Poznatky zo stavieb diaľnic a rýchlostných ciest (1. časť)

V novembri 2012 sa v Bratislave uskutočnil XVII. seminár Ivana Poliačka so zameraním na prípravu, projektovanie a realizáciu stavieb diaľnic a rýchlostných ciest v SR. Článok ponúka stručný prehľad prezentovaných príspevkov odborníkov, ako aj poznatky zo zahraničia. Opisuje progresívne riešenia objektov na úsekoch rýchlostnej cesty R1 navrhnuté v projektoch, použitie nových cestných stavebných materiálov aj problémy pri zavádzaní nových technológií.

Stavba nových úsekov diaľnic a rýchlostných ciest na Slovensku pokračuje pomaly. Je to aj preto, že sa zmenili podmienky v ich príprave, dôvodom je aj ekonomická situácia (nielen v SR) a financovanie. Diaľnice sú náročné inžinierske stavby, ktorých projektovanie a realizácia si vyžadujú odbornosť a profesionalitu, ale aj technologickú disciplínu. Podľa vyjadrenia odborníkov zo spoločnosti Doprastav [1] vzniklo pri výberových konaniach a v samotnej príprave stavieb množstvo problémov. Na spracovanie ponuky stavebnej firmy bol často veľmi krátky čas. Dôsledkom absencie predkvalifikácie firiem uchádzajúcich sa o účasť v tendrovom konaní na väčšie a náročné stavby bola aj účasť takých firiem, ktoré získavajú referencie od zahraničných a neznámych spoločností. Výber dodávateľa stavby len na základe najnižšej ponúknutej ceny v mnohom súvisí s prípravou aj kvalitou stavieb. Najnáročnejšie objekty na diaľniciach boli často vzhľadom na nedostatočný alebo nepresný inžiniersko­geologický prieskum kritické na plnenie termínov. Časové straty vo výstavbe viedli aj k neekonomickým riešeniam (napríklad v zime) a nasadeniu náročných technológií. Posunom začiatku stavby – často do klimaticky nevhodného obdobia – sa zvýšili náklady spojené so zaistením kvality prác.

Nové riešenia – projekty a realizácia
Jednou z dôležitých stavieb cestných komunikácií na Slovensku bola v ostatnom čase stavba rýchlostnej cesty R1 na úsekoch Nitra, západ – Selenec, Selenec – Beladice, Beladice – Tekovské Nemce a severný obchvat Banskej Bystrice. Stavba sa začala v roku 2009, do používania bola odovzdaná v roku 2011, respektíve obchvat Banskej Bystrice v roku 2012. Náročnosť pri spracovaní projektovej dokumentácie, najmä dokumentácie na realizáciu stavby (DRS) možno posúdiť z príspevkov [2, 3, 4]. Zložitosť geologických a hydrogeologických podmienok si vyžadovala riešenia stability zemného telesa, jeho svahov, úpravu a sanáciu podložia násypov, sanáciu skládok odpadu aj zlepšenie zemín v podloží a zvýšenie únosnosti podložia vozoviek. Vzhľadom na špeciálne riešenia a rozsah realizácie bude poučné ich stručne opísať.
Na úseku Selenec – Beladice sa v zárezových častiach s vysokou hladinou podzemnej vody okrem štandardnej hĺbkovej drenáže navrhli priečne odvodňovacie rebrá. Boli hlboké 2 m a široké 1 m, vyplnené štrkodrvinou. Vzdialenosť rebier bola 10 m, vyúsťujú do hĺbkového trativodu.

Na tom istom úseku na miestach s násypom na teréne z bahnitého sedimentu sa navrhli a realizovali štrkové pilóty. Zhotovili sa hĺbkovým vibračným zhutňovačom do hĺbky 5 až 7 m. Vzájomná vzdialenosť pilót v trojuholníkovom rastri bola 2,5 m. Vyplnené boli štrkom frakcie 8/32 mm. Na zemnej pláni sa rozprestrela filtračno-separačná geotextília presypaná piesčitou zeminou (S1, S3) alebo štrkovou vrstvou (G1, G3), ktorá odvádza vytlačenú vodu. Táto takzvaná sanačná vrstva je vyvedená do pozdĺžnej otvorenej priekopy alebo drenáže.

Na úsekoch so zemným násypovým telesom v teréne so sklonom (v priečnom alebo pozdĺžnom smere) sa navrhli a vytvorili svahové stupne, ktoré majú zabezpečiť stabilitu zemného telesa. V teréne so sklonom 10 až 30 % boli svahové stupne navrhnuté v priečnom sklone 3 až 5 %.

Na tomto úseku cesty R1, ako aj na úseku Nitra, západ – Selenec sa vo veľkom rozsahu vykonalo „zlepšenie“ zemnej pláne hydraulickým spojivom. Ide v podstate o vylepšenie vlastností zeminy, ktorým možno dosiahnuť požadovanú (dobrú) únosnosť pláne pod konštrukciou vozovky. Spracovateľnosť a lepšie vlastnosti jemnozrnnej zeminy možno dosiahnuť primiešaním vápna, zvýšenie pevnosti zeminy hydraulickým zmesným spojivom alebo cementom. Možnosti úpravy podložia pri stavbe vozoviek aj s posúdením nákladov sú v príspevku [5]. Orientačné hodnoty zmien vlastností zemín po pridaní vápna alebo cementu sú uvedené v tab. 1.

Tab. 2  Výsledky skúšok telies po 28 dňoch (ČSN EN 14227-1)

Zmeny vlastností zeminy po premiešaní so spojivom sú okamžité (umožňujú spracovanie/zhutnenie) a dlhodobé, zvýši sa jej pevnosť. Výber vhodného spojiva a jeho množstvo závisí od výsledkov laboratórnych skúšok vlastností zeminy a jej zatriedenia. V technologickom postupe na stavbe je dôležité premiešanie zeminy so spojivom a zhutnenie vrstvy (obr. 1).

V príspevku [5] bol prezentovaný príklad úpravy podložia na stavbe, keď sa na zlepšenie zeminy použilo aj zmesné spojivo Doroport RN2. Okrem zvyčajného riešenia úpravy podložia výmenou vrstvy podmienečne vhodnej zeminy sa z ekonomického hľadiska porovnávali varianty aj so zlepšením cementom CEM 11/B – S 32,5 a zmesným spojivom Doroport. Ako sa ukázalo, výmena vrstvy zeminy a zabudovanie vhodnej zeminy by boli nákladné.

Na stavbe R1, ale aj na ďalších stavbách sa vo veľkej miere používa geosyntetika. Napríklad na úseku v intraviláne Banskej Bystrice boli vzhľadom na potrebu minimalizácie záberu pôdy navrhnuté strmšie svahy zárezov aj násypov. Svahy so sklonom 1 : 1 až 1 : 1,75 boli pritom vystužené jednoosovými geo­mrežami. Spodná časť násypu bola vystužená vrstvami z ohybných geomreží s väčšou pevnosťou, vo vrchnej časti násypu sú ohybné geomreže s menšou pevnosťou. Výstuže sú plošné prvky, ktoré majú jadro z polyesterových (PES) výstužových vlákien obalené tuhým polyetylénovým plášťom (LDPE) na ich ochranu.Na povrchu svahov je vrstva humusu s hydroosevom, zabezpečená (do fixovania vegetačného krytu) biodegradovateľnou rohožou. Na úseku, na ktorom je trasa rýchlostnej cesty v hlbokom záreze nad jestvujúcim železničným tunelom, sa na svahoch zárezu vytvorilo ochranné súvrstvie z ílovitej zeminy a na nej drenážny protierózny kompozit.

Na stavbe severného obchvatu Banskej Bystrice sa s využitím geosyntetických materiálov postavili aj dve oporné konštrukcie. Jeden oporný múr je z betónových prefabrikátov TW ortogonálneho tvaru, ktoré sú staticky zabezpečené geosyntetickou výstužou – tuhou geomrežou z HDPE. Druhý múr má konštrukciu typu GreenTerramesh (obr. 2) z betónových lícnych prefabrikátov.

Obr. 2  Stavba múru GreenTerramesh

Základová časť múru je vystužená geokompozitom, stredná a horná časť jednoosovými ohybnými geomrežami. Výstužové prvky sú obsypané štrkodrvinou.

Geosyntetika sa použila aj pri stavbe oporných a zárubných múrov. Na odvedenie podzemnej vody za rubom betónových gravitačných oporných aj zárubných múrov sa medzi konštrukciu a zásypový materiál vložil drenážny geokompozit ako plošná drenáž. Drenážny geokompozit má tuhé drenážne jadro z polypropylénu (PP) alebo polyetylénu (PE) a z oboch strán jadra je filtračná netkaná polypropylénová geotextília. Geokompozit je zaústený do drenážnej rúry z PVC a tá je napojená na pozdĺžne odvodnenie.

Z hľadiska funkcie a trvácnosti (životnosti) vystužených oporných múrov je dôležitá dlhodobá pevnosť spoja geosyntetickej výstuže a prvku lícového opevnenia. Medzi certifikované systémy patria vystužené oporné systémy spoločnosti Tensar: GEOMUR-TW1, GEOMUR-Mesa a GEOMUR-KP, ktoré sú opísané v príspevku [6]. Vystužené oporné múry sa nachádzali nielen v telese diaľnice (napríklad A1 v Poľsku), ale použili sa aj na stavbe mostných krídel a okolo úložných prahov mostných objektov. Ako výstuž sa použili tuhé monolitické jednoosové geomreže Tensar z HDPE.

Z geosyntetických materiálov sa na stavbe R1 použili aj prefabrikované geodrény MebraDrain. Tento systém sa používa tam, kde sa očakáva pod zaťažením násypu veľké sadanie, ktoré má aj dlhý časový priebeh. V príspevku [7] je opísané zakladanie násypu na neúnosnom podloží, keď sa vertikálne prefabrikované geodrény zatláčali až do hĺbky 9,15 m. Prefabrikovaný geodrén MebraDrain (obr. 3) sa skladá z tuhého PP jadra v tvare H, ktoré je obalené netkanou geotextíliou z PP. Tá vytvára filtračný obal, ktorý zabraňuje kolmatácii drenážnych kanálikov. Vertikálne drény MebraDrain sa zabudovávali pomocou stroja s hydraulickou aplikačnou hlavicou (obr. 4).

Pri zatláčaní sa kontroluje tlak a hĺbka zatlačenia. Po zatlačení do podložia sa asi vo výške 30 cm geodrén „odstrihne“. Na terén sa potom rozprestrie štrkodrvina, ktorá vytvorí plošnú drenáž a odvádza vytlačenú vodu spod telesa násypu do priekop alebo rigolov pozdĺž násypu. Vzájomná vzdialenosť zatláčaných drénov závisí od druhu zeminy v podloží násypu a úrovne hladiny podzemnej vody. Hustejší raster konsolidáciu podložia urýchľuje.

Materiály a technológie
Napriek všeobecne malej podpore výskumu sa u nás dostali do praxe cestné stavebné materiály, na ktorých vývoji a skúšaní sa podieľali laboratóriá stavebných firiem. Na XVII. seminári Ivana Poliačka sa prezentovali príspevky o výrobe a kladení mechanicky spevneného kameniva [8], o vlastnostiach asfaltovej zmesi s veľkou tuhosťou [9] a o použití medzerovitého asfaltového betónu [10].

Zmes mechanicky spevneného kameniva MSK sa použila na stavbe vozovky na úsekoch cesty R1. Ide o kvalitnú zmes kameniva na nestmelené podkladové vrstvy, ktorá sa môže použiť aj pri vozovkách triedy dopravného zaťaženia I. až VI. Na stavbe R1 sa vrstva z MSK definovala ako MSK; 31,5 GB; 240 mm (STN 73 6126). Podľa preukaznej skúšky vyhovel návrh zmesi MSK so skladbou 55 %, frakcia 0/8 + 15 %, frakcia 8/16 + 30 %, frakcia 16/32. Takáto zmes mala po zhutnení maximálnu objemovú hmotnosť 2 253 kg/m³ a jej optimálna vlhkosť bola 4,8 %. Zmes sa vyrábala priamo v lome v mobilnej miešačke, ktorá mala pomerne veľký výkon (450 ton za hodinu). Na úseku sa zmes rozprestierala na drenážnu vrstvu zo štrkodrviny finišerom Vögele 2100. Zmes MSK sa kládla a zhutňovala vo dvoch vrstvách (približne 120 + 120 mm). Každá vrstva bola zhutňovaná vibračným valcom štyrmi, respektíve piatimi pojazdmi (obr. 5).

Obr. 5  Zhutňovanie vrstvy MSK

Kontrola únosnosti podkladovej vrstvy zaťažovacou skúškou ukázala, že modul deformácie Edef, 2 bol v priemere väčší ako požadovaných 150 MPa. Po kontrole výšky (a hrúbky) vrstvy a rovnosti povrchu sa vrstva MSK zabezpečila infiltračným postrekom katiónaktívnou asfaltovou emulziou v množstve 0,70 kg/m². Jeden z veľmi zaujímavých, respektíve dôležitých poznatkov zo stavby je uvedený v závere príspevku: vlastnosti zmesi drveného kameniva z troch frakcií nemusia byť rovnaké (rovnako dobré), keď ide o vyvretú horninu alebo vápence. A to aj napriek tomu, že výsledná zrnitosť každej zmesi a tvarový index zŕn kameniva sú vyhovujúce.

Na stavbe rýchlostnej cesty R1 sa navrhla a postavila vozovka, v ktorej je hlavná nosná podkladová vrstva z asfaltovej zmesi s veľkou tuhosťou (VMT). Skladba vrstiev navrhnutej a postavenej vozovky je:

• asfaltový koberec mastixový  SMA 11, PmB    40 mm
• asfaltový betón AC 22 L, PmB 45/80-75    70 mm
• asfaltový betón s veľkou tuhosťou VMT    90 mm
• mechanicky spevnené kamenivo MSK 31,5, GB    240 mm
• štrkodrvina  ŠD 31,5    200 mm

Príspevok [9] nadväzuje na články autorov o problematike VMT z hľadiska návrhu zmesi a jej výroby. V súčasnosti sa uvádzajú zaujímavé výsledky skúšok únavy asfaltových spojív používaných na výrobu VMT a únavy zmesí VMT.

Na stavbe R1 sa použilo modifikované spojivo PmB 10/40-65. Skúšky únavy tohto spojiva sa vykonávali v špeciálnom prístroji pri dvoch úrovniach šmykového napätia τ = 210 kPa a 270 kPa. Záznam skúšky ukazuje závislosť komplexného šmykového modulu od počtu zaťažovacích cyklov (obr. 6). Vidieť na ňom, že pri menšom napätí je pokles relatívnej tuhosti zmesi pomalý.

Obr. 6  Priebeh únavovej skúšky

Pri skúškach tuhšieho spojiva PmB bol pokles relatívnej tuhosti rýchly. Pri skúškach únavy zmesí VMT so spojivom Styrelf (PmB 10/45-65) sa zistilo, že majú lepšie únavové charakteristiky ako napríklad v predpise TP 170 (ČR) na navrhovanie vozoviek. Skúšky sa vykonávali na trapézoidoch (tvar zrezaného klinu), ktorých základňa má rozmer 50 × 50 mm a horná plocha 25 × 25 mm. Na skúšobných telesách s takýmito rozmermi sa nepriaznivo prejavoval vplyv väčších zŕn kameniva (20 mm z frakcie 0/20).

Jednou zo špeciálnych asfaltových zmesí, ktorá sa používa na stavbu obrusnej vrstvy vozovky, je drenážny asfaltový koberec (AKD, podľa EN 13108-7 PA). Zmes má veľký obsah medzier, je schopná veľmi rýchlo odviesť vodu z povrchu vozovky a povrch vrstvy je menej hlučný ako povrchy vrstiev z asfaltového betónu. Na Slovensku sa vo väčšom rozsahu použila na stavbe úseku diaľnice D1 až v roku 2006. Príprava realizácie stavby, a to najmä návrh a skúšanie vlastností zmesi AKD, sú opísané v príspevku [10]. Pri návrhu asfaltovej zmesi sú dôležité vlastnosti kameniva a asfaltového spojiva. Pri kamenive je dôležitá odolnosť proti vyhladzovaniu. Posudzovala sa odolnosť s hodnotou PSV5/6. Ako spojivo sa vybral a použil polymérom modifikovaný asfalt PmB 45/80-75, ktorý má bod mäknutia najmenej 7 °C a súčasne veľmi nízky bod lámavosti, až do –20 °C. Z viacerých receptúr zmesi sa vybrala tá, ktorá mala dôležité vlastnosti:

• stabilita SM (60 °C)    minimálne 4,0 kN
• medzerovitosť    v rozsahu 20 až 26 %
• odolnosť proti trvalým deformáciám najviac 1,35 mm
• priepustnosť    (0,5 až 3,5).10–3 m3/s

Z konštrukčného hľadiska treba urobiť pod AKD vodonepriepustnú vrstvu, po ktorej odtečie voda do drenážneho systému. Na diaľnici D1 sa položil emulzný mikrokoberec EMKJ s hrúbkou 8 mm a zabezpečil sa postrekom katioaktívnou rýchloštiepnou emulziou v množstve 0,5 kg/m2. Na dobré zhutnenie, a to iba hladkými 10-tonovými valcami, sa starostlivo kontrolovala teplota zmesi. Požado­vaná minimálna miera zhutnenia bola 95 %.

Údržba obrusnej vrstvy z AKD je náročnejšia ako údržba štandardnej obrusnej vrstvy, pretože zanášaním medzier by sa mohla veľmi zmeniť drenážna schopnosť vrstvy. Pravidelne sa kontroluje funkčnosť celého odvodňovacieho systému a na čistenie vrstvy sa používa špeciálny mechanizmus s tlakovou vodou. Počas zimného obdobia sa na posyp nepoužíva inertný materiál, ale podľa vývoja počasia sa preventívne aplikuje postrek soľankou.

Šesťročné obdobie používania vozovky s obrusnou vrstvou AKD hodnotí správca komunikácie pozitívne. Odvedenie zrážkovej vody prispieva k bezpečnosti premávky, pričom hlučnosť povrchu sa znížila najmenej o 4 dB a trvalé deformácie na kryte sa nevytvárali.

Problémy pri zavádzaní nových materiálov a technológií do praxe sa opisujú v príspevku [11], a to v súvislosti s návrhom modernizácie diaľnice D1 v ČR. V projekte rekonštrukcie vozovky sa navrhuje recyklovať po vybúraní cementobetónového krytu podkladovú vrstvu z cementovej stabilizácie na mieste za studena s pridaním cementu. Množstvo cementu sa uvažuje najviac 7 %. Hrúbka vrstvy cementovej stabilizácie (pôvodne SC I) je podľa prieskumu veľmi premenlivá (200 až 300 mm). Konečný návrh podkladovej vrstvy z recyklovanej stabilizácie sa ešte nevytvoril, ale podľa autorky príspevku nie je ani jasné, či treba postupovať podľa ČSN EN 14227 (v SR STN EN 14227-1), alebo podľa TP 208/2009 Recyklace konstrukčních vrstev netuhých vozovek za studena. V prípade prvého predpisu sa posudzuje (hodnotí) pevnosť v tlaku skúšobných telies po 28 dňoch, podľa druhého predpisu sa hodnotí pevnosť skúšobného telesa po siedmich dňoch v priečnom ťahu aj odolnosť zmesi proti účinkom vody a mrazu po 28 dňoch. Rozdielny je aj spôsob zhutňovania skúšobných telies. S cieľom porovnať vlastnosti zmesi recyklovanej cementovej stabilizácie sa v laboratóriu ČVUT vykonal rad laboratórnych skúšok. Ako spojivo použili cement (4 %), ale aj chemickú prísadu RoadCem a asfaltovú emulziu. Prehľad niektorých výsledkov skúšok je v tab. 2. Ako vidieť z prehľadu, pevnosti telies so 4 %-tami cementu sú po 28 dňoch relatívne malé a zmes by bola zaradená do triedy najviac C5/6, a to s prímesou RoadCem. Ďalšie skúšky treba urobiť aj s väčším množstvom cementu.
Dôležité bude obmedzenie zrnitosti rozpojenej cementovej stabilizácie, a to nielen maximálnym zrnom, ale aj medznými čiarami zrnitosti. Z výsledkov laboratórnych skúšok treba odvodiť aj návrhové hodnoty vlastností recyklovanej stabilizácie, ktoré sú potrebné vo výpočtoch vozovky pri jej dimenzovaní.

Tab. 2  Výsledky skúšok telies po 28 dňoch (ČSN EN 14227-1)

TEXT: prof. Ing. Ivan Gschwendt, DrSc.
FOTO: Andrea Zuzulová, DOPRAVOPROJEKT, Cofra – Chemia, Eurovia CS, Strabag

Ivan Gschwendt je emeritný profesor na Stavebnej
fakulte STU v Bratislave.

Literatúra
    Články v Zborníku z XVII. seminára Ivana Poliačka, Bratislava, 22. – 23. november 2012:
  1.    Viskup, P. a kol.: Výstavba cestných komunikácií kategórie D a R s účasťou a. s. Doprastav, s. 26 – 35.
  2.    Bukovinský, S.: Rýchlostná cesta R1 Nitra, západ – Selenec, s. 55 – 63.
  3.    Bednárik, P.: Rýchlostná cesta R1 Selenec – Beladice, s. 20 – 25.
  4.    Gábryš, I.: Rýchlostná cesta R1 Banská Bystrica,
severný obchvat, s. 64 – 69.
  5.    Zuzulová, A.: Možnosti riešenia úpravy podložia pri stavbe vozoviek, s. 183 – 188.
  6.    Hasenovič, J.: Možnosti aplikácie vystužených
horninových konštrukcií, s. 50 – 54.
  7.    Malík, D.: Zakladanie násypov na neúnosnom podloží, s. 43 – 49.
  8.    Druga, J.: Skúsenosti s výrobou a spracovaním mechanicky spevneného kameniva, s. 89 – 93.
  9.    Fiedler, J., Bureš, P., Sýkora, M.: Poznatky ze skoušení únavových vlastností asfaltových směsí, s. 108 – 113.
10.    Kušnier, M.: Vozovka s asfaltovým kobercom drenážnym AKD na D1 v Bratislave, s. 36 – 42.
11.    Formanová, Z.: Předpisy pro skoušení hydraulicky stmelených a recyklovaných směsí, s. 147 – 152.

Článok bol uverejnený v časopise Inžinierske stavby/Inženýrské stavby.