Práce na východnom portáli tunela Milochov

Portály sú v prípade železničných tunelov nevyhnutnou súčasťou stavebného diela. Majú architektonickú, statickú a obslužnú funkciu tunelovej stavby a sú výzvou pre odbornosť projektanta a schopnosti realizačnej firmy.

Úlohou projektanta je pritom nájsť riešenie, ktoré vyhovuje bezpečnostným, ekonomickým a estetickým požiadavkám projektu. Tento článok opisuje hĺbenie, zabezpečovanie a konečné stvárnenie východného portálu tunela Milochov práve z pohľadu projektanta

Štátna spoločnosť Železnice Slovenskej republiky odovzdala v septembri 2016 na dobu 40 mesiacov stavenisko víťaznému konzorciu realizačných firiem – združeniu Nimnica –, ktoré čakala technicky veľmi náročná úloha. Na úseku s dĺžkou približne 16 km sa nachádza 351 stavebných objektov a 154 prevádzkových súborov.

Umelé objekty, či už ide o mostné konštrukcie, ako je napríklad najdlhší železničný most na Slovensku, alebo o dvojicu tunelov Diel a Milochov, tvoria veľkú časť trasy. Príprava a výstavba práve druhého z menovaných tunelov predstavovala pre zhotoviteľov stavby nepríjemné prekvapenia už v čase, kedy nebol vyrazený ani jeden meter tunela. Článok pojednáva o problémoch aj riešeniach a technických výzvach v súvislosti s jeho portálovými oblasťami.

Hlavným cieľom modernizácie železníc je zvýšenie traťovej rýchlosti do 160 km/h (vrátane), a to v čo najdlhších úsekoch. Trasa medzi Púchovom a Považskou Teplou zostáva jediným úsekom medzi Bratislavou a Žilinou, ktorý zatiaľ nespĺňa požadované parametre. Nový tunel Milochov je situovaný južne od mesta Považská Bystrica, v mestskej časti Milochov.

Stavba slúži na preklenutie úpätia vrchu Stavná. Tunel je navrhovaný ako jednorúrový, dvojkoľajný, s osovou vzdialenosťou koľají 4,2 m. Počíta sa s návrhovou rýchlosťou 160 km/h, výhľadovo 200 km/h. Tunel je vybavený jednou únikovou štôlňou s dĺžkou 263,0 m, pričom celková dĺžka tunela je 1861,0 m. Pred prerazením tunela, jeho vybavením a uvedením do prevádzky však bolo nutné vybudovať oba tunelové portály.

Inžiniersko-geologické zhodnotenie

Objekt východného portálu je situovaný bližšie k mestu Považská Bystrica. Slúži na začiatok raziacich prác a vybudovanie hĺbenej časti tunela. Z geologického hľadiska je skladba v oblasti tohto portálu komplikovaná. Na základe prieskumných prác možno konštatovať, že portálový zárez je umiestnený do rozsiahleho zosuvu. Sklon svahu na čelnej strane je približne 35°. Vrtné práce odhalili neočakávane mocné vrstvy deluviálnych sedimentov vo forme ílov a sute.

V minulosti tu boli antropogénnou činnosťou aktivované svahové pohyby a oblasť bola pred začiatkom budovania zárezu na hranici stability. Najrozšírenejšou kvartérnou vrstvou je kamenito-ílovitá a ílovito-kamenitá suť (G5/CG, F2/CG, F6/ CI).

Predkvartérnu frakciu zastupuje súvrstvie ílovcov a slieňovcov. Prechod medzi kvartérnym pokryvom a podložnými mezozoickými horninami je charakteristický prechodovou Východný portál tunela Milochov Portály sú v prípade železničných tunelov nevyhnutnou súčasťou stavebného diela. Majú architektonickú, statickú a obslužnú funkciu tunelovej stavby a sú výzvou pre odbornosť projektanta a schopnosti realizačnej firmy.

Úlohou projektanta je pritom nájsť riešenie, ktoré vyhovuje bezpečnostným, ekonomickým a estetickým požiadavkám projektu. Tento článok opisuje hĺbenie, zabezpečovanie a konečné stvárnenie východného portálu tunela Milochov práve z pohľadu projektanta. zónou (elúvium), ktorú tvoria rozložené ílovce a slieňovce charakteru zemín.

Na mnohých miestach je táto zóna zahrnutá do zosuvnej časti územia a tvorí bazálnu šmykovú plochu. Samotný masív je rozvoľnený s puklinami vyplnenými ílovitým a piesčitým materiálom

Prípravné práce

Stavebné práce v oblasti východného portálu sa začali demoláciou existujúcich rodinných domov, ktoré sa vyskytovali v priestore budúcej trasy tunela, resp. v bezprostrednom dosahu poklesovej kotliny a raziacej činnosti. Po nevyhnutnej asanácii objektov sa pristúpilo k hrubej úprave terénu a následnému zhotoveniu a osadeniu vybavenia pre geotechnický monitoring. Následne sa začala v smere staničenia realizovať pravá portálová stena

Pravá portálová stena

Konštrukcia pravej steny s celkovou dĺžkou 70 m je v úseku s dĺžkou približne 40 m riešená ako dvojetážová stena s kombinovaným spôsobom zaistenia stability. Horná etáž je zvislá, stabilizovaná záporovým pažením votknutým do vrstvy mezozoických hornín do hĺbky min. 3,0 m. Ako zápory sú použité oceľové nosníky profilov HEB 220 až HEB 280 s dĺžkou od 4,0 do 14,0 m.

Po celej výške votknutia je realizovaný betónový pilier s priemerom 0,62 m. Jednotlivé zápory sú osadené v osovej vzdialenosti od 1,75 do 2,0 m a sú doplnené horninovými kotvami. Kotvy sú osádzané v dvoch až štyroch úrovniach v závislosti od výšky pažiacej konštrukcie.

Spolu je osadených 58 ks horninových kotiev s dĺžkou od 16,0 do 24,0 m, dĺžky niektorých kotiev bolo potrebné operatívne upravovať na základe analýzy vrtného výnosu. Tieto kotvy boli predĺžené tak, aby ich koreňová časť pôsobila v pevných mezozoických horninách. Vrty sa realizovali v sklone 18° a po inštalácii lán a zainjektovaní koreňa sa do kotiev vniesli sily od 300 do 650 kN.

Roznos zaťaženia medzi kotvami a záporovým pažením je zabezpečený oceľovými roznášacími profilmi. Proti vypadávaniu zeminy spomedzi zápor sú použité drevené hranené pažiny, v spodnej časti stavebnej jamy so zvýšeným zemným tlakom je použitý striekaný betón vystužený kari sieťami. Na hornú záporovú stenu nadväzuje dolná časť, ktorá je riešená ako klincovaná zemina. Obe časti oddeľuje lavica so šírkou 1,5 m. Po deliacej lavici je svah upravený na sklon 1 : 1,5 m.

Na takto upravený povrch sú aplikované klince v rastri 1,5 × 1,5 m, ktoré sú osádzané do vrtov kolmých na upravený svah. Dĺžka klincov je 3,5 m. Klincovaný svah je doplnený jedným radom lanových kotiev s parametrami l = 14 m, P0 = 400 kN a α = 11°, pričom l je celková dĺžka kotvy, P0 je predpínacia sila a α je sklon kotvy od horizontálnej roviny.

Ľavá portálová stena

Podobným spôsobom ako na pravej portálovej stene je stabilita zaistená aj na ľavom portálovom svahu. Záporové paženie tu pôdorysne kopíruje os trate vo vzdialenosti približne 6,0 m od portálovej steny. Následne pokračuje kolmo na trať v dĺžke približne 10,6 m.

Zápory z oceľových profilov HEB 220 a HEB 280 sú osadené do vrtov s priemerom 0,62 m v osovej vzdialenosti 1,5 a 2,0 m. Zápory ukladané rovnobežne s budúcou traťou sú doplnené štyrmi horninovými kotvami s dĺžkami 16,0 a 24,0 m, uloženými v sklone 18°. Predpínacie sily mali veľkosti 200 a 250 kN. Zaistenie ľavej steny portálovej jamy je v korune záporovej steny doplnené stužujúcou konštrukciou, ktorú tvoria oceľové profily HEB 280 s tiahlom s rovnakým prierezom.

Portálová časť stavebnej jamy

Najväčšie prekvapenia však skrývala portálová časť stavebnej jamy, ktorú tvorí klincovaná zemina v kombinácii s lanovými kotvami. Bola navrhnutá v sklone 5 : 1 a zaistená striekaným betónom. V pôvodnom projekte sa v 1. etáži nachádzalo 6 ks lanových kotiev s dĺžkou 25 m v osovej vzdialenosti 3,0 m a v sklone 5° od horizontálnej roviny.

Po zainjektovaní 8 m dlhej koreňovej časti kotiev však nebolo možné dosiahnuť projektovanú predpínaciu silu s veľkosťou 500 kN z dôvodu veľmi nevhodnej geológie v podobe plastických ílov v oblasti kotevných koreňov. Pri pokusoch o predopnutie sa koreň z horninového prostredia vyťahoval.

Operatívne bolo navrhnuté rozsiahle zlepšenie koreňového prostredia metódou horizontálnej tryskovej injektáže v kombinácii s doplňujúcimi zaisťovacími prostriedkami. Použila sa cementová injektážna zmes s objemovou hmotnosťou γ = 1,51 kg/dm3 , ktorá pozostáva zo 756 kg cementu a z rovnakého podielu vody. Predpokladaná pevnosť výsledného geokompozitu je minimálne 3,5 MPa. Injektáž sa realizovala postupne v etážach a v celkovo šiestich injektážnych úrovniach.

Cieľom bolo vytvoriť kompaktné prostredie s vhodnými vlastnosťami pre požadované predopnutie lanových kotiev. Injektážou sa navrhlo vytvoriť tvar obráteného písmena „U“ na podporu budúceho razenia tunelovej rúry. Okrem injektáže sa pôvodný rad kotiev doplnil o 4 ks horninových kotiev s rovnakými parametrami a odklonom 0° od horizontálnej roviny.

Podobne ako pôvodné kotvy, aj dodatočné zabezpečenie prenáša účinky kotevných síl cez železobetónové roznášacie prahy. Zlepšenie prostredia sa ukázalo byť účinné a pri postupnom cykle odťažovania, injektáže a ďalších dvoch kotevných úrovniach bola portálová stena prehĺbená až na projektované dno stavebnej jamy.

Príprava na razenie

Doplnkový prieskum realizovaný v oblasti východného portálu ukázal, že geologické podmienky na razenie podzemného diela sú veľmi nevhodné. Vznikli obavy o stabilitu tunelovej rúry a bezpečnosť pracovníkov na čelbe.

Operatívne sa preto zaviedli dodatočné opatrenia na zvýšenie bezpečnosti. Jedným z prvých bolo doplnenie pôvodného mikropilótového dáždnika (39 ks MP, TR88, 9 × 6,3 mm, dĺžka 15 m) o ďalších 60 ks mikropilót. Tým sa klenba vytvorená oceľovými rúrami predĺži na obe strany tak, že bude zasahovať do tzv. sloních nôh.

Následne sa do priestoru budúceho tunela inštalovali dodatočné sklolaminátové kotevné tyče na zvýšenie stability čelby počas raziacich prác. Azda najväčším zásahom do pôvodného projektu bol vznik úplne novej vystrojovacej triedy s vertikálnym členením kaloty a s plnohodnotnou protiklenbou na rozhraní kaloty a stupňa. Po realizovaní všetkých opatrení bolo možné začať raziacu činnosť.

Zakladanie hĺbeného tunela

Geologické problémy sa neprestali v lokalite východného portálu objavovať ani počas realizácie hĺbeného tunela. Na základe výsledkov z doplnkových skúšok dynamickej penetrácie a interpretácie archívnych prieskumných diel boli v priestore hĺbeného tunela Milochov identifikované oblasti neúnosného podložia tvoreného náplavovými sedimentmi (F4/CS – S5/SC).

Ďalej sa zistila približná hĺbka a priebeh únosného podložia (R1 – R3) a identifikovala prechodová vrstva, tvorená silno zvetranými ílovcami (R6 (G5/GC – G3/GF). Rovnako sa zistila vysoká hladina podzemnej vody, ktorá sa nachádzala tesne pod upraveným terénom. Vzhľadom na nedostatočnú únosnosť podložia bolo nutné prehodnotiť zakladanie hĺbenej časti tunela.

Zhotoviteľovi a stavebnému dozoru boli predložené alternatívy zakladania, a to založenie základovej dosky na mikropiótach, založenie základovej dosky s výmenou podložia, zmena tvaru základovej dosky na klenbový tvar a založenie základovej dosky na betónovom bloku. Medzi hlavné kritériá zhodnotenia jednotlivých riešení patrili hlavne vplyv podzemnej vody, ekonomická náročnosť a postup výstavby vzhľadom na procesy celej výstavby tunelového diela.

Samotná úprava dosky na protiklenbu bola zo statického hľadiska nevyhovujúca, resp. únosnosť podložia sa prejavila ako nedostatočná. Pri zachovaní pôvodného tvaru základovej dosky a pri uvažovaní výmeny podložia za sypaný podkladový materiál je najväčšou výhodou priaznivá cena, no v tomto prípade by bolo nutné zabrániť prúdeniu podzemnej vody a postupnej degradácii podložia. Z hľadiska prúdenia podzemnej vody sú pozitívne riešenia s mikropilótovým základom a betónovým blokom.

Z týchto dvoch riešení je na základe ekonomického porovnania priaznivejšie riešenie s výmenou neúnosného podložia za betónový blok. Na základe uvedeného sa teda vybrala výmena podložia za betón triedy C12/15. Hrúbka vrstvy vymeneného podložia bola premenlivá – od 0,5 m pri začiatku razeného tunela až po približne 2,0 m pod portálovým blokom.

Cieľom výmeny bolo vybudovať betónovú dosku, ktorá bude svojou spodnou častou ležať na podložných horninách, čo sa zhotoviteľovi stavby podarilo. Postup realizácie bol rozdelený na etapy tak, aby bol zachovaný prístup stavebnej techniky do tunelovej rúry.

Záver

Tunelové portály sú nevyhnutnou súčasťou každej tunelovej stavby a ich vybudovanie je nemenej náročnou úlohou ako samotný raziaci cyklus. V čase vzniku článku je východný portál tunela Milochov na prahu dokončenia a zostáva realizovať len konečné terénne úpravy.

Zrealizovaná je už značná časť stavby a za doteraz vykonanú náročnú prácu patrí uznanie tímu odborníkov a pracovníkov, ktorí svojou profesionalitou a nasadením posúvajú celé stavebné dielo vpred.

Autor je projektant úseku geotechniky a tunelov v spoločnosti REMING Consult, a. s.

Článok bol publikovaný v časopise Inžinierske stavby 04/2021.