Razenie tunelov v tlačivých a napúčavých horninách

Projekty dlhých bázových tunelov pod Alpami z Francúzska do Talianska, z Rakúska do Talianska a vo Švajčiarsku pritiahli väčšiu pozornosť­ na problematiku razenia v tlačivých horninách. V tuneloch razených zónami tlačivých hornín sa objavujú väčšie deformácie, ktoré môžu vyžadovať bezodkladnú rekonštrukciu profilu razeného diela.

Odpor ostenia tunela proti konvergencii vyvoláva veľké horninové tlaky, ktoré môžu prekonať únosnosť ostenia. Ďalším problémom vo výstavbe tunelov sú horniny obsahujúce ílovité minerály a anhydrit, ktoré sa prejavujú zväčšovaním svojho objemu spôsobeným absorpciou vody, tzv. napúčaním horniny. I keď sa procesy prebiehajúce v okolí tunela v tlačivých a v napúčavých horninách od seba podstatne líšia, majú jednu spoločnú črtu: s narastaním deformácie klesá horninový tlak.

Tento článok sprostredkúva skúsenosti s využitím prvkov hiDCon z vysoko deformovateľného betónu v niektorých tuneloch. V tlačivých horninách sa využívajú prvky tvaru kvádra, ktoré sa inštalujú pozdĺžne na povrch výrubu, pričom sa začleňujú do ostenia tunela po aplikácii striekaného betónu. Ak je ostenie vystavené radiálnym horninovým tlakom definovanej hodnoty, normálová sila v ostení spôsobí, že prvky hiDCon sa tlaku poddávajú, čím zabránia prílišnému namáhaniu striekaného betónu.

Prvky hiDCon sú schopné poddávať sa vopred zvolenej hladine namáhania (od 2 do 20 MPa) pri ich stlačení až na 50 %. V silne napúčavých horninách sa využíva nová koncepcia pod názvom modulárna poddajná výstuž, ktorá sa dokáže vyrovnať s prítomnými vysokými tlakmi. Stlačiteľné betónové prvky vysokej únosnosti sa umiestňujú medzi konštrukciu a horninu.

Táto metóda umožňuje na jednej strane redukciu napúčavých tlakov na vopred definovanú maximálnu hodnotu, na druhej strane je výmena týchto prvkov možná kedykoľvek bez obmedzenia prevádzky tunela. Zabezpečenie prístupu k dnu tunela, t. j. k oblasti, ktorá je najviac ohrozená napúčavými procesmi, umožňuje efektívne kontrolovať stav podzemnej vody a jednoducho monitorovať správanie horninového prostredia.

Razenie tunelov v tlačivých horninách
Pri výstavbe podzemných diel s vysokým nadložím a/alebo s horninou slabej kvality razenie tunelov často vedie k výrazným dlhodobým deformáciám horniny. Ak sa deformácie vyvinú úplne, hornina prestupuje smerom dovnútra tunela zo všetkých strán, vrátane dna tunela. Pri bližšom pohľade na tento fenomén je zrejmé, že odpor (únosnosť) ostenia vyvoláva tlakové napätia na rozhraní hornina – ostenie. Tieto napätia sa označujú ako horninový tlak.

Vysoký odpor ostenia vedie k malým konvergenciám, nízky odpor ostenia má za následok, naopak, veľké konvergencie. V extrémnom prípade by tuhé nepoddajné ostenie viedlo k nulovej konvergencii, resp. neprítomnosť ostenia by viedla ku kolapsu stien tunela. Z tejto myšlienky sa zdá, že tuhé nepoddajné ostenie by bolo najlepším riešením, avšak z technických a finančných dôvodov sa tuhé ostenie uvažuje len zriedka.

Výstavba jedného z dôležitých miest Gotthardského tunela – Sedrunu je príkladom razenia tunelov v tlačivých horninách. Nadložie vo vysoko tlačivých horninách dosahuje hrúbku až 2 400 m, čo vedie k návrhu vhodného ostenia únosnosti 7 až 11 MPa. Pri umožnení určitej miery kontrolovanej deformácie možno znížiť únosnosť ostenia na 2 až 3 MPa. Najlepšou voľbou pre takúto kontrolovanú deformáciu je použitie deformovateľného ostenia s konštantnou deformačnou pevnosťou. Na konci deformačného rozsahu by sa únosnosť ostenia mala zvýšiť a dosiahnuť požadovanú únosnosť, ktorá by následne zastavila konvergenciu. Čím skôr sa vyrovnajú odpor ostenia a deformácie, tým menšia je zóna rozvoľnenia horniny okolo výrubu.

Na kontrolu deformácií sa v Gotthardskom bázovom tuneli používajú TH-profily s klznými spojmi. Po vyrazení plného profilu tunela sa na horninu nanáša tenká vrstva striekaného betónu a inštaluje sa oceľová oblúková výstuž. Po priebehu dovolenej konvergencie sa nanáša ďalšia 300 mm hrubá vrstva striekaného betónu. Tieto práce prebiehajú vo vzdialenosti 60 m od čelby. Ďalej sa inštaluje oceľová oblúková výstuž pozostávajúca z ôsmich TH-44 profilov so 16 klznými spojmi, ktorá umožňuje radiálnu konvergenciu do 700 mm a únosnosť ostenia 1 MPa. Na overenie parametrov TH-profilov sa realizovalo niekoľko experimentov in-situ v mierke 1 : 1 (obr. 1). Tieto profily sa už dlhší čas využívali v baníctve, ale prvý raz sa tu používajú pri razení tunela s priemerom 13 m. Dodnes sa takto úspešne vyrazilo niekoľko kilometrov tunela v zložitých technických podmienkach.

Na optimalizáciu tohto systému pomocou zvýšenia únosnosti ostenia boli vyvinuté prvky hiDCon. Stlačiteľnosť týchto betónových prvkov dosahuje 40 až 50 % v závislosti od zvolenej hladiny poddajnosti (4 až 20 MPa). Na obr. 2 sú uvedené výsledky laboratórnych testov na prvkoch hiDCon, pričom sa ilustruje vysoká miera ich opakovanej deformácie. Ako vidieť, po dosiahnutí daného vrcholu napätia asi 10 MPa dochádza k prakticky konštantnému stavu poddajnosti s úrovňou napätia asi 7,5 MPa, po ktorom (40 % stlačenia) nasleduje deformačné spevnenie (40 % stlačenia). Tento typ prvkov nevykazuje náhle krehké porušenie – po dosiahnutí plnej deformačnej kapacity sa pevnosť prvku zvyšuje.

Poddajné betónové prvky sa inštalujú medzi oceľové oblúky pred nanesením vrstvy striekaného betónu. Použitím tejto novej technológie sa môže ostenie zo striekaného betónu deformovať bez porušenia. Únosnosť celého systému závisí od priemeru tunela, hrúbky striekaného betónu a parametrov deformovateľných betónových prvkov. Pri inštalácii prvkov hiDCon do striekaného betónu sa od začiatku dosahuje omnoho vyššia odolnosť proti deformácii.

Poddajná výstuž zo striekaného betónu – bázový tunel Lötschberg
V blízkosti miesta prerazenia bázového tunela Lötschberg (l = 35 km) sa objavila neočakávaná zóna tlačivých hornín. Pôvodne používané ostenie tunela (v podkovovitom profile pozostávajúce z oceľových oblúkov, svorníkov a striekaného betónu) nemohlo odolávať vysokým tlakom a deformáciám okolitých tlačivých hornín v zóne. V tejto oblasti sa inštalovalo ostenie kruhového profilu tvorené oceľovými oblúkmi, svorníkmi a deformačnými medzerami v striekanom betóne. Medzery v striekanom betóne boli prázdne, čo vytváralo deformačný odpor v TH-profiloch a svorníkoch. Únosnosť ostenia začína pôsobiť v striekanom betóne až po uzavretí medzier.

Ukázalo sa, že striekaný betón sa pre deformácie z veľkej časti zničil a teda nemôže vyvinúť odpor. Tieto sekcie tunela boli nanovo reprofilované a obnovené pomocou prvkov hiDCon (obr. 3 a 4). Po veľmi dobrej skúsenosti s týmto systémom (malé konvergencie, skoršia stabilizácia deformácií, ekonomické úspory) sa v zostávajúcom úseku razenia v tlačivej hornine inštalovali poddajné prvky priamo za čelbou.

Poddajná výstuž zo striekaného betónu – prístupová štôlňa St. Martin la Porte
Táto v súčasnosti razená štôlňa bude zabezpečovať prístup k dvom tunelovým rúram 53 km dlhého bázového tunela novej vysokorýchlostnej železničnej trate Lyon – Turín [6]. V uhľonosných formáciách čiernych kryštalických bridlíc, pieskovcov, bridlíc prekladaných vrstvami uhlia s nadložím 250 až 350 m sa vyskytovali výnimočne silné konvergencie výrubu. Dočasná výstuž pozostávala pôvodne z hustej siete radiálnych svorníkov okolo profilu vrátane dna spolu s poddajnými oceľovými rebrami (TH44/580) a 200 mm hrubej vrstvy striekaného betónu prerušovanou 4 až 5 pozdĺžnymi medzerami. Pre tieto medzery sa nemohla v ostení zo striekaného betónu vyvinúť žiadna opora proti hornine. Najväčšia konvergencia sa objavila po 145 dňoch vo vzdialenosti 60 m za čelbou, pričom presiahla 2 m.

Rýchlosť konvergencie na čelbe sa menila od 30 do 50 mm/deň s 50 % celkovou deformáciou prebiehajúcou v prvých 20 m [6]. Na lepšiu kontrolu deformácie horniny, teda aby sa predišlo ťažkopádnemu, finančne a časovo nákladnému procesu reprofilovania, sa zaviedol nový systém výstuže. Ten zahŕňal takmer kruhový prierez s inštaláciou prvkov hiDCon opísaných vyššie do 9 pozdĺžnych medzier vo vrstve striekaného betónu (obr. 5). Kvádrové prvky (výška 400 mm, dĺžka 800 mm, hrúbka 200 mm) boli navrhnuté tak, aby odolávali približne 40 % stlačeniu [1]. Rozsiahlym monitorovacím programom v teréne sa overilo, že prvky začlenené do ostenia boli schopné skrátenia pod takmer konštantným tangenciálnym napätím 8,5 MPa. Systém zavedený v prístupovej štôlni Saint Martin La Porte sa veľmi osvedčil.

Obr. 5: Prístupová štôlňa vysokorýchlostnej železničnej linky Lyon – Turín: konvergencia až 2 m (profil A), reprofilovanie a použitie poddajných betónových prvkov (profil B), (foto: Razel, Bilfinger Berger, Pizarotti)

Razenie tunelov v napúčavých horninách – modulárna poddajná výstuž
Cestný tunel Chienberg vo Švajčiarsku bol projektovaný s kruhovým profilom založený na princípe odporu. Ako sa blížilo ukončenie razenia tunela, napúčavá hornina spôsobila zdvih celého tunela. V dvoch úsekoch tunela s nízkym nadložím sa objavil zdvih až do 10 cm. Porucha ovplyvnila jeden 60 m úsek a ďalších 370 m z celkovej dĺžky tunela 1,5 km [2].Tieto dva úseky tunela boli nanovo preprojektované podľa koncepcie modulárnej poddajnej výstuže (obr. 6).

Prvky hiDCon inštalované v cestnom tuneli Chienberg majú výšku 1000 mm a priemer 900 mm a boli skonštruované v 3 rozličných triedach zaťaženia pre zodpovedajúce nadložie. Každý typ má definovanú minimálnu a maximálnu úroveň únosnosti. Minimálna úroveň zabraňuje sadaniu tunela; maximálna chráni tunel pred prílišným namáhaním a zdvihom. V závislosti od typu prvku môže dôjsť k deformácii v rozsahu 30 až 40 % pôvodnej výšky v rámci stanovených medzí. Únosnosť jednotlivých typov prvkov bola upravovaná zmenami zmesi a vystužovania konštrukcie prvkov. Konštrukčné parametre jednotlivých typov prvkov boli konfigurované počas niekoľkých testov na testovacom zariadení so zaťažením 20 MN v EMPA (Swiss Federal Laboratories for Materials and Research).

Obr. 6: Modulárna poddajná výstuž – cestný tunel Chienberg, Švajčiarsko

Na zníženie miery zdvihu sa do dna tunela inštalovali poddajné kotviace prvky. Prvky určené pre hlavy svorníkov sú založené na princípe penetrácie platne svorníka s priemerom menším ako priemer poddajného betónového prvku. Tento systém pracuje perfektne aj keď dôjde k určitej excentricite v prenose sily (kotevnej sily).

Z kontrolných meraní bolo možné vidieť úspech rekonštrukčných opatrení, teda zabránenie zdvihu tunela. Približne 3,5 % základových prvkov už bolo vystavených takým vysokým napúčavým tlakom, že sa deformujú i pod úrovňou tzv. poddajnej sily. Ich stlačenie presiahlo 30 mm [3].

Vysoko deformovateľné betónové prvky inštalované v cestnom tuneli Chienberg sa navrhovali na životnosť 25 rokov. Výhodou systému modulárnej poddajnej výstuže je, že umožňuje pozorovanie a výmenu prvkov v ľubovoľnom čase bez ovplyvnenia dopravy v tuneli. Prvky sa môžu vymeniť jednotlivo po dosiahnutí ich deformačnej kapacity.

Potenciálne aplikácie na Slovensku
Problémy s tlačivosťou hornín možno objektívne očakávať pri razení tunela Višňové. Počas razenia prieskumnej štôlne boli totiž namerané konvergencie až do veľkosti 44 cm. Tunel Višňové má vysoké nadložie (do 800 m) a pritom v nepriaznivých geotechnických úsekoch majú horniny nízku pevnosť. Odhad miery tlačivosti je založený práve na pomere medzi trojosou pevnosťou v tlaku a tiažou nadložia. Hodnoty do 2,0 signalizujú veľmi vysokú až vysokú tlačivosť, hodnoty 2 až 4 strednú až malú tlačivosť. Ílomineralogickým rozborom sa v rámci inžinierskogeologického prieskumu vyšetrilo aj zastúpenie smektitov v horninovom masíve tunela Višňové. Zaznamenané zdvihy koľají boli prisúdené práve napučiavaniu [5].

Možno teda predpokladať, že v rizikových úsekoch pri razení tunela Višňové nastanú oba predmetné fenomény (napúčavosť a tlačivosť) súčasne. Prítomnosť napúčavých smektitov bola vyšetrená aj geologickým prieskumom tunela Ovčiarsko a Žilina. Vysoký obsah smektitov možno predpokladať vo vulkanických pohoriach Slovenska a v priľahlých morských a jazerno-morských panvách mladých treťohôr.

Markus Stolz, Vladimír Gróf
Foto: Solexperts AG

Markus Stolz je absolventom TU München (2003) a pracuje ako stavebný inžinier v švajčiarskej spoločnosti Solexperts.

Vladimír Gróf je konateľom spoločnosti Geoexperts, spol. s r. o.

Literatúra
1. Barla, G., Rettighieri, M., Fournier, L., Fava, A., Triclot, J.: Saint Martin Squeeze. In: Tunnels & Tunnelling, Focus on Europe, 2008, (May), pp. 15 – 19.
2. Chiaverio, F.: Chienbergtunnel (Umfahrung Sissach) – Tunnel im quellhaften Juragestein. In: Mitteilungen der Schweizerischen Gesellschaft für Boden- und Felsmechanik, 2002, Nr. 145.
3. Kovári, K. and Chiaverio F.: Modulares Knautschsystem für Tunnel in stark quellfähigem Gebirge. In: Stuva Tagung, 2007, Köln.
4. Kovari, K.: Tunnelling in Squeezing Rock. In: Tunnel, 1998, č. 5.
5.    Matejček, A.: Riziká pri realizácii stavby tunela Višňové. In: Konferencia Podzemné stavebníctvo, Bojnice, 2006.
6. Mathieu, E.: At the mercy of the mountain. In: Tunnels & Tunnelling, Focus on Europe (October), 2008, pp. 21 – 24.
7. Thut, A., Steiner, P., Stolz, M.: Tunnelling in Squeezing Rock – Yielding Elements and Face Control. In: 8th International Con. on Tunnel Constructions and Underground Structures, Ljubljana, 2006, pp. 150 – 157

Článok bol uverejnený v časopise Inžinierske stavby/Inženýrské stavby.