1
PODZEMNÍ STAVBY
(Zpracoval prof.Ing. Jiří Barták,DrSc.)
1. RAŽENÉ PODZEMNÍ STAVBY 1.1 Základní názvosloví Tunelování, neboli výstavba ražených podzemních objektů, zahrnuje veškeré práce spojené s vytvořením projektovaných podzemních prostor a zajištěním jejich stability, a to jak v průběhu provádění, tak za provozu po dobu životnosti díla. Podstatnými složkami tunelovacích prací při stavbě podzemního díla jsou: - Rozpojování (rubání) horniny v podzemí. Touto činností se získává volný prostor – výrub. Rozpojování se provádí na čelbě tunelu buď trhacími pracemi (pomocí výbušnin), nebo s využitím tunelovacích strojů. Rozpojená hornina se nazývá rubanina. - Vyztužení – konstrukce zajišťující stabilitu výrubu. Je-li vyztužení ve funkci jen po dobu výstavby, tak se nazývá provizorní (dočasné). Definitivní (trvalé) vyztužení zajišťuje stabilitu tunelu za provozu po celou dobu jeho životnosti. Činnost spojená s rozpojením, naložením, odvozem rubaniny a provizorním vyztužením výrubu se nazývá ražba. 1.1.1 Rozpojování S termínem výrub souvisí řada pojmů tunelářské terminologie, které označují speciální typy výrubů: - dílčí výlom – výrub částí průřezu štoly nebo tunelu, - plný výlom – výrub celého (plného) profilu tunelu, - teoretický výrubní profil (teoretický výlom) – je omezen teoretickým rubem ostění (obr. 1), - přírub – vyrubaný prostor, ležící za teoretickým (projektovaným) rubem ostění. Dělí se na zvětšený výrub (vícevýlom) a nadměrný výrub (nadvýlom). - Vícevýlom je projektovaný přerub, který byl nutný pro provedení navrhované úpravy rubu zdiva, zejména izolací. Vyskytuje se jen u ostění starých tunelů, moderní tunelovaní metody (např. Nová rakouská tunelovací metoda) rubové izolace nepoužívají. - Nadvýlom je přerub (obr. 1), který lze rozdělit do dvou základních skupin: - Dočasný nadvýlom – projektovaný přerub, který je nutný realizovat s ohledem na deformace výrubu a provizorního ostění, které vznikají v průběhu ražby. Výrubní profil proto musí být nadvýšen i rozšířen o hodnoty konvergencí stanovených statickým výpočtem. Rozdíly mezi
2 teoretickými a skutečnými hodnotami konvergencí mohou být zdrojem problémů při fakturaci dočasných nadvýlomů, které se mohou stát trvalými. - Trvalý nadvýlom – nechtěný přerub, který vzniká z důvodů jednak geologických, jednak technologických. Z hlediska geologického vytváří horninový masiv velmi specifické podmínky pro ražbu, a to jak svým nestejnorodým složením (nehomogenitou), tak zejména tektonickým porušením. Při jakémkoliv typu rozpojování je proto prakticky nemožné zajistit provedení přesného teoretického výrubu, při čemž velikost pravděpodobných (a při ražbě povolených) nepřesností závisí na charakteru horninového prostředí. Technologické nadvýlomy vznikají v důsledku nutných prostorových nároků mechanismů používaných při ražbě, především vrtacích strojů. Trvalý nadvýlom může být klasifikován jako zaviněný či nezaviněný, a to podle toho, jak byla dodržena technologie prací, předepsaná pro určitý typ geologických podmínek. Tato klasifikace je velmi důležitá z hlediska fakturačního – nezaviněné nadvýlomy jsou investorem hrazeny, zaviněné ne.
Obr. 1 Typy přerubů 1 – teoretický výlom 2 – vícevýlom (prostor pro rubovou izolaci) 3 a 4 – trvalé nadvýlomy (zaviněné či nezaviněné)
Schema pobírání zachycuje pořadí prováděných výlomů v příčném řezu tunelu, tzv. členění čelby. Tunelový průřez je názvoslovně rozdělen na tři části (obr. 2a,b): Horní část výrubu v jeho zaklenuté části se nazývá přístropí neboli kalota. Pruh (plocha) výrubu, který spojuje obě postranní (opěrové) části tunelu, se nazývá opěří. Spodní část výrubu, v níž se obvykle nachází spodní klenba či základy opěr, má název dno neboli počva. Při Nové rakouské tunelovací metodě se v příznivých geologických podmínkách při ražbě používá horizontální členění výrubu (obr. 2c). V obtížnějších geologických podmínkách se používá tzv. vertikální členění výrubu (obr. 2d), u nějž jsou zavedeny další názvoslovné pojmy – opěrové štoly či tunely (rozlišení je nutno provést v závislosti na plošné velikosti opěrového výlomu), a tzv.
3 jádro profilu – prostor pod kalotou mezi vnitřním ostěním opěrových štol. Kalota má při tomto členění výrubu výhodně zmenšené rozpětí horní části klenby
Obr. 2 Části výrubu a jeho základní členění a) klasický tunel s opěrami; b) kruhový profil; c) horizontální členění při NRTM; d) vertikální členění při NRTM 1 – kalota 2 – opěří 3 – dno 1,1´, 2,2´ – opěrové štoly (tunely) 3 – kalota 4 – jádro 5 – dno
Názorný rozdíl mezi pojmem „opěří“ a „jádro“ je patrný z porovnání schémat horizontálního a vertikálního členění čelby u tunelu Mrázovka (obr. 3). V obou případech je v příčném řezu patrná průzkumná štola, jejíž poloha se v profilu tunelu měnila.
Obr. 3 Členění výrubu u tunelu Mrázovka a) horizontální (počáteční úsek v blízkosti severního portálu); b) vertikální členění 2 – opěří 4 – jádro
4 Sled a rozvinutí postupu ražby po délce liniového podzemního objektu je charakterizován tzv. během prací. Na obr. 4 je nakresleno schéma postupu prací pro NRTM při horizontálním členění výrubu.
Obr. 4 Postup prací při horizontálním členění výrubu při ražbě NRTM a) běh prací; b) schéma pobírání v příčném řezu A – A´ 1 – výlom kaloty 2 – výlom opěří 2´ (2´´,2´´´) – příčné členění výlomu opěří
1.1.2 Vyztužení Vyztužení je druhou zásadní složkou tunelování; zajišťuje se jím prostor, vytvořený v podzemí rubáním. Vyztužení nahrazuje původní působení vyrubané horniny na líc výrubu a zabraňuje porušení či nadměrným deformacím horninového masivu v okolí výrubu. Zásadně se rozděluje na vyztužení: - dočasné (provizorní, u NRTM zvané primární) – např. výdřeva, svorníková výstroj, ocelová žebra, stříkaný beton a vhodné kombinace těchto typů, - trvalé (definitivní, u NRTM zvané sekundární) – např. stříkaný beton, monolitické betonové ostění, dílcové (tubingové) ostění. Dočasným vyztužením se rozumí spolehlivé zajištění stability díla a bezpečnosti pracujících během výstavby; obvykle zůstává zabudováno v podzemí do konce své (obvykle omezené) životnosti, nikoliv však jako staticky spolupůsobící součást ostění provozovaného podzemního díla. Trvalé vyztužení nahrazuje staticky po dokončení výstavby podzemního díla dočasné vyztužení a navíc je mnohostrannou funkční součástí podzemního díla (souvisí s ním podstatná část technologického vybavení tunelu); musí být navrženo s ohledem na celkovou předpokládanou životnost objektu. Ostění podzemních staveb je tvořeno několika konstruktivními částmi nosného charakteru: Stabilitu kaloty zajišťuje horní klenba, boční části výrubu zajišťují opěry, které mohou být uloženy buď na základech opěr, nebo navazují přímo na spodní klenbu. Tyto části jsou přesně rozlišitelné u
5 tuhých ostění klasického typu (obr. 5a), u ostění pružných (zejména kruhových a podkovovitých) je rozlišení jednotlivých částí formalizováno pomocí rozhraní tvořených různě ukloněnými radiálami (obr. 5b), umožňuje však názornou a dostatečně přesnou orientaci v příčném profilu.
Obr. 5 Části ostění ražených tunelů a) tunelové ostění klasického typu s tuhými opěrami; b) ostění hydrotechnické štoly 1 – horní klenba 2 – opěra 3 – základ opěry 4 – spodní klenba
V současnosti nejpoužívanější konvenční způsob ražby tunelů, kterým je Nová rakouská tunelovací metoda, zajišťuje výrub dvouplášťovým ostěním (obr. 6). Provizorní výztuž v průběhu ražby zajišťuje tzv. primární ostění z armovaného stříkaného betonu, definitivní výztuž je tvořena sekundárním ostěním, které může být z železového i prostého betonu.
6
a)
b) Obr. 6 Pojmenování částí ostění u NRTM
a) Dvouplášťové ostění tunelu Blanka v úseku pod Královskou oborou (s mezilehlou izolací); b) části primárního ostění (u sekundárního ostění je názvosloví totožné)
2. ROZDĚLENÍ PODZEMNÍCH STAVEB 2.1 Rozdělení podle dispozičního uspořádání - Stavby liniové, jejichž charakteristikou je řádově převládající délka díla proti výšce a šířce výrubu. Podle velikosti plochy příčného profilu se dělí tyto stavby na (obr. 7): - štoly – příčný profil je menší než 16 m2, podélný sklon je max 10o od vodorovné, - tunely – příčný profil je větší než 16 m2, podélný sklon je také max 10o od vodorovné, - šachty – velikost příčného řezu je bez omezení, osa díla je svislá, - úklonové štoly a tunely – jejich podélné sklony jsou od 10o do 60o od vodorovné, - úklonové šachty – sklony jsou mezi 60o a 90ood vodorovné, tj. odklon do 30o od svislice.
7
Obr. 7 Typy liniových staveb a) štola či tunel; b) úklonná štola či tunel; c) šachta; d) šikmá šachta
- Stavby plošné, u nichž nad výškou výrazně převládají dva přibližně stejné vodorovné rozměry; k podzemním stavbám tohoto typu patří zejména podchody pro pěší, garáže, parkoviště, sklady. - Stavby halové, tzv. kaverny, mají velkou půdorysnou plochu i výšku (všechny tři rozměry jsou přibližně stejné); umisťují se do nich např. podzemní hydrocentrály, energetické zásobníky, mrazírny, čistírny odpadních vod, jistou kuriozitou je např. podzemní zimní stadion v norském Gjoviku. 2. 2. Rozdělení podle způsobu provádění - Ražená podzemní díla, u nichž celá výstavba probíhá v podzemí bez zásahu do nadloží (obr. 8a). Tento typ se uplatňuje především při uložení podzemního díla ve větší hloubce (nadloží díla má mocnost větší než šířka výrubu). Za cenu vyšších nákladů a provedení náročných technických opatření lze tímto způsobem realizovat i mělce uložené tunely, čímž se značně sníží negativní ovlivnění životního prostředí. - Podzemní díla prováděná z povrchu, u nichž se nejčastěji výstavba díla provádí v otevřené jámě a po vybudování se hotové dílo zasype (tzv. hloubené tunely). Jedná se zpravidla o objekty s nízkým nadložím nebo budované bezprostředně pod povrchem území. Narušení životního prostředí při
8 tomto způsobu provádění je zpravidla během výstavby značné a stavební postup by měl otevření jámy omezovat na co nejkratší dobu (obr. 8b). Zvláštním typem podzemních konstrukcí prováděných z povrchu jsou tenkostěnné přesypávané tunely.
Obr. 8 Ražená a hloubená podzemní stavba a) ražené tunely; b) hloubený tunel (v pažené jámě)
2.3 Rozdělení podle účelu použití - Podzemní stavby dopravní – železniční, silniční, podzemní městské dráhy, průplavové, podchody pro pěší. - Podzemní stavby vodohospodářské – vodovodní přivaděče, kanalizační sběrače a stoky; přívodní, obtokové a odpadní tunely u přehrad a hydrocentrál; tlakové, vyrovnávací a další šachty. - Podzemní stavby energetické – kabelovody (slaboproud i silnoproud), parovody, horkovody, teplovody, kolektory pro společné vedení inženýrských sítí. -
Halové a plošné podzemní stavby – hydrocentrály, vyrovnávací komory, uzávěrové komory,
trafostanice, energetické zásobníky (ropa, zemní plyn), skladiště, výrobny, garáže, parkoviště, halové podchody, objekty zdravotní techniky (nádrže, vodojemy, čistírny odpadních vod); záštitné stavby civilní ochrany (úkryty pro civilní obyvatelstvo, státní správu, skladiště). 3. ZÁKLADNÍ NÁVRHOVÉ PRVKY PODZEMNÍCH OBJEKTŮ Zevšeobecnění návrhových prvků je možné zejména u dopravních tunelů železničních a silničních. U nich k základním návrhovým parametrům patří jednak velikost a tvar příčného řezu, jednak směrové a výškové uspořádání.
9 Návrhové prvky plošných a halových podzemních objektů jsou bezprostředně závislé na účelu, kterému bude objekt sloužit, a jsou proto podřízeny řadě speciálních požadavků. 3.1 Příčný průřez železničních tunelů Podle ČSN 73 7508 – „Železniční tunely“ musí vyhovovat nově navrhované a rekonstruované tunely v přímé nebo ve směrovém oblouku o poloměru větším než 300 m na jednokolejných elektrifikovaných tratích tunelovému průjezdnému průřezu (TPP), na dvoukolejných tratích sdruženému tunelovému průjezdnému průřezu (STPP). Na obr 9 je jako příklad uveden světlý průřez dvoukolejného tunelu pro průchodnost STPP dle „Vzorových listů světlých tunelových průřezů vydaných SŽDC v roce 2004; je z něj patrné, že normální osová vzdálenost kolejí u dvoukolejných tunelů je 4,0 m. Na vybraných evropských tratích je osová vzdálenost kolejí 4,2 m, tunely na vysokorychlostních tratích (v > 160 km/hod) mají mít osovou vzdálenost kolejí 4,7 m.
Obr. 9 Světlý tunelový průřez dvoukolejného tunelu (převýšení 0 mm, rychlost do 160 km/hod) Výška průjezdného průřezu na elektrifikovaných tratích je h = 6,0 m, pro neelektrifikované tratě platí průřezy bez elektrifikačních nástavců, tzn., že h = 4,85 m. Průjezdné průřezy jsou zkonstruovány s ohledem na velikost tzv. ložné míry železničních vozidel, započteny jsou však i možná vysunutí vozidel způsobená chybou v rozchodu kolejí, bočním průhybem kolejí, chybou v převýšení při trati v oblouku, či jednostranným stlačením pérování vozů. Do průjezdných průřezů nesmí zasahovat žádné části tunelového objektu ani dopravní značky, tentýž průřez musí být zachován i v délce 6,0 m před oběma portály. Světlý průřez tunelu má co nejhospodárněji obepínat požadovaný průjezdný průřez, při čemž pro jednokolejné i dvoukolejné tunely platí požadavek zachování 300 mm širokého volného pojistného prostoru mezi teoretickým lícem ostění a kterýmkoliv bodem TPP či STPP.
10 Geometrický tvar ostění se navrhuje v závislosti na technologii výstavby tunelu. Ražené tunely jsou převážně podkovovitého tvaru složeného z kružnicových segmentů (konvenční ražení), kruhového tvaru (ražba tunelovacími stroji). Ostění tunelů budovaných v otevřené jámě bývá nejčastěji pravoúhlé (mělké jámy), ale též zaklenuté (při větší výšce zpětného zásypu). 3.2 Příčný průřez silničních a dálničních tunelů Průjezdní prostor pro silniční a dálniční tunely je stanoven normou ČSN 73 7507 – „Projektování tunelů na silničních komunikacích“ a má tvar podle obr. 10. Požadovaná základní volná výška průjezdního prostoru nad povrchem vozovky h = 4,8 m, na obslužných komunikacích 4,2 m. Volná výška nad chodníky musí být minimálně 2,4 m.
Obr. 10 Průjezdní prostor silničního tunelu Chodníky v tunelu slouží převážně jen pro pochůzky personálu, výjimka je možná pouze u krátkých tunelů na místních komunikacích. Z tunelů na komunikacích vyšších tříd jsou chodci vyloučeni. Šířkové uspořádání komunikace v tunelu musí co nejlépe vyhovovat požadavkům plynulé a bezpečné dopravy ve všech délkových typech tunelů (krátké tunely – délka do 300 m, střední 300 až 3000 m, dlouhé – nad 3000 m). Šířka průjezdního prostoru se stanovuje podle příslušných ustanovení ČSN 73 7507 a závisí na kategorii tunelu, návrhové rychlosti a směrovém charakteru dopravy v tunelu (jednosměrná, obousměrná). Stanovení šířky vozovky v tunelu, se provádí na základě pečlivého rozboru. U méně frekventovaných horských tunelů je obvykle šířka vozovky v tunelu menší než šířka vozovky vně tunelu, protože vypuštěním určitých částí komunikace (např. zpevněných i nezpevněných krajnic)
11 je možno provést ekonomičtější návrh příčného řezu tunelu. Naopak u velmi frekventovaných městských tunelů se navrhuje šířka v tunelu širší (např. o připojovací a odpojovací pruhy), aby jízda v tunelu byla bezpečná. Tunel nesmí být v žádném případě úzkým profilem komunikace a narušovat tak plynulost dopravy. Zkušenosti ukazují, že správně navržené tunely naopak plynulost dopravy podstatně zlepšují a ke kongescím (neprůjezdnosti) dochází především na vnějších křižovatkových úsecích komunikací. 3.3 Směrové řešení Požadavky na parametry směrového vedení trasy železničních a silničních tunelů jsou ovlivňovány jednak provozními požadavky, jednak technologií výstavby. Z provozních důvodů je vhodné navrhovat poloměry oblouků tak, aby nebylo nutné provádět rozšíření průjezdného průřezu (R > 300 m u železničních tunelů a R > 320 m u silničních tunelů). Výjezdové portály silničních tunelů je výhodné navrhovat ve směrových obloucích, čímž se snižuje nebezpečí oslnění řidiče intenzivním denním světlem při výjezdu z tunelu. Osa trasy tunelu v místě portálu by měla být v rámci možností vedena kolmo k vrstevnicím, což snižuje nároky na zajištění portálových úseků zárubními a opěrnými zdmi. Z hlediska technologie výstavby je ražení tunelů v přímé nebo v oblouku o velkém poloměru (R > 500 m příp. ve vhodných podmínkách R > 1000 m) jednodušší a tím i levnější, než ražení v obloucích s malým poloměrem. Ty vyžadují náročnější ovládání razících mechanismů, přesnou kontrolu správnosti směrového vedení ražby, složitější provádění provizorní výstroje a zejména definitivního ostění v důsledku nutnosti zkracování dílců bednícího komplexu, které tvoří sečny směrových oblouků. 3.4 Sklonové poměry Minimální podélný sklon liniových podzemních staveb je daný požadavkem gravitačního odtoku vody z díla během výstavby. Pro gravitační odvodnění je nutný minimální podélný sklon 0,2% pro tunely ražené v tvrdých celistvých horninách a asi 0,4% pro tunely, ražené v měkčích horninách. Hlavně v horninách, které obsahují jílové minerály, je nutno podzemní vodu i vodu technologickou (vrtný výplach, skrápění) co nejrychleji odvést, aby se zabránilo přechodu horniny do měkké či kašovité konsistence, eventuelně i bobtnání montmorillonitických jílů. Při výstavbě dlouhých tunelů se provádí ražba obvykle z obou portálů; proto se navrhuje v podélném směru střechovitý sklon nivelety, neboť umožňuje gravitační odvodnění k oběma portálům. Krátké tunely mají zpravidla jednostranný podélný sklon nivelety. Ražba se obvykle provádí od jednoho portálu proti spádu nivelety, což umožňuje snadné odvodnění díla.
12 Maximální přípustné stoupání v železničních tunelech musí být o více než 0,2 % menší než směrodatné stoupání příslušné trati. Směrodatné stoupání tratě rozhoduje o přípustné zátěži vlaků a rychlosti jízdy. Je to stoupání, které není nikde po celé délce příslušné trati překročeno. Maximální stoupání v tunelu na trati pro smíšenou dopravu osobní a nákladní by nemělo být rozhodně vyšší než 2 %, u vysokorychlostních tratí 1 %. Silniční a dálniční tunely mohou mít maximální podélné sklony podstatně větší, zejména v horských oblastech (až 7 %). S ohledem na hospodárnost provozu v tunelech se však nedoporučuje navrhovat větší podélné sklony než 3 - 3,5%. Při větších podélných sklonech vyvíjejí zejména nákladní automobily nadměrné množství výfukových plynů, takže tunely vyžadují výkonnou nucenou ventilaci a současně realizaci stoupacích pruhů pro pomalá vozidla, což výstavbu tunelu zdražuje v důsledku podstatného zvětšení výrubního průřezu.
4. PROVÁDĚNÍ RAŽENÝCH PODZEMNÍCH STAVEB Ražení v pevných skalních horninách se provádí v současném stadiu vývoje tunelovacích metod dvěma základními způsoby: - cyklickým postupem, při němž pravidelně opakují operace, které vždy v souhrnu jednoho cyklu umožní postup ražby o jeden pracovní záběr. Rozpojování horniny se provádí pomocí trhavin, v současnosti se často využívá při menších pevnostech horniny i beztrhavinové ražení pomocí tunelových fréz nebo tunelových bagrů, - plynulým postupem, při němž se podzemní dílo najednou „vyvrtává“ pomocí mohutného tzv. plnoprofilového tunelovacího stroje.
4.1 Zásady cyklického způsobu ražení Při rozpojování horniny pomocí trhacích prací se pracovní cyklus skládá z následujících činností: Vrtání, nabíjení a odstřel, větrání, nakládání a odvoz rubaniny, provizorní vyztužení a případné prodlužování instalací (větrací lutny, potrubí tlakové vody a vzduchu, odvodnění). Při rozpojování horniny pomocí výložníkových fréz nebo tunelbagrů v cyklu chybí první čtyři operace, které jsou nahrazeny činností stroje. Nakládání a odkliz rubaniny zůstává, ale jsou upraveny v souladu s potřebami razicího mechanismu, vyztužování výrubu a případné prodlužování instalací zůstává v cyklu beze změny. Každá z činností má své specifické místo a vyhrazený potřebný čas v pravidelně se opakujícím cyklu prací. Vzhledem k běžné organizaci práce v podzemí na více směn je žádoucí, aby se
13 navržený pracovní cyklus vešel celý do jedné směny, případně u malých profilů dva cykly do jedné směny. 4.1.1 Vrtání, nabíjení, odstřel Vrtání patří k časově nejnáročnějším činnostem z pracovního cyklu Při této činnosti se pomocí výkonných pneumatických nebo ještě výkonnějších hydraulických vrtacích kladiv realizují vrty, které slouží k umístění náloží trhaviny. Vrtání probíhá na rotačně-příklepném principu a v současné době již jen zcela výjimečně ručně. Vrtací kladiva jsou běžně umístěna ve větším počtu na lafetách kolového nebo pásového vrtacího vozu, postup vrtání je plně mechanizovaný a řízený jedním pracovníkem; u nejmodernějších vrtacích strojů s využitím počítače. Vrty v čelbě tunely nejsou rozmístěny nahodile, nýbrž každý z nich má přesné místo v tzv. vrtném schématu. Vrtné schéma představuje takové rozmístění vrtů, které při správně navržených ostatních parametrech odstřelu zajistí postup ražby o délku jednoho záběru v projektovaném profilu štoly či tunelu. Ve vrtném schématu jsou rozmístěny tři základní typy vrtů (obr. 11): - Zálomové vrty, jejichž nálože po výbuchu konají nejobtížnější práci s prvotní výtrží horniny, která je upnutá ze všech stran do okolního masivu (vyjma prostoru již provedeného výrubu). Jsou umístěny ve speciálních sestavách v oblasti těžiště čelby, odpalují se jako první a vytvoří zálom do čelby. - Sbíhavé zálomy používají vrty, které nejsou kolmé k teoretické rovině čelby a mají tvar klínu, dvojitého klínu, jehlanu, kužele nebo vějíře, což umožňuje snazší výtrž upnuté horniny (obr. 12). Funkčně jsou zcela vyhovující, jejich ruční vrtání ve štolách malých profilů je však obtížné. U velkých tunelových profilů jsou sbíhavé zálomy při použití moderních počítačově řízených vrtacích vozů velmi dobře použitelné, nejefektivněji zejména svislý klínový zálom.
Obr. 11 Druhy vrtů ve vrtném schématu a působení trhaviny po odstřelu
14
Obr. 12 Sbíhavé zálomy - Přímé zálomy mají všechny vrty kolmé k teoretické rovině čelby, paralelní vrty jsou stejně dlouhé a pro usnadnění výtrže se upnutí horniny v čelbě snižuje provedením nenabitých vrtů. K přímým zálomům patří zálomy tříštivé (kanadské) a zálomy válcové (uvolňovací). - Tříštivé zálomy mají nabité a nenabité vrty stejného průměru umístěny v malých vzdálenostech (obr. 13) a odpalují se všechny současně. Malá vzdálenost vrtů (do 10 cm) omezuje délku záběru, neboť vhledem k nepřesnostem ve vedení vrtů by mohlo dojít k propojení vrtů v oblasti jejich paty a tím k znehodnocení funkce zálomu. Jejich použití je v současnosti výjimečné.
15
Obr. 13 Tříštivé zálomy - Válcové zálomy jsou velmi účinné, neboť účinnost zálomu se zvyšuje se zvětšováním průměru nenabitého vrtu. U všech typů válcových zálomů (obr. 14) bývá uvolňovací vrt pouze jeden (případně „svrtaná“ dvojice u „Coromant“ zálomu), ale o průměru 100 až 200 mm. Odpal nabitých vrtů se provádí postupně, zpravidla protisměrně vzhledem k uvolňovacímu vrtu, s výjimkou spirálového zálomu zvaného „kanadská zátka“.
Obr. 14 Válcové (uvolňovací) zálomy a) čtvercový; b) obdélníkový; c) Täby; d) Coromant; e) jednoduchý spirálový – „kanadská zátka“; f) dvojitý spirálový
Válcové zálomy umožňují provádět záběry značných délek (od 2 do 6 m), a to v přímé závislosti na průměru volného vrtu, pro jejich vrtání při velkých délkách je proto použití výkonných lafetových vrtacích vozů nevyhnutelnou nutností. - Přibírkové vrty, jejichž v desítkách až stovkách milisekund zpožděné exploze náloží zajišťují rozšíření zálomu. Působení energie trhaviny je usnadněno usměrněním výbuchu do již vytrženého prostoru zálomu; vrtají se proto vždy kolmo k čelbě a obsahují menší množství trhaviny.
16 - Obrysové vrty slouží k umístění náloží, které mají zajistit po výbuchu vylomení co nejpřesnějšího obrysu podzemního díla, současně však nesmí výrazně poškodit trhlinami horninový masiv v okolí výrubu. Tyto požadavky lze účinně zajistit speciálními způsoby tzv. řízeného výlomu (obr. 15) – hladkým odpalem a presplittingem („předštípnutím“).
Obr. 15 Schema časových fází odpalu při řízeném výlomu a) fáze při hladkém odpalu; I. – zálomové vrty, II. – přibírkové vrty, III. – obrysové vrty b) časové fáze odpalu při presplittingu; A – obrysové vrty, B – zálomové vrty, C – přibírkové vrty
Oba postupy mají určité společné rysy, liší se však podstatně okamžikem odpalu obrysových vrtů. Společnými znaky jsou: -
hustě rozmístěné vrty po obvodě výrubu (vzdálenost cca 30 cm), které nejsou všechny nabíjeny (nenabité vrty slouží jako perforace),
-
používání trhavin s nízkou náložovou hustotou (v ČR např. trhavina OBRYSIT),
-
případně tlumení účinku výbuchu nálože vůči horninovému masivu (např. půlenou dřevěnou tyčí).
Hladký odstřel takto uspořádané obrysové nálože odpaluje po zálomu a přibírkových vrtech až jako poslední v pořadí (zpoždění v desítkách až stovkách milisekund), takže obrysové vrty vlastně dočišťují obrys výrubu do prostoru předchozího hrubého výlomu. Presplitting naopak nálože v obrysových vrtech odpaluje jako první v pořadí a jejich úkolem je vytvořit mezi obrysovými vrty nabitými i prázdnými trhlinu. Tato trhlina přesně sleduje tvar budoucího výlomu a současně vytváří
17 účinný přechodový odpor proti nepříznivému působení následujících výbuchů vnitřních náloží profilu na horninový masiv za lícem výrubu. 4.1.2 Beztrhavinové rozpojování Nevýhodou trhacích prací jsou ztrátové časy vyvolané manipulací s vrtací technikou, nabíjením náloží, odstřelem a větráním. V méně pevných skalních horninách (do cca 60 MPa) se proto preferuje v současnosti beztrhavinová ražba pomocí strojů s dílčím záběrem čelby, tzv. výložníkových (tunelových) fréz (obr. 16). Pracovní orgán tvoří razicí hlava, osazená na hydraulicky výsuvném výložníku. Výložník je kloubově upevněn na podvozku (kolejovém nebo pásovém), což umožňuje dobrou pohyblivost stroje. Frézovací hlava (kulová, válcová, kuželová) je konstruována buď pro příčné, nebo podélné otáčení a je opatřena rozpojovacími nástroji – tvrdokovovými zuby, trny, dláty. Frézovací hlavu lze skrápět a chladit vodou, čímž se značně snižuje prašnost při frézování.
Obr. 16 Tunelová fréza se dvěma výložníky Stroj pracuje obvykle tím způsobem, že vyfrézuje zářez v horní části čelby, který se následným pohybem ramene rozšiřuje na projektovaný tvar profilu. Po vyčerpání zdvihu teleskopického výložníku se přesune podvozek kupředu tak, aby mohlo být teleskopické rameno stlačeno do výchozí polohy a postup se cyklicky opakuje. Mezi hlavní přednosti těchto strojů patří: -
schopnost vytvořit výruby velmi variabilních tvarů,
18 -
možnost rychlého nahrazení stroje jinou technologií v případě podstatné změny geologických podmínek,
-
dobrý přístup k čelbě a možnost osazení výstroje v těsné blízkosti čelby v případě potřeby.
Na obdobném principu dílčího záběru při rozpojování pracují hydraulická nebo pneumatická rypadla (tzv. tunelbagry), která horninu z čelby seškrabávají pohyblivou lžící s tvrdokovovými zuby. Lze je efektivně používat do pevnosti horniny cca 10 až 30 MPa; při větších pevnostech se zuby lžíce nadměrně obrušují i vylamují a výkon stroje výrazně klesá. 4.1.3 Nakládání a odvoz rubaniny Nakládání a odvoz rubaniny je organizačně náročnou operací, která výrazně ovlivňuje délku cyklu při ražbě především typem a výkonností nasazených mechanismů. Všechny stroje použité pro práci v podzemí, tudíž i stroje pro nakládání a dopravu rubaniny, musí být speciálně vybaveny a schváleny Báňským úřadem, aby byly maximálně provozně a požárně bezpečné a co nejméně znečišťovaly ovzduší v podzemí. Pro pohon se používají elektromotory, hydromotory, vzduchové motory a dieselové motory s katalyzátory. Použití zážehových benzinových motorů není dovoleno. Pro nakládání rubaniny ve štolách se používají různé typy lžícových a klepetových nakladačů, často spojených s vestavěným hřeblovým dopravníkem, které přemisťují rubaninu do kolejových vozíků (huntů) případně samovyklápěcích vozů. Ve velkých tunelech kolové přepravníkové nakladače s mohutnou lžící (obsah několik m3) vlastní kinetickou energií nabírají rubaninu získanou při odstřelu a dopravují ji na vzdálenost i stovek metrů před portál na výsypku. Při ještě větších vzdálenostech se rubanina nakládá na nákladní automobily či speciální velkoprostorové vozy. 4.1.4 Provizorní výztuž Provizorní výztuž může být při cyklickém ražení realizována celou řadou kombinovaných postupů; k těm základním patří: -
výdřeva,
-
ocelová výztuž,
-
svorníková výztuž
-
stříkaný beton. 4.1.4.1 Výdřeva
Výdřeva, neboli provizorní výztuž z dřevěných prvků (obr. 17), se již v současnosti pro zajištění štol ani tunelů v kompletním provedení nepoužívá. Pouze výjimečně, v případě neočekávaně vysokých tlaků horniny, se mohou použít pro zvýšení únosnosti jiných typů výstroje jednotlivé
19 dřevěné prvky (rozpěry, podpůrné stojky). Jejich předností v havarijních podmínkách je rychlá instalace (díky snadné úpravě dřevěných prvků podle konkrétních podmínek) a kvalitní aktivace (utažení) pomocí dřevěných klínů a varovné projevy při přetížení.
Obr. 17 Výdřeva štoly s podvlaky 1 – podvoj 2 – stojky podvoje 3 – rozpěry veřejí 4 – podvlaky 5 – stojky podvlaků 6 – rozpěry podvlaků
4.1.4.2 Ocelová výztuž Ocelová výztuž je v současnosti nejrozšířenějším typem provizorní žebrové výztuže. Protože jde o žebrové prvky, je plošné zajištění (zapažení) stropu provedeno buď pažinami, které jsou k líci výrubu aktivovány dřevěnými klíny, nebo je nejčastěji výrub mezi žebry zajišťován stříkaným betonem. V kombinaci s ocelovými žebry se používají plechové pažiny, nejčastěji typu Union. Žebra mohou být provedena z ocelových prvků různého příčného průřezu: -
běžné válcované profily I, U nebo H,
-
poddajné profily typu TH,
-
hvězdicové profily
-
příhradové profily.
- Válcované profily I a U se používají pouze výjimečně pro některé atypické profily, např. pro štoly pravoúhlého tvaru; spojování jednotlivých částí se provádí pomocí styčníkových plechů a šroubů. Únosné profily H se občas používají pro velké tunely jako výztužná žebra, která jsou schopná přenášet okamžitě po zabudování značná zatížení.
20 - Poddajná ocelová výztuž typu TH (Touissant – Heitzmann) nebo typu K (korýtková výztuž) jsou principiálně stejné, liší se jen malými odchylkami příčného řezu (obr. 18). Ten má v zásadě tvar korýtka a válcuje se v několika váhových typech (K 17 až K 27 – číslo znamená váhu 1 bm v kg)), které se liší svou únosností. Výztuž tohoto typu je v příčném profilu dělená na několik částí, které se spojují na překryvnou délku min 40 cm pomocí dvojice třmenů se šrouby (obr.19b). Tření, které vznikne mezi jednotlivými spojovanými díly při dotažení třmenových šroubů, umožňuje při nebezpečném přetížení výztuže proklouznutí dílů ve spoji, čímž dojde ke snížení tlaku na výztuž.
Obr. 18 Poddajná ocelová výztuž – průřezová velikost a tvar a) příklad – základní rozměry typu K 21; b) průřez K; c) průřez TH
Obr. 19 Poddajná ocelová výztuž – profily a spojování dílů a) schéma profilů; b) detail spojování dílů výztuže
Výztuž se proto neporuší a zůstává nadále funkční; celý proces se může i několikrát opakovat, čehož se využívá zejména u dlouhodobě provozovaných důlních chodeb (překopů), ovlivňovaných těžbou v různých partiích ložiska. Ve stavebnictví se tohoto efektu prakticky nevyužívá, vzhledem k nutnosti dodržení velikosti a tvaru projektovaného profilu.
21 Poddajná výztuž se vyrábí v rozsáhlé velikostní škále typizovaných profilů podkovovitých (s obloukovými – typ OO i rovnými konci – typ OR), kruhových – typ KC a lichoběžníkových – typ LC (obr. 19a). U velkých tunelů musí být díly výztuže naohýbány podle konkrétních projektových požadavků. Pro kombinaci se stříkaným betonem je vhodné ohýbat díly výztuže korýtkem dovnitř tunelu (lepší zastříkání žebra), i když standardní způsob ohýbání je právě opačný. - Hvězdicová ocelová výztuž je moderní ocelová výztuž pro podzemní výruby stavebního typu (obr. 20), která umožňuje dokonalé zastříkaní betonem. Spojování jednotlivých dílů se provádí pomocí speciálních příložek se šrouby.
Obr. 20 Ocelová výztuž hvězdicového typu a) výztužné žebro, b) příčný průřez (příklad rozměrů)
- Příhradová výztuž je nejfrekventovanějším typem žebrové ocelové výstroje v případě, že je navrženo její zabudování do ostění ze stříkaného betonu. Je tvořena obvykle třemi (u velkých tunelů i čtyřmi) podélnými ocelovými profily, propojenými vložkami, které tvoří svařovanou příhradovinu ve všech postranních plochách (obr. 21). Při zastříkání příhradových žeber jednotlivé ocelové profily dokonale spolupůsobí s betonem, čímž se vytváří velmi únosné železobetonové dočasné ostění. Příhradová žebra se skládají z jednotlivých předem vyrobených dílů, které se spojují pomocí styčných plechů a šroubů. K příhradové výztuži se dobře připevňuje síťová armatura.
22
Obr. 21 Příhradová ocelová výztuž a) výztužné žebro, b) příčný a podélný řez (příklad rozměrů)
4.1.4.3 Svorníková výztuž Svorníková výztuž není klasickým způsobem vestavěna dovnitř výrubu. Tyčové ocelové či sklolaminátové prvky, které se vkládají do vrtů, přikotvují líc výrubu do vzdálenější oblasti horninového masivu, která není provedením výrubu porušena a přenáší zatížení přirozeným klenbovým účinkem (obr. 22). Optimální délka svorníků se pohybuje okolo 1/3 šířky výrubu. Svorníky se mohou po zabudování předepnout, čímž dojde k okamžitému aktivnímu podepření líce výlomu, nebo se líc výrubu nechá v přijatelné míře deformovat, čímž dojde k jejich postupné aktivaci a vytvoření rovnováhy mezi horninovým masivem a svorníkovou výztuží.
Obr. 22 Zpevnění oblasti kolem výrubu svorníkovou výztuží a) při poměru ls/l = 1/3; b) při poměru ls/l = 1/2
23 Svorník se skládá z hlavy, dříku a paty. Může být upnut v hornině pouze v patě nebo se upnutí do horniny realizuje po celé délce dříku. V obou případech lze upnutí realizovat mechanicky nebo pomocí tmelů (cementová malta, dvousložkové pryskyřice). K nejjednodušším v patě mechanicky upínaným svorníkům patří klínkový svorník, který se aktivuje narážením dříku na klín, čímž se zatlačuje naříznutá patní část dříku do stěn vrtu. Šroubový svorník se aktivuje otáčením celého svorníku; závit v patě svorníku vyvolá posun kuželu po dříku a roztlačení dělené zazubené objímky do stěny vrtu (obr. 23). Mechanické upnutí po celé délce svorníku se nejčastěji realizuje u tzv. hydraulických svorníků, které se aktivují tlakem vody, přiváděné přes speciální hlavu do dutého svorníkového dříku z vysokotažného ocelového plechu. Zdeformovaný plech dříku se vysokým tlakem vyrovná a přitlačí ke stěně vrtu. Přenos sil pak zajišťuje výrazné tření mezi dříkem svorníku a horninou.
Obr. 23 Typy mechanicky upínaných svorníků a) klínkový svorník, b) šroubový svorník
Svorníky upínané pomocí tmelu jsou v zásadě dvojího typu – buď se upnutí realizuje pomocí dvousložkové pryskyřice, nebo pomocí cementové malty. - Upnutí pryskyřicí využívají tzv. lepené svorníky. Do vrtu se vloží v požadované délce upnutí polyethylenové ampule obsahující odděleně jednotlivé složky tmelu (pryskyřici a tužidlo). Zasunutím svorníku do vrtu a jeho následným rotačním pohybem dojde k roztržení obalu a rozmíchání jednotlivých složek. K vytvrdnutí pryskyřice dojde v průběhu několika minut a svorník je připraven k přenosu sil. Lepené svorníky lze užít i do vlhkých a porušených hornin.
24 -
Upnutí cementovou maltou po celé délce svorníku se provádí v zásadě pomocí injektáže vrtu, která může být určitým způsobem modifikována (vsunutí svorníku do vrtu vyplněného cementovou maltou – tzv. SN svorníky, nízkotlaká injektáž od ústí nebo od paty vrtu – tzv. PG svorníky, injektáž vnitřním kanálkem samozávrtného svorníku s rozšiřovací korunkou – typ IBO či DSI. Při provádění injektáže musí být vždy zajištěno odvzdušnění vrtu (obr. 24).
Obr. 24 Samozávrtný svorník 1 – utahovací matice 2 – ocelová podložka 3 – spojník 4 – dřík svorníku 5 – vrtná korunka 6 – zajišťovací matice 7 – injektáží otvor 8 – vrt zaplněný cementovou maltou
Svorníkovou výztuž lze efektivně kombinovat s dalšími výztužnými prvky – armovacími sítěmi, ocelovou žebrovou výztuží a stříkaným betonem. Spojením těchto prvků lze vytvořit kvalitní dočasnou výztuž podzemního díla, která je typická pro moderní tunelářské metody. 4.1.4.4 Stříkaný beton Stříkaný beton je bez bednění ukládaná (nástřikem nanášená) betonová směs se zrnitostí až 16 mm; nejčastěji se používá směs se zrny do 8 mm, s urychlovačem tuhnutí a přísadami, se spotřebou cementu 400 až 600 kg/m3. Nástřik se provádí dálkově ovládaným manipulátorem (ve stísněných prostorách ručně obsluhovanou stříkací pistolí) ve vrstvách tl. 5 až 15 cm, do nichž jsou postupně zastříkávány armovací sítě a výztužná ocelová žebra dle požadavků projektu (obr. 25). Po zatuhnutí lze stříkat vrstvy další, při čemž spojení obou vrstev je velmi dokonalé. Výroba stříkaného betonu se provádí suchou nebo mokrou cestou (obr. 26), které se liší jednak technologií přípravy stříkané směsi, jednak velikostí odpadu při stříkání. Suchý stříkaný beton má výrazně vyšší odpad (při stříkání na strop až 30 % směsi, která se nesmí znovu použít), lze jej však dobře aplikovat i na mokrý povrch výrubu. Množství odpadu u mokrého stříkaného betonu se pohybuje do 10 %. Díky urychlovači tuhnutí mají stříkané betony rychlý nárůst pevnosti (v průběhu 8 hodin se může pevnost nastříkaného betonu pohybovat okolo 5 MPa), takže stříkané betony jsou schopné přenést postupné zvyšování horninových tlaků.
25
Obr. 25 Výztužné sítě a příhradová žebra před zastříkáním betonem
Obr. 26 – viz pokračování na str. 25
