajné tunely boli razené kontinuálne. Plnoprofilový tunelovací stroj so štítom s priemerom 10,70 m bol konštruovaný tak, aby zvládal náročné geotechnické podmienky (obr. 5). Tunely s dĺžkou 10,8 km sa razili dvoma tunelovacími strojmi. Razenie jednej tunelovej rúry trvalo 22 mesiacov, čo predstavovalo mesačný postup 487,9 m na jednej čelbe. Špecifikom výstavby tunela Wienerwald bol fakt, že uchádzači v súťaži mohli ponúknuť razenie tunela kontinuálnou, ako aj cyklickou metódou.

Tunel Ejpovice

Železničný tunel Ejpovice v Českej republike s dĺžkou 4,15 km a dvoma tunelovými rúrami sa budoval v rokoch 2014 až 2019. Podobne ako pri rakúskom tuneli Wienerwald mohli uchádzači v súťaži ponúknuť varianty s cyklickým razením, kontinuálnym razením, prípadne s ich kombináciou. Víťazom sa stal uchádzač, ktorý ponúkol razenie plnoprofilovým tunelovacím strojom. Obe paralelné tunelové rúry boli razené tým istým TBM z toho istého portálu, pričom razenie južnej tunelovej rúry sa začalo vo februári 2015 a bolo ukončené v júni 2016. Razenie severnej tunelovej rúry sa po demontáži stroja, jeho nevyhnutnej repasácii a doprave na miesto štartu začalo v septembri 2016 a bolo ukončené v októbri 2017. Geologické podmienky na trase tunela boli rozmanité. Dominantným geotypom vrchu Homolka boli mäkké bridlice s rôznym stupňom zvetrania. Naopak, Chlumský vrch tvorili tvrdé spility. Centrálnu časť medzi dvoma vrchmi charakterizovala kombinácia bridlíc a spilitov spolu s inými mladšími sedimentárnymi horninami.

Použil sa konvertibilný plnoprofilový tunelovací stroj s priemerom 9,89 m, ktorý bol na razenie v mäkkých bridliciach vybavený ako zeminový štít a na razenie v tvrdých spilitoch bol prebudovaný do režimu raziaceho stroja pre skalné horniny „hard rock“. Celkový čas razenia bol 29 mesiacov, čo predstavovalo mesačný postup na čelbe 286,2 m.

Tunel Semmering

Rakúsky bázový železničný tunel Semmering s dĺžkou 27,3 km je vo výstavbe od roku 2014, práce na jeho razení boli ukončené v septembri 2024. Plánované uvedenie do prevádzky bolo pôvodne v roku 2026, komplikácie vzniknuté pri výstavbe však posúvajú termín otvorenia do roku 2030. Vzhľadom na dĺžku a náročnosť horninových podmienok sa okrem dvoch portálov využili aj tri ďalšie pracoviská, takže tunel bol pre razenie rozdelený do štyroch úsekov. Na razenie traťových tunelov sa použila kontinuálna aj cyklická metóda.

Analyzovaný úsek Fröschnitzgraben s celkovou dĺžkou 13 km bol v dĺžke 8,6 km razený dvoma plnoprofilovými tunelovacími strojmi, zvyšná dĺžka bola razená cyklicky. Použité boli TBM s jednoduchým štítom s priemerom 10,14 m. Celkový čas razenia úsekov razených plnoprofilovými tunelovacími strojmi bol 54 mesiacov, čo predstavuje 159 m za mesiac na jednej čelbe. Geologické prostredie tvorili pararuly a bridlice s množstvom tektonických porúch. Mimoriadne náročné horninové podmienky spôsobili veľké problémy pri razení vrátane uviaznutia stroja, čoho dôsledkom bolo značné zdržanie a tiež navýšenie nákladov na výstavbu.

Tunel Santa Lucia

Najväčší plnoprofilový tunelovací stroj v Európe bol nasadený v Taliansku pri výstavbe diaľnice A1 medzi Bolognou a Florenciou. Išlo o zeminový štít s priemerom 15,87 m od nemeckého výrobcu Herrenknecht, ktorý bol použitý na výstavbu dvoch rúr trojpruhového diaľničného tunela Santa Lucia. Horninové podmienky tvorili vápence a slieňovce s početnými poruchovými zónami. Razenie dvoch tunelových rúr s dĺžkou 7,5 km sa začalo v júli 2017 a ukončilo v júni 2020, čo predstavovalo priemerný postup 416,6 m za mesiac. Tunel je v prevádzke od marca 2022.

Záver

Rýchlosť razenia sa vo všeobecnosti javí ako veľká výhoda kontinuálnej metódy razenia v porovnaní s cyklickou metódou. Treba však vziať do úvahy aj čas potrebný na návrh, výrobu, dopravu a montáž tunelovacieho stroja, pričom len návrh a výroba spolu predstavujú 9 až 12 mesiacov. Ako ukazujú skúsenosti z tunela Ejpovice, určitá časová strata je nevyhnutná aj pri prevoze TBM na iné pracovisko. Nie je tiež výnimočné, že razenie plnoprofilovým tunelovacím strojom sprevádzajú komplikácie vyvolané zhoršenými horninovými podmienkami, najmä ak stroj nie je dostatočne vybavený na ich zvládanie, čo bolo zrejme príčinou problémov pri výstavbe tunela Semmering. Ak stroj uviazne, časové straty na sanáciu a reštart sa počítajú prinajmenšom v mesiacoch.

Naopak, výhodou cyklickej metódy razenia je jej flexibilita, ktorá umožňuje prispôsobenie postupov razenia a vystrojenia horninovým podmienkam. Ďalšou výhodou je počet pracovísk – pri dvojrúrových tuneloch sa spravidla využíva razenie na štyroch čelbách, pričom pri priaznivej konfigurácii terénu možno počet pracovísk navýšiť. Jednoduché porovnanie priemerných postupov preto nestačí, treba násobiť postupy počtom pracovísk, resp. nasadených tunelovacích strojov. Počet nasadených tunelovacích strojov je pritom kľúčový nielen z hľadiska času výstavby, ale najmä nákladov.

Faktor, ktorý treba vziať do úvahy pri rozhodovaní o metóde razenia, predstavujú aj rozdiely medzi diaľničným a železničným tunelom. Tunel budovaný kontinuálnou metódou má kruhový tvar, ktorý je vhodný a využiteľný pre jednokoľajný železničný tunel. Pri diaľničnom tuneli je využiteľnosť kruhového tvaru výrazne nižšia, cyklickou metódou však možno tvar výrubu optimalizovať a znížiť náklady. Rozdiel je aj v tom, že súčasťou diaľničného tunela sú spravidla núdzové zálivy a výklenky na umiestnenie SOS kabín a hydrantov požiarneho vodovodu, čo sú všetko prvky, ktoré treba raziť konvenčne.

Skúsenosti zo zahraničia ukazujú, že priaznivé výsledky možno dosiahnuť aj vďaka procesu obstarávania, ktorý umožňuje ponúknuť technické riešenie s využitím oboch metód razenia, prípadne ich kombinácie. Takéto riešenie by pravdepodobne prichádzalo do úvahy tam, kde ešte nie je k dispozícii stavebné povolenie a je úlohou zhotoviteľa zabezpečiť ho v prípade získania zákazky.

TEXT: Ing. Miloslav Frankovský
FOTO: archív autora

Miloslav Frankovský pôsobí v spoločnosti Dopravoprojekt, a. s., ako špecialista na tunely. Je dlhoročným predsedom Slovenskej tunelárskej asociácie
ITA/AITES.

Literatúra
1. Frankovský, M., Kusý, P.: Projektové riešenie a jeho vplyv na hospodárnosť a bezpečnosť výstavby a prevádzky tunela Branisko. In: Zborník konferencie Podzemní stavby, Praha 2000.
2. Frankovský, M. et al.: Aspects of Urban Tunneling within the project of Sitina Tunnel, in Proceedings of the 33th ITA-AITES World tunnel congress, Underground Space, the 4th Dimension of Metropolises, 2007.
3. Bosruck Tunnel: Breakthrough for 2nd Bore, https://www.tunnel-online.info.
4. Igor, Š. et al.: Tunely Ejpovice, ražba jižní tunelové trouby, přesun a úpravy stroje pro ražbu severní tunelové trouby, Tunel č. 2/2017.
5. Gobiet, G. et al.: Semmering Base Tunnel (SBT) – current state of the project. In: Proceedings of 15th ISRM Congress 2023 & 72nd Geomechanics Colloquium.
6. Santa Lucia Tunnel: Breakthrough for Europe‘s Biggest TBM, https://www.tunnel-online.info.