Optimalizácia vybraných oporných a zárubných múrov na diaľnici D1 v úseku Lietavská Lúčka – Višňové

Článok prezentuje optimalizácie návrhu vybraných oporných a zárubných múrov na diaľnici D1 v úseku Lietavská Lúčka – Višňové. V článku sú opísané úpravy na štyroch objektoch múrov, ktoré tvoria šesť samostatných konštrukcií.

Úsek diaľnice D1 Lietavská Lúčka – Višňové je časťou navrhovanej diaľnice D1, ktorá je súčasťou západno-východného dopravného prepojenia Slovenska v úseku Bratislava – Trnava – Trenčín – Žilina – Martin – Poprad – Prešov – Košice – Michalovce – Sobrance – štátna hranica SR/UA. Spolu s úsekom Višňové – Dubná Skala má zabezpečiť prepojenie medzi úsekmi diaľnice D1 Hričovské Podhradie – Lietavská Lúčka a Dubná Skala – Turany. Orientácia trasy tunela Višňové je v osi západ – východ.

Predmetný úsek diaľnice bol rozostavaný v roku 2014. V roku 2019 na ňom bola prerušená výstavba z dôvodov rastúcich nezhôd medzi objednávateľom a zhotoviteľom a po novom súťažnom dialógu bol vybraný nový zhotoviteľ na jeho dostavbu. Obnovenie prác bolo plánované v režime zmluvných podmienok Žltého FIDIC-u. Noví uchádzači o dostavbu daného úseku sa mohli rozhodnúť, či budú akceptovať schválenú projektovú dokumentáciu spracovanú predchádzajúcim zhotoviteľom, alebo pripravia vlastné návrhy výstavby, resp. dostavby jednotlivých stavebných objektov. Počas prác na ponuke do súťažného dialógu sa analyzovali realizované projekčné práce a rozostavanosť jednotlivých objektov oporných a zárubných múrov a pristúpilo sa k rôzne závažným úpravám týchto objektov v závislosti od ich projekčnej rozpracovanosti a rozostavanosti.

V článku sú opísané úpravy na nasledujúcich stavebných objektoch (zoradené od začiatku úseku diaľnice po jeho koniec):
• SO 229-00 Oporné múry v križovatke
Lietavská Lúčka
• SO 226-00 Oporný múr vľavo, km 3,656
– 3,770
• SO 227-00 Oporný múr v strede diaľnice, km 3,656 – 4,136
• SO 228-00 Oporný múr vľavo, km 3,947
– 4,136

SO 229-00 Oporné múry v križovatke Lietavská Lúčka

Križovatka Lietavská Lúčka na diaľnici D1 je situovaná v nestabilnom geologickom prostredí poznačenom starými aj novšími zosuvmi. V rámci objektu SO 229-00 sú zaradené dve samostatné konštrukcie múrov, a to zárubný múr na križovatkovej vetve V1 (zjazd z D1 v smere od Martina do Žiliny) a zárubný múr na vetve V8 (výjazd z privádzača zo smeru od Rajca na D1 v smere na Bratislavu) obr. 1.

Oba zárubné múry tvoria pilótové steny kotvené horninovými kotvami v max. troch úrovniach. Zo štyroch stavených objektov, ktoré sú predmetom tohto príspevku, bol tento stavebný objekt ako jediný rozostavaný pôvodným zhotoviteľom.
Geologické prostredie v lokalite múrov tvoria ílovce v rôznom stupni zvetrania a íly.

SO 229-00 Vetva V1 – pôvodné technické riešenie

Vetva križovatky V1 je situovaná v záreze hlbokom max. 16 m. Problémový je najmä úsek vetvy V1 od km 0,11 až po km 0,30, kde sú identifikované zosuvy. Na zabezpečenie stability územia a samotného zárezu sú pri vetve navrhnuté múry z kotvených pilótových stien, ktoré pretínajú šmykové plochy zosuvov.

Oporný múr na vetve V1 v križovatke Lietavská Lúčka kopíruje v prevažnej dĺžke smerové vedenie tejto vetvy. Úsek sa začína v km 0,11 vetvy a až po km 0,30 kopíruje jej tvar, ktorý je v zloženom oblúku s polomerom 550 m a 1 000 m. V úseku km 0,300 až km 0,410 kopíruje tvar vetvy, ktorá je v zloženom oblúku s polomerom 150 m. Od km 0,410 vetvy sa múr odkláňa oblúkom s polomerom 40 m, aby sa pripojil na oporu č. 1 mosta SO 211-00.

V tomto úseku medzi vetvou V1 a oporným múrom je situovaný kužeľ, ktorého povrch bude spevnený ako svah pod mostom pri opore č. 1. Celková dĺžka múru meraná v osi veľkopriemerových pilót je 327,21 m. Od krajnej vodiacej čiary vetvy, pri kopírovaní tvaru vetvy, je múr vzdialený približne 6,95 až 18,6 m. Dĺžky pilót sú v rozmedzí od 12 do 18 m, priemer pilót je 0,9 m a osová vzdialenosť 1,3 m. Navrhnuté kotvy sú 4-lanové, s dĺžkou od 26 do 32 m.

Predchádzajúci zhotoviteľ rozostaval objekt na 51 %. Zrealizované boli všetky pôvodne plánované pilóty, všetky rímsy a časť kotevných prahov a kotiev hornej kotevnej úrovne.

Jednotlivé úrovne kotevných prahov boli navrhnuté ako plynule sledujúce korunu zárubného múra (obr. 2). Povrchová úprava medzi kotevnými prahmi bola navrhnutá z veľkoplošných staveniskových betónových prefabrikátov s lícom z lomového kameňa.

Počas výstavby bol v záverečnom úseku zárubného múra na vetve V1 aktivovaný svahový zosuv pred zrealizovanou pilótovou stenou. Zosuv, ktorý dostal označenie ZK-3 (obr. 3), vznikol 23. 9. 2018 ako dôsledok extrémnych zrážok a výkopov v trase privádzača. Mal rozmery 80 × 40 m, jeho odlučná oblasť siahala až k pilótovej stene SO 229-00 (vetva V1 – km 0,37 – 0,42) a čelo bolo natlačené na trasu privádzača v km 2,24 – 2,3. Územie, v ktorom zosuv vznikol, nebolo pritom dovtedy hodnotené ako zosuvné v žiadnom prieskume.

Zosuv postihol svah pod neprikotvenou pilótovou stenou. Oddelenie zeminy od pilótovej steny zosuvom mohlo vyvolať jej naklápanie smerom po svahu. Provizórna sanácia zosuvu spočívala v okamžitom prisypaní čela zosuvu prísypom z hrubého kameniva. Následne sa vykonalo provizórne prikotvenie hornej časti pilótovej steny, neskôr sa znížil terén po úroveň prvého kotevného svahu a realizoval sa prvý kotevný prah. Zostrojil sa IG profil, ktorý vedie na okraji zosuvu ZK-3.

Využili sa pritom zrealizované vrty JPN-06, JPN-07 a JPN-09 a aj inklinometrický vrt INK-Z1. Zo zostrojeného IG profilu vyplynulo, že v svahu pravdepodobne existoval starý (fosílny) zosuv, ktorý bol prerušený pilótovou stenou SO 229-00 na vetve V1. Preto po výkopoch v trase privádzača došlo k pohybu čela uvedeného zosuvu iba pred pilótovou stenou. Šmyková plocha zosuvu ZK-3 sa podľa vrtu JPN-07 predpokladá v hĺbke približne 4,6 m a prebieha pravdepodobne na kontakte eluviálnych sedimentov a paleogénneho podložia. Ostatný priebeh šmykovej plochy bol interpretovaný z vrtov INK-Z1 a JPN-09. Šmyková plocha má polygonálny tvar.

SO 229-00 Vetva V1  – optimalizácia technického riešenia

V rámci optimalizácie dostavby zárubného múru na vetve V1 boli v projektovej dokumentácii vykonané nasledujúce zmeny:
1) Obklad z veľkoplošných staveniskových prefabrikátov bol nahradený obkladom z maloformátových betónových tvárnic. Medzi rímsou a vrchnou kotevnou úrovňou realizovanou predchádzajúcim zhotoviteľom bol navrhnutý obklad prostým betónom.
2) Na kotevných úrovniach, ktoré predchádzajúci zhotoviteľ nezrealizoval, boli optimalizované tvar a vystuženie kotevných prahov (obr. 4).
3) Na kotevných úrovniach, ktoré predchádzajúci zhotoviteľ nezrealizoval, boli optimalizované počty kotiev a ich dĺžka, pričom sa dosiahla úspora približne 15 až 20 %.
4) Oceľové zábradlie v korune múru sa nahradilo kompozitným, takže odpadla nutnosť realizácie ochrany proti atmosférickému prepätiu.
5) V rámci optimalizácie sa musela preveriť časť múru v oblasti zosuvu ZK-3, ktorá sa v rámci pôvodného projektu nepreverovala.

SO 229-00 Vetva V1 – úprava návrhu zárubného múru v oblasti zosuvu ZK-3

Na základe dodatočných prieskumných prác po aktivácii zosuvu ZK-3 boli stanovené priebeh šmykovej plochy a parametre šmykovej pevnosti na tejto ploche. Po zavedení týchto nových okrajových podmienok do statického výpočtu sa zistilo, že pôvodný návrh zabezpečenia zárezu v tomto úseku je nevyhovujúci. Dôvodom bola príliš malá hĺbka pilót (15 m), ktorá nebola dostatočná na zakotvenie päty pilót do kvalitnejšieho horninového prostredia. Výpočet po zohľadnení zosuvu ZK-3 poukazoval na nestabilitu pilótovej steny po celej výške po odkopaní na projektovanú úroveň, a to bez ohľadu na akékoľvek možné úpravy kotevného systému.

Ako riešenie vzniknutej situácie sa ukázalo doplnenie druhej úrovne pilót pred realizovanú pilótovú stenu na dĺžke približne 50 m (obr. 5 a 6). Koruna tejto druhej úrovne pilót bola navrhnutá približne 9 m pod korunou realizovanej pilótovej steny. Navrhnutá bola dĺžka pilót 13 m, priemer a osová vzdialenosť pilót boli zvolené rovnako ako pri realizovanej pilótovej stene. Vŕtanie pilót sa navrhlo v predstihu z priestoru druhej kotevnej úrovne cez hluché vrty s dĺžkou cca 4 m. V korune druhej úrovne pilót sa navrhla dodatočná kotevná úroveň cez kotevné prahy opreté o realizované pilóty, čím sa zabezpečuje spolupôsobenie oboch pilótových stien.

SO 229-00 Vetva V8 – pôvodné technické riešenie

Vetva križovatky V8 je situovaná v záreze s hĺbkou do 14 m. Na zabezpečenie stability územia a samotného zárezu sú pri vetve navrhnuté múry z kotvených pilótových stien.
Oporný múr na vetve V8 v križovatke Lietavská Lúčka kopíruje v celej dĺžke smerové vedenie vetvy. Úsek sa začína v km 0,101 vetvy V8 a končí v km 0,254 tejto vetvy. Celková dĺžka múru meraná v osi veľkopriemerových pilót je 180,15 m. Dĺžky pilót sú navrhnuté v rozmedzí od 11 do 21 m, priemer pilót je 0,9 m a osová vzdialenosť 1,3 m. Navrhnuté sú 4-lanové a 6-lanové kotvy s dĺžkou od 25 do 33 m.
Predchádzajúci zhotoviteľ rozostaval objekt na 51 % – zrealizované boli všetky pilóty a rímsy.

Jednotlivé úrovne kotevných prahov boli navrhnuté ako plynulo sledujúce korunu zárubného múra. Povrchová úprava medzi kotevnými prahmi bola navrhnutá z veľkoplošných staveniskových betónových prefabrikátov s lícom z lomového kameňa.

SO 229-00 Vetva V8 – optimalizácia technického riešenia

V rámci optimalizácie dostavby zárubného múru na vetve V8 sa v projektovej dokumentácii vykonali nasledujúce zmeny:
1) Obklad z veľkoplošných staveniskových prefabrikátov bol nahradený obkladom z maloformátových betónových tvárnic.
2) Tvar a vystuženie kotevných prahov boli optimalizované.
3) Počet kotiev a ich dĺžka boli optimalizované z 238 na 130, resp. z 6 512 na 3 830 m.
4) Oceľové zábradlie v korune múru sa nahradilo kompozitným – odpadla nutnosť realizácie ochrany proti atmosférickému prepätiu.

SO 226-00, SO 227-00, SO 228-00

Ide o SO 226-00 Oporný múr vľavo, km 3,656 – 3,770, SO 227-00 Oporný múr v strede diaľnice, km 3,656 – 4,136 a SO 228-00 Oporný múr vľavo, km 3,947 – 4,136.
Oporné múry SO 226-00, SO 227-00 a SO 228-00 sú oporné konštrukcie násypu zemného telesa diaľnice D1 v záverečnej časti úseku Lietavská Lúčka – Višňové, priamo nad obcou Višňové. Oporný múr SO 226-00 sa nachádza medzi mostnými objektmi SO 203-00 a SO 205-00 a podopiera ľavú stranu ľavého jazdného pásu diaľnice D1. Oporný múr SO 228-00 sa nachádza medzi mostnými objektmi SO 205-00 a SO 204-00 a podopiera ľavú stranu ľavého jazdného pásu diaľnice D1. Oporný múr SO 227-00 je stredový oporný múr, ktorý zabezpečuje výškovo rozdielne vedené jazdné pásy diaľnice D1 v súbehu s opornými múrmi SO 226-00 a SO 228-00, a tvoria ho dve samostatné konštrukcie situované medzi rovnakými mostnými objektmi – ako oporné múry SO 226-00 a SO 228-00.

Horninový masív je budovaný zvetranými a tektonicky porušenými horninami paleogénu v zastúpení ílovca, siltovca a pieskovca. Siltovce a pieskovce tvoria v súvrství pevnejšie a často zdravé polohy. Hladina podzemnej vody bola v úrovni 3 až 4 m pod terénom a miestami mala napätý charakter.

Pôvodné technické riešenie SO 226-00

Oporný múr je situovaný rovnobežne s osou diaľnice. Konštrukciu mal tvoriť gravitačný uholníkový železobetónový oporný múr kotvený šikmými zemnými kotvami, ktoré mali eliminovať vodorovné zaťaženie múru. Z dôvodu málo únosného podložia počítal návrh so zakladaním múru na zvislých mikropilótach. Z dôvodu napätej hladiny podzemnej vody, ktorá vystupovala až na terén, sa na zníženie tejto hladiny navrhol vejár odvodňovacích vrtov s dĺžkou 78 až 120 m a s priemerom 137 mm.

Dĺžka múru je 103,4 m a celková výška múru (od základovej škáry) je od 4,5 do 7,2 m. Objekt nemal schválenú dokumentáciu v stupni DRS a nebol rozostavaný s výnimkou odvodňovacích vrtov, ktoré boli zrealizované a ich vplyv na zníženie HPV bol zdokumentovaný.

SO 227-00

Diaľnica D1 Lietavská Lúčka – Višňové – Dubná Skala od km 3,434 až po km 4,44 je navrhnutá s rozdielnym výškovým vedením jazdných pásov. Pravý jazdný pás stúpa v sklone +4,0 %, ľavý jazdný pás +4,5 %. Rozdielne výškové vedenie pásov diaľnice je aj na mostoch SO 203-00 Most na D1 nad údolím a cestou III/01889, SO 204-00 Most na D1 nad údolím v km 4,313 a 205-00 Most na D1 v km 3,863. Medzi mostmi je diaľnica na násypoch s rozdielnymi výškami pre jednotlivé pásy. Rozdiel medzi násypmi jednotlivých pásov zabezpečuje gravitačný oporný múr SO 227-00, ktorý pozostáva z dvoch úsekov:
• Úsek medzi mostmi 203-00 Most na D1 nad údolím a cestou III/01889 a 205-00 Most na D1 v km 3,863, ktorý má v líci oporného múru (riadiaca čiara) dĺžku 102,546 m.
• Úsek medzi mostmi 205-00 Most na D1 v km 3,863 a 204-00 Most na D1 nad údolím v km 4,313, ktorý má v líci oporného múru (riadiaca čiara) dĺžku 201,992 m.

Výška múru sa mení podľa nivelety jednotlivých pásov diaľnice. Oporný múr zabezpečuje vždy pravý pás diaľnice. Konce múru oboch úsekov sú prirazené k oporám jednotlivých mostov.

Konštrukciu mal tvoriť gravitačný uholníkový železobetónový oporný múr kotvený šikmými zemnými kotvami, ktoré mali eliminovať vodorovné zaťaženie múru. Z dôvodu málo únosného podložia počítal návrh so zakladaním múru na zvislých mikropilótach.
Objekt nemal schválenú dokumentáciu v stupni DRS a nebol rozostavaný.

SO 228-00

Oporný múr je situovaný rovnobežne s osou diaľnice. Konštrukciu mal tvoriť gravitačný uholníkový železobetónový oporný múr založený na veľkopriemerových pilótach a kotvený šikmými zemnými lanovými kotvami, ktoré mali slúžiť na zabezpečenie globálnej stability územia (obr. 7). Na zvýšenie stability územia bol z dôvodu vysokej hladiny podzemnej vody v rámci SO 101-00 navrhnutý systém odvodňovacích vrtov.

Dĺžka múru je 103,4 m, celková výška od základovej škáry je od 5,4 do 9,3 m.
Objekt nemal schválenú dokumentáciu v stupni DRS a nebol rozostavaný. V rámci SO 101-00 boli zrealizované odvodňovacie vrty a ich vplyv na zníženie HPV bol zdokumentovaný.

SO 226-00, SO 227-00 a SO 228-00 – optimalizácia technického riešenia

Pre objekty oporných múrov SO 226-00, SO 227-00 a SO 228-00 bol zvolený rovnaký spôsob optimalizácie. Pôvodne navrhnuté železobetónové, hĺbkovo založené múry boli nahradené vystuženými zemnými konštrukciami so zvislým lícom, založenými plošne (obr. 8). Toto riešenie má oproti pôvodnému návrhu nasledujúce výhody:
1) Prenos napätí do základovej škáry je rovnomernejší a efektívnejší, vďaka čomu bolo možné eliminovať hĺbkové zakladanie a kotvenie.
2) Významne sa zredukoval objem mokrých procesov pri výstavbe.
3) Pod opornými múrmi bola navrhnutá plošná výmena podložia pre jeho homogenizáciu, čo zefektívnilo využitie výrubu z tunela Višňové.
4) Vplyv realizácie odvodňovacích vrtov sa ukázal omnoho väčší, ako sa uvažovalo pri pôvodnom návrhu, čo prinieslo zefektívnenie nového návrhu. Zníženie HPV bolo v predmetnom území dlhodobo (2016 – 2020) zdokumentované na úroveň 10 m pod terénom a nižšie, v závislosti od konkrétneho HG vrtu, čo znamená, že HPV bola znížená pod úroveň predpokladaných šmykových plôch, čím sa dosiahlo významné zlepšenie stabilitných pomerov v danom území.

Ako sme už vyššie spomenuli, pri všetkých troch múroch bola navrhnutá výmena podložia v hrúbke 1 až 2 m (v závislosti od miestnych IG pomerov) za štrkovitý materiál z výrubu z tunela Višňové. Táto výmena podložia slúži zároveň na drénovanie priesakových vôd z telesa diaľnice.

Hĺbkové založenie zostalo vo významne redukovanej forme iba na časti objektu SO 228-00 na zabezpečenie vonkajšej stability vystuženej zemnej konštrukcie. Na zabezpečenie globálnej stability územia po realizácii odvodňovacích vrtov nebolo hĺbkové založenie v pôvodnom rozsahu potrebné.

Samotnú vystuženú zemnú konštrukciu tvorí systém MacWall od dodávateľa Maccaferri. Lícové opevnenie tvoria duté betónové tvarovky s rozmermi – dĺžka 400 mm, výška 200 mm a šírka 300 mm. Násyp je vystužený geomrežami MacGRID WG8. Na zlepšenie roznosu zaťaženia od vystuženej zemnej konštrukcie do podložia je v niektorých úsekoch výmeny podložia umiestnená dvojica výstužných geomreží.
V korune násypu je umiestnená samonosná monolitická železobetónová rímsa, do ktorej budú zakotvené stĺpiky zvodidiel a PHS. Celková šírka rímsy je 3 500 mm, výška maximálne 1 347 mm (v mieste prechodových dosiek na koncoch múra 2 022 mm), pričom horná časť rímsy má šírku 2 000 mm. Rímsa zasahuje 1 500 mm pred líce zvodidla pod priľahlý jazdný pás pod pláňou vozovky. V čele rímsy je s funkciou strateného debnenia osadený mostný rímsový prefabrikát. Kotevný blok rímsy bude spolupôsobiť s priľahlým cestným telesom pomocou dvoch vrstiev vysokopevnostnej geomreže Paralink 300 s dĺžkou 6 m, ktoré budú upevnené k výstuži kotevného bloku.

Záver

Výmena hlavného zhotoviteľa stavby pri veľkých infraštruktúrnych projektoch je na Slovensku zriedkavý jav. Jedným z najdôležitejších parametrov pri výbere nového zhotoviteľa pri výstavbe diaľničného úseku D1 Lietavská Lúčka – Višňové – Dubná Skala bola cena realizovaného diela. Aj na príkladoch uvedených v tomto článku sa ukázalo, že často je možné navrhnúť konštrukcie optimálnejšie a s nižšími investičnými nákladmi, a to aj bez významnejších negatívnych vplyvov na bezpečnosť a životnosť diela.

V dnešných ekonomicky náročných časoch by sa mal klásť väčší dôraz na používanie efektívnejších konštrukcií, ktoré majú mnohokrát aj menšie negatívne dosahy na okolité prostredie. Bohužiaľ, investori sa často prikláňajú k použitiu menej efektívnych riešení iba z toho dôvodu, že s efektívnejšími riešeniami má skúsenosť menej zhotoviteľov. Kvalita výstavby je aj preto pri takýchto dielach problematická, čo ale často nie je dôsledok chyby projektu (aj keď sa nájde dosť aj takých prípadov), ale snahy zhotoviteľov šetriť na nesprávnych miestach, prípadne dôsledok nedostatočnej kontroly zo strany stavebného dozoru.

Ďalšie mimoriadne dôležité faktory pri návrhu optimálnejších riešení predstavujú čas, ktorý má projektant k dispozícii na projektovanie, a spoľahlivosť vstupov pri návrhu konštrukcií. Mnohokrát projektant nemá k dispozícii dostatok času na projektovanie konkrétneho diela, preto navrhne masívnejšiu a drahšiu konštrukciu. Spoľahlivosť vstupov pri návrhu konštrukcií býva tiež častým problémom vzhľadom na to, že výsledky geotechnických prieskumov bývajú k dispozícii až v záverečných fázach projektovania, územie je len riedko preskúmané a možný rozptyl parametrov vstupujúcich do návrhu je často priveľký.

V záujme celej spoločnosti je veriť, že v budúcnosti sa podarí vo výstavbe presadiť modernejšie a efektívnejšie konštrukcie tak, ako je to opísané aj v tomto príspevku.

TEXT: Ján Boltvan
OBRÁZKY: Amberg Engineering
Slovakia, s. r. o.
.
Ján Boltvan pôsobí v spoločnosti Amberg Engineering Slovakia, s. r. o., pracovisko Banská Bystrica.

Literatúra
Kopecký, M.: Stabilita horninového prostredia v oblasti povrchovej trasy D1 k máju 2021. Porovnanie so stavom k decembru 2018, D1 Diaľnica Lietavská Lúčka – Višňové – Dubná skala, inžinierskogeologická správa, str. 10, 2021.