Zacielené na maximálnu bezpečnosť a efektivitu razenia tunelov

30. januára 2015

Partneri sekcie:

Podzemná výstavba predstavuje jeden z najzložitejších a najkomplexnejších odborov stavebníctva, ktorý má enormné nároky na bezpečnosť a ekonomiku realizácie. Od začiatku prípravy projektu až po odovzdanie podzemného diela do prevádzky sa projektanti aj stavbári stretávajú s technologickými výzvami a zároveň s komplikovanosťou prírodného geologického prostredia.

Kým uvažovaná technologická výbava podzemného diela (finálne vystrojenie) je definovaná jeho funkciou a je viac-menej zrejmá a ovplyvniteľná, podmienky razenia (geologické prostredie) sú v mieste realizácie záležitosťou, ktorú nemožno úplne ovplyvniť a vyžadujú si dobrú prípravu spolu so zvolením vhodnej metódy razenia či prípadných sprievodných opatrení. Tak, ako sa požaduje následná bezproblémová prevádzka podzemného diela, aj od jeho výstavby sa očakáva hladký a bezproblémový priebeh bez nutnosti prerušenia razenia v dôsledku mimoriadnych udalostí. Na základe skúseností z posledných rokov možno konštatovať, že najväčšie problémy počas razenia bývajú spôsobené nestabilitou priameho nadložia diela, predpolia čelby a zvýšenými prítokmi vody. Tieto problémy môžu byť ešte závažnejšie, ak ide napríklad o plytko trasované tunely pod mestskou zástavbou alebo tunely razené v komplikovaných geologických podmienkach. V každom prípade sú kolapsy v oblasti čelby veľmi nebezpečné a ich následná sanácia je finančne pomerne nákladná. Pri razení v málo známych alebo náročných podmienkach je preto výhodnejšie uvažovať o využití technológií, ktoré dokážu efektívne zabrániť vzniku týchto problémov.

Nasadenie špeciálnych technológií

Pri nasadení špeciálnych technológií je nevyhnutné, aby sa aplikovali v rizikových zónach priebežne, nielen pri kolapse horniny. V takýchto prípadoch ich účinnosť exponenciálne klesá, nasadenie je technicky a časovo oveľa náročnejšie a pravdepodobne ho budú sprevádzať aj zvýšené náklady. Špeciálne technológie možno všeobecne zhrnúť do dvoch kategórií – na vystužovanie predpolia a nadložia (pre-reinforcement) a na injektovanie predpolia a nadložia (pre-grouting), pričom obe kategórie sa v zahraničí bežne začleňujú do cyklu raziacich operácií. Práve správne načasovanie technológií je kľúčom k úspechu. Pri ich aplikácii v podzemnom staviteľstve je zásadné uvedomiť si určitú časovú náročnosť implementácie i aktivácie (predovšetkým v prípade injektáží) – teda časový interval, po ktorom začnú aplikované materiály plniť svoju funkciu, a rozsah tejto funkcie. Všeobecne platí, že pri začlenení technologických operácií do raziaceho cyklu možno lepšie plánovať ich načasovanie a kvalitnejšie smerovať ich účinnosť. Napríklad realizácia injektáže pred vŕtaním čelby pri trhacích prácach má nespornú výhodu v tom, že čas potrebný na jeho vykonanie sa využije ako čakací čas na vytvrdenie injekčných materiálov, ktoré boli skôr aplikované v priamom okolí podzemného diela. Súčasne musí typ a kvalita materiálov použitých pri jednotlivých technológiách zodpovedať ďalším nadväzujúcim operáciám cyklu. Ako typickú nesprávnu kombináciu možno uviesť injektáž cementovou zmesou (pre-grouting) a následné trhacie práce. Materiály na báze štandardných cementov sú v rádoch hodín málo pevné a energia trhacích prác ich výkon prakticky úplne eliminuje – cementová zmes sa poruší.

Vystužovanie nadložia a predpolia

V zónach porušených hornín, hornín so zvýšeným horninovým tlakom, prípadne v miestach s prítokmi vody je vykonávanie štandardného radiálneho vystužovania diela po odťažení často nedostatočné – krátkodobá stabilita horniny a jej rýchlo sa meniace pretvárne parametre sú často príčinou kolapsov, pri ktorých dochádza k veľkým nadvýlomom či zrúteniu čelby. Dlhú tradíciu má v podzemnej výstavbe technológia tzv. ochranných rúrkových (mikropilótových) dáždnikov, ktorých inštalácia (zavedenie do horniny) je technologicky a časovo náročnejšia. Predovšetkým preto sa využívajú v podmienkach razenia s vysokým zaťažením, respektíve vysokým tlakom horniny z nadložia, a to bez zvýšeného zvodnenia horniny. Ako alternatíva sa využívajú výstužné ihly, a to predovšetkým ich najefektívnejšie varianty – zavrtávacie injekčné ihly SDA. Ide o priamo zavrtávané výstužné tyče s priemerom 32/38/51 mm, ktorých inštalácia do horniny je v zásade rovnaká a predovšetkým rovnako rýchla ako pri radiálnom kotvení.

Okrem tejto technologicko-časovej výhody možno ihly inštalovať pomerne flexibilne pod požadovaným uhlom (na rozdiel od rúrkových dáždnikov) a docieliť tak vyššiu alebo nižšiu mocnosť vystuženej vrstvy horniny v nadloží. Pri použití SDA ihiel je súčasťou ich inštalácie nízkotlaková alebo vysokotlaková injektáž, ktorej úlohou je ďalej zvýšiť nielen súdržnosť ihiel s horninovým prostredím, ale aj zlepšiť parametre horninového prostredia ako takého, čo je tiež významný rozdiel oproti klasickým dáždnikom. Na účely strednej až vysokotlakovej injektáže hornín v nadloží je nutné voliť zavŕtavacie SDA ihly alebo rúrky s integrovaným obturátorom. Len pri dokonalom zatesnení vrtu obturátorom je vývrt s osadenou ihlou alebo rúrkou dokonale vyplnený injekčnou (kotevnou) zmesou, ktorá je súčasne vďaka zvýšenému tlaku tlačená do medzier a prasklín v okolí vrtu, takže hornina je celkovo kompaktnejšia, prípadne nepriepustnejšia. Podobná možnosť sa ponúka pri vystužovaní čelby a horniny pred čelbou. Rozdiel je len v tom, že integrovaný obturátor je osadený na kompozitnej (sklolaminátovej) odťažiteľnej výstuži.

Injektáž predpolia a nadložia

Realizuje sa spoločne s vystužovaním predpolia alebo nadložia (pomocou injekčných oceľových alebo kompozitných ihiel), prípadne sa vykonáva nezávisle – typicky v prípade nutnosti znížiť prítoky vody do podzemného diela. Treba si uvedomiť, že prítoky vôd majú viac nežiaducich následkov. Okrem zvýšeného rizika straty stability horniny (to v prípade skutočne zvýšených prítokov) je voda tiež príčinou zhoršených pracovných podmienok v priestore čelby, ale predovšetkým zabraňuje inštalácii radiálnych svorníkov – vo väčšine prípadov upínaných kotevnou zmesou na báze cementu, striekaného betónu aj striekaných izolácií. Voda tak predstavuje problém a z praktického hľadiska je technicky jednoduchšie realizovať tesniacu obálku v predstihu pred čelbou technológiou pre-groutingu než po odťažení horniny. Dôvody sme už spomenuli. Je totiž dramatický rozdiel, či proces odťaženia horniny a inštalácie podperného systému (spolu so striekaným betónom) a radiálneho kotvenia prebehne v relatívne suchom a stabilnom prostredí alebo sa pred inštaláciou prvkov primárnej výstroje rieši problematika dotesnenia horniny (postgrouting).

Z opisu je zrejmé, že z hľadiska bezpečnosti realizácie ide o dve úplne odlišné situácie. Ak hovoríme o technológiách injektáží vykonávaných v predstihu pred razením, je našou povinnosťou spomenúť aj faktor vhodnosti rôznych skupín materiálov na túto činnosť. Tá veľmi úzko súvisí aj so zvolenou technológiou razenia – NRTM s využitím trhacích prác, NRTM s využitím mechanického rozpojovania horniny alebo mechanizovanie razenia pomocou plnoprofilových strojov. Často sa pri podzemnej výstavbe využívajú trhacie práce a, žiaľ, často sa táto metóda razenia kombinuje s predinjektážnou zmesou na báze cementov alebo mikrocementov. Aj napriek precíznej práci strelmajstrov je energia trhacích prác smerujúca do okolitej horniny taká veľká, že skôr zrealizovaná spevňujúca alebo tesniaca obálka sa významne poruší trhlinami a vo svojej podstate stráca svoju funkciu práve vo chvíli, keď je potrebná. Pri týchto prípadoch sú k dispozícii špeciálne syntetické živice – stabilizované jedno- alebo dvojkomponentové zmesi s rýchlym nárastom pevnosti a excelentným tesniacim účinkom, ktoré sú schopné absorbovať vibrácie spôsobené trhacími prácami a zachovať tak plnú funkciu zrealizovanej obálky. Pri odťažení horniny z priestoru čelby dochádza veľmi rýchlo k odľahčovaniu horniny, ktoré sa prejavuje posunom horniny do vyťaženého priestoru. Pri tomto jave sa hornina (a tým aj injekčné materiály do nej predtým aplikované) namáha kombinovaným zaťažením vrátane ťahu (predovšetkým v priamom nadloží diela).

Je preto žiaduce, aby mala injekčná zmes použitá na pre-grouting vysokú odolnosť pri trhacích prácach (absorpcia) a následne značne vysoké parametre tlakovej a ťahovej pevnosti či prídržnosti k hornine. Je nesporné, že iba syntetické živice vytvorené špeciálne na tento účel môžu byť takéto komplexné. V úvode článku sme označili časový faktor za zásadný. V prípade injektáží, a to predovšetkým tesniacich injektáží, je schopnosť rýchleho vytvrdnutia spolu s neriediteľnosťou a neodplaviteľnosťou zmesi z horniny skutočne dôležitá, má priamy vplyv na kvalitu zabezpečenia a bezpečnosť, ale zároveň aj na časový sled operácií. Stabilizované zmesi chemických živíc ponúkajú vďaka krátkemu reakčnému času okamžitý efekt, a to bez ohľadu na množstvo vody v hornine. Značná okamžitá prídržnosť k hornine (asi 5- až 7-krát vyššia ako pri cementových zmesiach po ich vytvrdnutí) zabráni vyplaveniu zmesi z horniny. To všetko v praxi znamená, že razenie môže skutočne plynulo nadväzovať na predchádzajúci technologický krok – pre-grouting. Náklady spojené s použitím týchto materiálov sa prakticky ihneď vracajú v podobe neprerušeného razenia. Z hľadiska radiálneho kotvenia v poruchových zónach, kde je zaťažiteľnosť kotevných prvkov vo všeobecnosti znížená, je realizácia stabilizujúcej obálky technológií pre-groutingu cestou k vyššiemu efektu kotvenia. V konsolidovanej hornine dosahujú kotevné prvky významne vyššie hodnoty a ich spolupôsobenie s ostením je tiež kvalitnejšie.

Záver

Pri razení v náročných podmienkach – či už spôsobených komplikovanou geológiou, alebo vodou – je k dispozícii rad technológií a moderných materiálov, ktoré umožňujú efektívne zaistiť bezpečnosť pri razení a eliminovať riziká spojené s potenciálnymi nadvýlomami či prítokmi vody do diela. Ich konkrétna voľba by vždy mala nadväzovať na predpokladané riziká a následne technologické možnosti stavby a časový harmonogram. Nové prvky, napríklad ihly s integrovanými obturátormi a moderné chemické injekčné zmesi, sú vyvinuté a optimalizované priamo na tieto situácie. Ich včasné nasadenie v rámci raziaceho cyklu pri podzemnej výstavbe zvyšuje úroveň bezpečnosti práce v priestore čelby, ako aj celkovú plynulosť všetkých operácií.