VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V BRN FAKULTA STAVEBNÍ PODZEMNÍ STAVBY MODUL BF06-M01 PODZEMNÍ STAVBY

VYSOKÉ U ENÍ TECHNICKÉ V BRN FAKULTA STAVEBNÍ

VLADISLAV HORÁK

PODZEMNÍ STAVBY MODUL BF06-M01 PODZEMNÍ STAVBY

STUDIJNÍ OPORY PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA

Podzemní stavby · Modul M01

© Vladislav Horák, Brno 2007

- 2 (171) -

Obsah

OBSAH 1 Úvod ...............................................................................................................7 1.1 Cíle ........................................................................................................7 1.2 Požadované znalosti ..............................................................................7 1.3 Doba pot ebná ke studiu .......................................................................7 1.4 Klí ová slova.........................................................................................7 1.5 Použitá terminologie (nepovinné) .........................................................7 2 Vlastní úvod, historie, sou asnost a výhledy ..............................................9 2.1 eský bá ský ú ad – BÚ ..................................................................11 2.1.1 P sobnost BÚ....................................................................11 2.2 Základní odborné názvosloví ve sv tových jazycích..........................14 2.3 Definice podzemní stavby...................................................................14 2.4 Rozdíl mezi podzemní stavbou a podzemním dobýváním nerost .....14 2.5 Stru ná historie a sou asnost ..............................................................15 2.6 Železni ní tunely.................................................................................21 2.7 Silni ní tunely .....................................................................................27 2.8 Podzemní dráhy a metra ve velkých m stech .....................................32 2.9 Vodohospodá ské stavby ....................................................................34 2.10 Podmo ské a podvodní tunely.............................................................35 3. Rozd lení, ásti a pojmenování podzemních staveb................................38 3.1 P íklady n kterých zajímavých podzemních staveb ...........................39 3.2 Význam hlavních geofaktor vzhledem k hloubce podzemní stavby.43 3.3 Nomenklatura podzemních staveb podle JKSP . 825 (Jednotná Klasifikace Stavebních Prací = bývalé ceníkové položky).................44 3.4 Rozd lení podzemních staveb podle dispozice...................................45 3.5 Rozd lení podzemních staveb podle zp sobu provád ní....................46 3.6 Rozd lení podzemních staveb podle p í iny – tj. p ekážek bránících realizaci nadzemní stavby ...................................................................48 3.7 Názvosloví jednotlivých ástí tunelu ..................................................49 3.8 Práce a innosti probíhající p i tunelování..........................................50 3.9 Další termíny týkající se podzemních staveb......................................51 3.10 Faktory ovliv ující realizaci podzemní stavby ...................................54 4. Základní návrhové prvky ..........................................................................55 4.1 P í ný ez je dán:.................................................................................55 4.1.1 P í ný profil hydrotechnických štol s volnou hladinou (p ivad e, kanaliza ní štoly) ...............................................55 4.1.2 P í ný profil tlakových hydrotechnických štol (tlakové vodovodní štoly a p ivad e VE, PVE) ................................56 4.1.3 P í ný profil železni ních tunel ..........................................57 4.1.4 P í ný profil metra ................................................................58 4.1.5 P í ný profil silni ních a dálni ních (m stských) tunel ......59 4.1.6 Typické hodnoty p í ných Ø liniových podzemních staveb64 4.2 Sm rové pom ry .................................................................................64

- 3 (171) -


4.2.1

5

6.

7.

8.

9.

Požadavky technologie stavby (zde jde p edevším o minimální polom ry zatá ení stavebních mechanism rmin) 64 4.2.2 Pot eby provozní p i používání stavby: ............................... 64 4.3 Výškové (sklonové) pom ry............................................................... 65 4.3.1 Minimální podélný sklon ..................................................... 65 4.3.2 Maximální podélný sklon..................................................... 65 Geotechnický pr zkum ............................................................................. 67 5.1 Hlavní úkoly pr zkumu:..................................................................... 67 5.2 Metody pr zkumu .............................................................................. 68 5.3 Etapovost pr zkumu........................................................................... 70 5.4 Postupné upravování podélného geologického ezu se zapracováním jednotlivých etap pr zkumu ............................................................... 71 5.5 GT sledování výstavby (sled)............................................................. 71 5.6 P edrážená pr zkumná štola............................................................... 72 5.7 Vliv výsledk geotechnického pr zkumu na trasování podzemní stavby.................................................................................................. 74 Klasifikace horninového prost edí pro pot ebu podzemního stavitelství77 6.1 Popisné tunelá ské klasifikace............................................................ 77 6.2 íselné klasifikace.............................................................................. 80 6.2.1 íselné klasifikace klasické (s jedním parametrem) ............ 80 6.2.2 íselné klasifikace moderní (až na první z nich víceparametrické) ................................................................. 82 Primární a sekundární napjatost v okolí tunelového výrubu a odvození klenbové teorie ........................................................................................... 87 7.1 Primární napjatost............................................................................... 87 7.2 Sekundární napjatost .......................................................................... 89 7.3 Výpo et sekundární napjatosti v okolí kruhového výrubu................. 92 7.4 Klenbové teorie .................................................................................. 93 7.4.1 Teorie M. M. Protodjakonova .............................................. 93 Statické ešení tunelových ost ní.............................................................. 96 8.1 P edb žný návrh rozm r tunelového ost ní ..................................... 97 8.2 Zatížení p sobící na ost ní podzemní stavby..................................... 98 8.3 Výpo et vnit ních sil navržené konstrukce ........................................ 99 8.4 Pasivní odpor – Winklerova teorie (E. Winkler, 1867)...................... 99 8.5 Kloubová ost ní................................................................................ 100 8.6 Pružné ost ní s p edur enou k ivkou pasivního odporu................... 100 8.7 Pasivní odpor zavedený do výpo tu - POLYGONÁLNÍ METODA103 8.8 Jako sp ažená konstrukce ................................................................. 104 8.8.1 ešení Fenner-Pacherovo................................................... 104 8.8.2 ešení Sattler-Rabcewiczovo............................................. 104 8.9 Matematické modelování ................................................................. 105 8.10 Posouzení nejexponovan jších pr ez v provád cím i kone ném stadiu................................................................................................. 105 Tunelové systémy a soustavy pro v tší profily ...................................... 107 9.1 Rozd lení tunelových systém a soustav ......................................... 107 - 4 (171) -

Obsah

9.2

9.3

Klasické tunelovací soustavy ............................................................107 9.2.1 Stará rakouská tunelovací metoda (porubem, p í níková) .108 9.2.2 Moderní rakouská tunelovací soustava (podélníková – pilí ová)...............................................................................109 9.2.3 Podchycovací tunelovací soustava (belgická) – pilí ová ....110 9.2.4 Jádrová tunelovací soustava (n mecká) – pláš ová............110 9.2.5 Modernizace klasických soustav.........................................111 Moderní tunelovací soustavy a systémy ...........................................112 9.3.1 Vrtání a odst el....................................................................112 9.3.2 Prstencová metoda ..............................................................113 9.3.2.1 Montovaná ost ní p i prstencové metod (p ípadn p i štítování) .............................................................................115 9.3.2.2 Pracovní cyklus prstencové metody....................................124 9.3.2.3 Prstencová metoda - injektáž ..............................................124 9.3.3 Nová rakouská tunelovací metoda (NRTM, NATM, NÖTM)126 9.3.3.1 Principy NRTM ..................................................................127 9.3.3.2 Typy výstroje použitelné pro NRTM..................................132 9.3.3.3 Profily ražení a len ní výrubu ...........................................132 9.3.3.4 Rozpojování horniny...........................................................134 9.3.3.5 P íklady tunel ražených NRTM ........................................135 9.3.3.6 Pracovní postup p i NRTM.................................................137 9.3.4 TBM do (tvrdých) hornin....................................................139 9.3.4.1 Schéma a funkce TBM........................................................139 9.3.4.2 Rozd lení TBM...................................................................142 9.3.4.3 TBM bez plášt (tzv. otev ený) ..........................................142 9.3.4.4 TBM s jednoduchým plášt m .............................................144 9.3.4.5 TBM s dvojitým (teleskopickým) plášt m .........................144 9.3.4.6 TBM s rozši ováním pr ezu ..............................................145 9.3.4.7 Výhody ražby TBM ............................................................146 9.3.4.8 Nevýhody ražby TBM ........................................................146 9.3.4.9 P íklady nasazení TBM.......................................................148 9.3.5 Štítování ..............................................................................149 9.3.5.1 Otev ený štít........................................................................152 9.3.5.2 Štítování s podporou výrubu...............................................156 9.3.5.3 Štítování (tunelování) s p etlakem vzduchu (pneumatické tunelování) ..........................................................................157 9.3.5.4 Štítování s podporou ela bentonitovou suspenzí, bentonitový štít (BS - Bentonite Shield, Slurry Shield) ..........................159 9.3.5.5 Štítování s pažením ela zeminou – zeminový štít (EBS – Earth Balance Shield, EPB – Earth Pressure Balance) .....161 9.3.5.6 Vícenásobné štíty ................................................................162 9.3.5.7 Nožový štít ..........................................................................164 9.3.5.8 Vývoj rozm r pr ez štít ...............................................165 9.3.6 Speciální technologie výstavby tunel ................................166

- 5 (171) -


9.3.6.1 Metoda obvodového vrubu (metoda „Perforex“, také metoda p ed ezu i metoda p edklenby)......................................... 166 9.3.6.2 Kesonování......................................................................... 167 9.3.6.3 Naplavování ....................................................................... 168 9.3.6.4 Vysouvání........................................................................... 170

- 6 (171) -

Úvod

1

Úvod

1.1

Cíle

Student se seznámí s historií a vývojem podzemních staveb, s jejich nomenklaturou podle r zných kriterií a s názvoslovím. Zvládne základní projek ní prvky pod-

zemních staveb. Seznámí se s geotechnickým pr zkumem a vlivem geologie na trasování podzemní stavby a s horninovými klasifikacemi pro podzemní stavby. Bude seznámen s úvodem do teorie horninových tlak . Bude informován o základních metodách pro návrh a posouzení primární obezdívky (tuhé a poddajné ost ní apod.). Dále se seznámí p edevším s tunelovými systémy a soustavami pro v tší i menší profily podzemních staveb, rozpojováním horniny mechanicky a trhací prácí, manipulací s rubaninou a s hloubením šachet. Budou probrány metody zlepšování horninového prost edí p i výstavb podzemních d l. Seznámí se s vystrojováním a v tráním podzemních staveb a s jejich izolováním proti vod . Bude schopný posoudit deformace povrchu území. Seznámí se i s hloubenými podzemními stavbami a s mikrotunelováním. Studijní opora je rozd lena do dvou modul (BF06-M01 a BF06-M02).

1.2

Požadované znalosti

Požadovány jsou základní znalosti z geologie, mechaniky zemin, mechaniky hornin, zakládání staveb, stavebních látek, stavební mechaniky a pružnosti a plasticity.

1.3

Doba pot ebná ke studiu

Dobu pot ebnou ke studiu „Modulu 01 – podzemní stavby“ lze odhadnout na cca 20 až 25 hodin.

1.4

Klí ová slova

Hornina, skalní hornina, poloskalní hornina, horninový masív, zemina, podzemní stavba, tunel, štola, šachta, výrub, elba, po va, op ra – op í, metoda výstavby, tunelový pas, prstenec, NRTM (NATM), TBM, štít, trhací práce, TSM, hloubená stavba, zasypávaná stavba, kombinovaná stavba, primární a sekundární výztuž, obezdívka, ost ní.

1.5

Použitá terminologie (nepovinné)

Je osv tlena postupn v u ebním textu.

- 7 (171) -

Vlastní úvod, historie, sou asnost a výhledy

2


Po átky podzemního stavitelství je možné dohledat již ve starov ku. Celý obor zaznamenal v d jinách adu vzestup i stagnací (stejn jako jiné obory stavebnictví a ostatn stejn jako i celá lidská civilizace). V sou asné dob je však podzemní stavitelství velmi významným segmentem stavebnictví a zaznamenává mimo ádn dynamický rozvoj. Na tomto rozvoji se uplat ují nové postupy navrhování podzemních konstrukcí, nové metody jejich provád ní a v neposlední mí e potom p edevším velký nedostatek tradi ních staveniš (p edevším ve velkých sídelních aglomeracích) jako i pot eba prostor na povrchu chránit pro adu významn jších funkcí. Prostor pod zemským povrchem se tak v p eneseném slova smyslu stává tvrtým rozm rem, do kterého je nutné umís ovat celou adu inností bez kterých je existence moderní spole nosti již zcela nemyslitelná. S tím je spojena i pot eba tento prostor v litosfé e ádn organizovat. To je úkolem nového oboru územního plánování – podzemního urbanismu (n kdy též nazývaného terratektura), bezprost edn souvisejícího s podzemním stavitelstvím. Na mezinárodní úrovni je obor podzemního stavitelství reprezentován organizací ITA/AITES (International Tunel Assotiation/Association Internationale des Travaux En Souterrain) sdružující národní organizace, významné firmy a jednotlivé odborníky zabývající se profesn podzemním stavitelstvím ( www.ita-aites.org ). ITA/AITES (mimo jiných inností) vydává rovn ž i odborný asopis „Tribune ITA newsletter“ (viz odkazy na literaturu). Na národní úrovni jsou eské organizace zabývající se podzemním stavitelstvím jako i ada odborník zastoupeni v eském tunelá ském komitétu ITA/AITES ( www.ita-aites.cz ). TuK ITA/AITES vydává rovn ž (velmi vysoce mezinárodn hodnocený) asopis „Tunel“ (op t viz odkazy na literaturu). Historicky se na území bývalé R-U monarchie vyvinula pro podzemní stavitelství mimo ádn charakteristická stará odborná tunelá ská (minérská) mluva – hantýrka. Byla v zásad sm sicí odborných i hovorových výraz , p evážn n meckých a italských, v menší mí e rovn ž chorvatských. Tato hantýrka je dnes již tém , až na nepatrné relikty (p ístropí = kalota; op í = štrosa), zapomenuta (nap . eba, p í = brust; ve ej = kapna; tunelový pas = kampáda; mistr, p edák = kápo; podélníky = longariny; razi = minér; vozí ká , odbíha = šlepr apod.). Z hornické minulosti byl p evzat významný stavovský pozdrav „Zda b h!“. Sou ástí zachování tradic je i pat i ná úcta k patronce tunelá sv. Barbo e. Dnes je již (po letech zákaz a omezení) op t samoz ejmé, že p i zahajování významných podzemních staveb je osazena a slavnostn vysv cena na portálu soška ochranné a pomocné sv tice (obr. 2.1, 2.2 a poznámka). Poznámka (zdroj Wikipedia): Barbora z Nikomédie (též svatá Barbora), panna a mu ednice, pat í ke trnáctí svatým patron m, vzývaným zvlášt v t žkých chvílích, v minulosti nap íklad p i morových epidemiích. Jejich spole ná památka se slaví 4. prosince. - 9 (171) -

Podzemní stavby · Modul 01

Dle legendy byla svatá Barbora krásná dívka, jež se narodila v druhé polovin 3. století, nebo na za átku 4. století n. l. v Nikomédii v Malé Asii jako jediná dcera v rodin bohatého kupce Dioscura. Matka jí brzy zem ela, krutý otec vedl dce inu výchovu v ryze pohanském duchu, dle tehdejší helénistické kultury. Aby ji ubránil p ed zlými vlivy okolního sv ta, zejména p ed tehdy ješt zakázaným k es anským u ením, uv znil dceru v kamenné v ži, kde ji obklopil vším p epychem. Jeden ze sloužících, jež o ni pe ovali, byl však tajným k es anem, který Barboru obrátil na víru. Jakmile se to otec dov d l, cht l ji donutit z íci se víry, když se však dcera bránila, vlastní rukou (n kdy je uvád no že me em) jí ve vzteku srazil hlavu. V tom okamžiku vyšlehl z jasného nebe blesk, jenž jej na míst zabil. Pravd podobn byla svatá Barbora s ata me em kolem roku 305 b hem pronásledování k es an za panování císa e Maximiana Galeria (305–311), existují však i další verse legendy o její smrti. Svatá Barbora je uctívána jako svatá patronka haví , d lost elc , architekt a matematik , také dalších povolání, u nichž hrozí riziko náhlé i násilné smrti, rovn ž jako ochránkyn proti smrti bleskem, v asech bou í a požár . Postava svaté Barbory a její život nejsou historicky doloženy, byla proto roku 1969 vypušt na ze seznamu katolických svatých. V ikonografii je vyobrazována s k ížem, pavím pérem, me em (symbol jejího mu ednictví) nebo jako držící kalich s hostií (symbol svátosti oltá ní, již jí p ed popravou p inesl and l). Také bývá p edstavována s v ží i její miniaturou, kterou držívá v ruce.

Obr. 2.1 a 2.2: Patronka tunelá sv. Barbora [Verlag Glückauf GmbH Essen a encyklopedie Wikipedia]

Tradi n jde v podzemním stavitelství o velmi namáhavou a (pom rn ) nebezpe nou práci. Práce probíhá ve stísn ném, obvykle špatn osv tleném prost e-

- 10 (171) -


dí. Chování horninového prost edí do kterého se zasahuje m že být ob as t žko p edvídatelné. asto se pracuje s výbušinami. V podzemí se v sou asnosti nasazují rovn ž velmi výkonné a rozm rné mechanismy. Z toho vyplývá nebezpe í úraz , extrémn i smrtelných. Nelze však pouze spoléhat na pomoc sv. Barbory. Nezbytné je ádné proškolení všech pracovník (p edevším pak vedoucích) o zásadách bezpe nosti práce. Samoz ejmostí je používání ochranných pom cek (helmy, rukavice, obuv, reflexní nášivky na od vu…). I práv proto byla pé í TuK ITA/AITES p eložena metodická p íru ka ITA/AITES „Bezpe nost p i výstavb tunel “ – viz www.itaaites.cz/files/edice_CTuK/ctuk_01_bezpecnost.pdf .

2.1

eský bá ský ú ad – BÚ

Dozorem nad dodržováním zásad bezpe nosti p i práci v podzemí a práci s trhavinami je (mimo dalších inností) pov ena státní bá ská správa R: eský bá ský ú ad – BÚ ( www.cbusbs.cz ) – viz. poznámka.

Obr. 2.3: Logo eského bá ského ú adu – BÚ

Poznámka:

2.1.1

P sobnost BÚ

Zákony upravující v cnou a územní p sobnost SBS: eský bá ský ú ad je z ízen zákonem NR . 2/1969 Sb., o z ízení ministerstev a jiných úst edních orgán státní správy eské socialistické republiky. Zákon . 44/1988 Sb., o ochran a využití nerostného bohatství (horní zákon) Zákon NR . 61/1988 Sb., o hornické innosti, výbušninách a o státní bá ské správ Zákon . 65/1965 Sb., zákoník práce. Zákon NR . 200/1990 Sb., o p estupcích. Orgány státní bá ské správy: eský bá ský ú ad ( BÚ) se sídlem v Praze. 9 obvodních bá ských ú ad (OBÚ) se sídlem v m stech Kladno, Plze , Sokolov, Most, Trutnov, Brno, Ostrava, P íbram a Liberec. Vrchní dozor je vykonáván orgány státní bá ské správy nad: hornickou inností, inností provád nou hornickým zp sobem, požární ochranou v podzemí,

- 11 (171) -


dodržováním pracovních podmínek v hornických organizacích, p i výrob výbušnin, p i používání výbušnin k trhacím pracím a oh ostrojným pracím, ádným odvád ním úhrad za dobývací prostor a vydobyté vyhrazené nerosty. Orgány státní bá ské správy kontrolují, zda hornické organizace vykonávají tyto innosti v souladu se zákonem . 44/1988 Sb. zákonem . 61/1988 Sb. p edpisy vydanými na jejich základ (horní a bezpe nostní p edpisy) a jinými obecn závaznými právními p edpisy (nap . zákoníkem práce, vyhláškou o evidenci a registraci pracovních úraz a o hlášení provozních nehod (havárií) a poruch technických za ízení, vyhláškou o placení úhrad z dobývacího prostoru a vydobytých vyhrazených nerost apod.) Formy výkonu vrchního dozoru: provád ní prohlídek objekt , za ízení a pracoviš , zjiš ování stavu, p í in a následk závažných událostí na míst , na izování odstranit zjišt né závady a nedostatky. K zajišt ní bezpe nosti a ochrany zdraví p i práci a bezpe nosti provozu jsou na izována nezbytná opat ení. Pokud se zjistí závady, které z ejm a bezprost edn ohrožují zákonem chrán ný obecný zájem a které nelze ihned odstranit, je na izováno v nezbytném rozsahu zastavení provozu organizace nebo jeho ásti, pop ípad n kterých technických za ízení, a to až do odstran ní závad. ud lování sankcí v rozsahu stanoveném zákonem. Sankce mohou ud lovat BÚ nebo OBÚ: organizaci až 1 000 000,- K pokud porušila p edpisy pokud nesplnila rozhodnutí orgánu SBS organizaci až 2 000 000,- K pokud neprovedla ve stanovené lh t nápravu nedostatk , za které jí byla uložena pokuta pracovníkovi organizace až 50 000,- K pokud zavin n porušil p edpisy pokud zatajil skute nosti d ležité pro výkon dozoru pracovníkovi odejmout oprávn ní až na 3 roky pokud hrub nebo opakovan porušil p edpisy bá ský inspektor: pracovníkovi v organizaci až 2 000,- K pokud porušil p edpisy Státní bá ská správa dozoruje: 5 uhelných akciových spole ností s celkovou ro ní t žbou tém 67 mil. tun uhlí a s po tem cca 35 tisíc pracovník zajiš ujících t žbu, cca 400 spole ností t žících nerudné suroviny, cca 50 spole ností provád jících t žbu ropy a zemního plynu, geologické a vrtné a geofyzikální práce,

- 12 (171) -


cca 30 velkých spole ností provád jících podzemní práce hornickým zp sobem výrobce výbušin revírní bá ské záchranné stanice a jim pod ízené závodní bá ské záchranné stanice, práce na zp ístup ování jeskyní a práce na jejich udržováním v bezpe ném stavu, práce k zajišt ní stability podzemních prostor (podzemní sana ní práce), nap . pro muzejní expozice s ve ejn p ístupným podzemím innosti související s podzemními zásobníky plynu a další. P edm t innosti BÚ: vykonává vrchní dozor nad veškerou hornickou inností a inností provád nou hornickým zp sobem, kontroluje, zda dozorované organizace vykonávají tyto innosti v souladu s horním zákonem, zákonem NR .61/1988 Sb., o hornické innosti, výbušninách a o státní bá ské správ , a p edpisy vydanými na jejich základ , zajiš uje vydávání právních p edpis k provedení horního zákona, zákona o hornické innosti a výbušninách a o státní bá ské správ , zákona o zbraních a st elivu, a zajiš uje aproximaci eských horních p edpis s právem EU, vykonává inspek ní innost v oblasti bezpe nosti práce a provozu u hornických organizací a organizací používajících a vyráb jících výbušniny, provádí šet ení závažných d lních havárií, ídí a kontroluje innost obvodních bá ských ú ad , zajiš uje výkon innosti odvolacího orgánu jako druhé instance státní bá ské správy, povoluje uvedení výbušnin do ob hu, p i prvním použití v rizikovém prost edí vydává osv d ení o odborné zp sobilosti k výkonu funkcí závodního dolu, závodního lomu s t žbou nad 500 000 t, technického vedoucího odst elu a hlavního d lního m i e, ov uje odbornou zp sobilost u vedoucích pracovník revírních bá ských záchranných stanic, vede souhrnnou evidenci dobývacích prostor , vydává Zpravodaj státní bá ské správy a Hornickou ro enku, ukládá opat ení k zajišt ní hospodárného využívání ložisek nerost , bezpe nosti a ochrany zdraví p i práci a bezpe nosti provozu a za tím ú elem, provádí prov rky pracoviš , inností a technických za ízení vykonává dozor nad revírními bá skými záchrannými stanicemi, dává souhlas ke z ízení, pop ípad na izuje z ízení revírních bá ských záchranných stanic, stanoví jejich sídla a vymezuje jejich p sobnost, schvaluje jejich služební ády, ur uje podmínky pro ustanovení do funkcí a ov uje odbornou zp sobilost jejich vedoucích pracovník dohlíží na stav, organizaci a vybavení revírních bá ských záchranných stanic; m že též s ohledem na povahu prací, jejich rizikovost a s p ihlédnutím k místním podmínkám na ídit, aby organizace p i - 13 (171) -


innosti provád né hornickým zp sobem zajistila bá skou záchrannou službu.

2.2 Základní odborné názvosloví ve sv tových jazycích Tunel, štola, podzemní chodba =

anglicky

tunnel

francouzsky

tunnel, souterrain

n mecky

r Tunnel

italsky

galleria

špan lsky

túnel

rusky

,

2.3 Definice podzemní stavby Podzemní stavba = stavební objekt p evážn obklopený ze všech stran zemním nebo horninovým prost edím. Jeho užitkový prostor je trvale umíst n v tšinou svého objemu pod úrovní p vodního nebo upraveného terénu. Stoky a inženýrské sít realizované hloubením nejsou za podzemní stavbu považovány.

2.4 Rozdíl mezi podzemní stavbou a podzemním dobýváním nerost Podzemní stavba je provedena v p esném trasování i situování a v p esném pr ezu podle návrhu tak, aby byly omezeny (nebo aby byly pod kontrolou) deformace konstrukce i nadloží i povrchu území. Podzemní stavba se vyznauje technologickým vybavením umož ujícím její funkci. Životnost a funkce podzemní stavby je dlouhodobá (stavební konstrukce min. 100 let; technologické vybavení podstatn mén – nap . u silni ních tunel cca jen 10 až 15 let). U podzemního dobývání nerost p edchozí zásady neplatí. Poznámka: U TUNEL SE NIKDY NEPODA Í ZCELA ELIMINOVAT RIZIKA!! To na rozdíl od ostatních konstrukcí, kde se to da í, resp. na rozdíl od ostatních geotechnických konstrukcí, kde se to více- (u plošných základ ) i mén - (u svislých op rných konstrukcí) da í. (Prof. Z. Eisenstein).

- 14 (171) -


2.5 Stru ná historie a sou asnost Ražení vodohospodá ských a komunika ních štol a tunel je známo od pradávna. V Egypt byly již v letech cca 3 000 p . Kr. raženy ve skále hrobky spojené s povrchem chodbami. První známý vodohospodá ský tunel (cca 1 000 p . Kr.) délky 537 m, již áste n obezd ný, p ivedl vodu od pramen Wadi Bijar a Wadi Arrub do Jerusaléma. První známá hloubená podzemní stavba byla zbudována v Babylónu v letech 604 až 561 p . Kr. Šlo o podzemní chodbu délky cca 900 m, spojující pod korytem Eufratu vlada v palác s chrámem. Koryto eky bylo b hem stavby p eloženo. Chodba byla vyzd na z cihel s asfaltovým pojivem. Jednalo se souasn i o vynález klenby. V letech 535 až 522 p . Kr. byla vyražena vodovodní štola na ostrov Samos s délkou cca 1 000 m (obr. 2.4). Vzhledem k nep esnostem p i ražb byla nejprve z ízena pr chodní štola a z ní byl posléze z rýh vyrovnán spád pro vedení vody.

Obr. 2.4: Pr ez vodovodní štolou na ostrov Samos [J. Mencl – V. Mencl, 1972]

V období 1. století p . Kr. až r. 36 byl vyražen silni ní tunel pod horou Posilipo z Neapole do Puzzuoli, tzv. Crypta Neapolitana délky 1 100 m, ší ky 7 m a výšky 8 m. Až do roku 1925 sloužil doprav zcela neobezd n (obr. 21.5). Etruskové vynalezli klenbu z kamenných kvádr . ímané vynalezli cement. Postavili celou adu významných vodovodních a stokových štol (obr. 2.7 a 2.8). Za Claudia byl proražen vodovodní tunel pod horou Salvino pro vysušení jezera Fucinského (též nazývaného jezero Trasimentské). Byl délky 5 653 m p i sv tlém pr ezu 10 m², v tla ivé zemin zmenšeném až na 4 m2. Jeho stavba trvala 11 let a udává se, že jej stav lo 30 000 d lník , p evážn otrok (obr. 2.6).

Obr. 2.5: Crypta Neapolitana [zdroj: asopis Epocha]

- 15 (171) -


Obr. 2.6: Tunel pro vysušení Fucinského jezera – tzv. Claudiovo Emissarium [zdroj: Ottova encyklopedie]

Za Vespasiána byly vystav ny vodovody pro ím, Lyon, Nimes (se známým viaduktem Pont du Gard) s významným podílem podzemních staveb. ím má údajn až 1.000 km katakomb! Fotografie ilustrující um ímských stavitel jsou na obr. 2.7 a 2.8.

Obr. 2.7 a 2.8: Kanaliza ní štola v ímském m st Augusta Raurica (dnešní Švýcarsko) [foto V. Horák]

ímané obohatili technologii rozpojování horniny želízkem a mlátkem (vysv tlena v dalším textu) sázením ohn a ochlazováním rozpálené horniny vodou, p ípadn klíny z tvrdého d eva zaraženými v puklinách a polévanými vodou. Po pádu íma následoval s významným kulturním úpadkem rovn ž hluboký úpadek inženýrských prací. Udává se, že jedinou v tší podzemní stavbou byl pokus o proražení silni ního tunelu mezi Janovem a Nizzou. Byl zapo at 1450, ale nikdy nebyl dokon en. Velmi zajímavým p ísp vkem k historii podzemního stavitelství byly objevy v oblasti St ední Anatólie (Kappadokie). Zde byla vystav na v období od konce 2. tisíciletí p . Kr. až 6. stol. n.l. ada podzemních m st. Komplex Derinkuyu byl objeven až v roce 1963. Je vyražen v tufech. Bylo zde dokumentováno celkem 52 svislých šachet obsluhujících až 12 podzemních podlaží. Stavby sahají

- 16 (171) -


až do hloubky 85 m. V podzemním m st mohlo pobývat až 10 000 osob i s hospodá skými zví aty po dobu mnoha týdn . V trání zajiš ovalo 15 000 v tracích vrt Ø 0,2 až 0,3 m, pitná voda byla opat ena studnami. Nejv tší podzemní prostorou je zde chrám p dorysné plochy 65 x 7 m (obr. 2.9).

Obr. 2.9: Podzemní m sto Derinkuyu v Kappadokii. 1...p ístupové šachty –studny, 2...v trací vrty, 3...schodiš ové šachty, 4...nepropustné podloží [F. Klepsatel a kol., 2003]

Rozpojování horniny p i práci v podzemí. Jak je uvedeno výše, spo ívala jediná použitelná technologie rozpojování hornin od starov ku až do novov ku v ražb želízky a mlátky p ípadn s pomocí sázení ohn . Horníci (resp. razi i) postupovali do masívu tak, že horninu rozrušovali železnými klíny (= želízkem) zaráženými do puklin palicí (= mlátkem). Klíny byly pro pohodln jší manipulaci s ná adím osazeny na top rka (obr. 2.10 a 2.11). Z tohoto postupu se vyvinul historicky odznak hornictví a posléze i tunelá ství (obr. 2.10). Pokud nebyl horninový masív dostate n rozpukaný bylo asto používáno tzv. „sázení ohn “ (obr. 2.12). U elby se zapálila navršená hranice d eva a po jejím vyhoení se rozpálená hornina prudce zchlazovala poléváním vodou. To vedlo k rozpukání horniny resp. k pootev ení sev ených puklin. Tento postup byl velmi pomalý, extrémn namáhavý a z pohledu hygieny práce mimo ádn nebezpe ný. Metodami experimentální archeologie byly ov eny p i profilu štoly odpovídajícímu jednomu stojícímu pracovníkovi postupy ražby ádov pouze v cm/den. Obr. 2.10: Zk ížené želízko na top rku (klín – vpravo) a mlátek (pali ka – vlevo). Pracovní nástroje starov kého a st edov kého horníka (razi e) a rovn ž historický odznak hornictví a posléze tunelá ství [J. Mencl – V. Mencl, 1972]

- 17 (171) -


Obr. 2.11: Práce s želízkem a mlátkem (kle ící horník vpravo) a primitivní v trání plachtou nebo k ží u ústí štoly (vlevo) [G. Agricola, 1556]

Obr. 2.12: Sázení ohn (dole) a vym ování díla (naho e) [G. Agricola, 1556]

V raném novov ku se z pohledu podzemního stavitelství v Evrop budovalo p edevším podzemní patro ve m stech (sklady, únikové cesty, odvod ovací systémy). V R jde p edevším o m stské památkové rezervace Jihlava (odhad délky podzemních chodeb cca 25 km na ploše cca 50 000 m²), Znojmo (odhad délky podzemních chodeb p es 20 km) – obr. 2.13, Tábor, Plze apod.

Obr. 2.13: Ilustra ní foto: exkurse student FAST VUT do podzemních prostor ve Znojm r. 2006 [foto V. Horák]

- 18 (171) -


První podzemní stavbou pouze inženýrského ur ení v R je dodnes funk ní významná technická památka – Rudolfova štola v Praze. Rudolfova štola sloužila pro p ivedení vody z Vltavy do tzv. Královské obory (dnešní Stromovky). Zde zásobovala um lá jezírka a módní „vodní hry“. Byla vym ena roku 1582, stavba probíhala v letech 1589 až 1593. Ražbu provád li pod vedením špan lských bá ských inženýr haví i z Kutné Hory. Parametry díla jsou i na dnešní dobu úctyhodné. délka 1 100 m; spád 1,10 m; výška 2 až 4 m; ší ka 0,7 až 1,5 m (obr. 2.14 a 2.15). Pro pot chu císa e Rudolfa II. byl vykreslen na pergamen podrobný plán ( ez) štolou, který se dochoval a po pohnutých osudech je nyní uložen ve sbírkách NTM (obr. 2.16).

Obr. 2.14: Rudolfova štola v Praze. P í ný profil [zdroj www]

Obr. 2.15: Rudolfova štola v Praze. Portál ve Stromovce s iniciálou císa e Rudolfa II. a rokem dokon ení štoly [zdroj www]

Obr. 2.16: Rudolfova štola v Praze. Výsek z historického plánu ( ezu) štolou. Patrná je první t žní šachta s v tráním. V dolní ásti je staniení s harmonogramem postupu ražby [J. Barták a kol., 2007]

- 19 (171) -


Nové období tunelového stavitelství znamenalo použití st elného prachu k rozpojování hornin. Poprvé tak u inil 8. 2. 1627 na Horní štole Biberov v Banské Štiavnici hormistr Kašpar Weindel. První v tší podzemní stavbou novov ku byl pr plavní tunel Malpas na pr plavu Canal du Midi ve Francie (Languedoc). Postaven byl v letech 1671 až 1681, v délce 157 m, ší ce 6,9 m a výšce 8,4 m. Stavitelem byl geniální J. J. Riquet (mimo jiné rovn ž vynálezce pr plavního mostu). Tunel byl vyražený v tufech a až po 7 letech byl obezd n (obr. 2.17).

Obr. 2.17: Portál pr plavního tunelu Malpas na Pr plavu du Midi ve Francii. [zdroj: www]

Ve Švýcarsku byl v roce 1707 otev en silni ní tunel Sv. Gotthard (tzv. 1. – též „Urner-Loch“) ve výšce 2 108 m n. m., délky 64 m. Ražen byl ve velmi tvrdých horninách, již s použitím trhacích prací. Ve Francii a v Anglii byla postavena ada pr plavních tunel . Veškeré ražby probíhaly v soudržných horninách bez výd evy (práce sestávala pouze z rozpojení horniny a odsunu rubaniny. Za první tunelovou stavbu v dnešním slova smyslu – tzn. provedenou v horninách nesoudržných a postupy dále léta používanými a tedy po átkem tunelá ství jako takového bylo dokon ení pr plavních tunel Tronquoi na 92 km douhém pr plavu St. Quentin ve Francii. Tunely (ší ky 8 m) jsou dva: tzv. „Velký tunel“ (též „Napoleon v“ 1802 až 1810, délky 5 677 m) a „Malý tunel“ (1795 až 1803, délky 1 097 m). Ražba probíhala tzv. jádrovou metodou – tj. vyražením obvodových štol s následným dobráním jádra (obr. 2.18).

Obr. 2.18: Tunely na pr plavu St. Quentin – postup jejich výstavby [zdroj www]

- 20 (171) -


Nejdelší sv tové pr plavní tunely (zdroj www): France Le Rove, 7 120 m, Marseilles – Rhône, 1911 – 1925. Uzav en 1963 France "Le Grand Souterrain„, 5 677 m, de St. Quentin, 1802 – 1810. Nedaleko Riquevalu SV od Pa íže England Standedge, 5 210 m, Huddersfield Narrow, 1794 – 1811, š. 2.4 m, v. 5.2 m, 2.4 m hloubka vody. Pln restaurován a otev en pro ve ejnost v dubnu 2001. 3 soub žné železni ní tunely France de Mauvages, 4 970 m, de la Marne au Rhin Ouest, 1838 – 1853. Cca 50 km Z od Nancy France Balesmes, 4 800 m, de la Marne à la Saône. Near Langres. Cca 60 km S od Dijonu France Ruyalcourt, 4 354 m, du Nord England Strood, 3 595 m, Thames & Medway, 1819 – 1824. Od 1844 železnice England Lapal, 3 570 m, Dudley No. 2, 1798, š. 9 stop a v. 9 stop nad h. v. Souvislý podkovovitý profil. Uzav en pro plavbu po závalu 1917 England Sapperton, 3 488 m, Thames & Severn, 1784 – 1789. Znovu otev en 21.09.1996 France Pouilly-en-Auxois, 3 333 m, de Bourgogne, 1825 – 1832. Cca 35 km Z od Dijonu England Dudley, 2 884 m, Dudley No. 1, 1785 - 1792 England The New Dudley, Dudley, 1988 – 1990

2.6 Železni ní tunely Další a zásadní rozvoj tunelá ství znamenal nástup železnice. Již na první trati Liverpool – Manchester postavené v letech 1826 až 1830 vybudoval Stephenson 1. a 2. železni ní tunel (obr. 2.19). V Rakousko – Uhersku byl z ízen první železni ní tunel na Jižní dráze u Gumpoldskirchen (v roce 1839). Již druhý železni ní tunel byl postaven na dráze Olomouc – Praha (1842 až 1845). Jde o slavný tunel T ebovický. Svého asu šlo o nejobtížn jší podzemní stavbu v Evrop – obr. 2.20. V sou asné dob již starý T ebovický tunel neexistuje; byl nahrazen v letech 2004 až 2005 novým tunelem v souvislosti s rekonstrukcí II. železni ního koridoru eská T ebová – P erov (nový tunel: 2 koleje, délka 550 m, hloubený resp. kombinovaný zp sob výstavby – obr. 15.15).

Obr. 2.19: První (Stephenson v) železni ní tunel. V dob mezi pr jezdy vlak sloužil jako spole enské korzo [J. Streit, 1947]

- 21 (171) -


Obr. 2.20: P vodní T ebovický tunel – postup výstavby [J. Streit, 1947]

Významný rozmach tunelování znamenala výstavba alpských železnic v 2. pol. 19. stol. a na p elomu 19. a 20. stol. Prvním významným dlouhým alpským železni ním tunelem byl Mt. Cenis (12,2 km) spojující Francii a Itálii (vybudován v letech 1857 až 1871) – obr. 2.21 a 2.22

Obr. 21.21: Tunel Mt. Cenis – situace [J. Streit, 1947]

- 22 (171) -


Obr. 2.22: Tunel Mt. Cenis – p í ný ez ost ním [zdroj: Ottova encyklopedie]

Vyvrcholením stavby alpských tunel bylo ve své dob otev ení vrcholového železni ního tunelu Sv. Gotthard (tzv. 2. Gotthardský tunel) ve Švýcarsku, délky 14,998 km (stav n byl v letech 1875 až 1882) – viz obr. 2.23 a 2.24. Na celé (dnes též nazývané „staré“) vrcholové Gotthardské trase je mino nejdelšího tunelu mezi Andermattem (na S) a Airolo (na J) též p t „smy kových“ tunel (tzn. p ekonávajících výškový rozdíl smy kou 360°), v tom dokonce i jedna dvojitá „smy ka“ (obr. 2.25)! V sou asné dob probíhají práce na výstavb nového Gotthardského železni ního bázového tunelu (tzv. 4.), který by m l být otev en v r. 2015 – obr. 2.25 a 2.26. Ten by se m l v té dob svými 57 km stát nejdelší tunelovou stavbou na sv t ( www.neat.ch ). Poznámka:

3. Gotthardským tunelem je tunel silni ní délky 16 918 m, otev ený roku 1980 (po požáru v roce 2001 pak znovu otev ený 21.12.2001) – viz dále.

Obr. 2.23: Tunel Sv. Gotthard – situace [J. Streit, 1947]

- 23 (171) -


Obr. 2.24: Železni ní tunel Sv. Gotthard (tzv. 2.) – p í ný ez ost ním [zdroj: Ottova encyklopedie]

Obr. 2.25: Situace železni ních tunel pod masivem Sv. Gottharda ve Švýcarsku. Starý (tzv. 2.) a budovaný bázový (tzv. 4.) [Jeker et all., 2002]

- 24 (171) -


Obr. 2.26: Vrcholový – „starý“ (tzv. 2.) a bázový (tzv. 4.) železni ní tunel Sv. Gotthard [Jeker et all., 2002]

Na obr. 2.26 je z ejmý rozdíl mezi vrcholovým a bázovým tunelem. Bázový tunel p ekonává p írodní p ekážku p i její pat , vrcholový n kde mezi patou a vrcholem. U bázového tunelu tedy není nutné obtížn vést trasu komunikace do vyšších poloh a op t ji svád t dol . Prvními v bec vybudovanými bázovými tunely jsou železni ní tunely Simplon I - bázový (délky 19,825 km, 18951906)) a Simplon II - bázový (délky 19,803 km, 1912 až 1921) spojující Švýcarsko a Itálii – obr. 2.27.

Obr. 2.27: Bázový tunel Simplon I. P í ný ez ost ním v netla ivém (vlevo) a siln tla ivém (vpravo) horninovém prost edí [zdroj: Ottova encyklopedie]

Nejdelší sv tové železni ní tunely (zdroj www): (Switzerland) Gotthard, bázový tunel. 57 072 m. Plánované otev ení 2010. AlpTransit (Japan) Sei-kan. 53 850 m. Otev en 13. 03. 1988. Podmo ský tunel pod pr livem Tsugaru Kaikyô (England – France) Chunnel (Eurotunnel) . 50 450 m. Otev en 6. 5. 1994. Podmo ský tunel (-114,9 m) (Switzerland) Lötschberg , bázový tunel. 34 577 m. Otev en 16. 6. 2007

- 25 (171) -


(Spain) Guadarrama . 28 377 m. 12. 2007. Madrid - Valladolid vysokorychlostní tra . Od 10. 2002 nasazeny ty i TBM (Japan) Hakkôda. 26 455 m. Plánované otev ení 2010. Prorážka 27. 2. 2005. Tunel je ástí rozší ení trati Shinkansen do Aomori s plánovaným dokon ením 2010 (Japan) Iwate-ichinohe. 25 810 m. 1. 12. 2002. Tôhoku Shinkansen (Austria) Lainzer/Wienerwald. 23 844 m. Plánované dokon ení 2015. Tra Wien - Salzburg. Sm r východ – západ (Japan) Îyama. 22 225 m. Plánované otev ení 2013. Rozší ení Hokuriko Shinkansen, ražba od 1999 (Japan) Dai-shimizu. 22 221 m. 15.11. 1982. Jôetsu Shinkansen (3. Shimizu) (China) Wushaoling. 21 050 m. 23. 8. 2007. 2 roury (Italy – Switzerland) Simplon-II . 19 824 m. 16. 10. 1922. Simplonská tra (Italy – Switzerland) Simplon-I. 19 803 m. 1. 6. 1906. Simplonská tra (Switzerland) Vereina. 19 058 m. 19. 11. 1999. Jednokolejná tra (Japan) Shin-kanmon . 18 713 m. 10. 3. 1975. San'yô Shinkansen. Podmo ský dvoukolejný tunel (Italy) Vaglia. 18 711 m. Plánované otev ení 2008. Bologna – Firenze. Prorážka 17. 4. 2001 (Italy) Appennino. 18 507 m. 21. 4. 1934. "Direttìssima" Bologna – Firenze (China) Qinling I-II. 18 457 m. 8. 1. 2002. Otev ena první trouba (Italy) Valico. 16 569 m. Milano – Gènova (Japan) Rokkô. 16 250 m. 15. 3. 1972. San'yô Shinkansen (Switzerland) Furka, bázový tunel. 15 442 m. 25. 6. 1982. Andermatt – Brig (Japan) Haruna. 15 350 m. 15. 11. 1982. Jôetsu Shinkansen (Russia) Severomuyskiy. 15 300 m. 21. 12. 2001. Baikal – Amur magistrála. Stavba dokon ena 31. 3. 2001 (Italy) Firenzuola. 15 285 m. Plánované dokon ení 2008. Bologna – Firenze. Prorážka 7. 12. 2004 (Japan) Gorigamine. 15 175 m. 1. 10. 1997. Hokuriku Shinkansen (Italy) Monte Santomarco. 15 040 m. 31. 7. 1987. Paola – Cosenza (Switzerland) St. Gotthard, vrcholový tunel (tzv. 2.). 15 003 m. 1. 6. 1882. Gotthardská tra (první vlak 23. 05. 1882) (Japan) Nakayama. 14 857 m. 15. 11. 1982. Jôetsu Shinkansen (Canada) Mount MacDonald. 14 723 m. 12. 1988. Pr smykem Rogers, Glacier National Park (Switzerland) Lötschberg, vrcholový tunel. 14 612 m. 15. 7. 1913 Poznámka:

Simplon I a Simplon II jsou v soupisu uvedeny jako dva tunely proto, že t ebaže jsou soub žné, byly dokon eny v odlišném ase jako odd lené projekty.

Železni ní tunely na D (zdroj „Zpravodaj D“): •

Na tratích D je 154 železni ních tunel (stavebn 88/17,919 km; stavebn dvoukolejných 61/18,592 km)

- 26 (171) -

jednokolejných


• • • • • • •

•

36 tunel je provozováno dvoukolejn 31 p vodn stavebn dvoukolejných je provozováno jen p i položení jedné koleje Zbývajících 87 tunel je stav no a provozováno jako jednokolejné Délka tunel na síti D iní n co p es 38 km, tj. cca 0,4% celkové délky tratí normálního rozchodu Nejdelším tunel u D byl dlouhé roky Špi ácký na trati Železná RudaPlze (dl. 1 747,25 m); p ekonal jej v r. 2007 tunel B ezno (dl. 1 758 m) Nejkratší tunel D je 1. Nelahozeveský (dl. 23,3 m) Nejstarší tunely D byly z r. 1845 Tatenický – Krasíkovský (dvoukolejný, dl. 146 m) a T ebovický (jednokolejný, dl. 512,5 m). Dnes již svému ú elu neslouží. Tunely provozované v sou asné dob byly vystav ny v rozmezí let 1848 až 2006 Nejdelším tunelem v bývalé SR byl tunel Dr. E. Beneše na trati Banská Bystrica-Diviaky (1936÷1939, jednokolejný, dl. 4 698 m). Ten se dnes nachází na území SR.

2.7 Silni ní tunely S rozvojem automobilismu se za ínají stav t tunely silni ní (pozd ji dálni ní) a m stské. První silni ní tunel v dnešním slova smyslu byl postaven v N mecku v Hamburgu pod Labem (1911, v délce 448 m). Velký rozmach t chto tunel je dokumentován p edevším v USA. Za první opravdu významný silni ní tunel je považován známý Holland v tunel pod ekou Hudson v N.Y. (1920 až 1927, dv roury, délka 4,15 km, mocnost nadloží pod ekou 24 m, s náklady – ve své dob astronomických – 54 mil. US $). Následuje, již p ed 2. sv. válkou, p edevším však po 2. sv. válce, ada dlouhých i kratších tunel . Nejdelší sv tové silni ní tunely (zdroj www): Norway Laerdal 24 510 m, 27. 11. 2000 (na trase Oslo – Bergen, stavba 6 let, bez úrazu!, š. 9 m, v. 6 m, tl. ost ní 25 cm drátkobetonu); 114 mil. US $ China Zhongnanshan (2 roury) 18 020 m (zahájen 2001), 20. 1. 2007 Switzerland St. Gotthard / San Gottardo (dv roury) 16 918 m, 5. 9. 1980 (po požáru 2001 znovu otev en 21.12.2001; redukovaná kapacita s minimální vzdáleností vozidel 150 m); 430 mil. US $ Austria Arlberg 13 972 m, 1. 12. 1978; 237 mil. US $ China (Taiwan) Hsuehshan (dvojitý tunel + služební) 12 900 m (servisní 1991-1992; tunely zahájeny 1996) 16 6. 2006 France - Italy Fréjus 12 895 m 12. 7. 1980; 296 mil. US $ France - Italy Mont-Blanc/Monte Bianco 11 611 m, 19. 7. 1965 (po požáru 1999 znovu otev en 9. 3. 2002) Norway Gudvanga 11 428 m, 17. 12. 1991 Norway Folgefonn 11 150 m, 15. 6. 2001 Japan Kan-etsu (jižní sm rová roura) 11 055 m, 1991 Japan Kan-etsu (severní sm rová roura) 10 926 m, 1985

- 27 (171) -


Japan Hida (+ nouzový tunel) 10 750 m, (hlavní tunel zahájen 2000), plánované otev ení 2010 Italy Gran Sasso d'Italia (východní sm r) 10 176 m, 1. 12. 1984 Italy Gran Sasso d'Italia (západní sm r) 10 173 m, 1995 Austria Plabutsch (západní roura) 10 085 m, 17.12.2004 France Le tunnel Est (Rueil - Malmaison à Versailles), dvoupatrový, 10 000 m, 2006 Silni ní tunely v R: •

Vyšehradský tunel, 1903 (1 roura, délka. 35 m)

Obr. 2.28: Vyšehradský tunel – S portál [zdroj www]

•

Letenský tunel, 1950 až 1953 (1 roura, délka 423 m, ší ka 10,3 m, výška 6,5 m)

Obr. 2.29: Letenský tunel – J portál [zdroj www]

•

T šnovský tunel, 1980 (2 roury, délka 360 m, hloubený – podzemní st ny)

Obr. 2.30: T šnovský tunel

•

Strahovský tunel v Praze, 1985 až 1997 (2 roury, délka 2 km, sv tlý Ø 125 m², náklady 5,6 mld. K , ražen pološtítem na masivních op rách resp. erektorovou ražbou)

- 28 (171) -


Obr. 2.31: Strahovský tunel v Praze. Postup výstavby [zdroj www]

• •

Tunel H ebe na silnici I/35, 1994 až 1997 (1 roura – 3 pruhy, dl. 357 m, Ø 151÷160 m²) Pisárecké tunely v Brn , 1995 až 1997 (2 roury, dl. 511+497 m, Ø 95 m², náklady 420 mil. K )

Obr. 2.32: Pisárecké tunely v Brn – vzorový p í ný ez v ražené ásti

•

Husovický v Brn (ulice Kohoutova), 1996 až 1999 (2 roury; dl. 585+578 m; š. 9,9 m; v. 5,5 m; kombinovaný; náklady 804 mil. K )

- 29 (171) -


Obr. 2.33: Husovický tunel v Brn – postup výstavby kombinované podzemní stavby [ŽS a. s. Brno]

•

Tunel Dolní Újezd na rychlostní komunikaci R35, 1998 až 1999 (2 roury, dl. 98 m, Ø 85,5+79,4 m², zasypávaný – hloubený, montovaná ž-b konstrukce). Ekologický biokoridor tzv. „ekodukt“

Obr. 2.34: Zasypávaný tunel Dolní Újezd [ SD]

•

Tunely Mrázovka v Praze, 1998 až 2004 (2roury, dl. 1004+837 m, sv tlý profil b žného tunelu 159 m², 5 propojek)

Obr. 2.35: Soubor staveb tunel Mrázovka v Praze [Metrostav a. s. Praha] - 30 (171) -


• • •

Tunel Jihlava na silnici I/38, 2002 až 2004 (1 roura, dl. 304 m, š. 11 m, v. 6,4 m, kombinovaná stavba – podzemní st ny a monolitické zaklenutí do posuvného bedn ní) Tunely Panenská na dálnici D8, 2003 až 2006 (2 roury, dl. 2,01 resp. 2,03 km) 1. dálni ní tunely v R Tunel Valík na dálnici D5 (obchvat Plzn ), 2004 až 2006 (2 roury, dl. 380 m, velmi úzký st edový pilí vybetonovaný v p edstihu v p edráženém tunelu)

Obr. 2.36: Tunel Valík – foto z výstavby [Metrostav a. s. Praha]

• •

Tunely Klimkovice na dálnici D47, 2004 až 2008 (2 roury; dl. 1,08 km) V p íprav jsou tunely Dobrovského v Brn – 2007÷? (2 roury, dl. 1,24 resp. 1,26 km, Ø 115 m²) a tunely Myslbekova – Pelc-Tyrolka v Praze, 2006 až 2011 (2,746 km ražených+2,318 km hloubených tunel z 5,946 km trasy. Tunely dvoukruhové [124 m2] a t ípruhové [173 m2]) jako i ada dalších staveb.

Obr. 2.37: Trasování tunel Dobrovského v Brn [Amber Engineering Brno]

- 31 (171) -


Obr. 2.38: Trasování staveb souboru Myslbekova – Pelc-Tyrolka v Praze [VIS Praha]

2.8 Podzemní dráhy a metra ve velkých m stech První úsek podzemní dráhy (metra) byl otev en v Londýn roku 1863 (Paddington St.-Finsbury St.). Je provozován dodnes. V roce 1878 zahájilo provoz druhé metro ve Spojeném království v Glasgow. Druhá podzemní dráha v bec byla otev ena v Istanbulu v Turecku roku 1874. Nicmén m la pouze dv stanice (nástupní a výstupní) a délku pouze 573 m. Tak Istambulská dráha fungovala beze zm n až donedávna, dnes už je rozší ená. První podzemní dráha v USA byla otev ena v Bostonu roku1895. Tomu p edcházela ada pokus o stavbu podzemní dráhy v New Yorku (první již roku 1869); postupn však všechny zkrachovaly. Metro pak bylo v N. Y. posléze otev eno až roku 1904. Provoz druhé podzemní dráhy v USA byl zahájen v r. 1896 v Chicagu. Zde byla rovn ž provozována i rozsáhlá sí podzemní nákladní železnice (hloubka cca 15 m, délka cca 62 mil) – obr. 2.39. První metro na evropské pevnin bylo otev eno v Rakousko-Uhersku v Budapeš i roku1896 (5 km, to až do r. 1970, poté rozší eno). Až v roce 1900 následovala Víde . Pa ížské metro pak zahájilo provoz v roce 1898. Následovaly další metropole a sídelní aglomerace.

- 32 (171) -


Obr. 2.39: Sí podzemní nákladní železnice v Chicagu z ízená v uli ních trasách [zdroj www]

Nyní (údaje z r. 2005, zdroj www): N.Y. – 656 mil (443 mil pod zemí), 25 linek, 468 stanic Londýn – 408 km (342 km pod zemí) Pa íž – 211 km, 14 linek Moskva – 261 km, (otev eno r. 1931) 12 linek, 170 stanic V sou asnosti se metro nebo jiný typ m stské podzemní dráhy provozuje, staví i p ipravuje v ad m st po celém sv t (údaje z r. 2006) – viz www.urbanrail.net : Evropa: 75 m st (systémy Metro, Subway, U-Bahn, T-bana: 48; MetroTram [Stadtbahn, Prémétro, Sneltram]: 18; Lightrail: 9) + 17 m st v p íprav nebo ve výstavb Amerika: 55 m st (Metro: 33; MetroTram: 3; Lightrail: 11) + 8 m st v p íprav nebo ve výstavb

- 33 (171) -


Asie: 44 m st + 30 m st v p íprav nebo ve výstavb Afrika: 4 m sta + 1 m sto ve výstavb Austrálie a Oceánie: 2 m sta. R – Praha (od 9. 5. 1974): 3 linky, délka tratí 54,7 km, 54 stanic (3 p estupní), 4 podchody pod Vltavou.

2.9 Vodohospodá ské stavby Náleží sem p ivad e pitné vody, kanaliza ní sb ra e (obojí pat í mezi nejstarší položky podzemního stavitelství), vodní díla a vodní elektrárny (VD + VE) a p e erpávací vodní elektrárny (PVE) – ty naopak pat í k položkám nejmladším První moderní hydrotechnická štola se šachtou hlubokou 34 m byla postavena ve Švýcarsku roku 1883. Nejdelší sv tové tunely pro p ívod vody (zdroj www): Delaware Aqueduct, USA, 135 km, 1944; 149 mil. US $ Paijanne, Finsko, 120 km, 1982; 110 mil. US $ Orange – Fish Tunnel, Jižní Afrika, 82,5 km, 1975; cca 150 mil. US $. Vodohospodá ské stavby v R: Nejvýznamn jším souborem vodohospodá ských podzemních staveb je PVE Dlouhé strán v Jeseníkách. V sou asné dob má st ží zastupitelnou funkci ve fungování eské energetické soustavy (umož uje p edevším vykrývání špi ek v elektrické p enosové soustav ). Ve ejnou internetovou anketou byla PVE Dlouhé strán v r. 2007 rovn ž zvolena nejkrásn jší stavbou na území R (obr. 2.40 a 2.41).

Obr. 2.40: Dolní a horní nádrž PVE Dlouhé strán [ EZ]

- 34 (171) -


Obr. 2.41: Schéma PVE Dlouhé strán . P í ný ez [ EZ]

P ivad e vody v R Želivka – Praha, 51,332 km, 1972 Vírský oblastní vodovod (Šva ec – Brno) (štola surové vody – klasická ražba dl. 4,191 km; štola upravené vody – TBM Ø 2,84 m dl. 15, 604 km; štola Bystrc – TBM Ø 3,01 m dl. 4,05 km), 23,845 km, 2002 Slezská Harta (Podhradí – Dolejší Kun ice), 8,050 km (TBM Ø 2,45 m), 1992

2.10 Podmo ské a podvodní tunely Japonsko: tunel Seikan, 1964 až 1988, železni ní (53,9 km; 23,3 km pod mo em; náklady 7 mld. US$) – obr. 2.42 a 2.43 U.K. – Francie: Channel Tunnel (tzv. Chundel), 1986 až 1993, železni ní (50 km, 37 km pod mo em, náklady 21 mld. US $ a z nich vyplývající obrovské ekonomické potíže spole nosti jež tunel provozuje) – obr. 2.44 Japonsko: tunel pod Tokijskou zátokou – 1989 až 1997, silni ní (most 4,4 km + tunel 9,5 km z um lého ostrova, náklady 11 mld. US $) Dánsko – Švédsko: tunel Öresund – 1995 až 2000, železni ní a silni ní (most 7,8 km + tunel 3,52 km z um lého ostrova) – obr. 2.45.

- 35 (171) -


Obr. 2.42: Tunel Seikan (Japonsko). Situace a podélný ez [zdroj www]

Obr. 2.43: Tunel Seikan (Japonsko). P í ný ez. Hlavní tunel, servisní tunel, pilotní (pr zkumná) štola [zdroj www]

Obr. 2.44: Channel tunel. Situace a podélný ez [zdroj www]

- 36 (171) -


Obr. 2.45: Tunel Öresund. Pohled na um lý ostrov [zdroj www]

Projekty: Pevnina – Sachalin (???) Pevnina – Tchaj-wan (dl. 144 km?, p íprava a stavba 32 let?) Gibraltar (cca 39 km, ?-?, náklady odhadnuty na více než 8 mld. US$) ukotka – Aljaška p es Bering v pr liv (p es Diomedovy ostrovy) etc. etc.

- 37 (171) -


3.

Rozd lení, ásti a pojmenování podzemních staveb

Nomenklaturu podzemních staveb podle jejich ú elu s vazbou na hloubku v níž bývají umíst ny lze shrnout do následující tabulky 3.I. Tab. 3.I: Nomenklatura podzemních staveb podle ú elu a jejich umíst ní v hloubce (podle O. Vrby, upraveno)

- 38 (171) -


3.1 P íklady n kterých zajímavých podzemních staveb

Obr. 3.1: Divadlo v podzemní kavern . Finsko [zdroj: LRC´86 - Finsko]

Obr. 3.2 : Podzemní kostel (Finsko) [zdroj: LRC´86 - Finsko] - 39 (171) -


Obr. 3.3: Plavecký bazén v podzemní kavern . Finsko [zdroj: LRC´86 - Finsko]

Obr. 3.4: Podzemní zimní stadión Gjøvik (alternativn bazén). Norsko – OH Lillehamer [zdroj: asopis Tunel cz]

- 40 (171) -


Obr. 3.5 a 3.6: Primární a sekundární kolektor v Brn [MSK-Kolektory Brno]

Obr. 3.7: Centrální podzemní OV pro Helsinky [Atlas Copco]

- 41 (171) -


Obr. 3.8 a 3.9: Schéma kompresní elektrárny – SRN [zdroj: asopis Tunel cz]

Obr. 3.10: Schéma podélného ezu podzemní kavernou pro uskladn ní ropných produkt [J. Fabry – Geologický pr zkum9/1991]

Japonsko (Namikata) zásobník zkapaln lého propan-butanu (2003-2008); 3 kaverny profilu 650 m2, délky 430 až 485 m

Obr. 3.11: Podzemní zásobník plynu P íbram – Háje [Subterra] s parametry:

- 42 (171) -


• • •

Zásoba 65 mil. m3 (tlak 9,5 MPa) Možná dodávka do sít 6 mil. m3/den (10% R); výhledov až 9 mil. m3/den Celková délka chodeb cca 45 km; vyztuženo cca 10% (komunika ní chodba, k ížení tektonické linie…)

Obr. 3.12: Podzemní úložišt nízko- a st edn aktivních radioaktivních odpad . Olkiluoto (Finsko) [E. Johansson – R. Riekkola, 1991]

Obr. 3.13: Podzemní genobanka rostlin na Špicberkách [m. f. Dnes 19. 7. 2007] s parametry: • • • • •

120 m dlouhá chodba + 2 rozlehlé komory plochy 375 m2 Vrata z oceli a betonu tlouš ky 1 m Celoro n teplota -18°C Náklady 8 mil. US $ P edpokládá se uložení 3 mil. semen.

3.2 Význam hlavních geofaktor podzemní stavby

vzhledem k hloubce

Je ocen n v tabulce 3.II. Sou asn jsou zde p i azeny i použitelné technologie výstavby podzemních staveb, op t vztažené na hloubku realizované podzemní stavby.

- 43 (171) -


Tab. 3.II: Význam hlavních Geotechnických faktor u podzemních staveb s ohledem na hloubku (Podle O. Vrby)

3.3 Nomenklatura podzemních staveb podle JKSP . 825 (Jednotná Klasifikace Stavebních Prací = bývalé ceníkové položky) Tunely železni ní silni ní podzemních drah plavební a í ní p ívodní, obtokové a odpadní VD (vodních d l) pro dopravníky kolektorové ostatní Štoly vodní tlakové vodní s volnou hladinou revizní a únikové spojovací a eskalátorové pro podzemní stanice pr zkumné ostatní Podzemní halové objekty objekty VD (vodních d l) – kaverny hangáry, garáže, skladišt podzemní istící stanice ( OV), nádrže, vodojemy objekty CO ostatní podzemní objekty technické galerie kolektorových tras Svislé a úklonné šachty p ístupové a pr zkumné v trací dopravní, erpací vyrovnávací (u vodních d l) ostatní neuvedené.

- 44 (171) -


3.4 Rozd lení podzemních staveb podle dispozice Liniové podzemní stavby (u kterých jako rozm r p evládá délka) Štoly (<16 m2) Tunely ( 16 m2) ležaté, vodorovné (odklon né max. 10° od horizontály); úklonové, úklonné, úpadní (odklon né 10° až 60° od horizontály) Šachty svislé šikmé, úklonné (60° až 90° od horizontály) Poznámka: SN 73 75011993 (Navrhování konstrukcí ražených podzemních objekt . Spole ná ustanovení) odlišuje šachtu a tunel nevhodn úhlem sklonu 45°] Zvláštní typy (komíny, šibíky) – v podzemním stavitelství ídké.

Obr. 3.14: Liniové podzemní stavby [J. Barták a M. Bucek, 1989]

Plošné podzemní stavby (p evládají u nich vodorovné rozm ry nad výškou). Jde o podzemní garáže, skladišt , úložišt , sportovišt , laborato e….

Obr. 3.15: Plošné podzemní stavby – podzemní garáže [J. Barták a M. Bucek, 1989] 1 - Vjezdový (výjezdový) portál 2 - Horninové pilí e 3 - Tunely (štoly) 4 - Výklenek pro manipulaci i další rozší ení 5 - Obslužný tunel (štola) 6 - P ístupový tunel (štola)

- 45 (171) -


Halové podzemní stavby – též velkoprostorové s velkou p dorysnou plochou i výškou (podle A. Butovi e, 2007, do této skupiny pat í podzemní díla p í ného profilu výrubu > 200 m2 a délky v tší nežli nejmenší rozm r p í ného ezu; podle Norských p edpis jde o podzemní dílo ší ky > 12 m). Pat í sem kaverny PVE; hangáry; podzemní energetické zásobníky; vojenské objekty apod.

Obr. 3.16: Halové podzemní stavby. Kaverna VE Lipno [J. Barták a M. Bucek, 1989]

Kombinované podzemní stavby – jde o plošné i halové podzemní stavby propojené s povrchem systémem liniových PS.

3.5 Rozd lení podzemních staveb podle zp sobu provád ní Ražené podzemní stavby. Celá jejich výstavba probíhá v podzemí, bez narušení nadloží. Obvykle se provád jí ve v tší hloubce.

Obr. 3.17: Ražené podzemní stavby [J. Barták a M. Bucek, 1989]

- 46 (171) -


Hloubené podzemní stavby. Jsou realizovány v otev ené jám , svahované i pažené, po zhotovení je podzemní stavba posléze zasypaná. Obvykle se provád jí v malé hloubce.

Obr. 3.18: Hloubené podzemní stavby

Kombinované podzemní stavby. Jsou realizovány obvykle v m lkém p edkopu tak, že se provedou v prvním kroku pažící a nosné svislé konstrukce, dále je zhotoven strop na zemní skruži a na záv r jsou dobrány vnit ní prostory p i sou asné úprav povrchu. Jsou-li stropní konstrukce zaklenuté hovo í se o tzv. systému „želva“.

Obr. 3.19: Kombinované podzemní stavby

Protla ované podzemní stavby. Provád jí se pouze v zeminách a v malé hloubce. Konstrukce je sestavována ve startovací jám a tla nou stolicí je celá posouvána vp ed, obvykle za odt žování zeminy v elb díla. Protlaují se pouze malé, nejvýše st ední profily. Speciální podzemní stavby. Do této skupiny pat í nap . podzemní stavby provád né spoušt ním keton , naplavované a vysouvané konstrukce podzemních staveb, podzemní stavby ražené nebo štítované za p etlaku vzduchu, zmrazování pro zlepšení prost edí apod.

- 47 (171) -


Mikrotunelované. Jde o ražené i protla ované stavby malých Ø (do 800 [resp. podle n kterých kritérií až do 2 000] mm) pomocí speciálních souprav a postup .

3.6 Rozd lení podzemních staveb podle p í iny – tj. p ekážek bránících realizaci nadzemní stavby Tunely a štoly horské. P ekonávají p ekážky vyplývající z reliéfu terénu Do této skupiny pat í tunely vrcholové, nyní už i bázové – viz obr. 3.20. Horské tunely se b žn kombinují s mosty Tunely a štoly m stské. P ekonávají p ekážky vzniklé hustým zastav ním intravilánu; provád jí se na jeho ochranu (nap . Pa íž má v n kterých ástech až 7 podzemních podlaží). Vzniká mimojité i pot eba plánování podzemního prostoru ve m st – viz „terratektura“, podzemní urbanismus Tunely a štoly pod vodou. Nahrazují mosty – p ekonávají eky. Provád jí se nej ast ji v ústí velkých ek, p ekonávají mo ské úžiny (Nizozemí, Hamburg, N.Y., Hongkong apod.) Podzemní stavby ochranné. Navrhují se p i nevhodných terénních i klimatických podmínkách jako ochrana p ed lavinami, sesuvy i íceními a jako ochrana p ed extrémy po así. Dále jde o podzemní stavby pro uložení státních a energetických rezerv. Pat í sem i ist environmentální podzemní stavby, p edevším n které dopravní tunely Podzemní stavby záštitné. Tzv. „speciální“ stavby, „speciál. Jedná se o podzemní stavby pro bezpe nost a utajení, kryty pro politické initele a velení armády, kryty CO (civilní obrany), vojenská opevn ní, stavby pro uložení zbra ových systém apod. Podzemní stavby jiné (zvláštní až zcela zvláštní). Skladišt nebezpe ných látek a úložišt odpad ; Tunely a štoly špionážní, út kové, dobývací apod.

Obr. 3.20: Vrcholový (tzv. 2.) a bázový (tzv. 4.) tunel pod masívem Sv. Gottharda [Jeker, R., E. et all., 2002]

- 48 (171) -


3.7 Názvosloví jednotlivých ástí tunelu Obvyklé názvosloví ástí tunelu je z ejmé z p í ných ez a z ezu podélného na obr. 3.21 až 3.24.

Obr. 3.21: ásti tunelu po obvodu a v p í ném ezu [D. Kolymbas, 1998, upraveno]

Obr. 3.22: ásti tunelu v podélném ezu p i postupu ražby [D. Kolymbas, 1998, upraveno]

Obr. 3.23: Konstruk ní ásti tunelu [D. Kolymbas, 1998, upraveno] - 49 (171) -


Obr. 3.24: Konstruk ní ásti tunelu p i kruhovém Ø [ SN 73 7503/1997 – Projektování a stavba tunel m stských drah]

3.8 Práce a innosti probíhající p i tunelování Práce a innosti probíhající p i tunelování (ražba, výlom, vyztužení, pobírání…) jsou p ehledn rozvedeny v tabulce 3.III a dále. Tab. 3.III: Schéma prací a inností probíhajících p i tunelování

- 50 (171) -


Pobírání je po adí a postup (tzn. len ní) prací v p í ném a podélném ezu. Obvykle je aktuální pouze u velkých pr ez . U klasických tunelovacích soustav bylo asto mimo ádn sofistikované (obr. 3.26). U moderních soustav (p edevším u Nové Rakouské Tunelovací Metody) se podle pot eby používá len ní výrubu p im en jednodušší (obr. 3.27).

Obr. 3.26: Klasické pobírání. Rakouská tunelovací soustava tzv. „moderní“ [J. Barták a M. Bucek, 1989]

Obr. 3.27: Moderní len ní výrubu. NRTM. Tunel H ebe [Metrostav]

3.9 Další termíny týkající se podzemních staveb Tunelový pas = ást tunelu vymezená d lícími (dilata ními) spárami. Velmi aktuální je vytvá ení tunelových pas u sekundární obezdívky. Délka pas bývá 3 až 10 m Tunelový prstenec = ást tunelu délky obvykle 1 až 1,5 m; max. 3 až 4 m, vylamovaná a vystrojovaná p i novodobých pracovních postupech najednou. Prstenec je aktuální p edevším u prstencové metody a u štítování Horninová klenba = pásmo zvýšených nap tí v horninovém masívu vzniklé v okolí výrubu v d sledku redistribuce nap tí z primárního stavu napjatosti na stav sekundární. Nakyp ená rozrušená hornina pod horninovou klenbou zat žuje výstroj podzemní stavby horninovým tlakem Nadloží tunelu = výška horninového masívu mezi rubem ost ní a terénem (resp. bází kvartéru) – obr. 3.22 - 51 (171) -


Tunelový portál = vn jší ást ukon ující i zahajující tunelovou troubu (rouru). Zachycuje podélné síly z horninového masívu a elní a bo ní tlaky v p edzá ezu. D íve portál sestával z portálového pasu, portálového v nce, elní portálové zdi a k ídel. Portál musí spl ovat i architektonická hlediska (obr. 3.28 až 3.31)!

Obr. 3.28

Klasický portál [J. Barták a M. Bucek, 1989]

Obr. 3.29 až 3.31: Klasický portál (tunel .8/1, Novohradský). Moderní portál (tunel Branisko, SR). Standardní jednoduchý moderní portál (SRN)

- 52 (171) -


Výrubní profil = plocha výlomu v hornin kolmá k ose tunelu (p ípadn podzemního díla) Nadvýlom, vícevýlom = výlom v hornin nad uvažovaný výrubní profil Sv tlost tunelu = istá sv tlá ší ka (od ost ní k ost ní) a výška (od záklenku k nivelet dna – po vy) Délka tunelu = vzdálenost mezi líci portál m ená ve výšce 1 m nad niveletou dna (po vy) Kolektor = liniová podzemní stavba sdružující inženýrské sít Galerie = „polotunel“. Ochranná konstrukce (nej ast ji komunika ní podzemní stavba) v úsecích ohrožených bo ními sesuvy zemin, skalním ícením i sn hovými lavinami. Galerie bývají obvykle z izovány v úbo ních od ezech

Obr. 3.32: Galerie p i tunelu Löwenherz – SRN (Subterra a. s. Praha)

Obr. 3.33: Japonsko (Kašiwazaki) – 16. 7. 2007 – sesuv po zem t esení 6,8° Richterovy stupnice. Sesuv p erušil železni ní tra t sn p ed z ízenou ochrannou galerií [m. f. Dnes, 17. 7. 2007]

- 53 (171) -


3.10 Faktory ovliv ující realizaci podzemní stavby Faktory ovliv ující návrh a realizaci podzemní stavby lze vyjád it následujícím diagramem:

Obr. 3.34: Diagram faktor ovliv ujících návrh a realizaci podzemní stavby [V. Horák, 2001]

Mezi jednotlivými, výše uvedenými faktory jsou velmi složité vztahy dané vzájemnými závislými vazbami Z hlediska inženýrského je realizace podzemní stavby považována za velmi náro nou Zahrnutím nutné bezpe nosti b hem návrhu, provád ní i b hem provozu se za azují podzemní stavby (spolu s hrázemi vodních d l) mezi nejnáro n jší inženýrská díla v bec! Obecn jsou podzemní stavby považovány za stavby velmi ekologické Z pohledu ekonomického jsou podzemní stavby velmi p ibližn 3x až 5x dražší než srovnatelné stavby pozemní. Vedle vysokých po izovacích náklad navíc p istupují u n kterých typ podzemních staveb i vysoké až velmi vysoké náklady provozní.

- 54 (171) -

Základní návrhové prvky

4.


U plošných a halových podzemních staveb závisí základní návrhové (projek ní) prvky vždy na ur ení p edm tné stavby. ídí se obvykle zvláštními p edpisy (jsou-li tyto v bec k dispozici) p ípadn požadavky na objekt. Prakticky vždy se jedná u t chto typ podzemních staveb o originální ešení Postupuje se zde tedy p ípad od p ípadu. Zevšeobecn ní základních návrhových prvk lze provést obvykle jen u staveb liniových.

4.1 P í ný ez je dán: Ú elem stavby. Zde se hledá pr jezdný i provozní profil a z n j se následn odvozuje nutný p í ný ez díla. P í ný ez liniových podzemních staveb standardn bývá symetrický (ostatn totéž obvykle platí i pro stavby plošné a halové) Geotechnickými pom ry v trase. Profil ost ní by m l odpovídat sm ru a velikosti horninového tlaku. Ost ní musí s masívem spolup sobit a tedy odpovídat na p sobení horninového tlaku Statickými požadavky. Proto bývá u podzemních staveb voleno tém vždy (vždy když je to možné) zaklenutí. Zaklenutí je staticky maximáln výhodné; dispozi n potom obvykle již mén . Velké a velmi velké profily se staticky navrhují obtížn Vnit ním zatížením. To je rozhodující p edevším u vodních tlakových štol. Proto se zde volí kruhový Ø Hospodárností. Vždy by m la být snaha navrhovat co možná nejmenší Ø, nicmén s možností nasadit alespo minimální mechanizaci. Plocha Ø roste se tvercem rozm r (!), takže i malé zv tšení návrhových rozm r v jednom sm ru m že mít za následek výrazné zv tšení plochy celého výrubu. Velké až velmi velké profily p inášejí problémy p i návrhu i p i provád ní. D ležitá je unifikace (pro možnost použití stejných dílc ost ní, stejného taženého bedn ní ap.), takže práv ta m že asto rozhodnout o návrhu rozm r díla V tráním. U siln dopravn zatížených silni ních a p edevším m stských tunel m že pr ezová plocha pot ebná pro p ívod a odvod v tr výrazn ovlivnit návrhový pr ez stavby Technologií stavby. Profil výrubu je asto tvrd ur en použitou mechanizací – viz výše. Platí to p edevším pro štíty a TBM. U t chto technologií se navrhuje a provádí kruhový Ø, když dispozi n výhodn jší Ø tvercový i obdélníkový nelze realizovat.

4.1.1 P í ný profil hydrotechnických štol s volnou hladinou (p ivad e, kanaliza ní štoly) Vyplývá z požadovaného pr toku a optimální rychlosti proud ní vody (ta iní 2÷2,5 ms-1) Z požadavku alespo minimálního nasazení mechanizace p i stavb (p eklopný pneumatický bagr pot ebuje na výšku min. 1,90÷2,30 m) - 55 (171) -


Ze sv tlé provozní výšky – ta by nem la klesnout pod 1,60 m, což je pr chozí Ø. P i nasazení pneumatického p eklopného naklada e p i stavb – viz výše – je spln ní této podmínky automatické Typizované profily hydrotechnických štol s volnou hladinou jsou vykresleny na obr. 4.1. V ím složit jší geologii je stavba navrhována, tím více je profil zaklenut.

Obr. 4.1: P íklady typizovaných profil hydrotechnických štol s volnou hladinou [J. Barták - M. Bucek, 1989]

4.1.2 P í ný profil tlakových hydrotechnických štol (tlakové vodovodní štoly a p ivad e VE, PVE) V t chto štolách proudí voda podle stejných zákon jako v potrubí Ost ní je namáháno rota n symetrickým vnit ním p etlakem; ten bývá zpravidla jeho nejv tším zatížením. Proto jde tém vždy o kruhové Ø – obr. 4.2 Kruhový Ø je p itom sou asn staticky nejvýhodn jší i p i vysokých horninových tlacích Ost ní štoly je nutné posuzovat na kombinaci r zných zat žovacích stav p i kolísání vn jších tlak a zatížení a vnit ního p etlaku od vody ve štole

- 56 (171) -


Obr. 4.2: P íklady profil hydrotechnických tlakových štol [J. Barták a M. Bucek, 1989]

4.1.3 P í ný profil železni ních tunel Byl odvozen z: max. rozm ru vozidla a rozm ru nákladu na vozidle Na tratích D se postupn vyvíjel: 1. Profil základní (z obrysu vozidla) Pz, dále potom: 2. Obrys-vagónový mezinárodní O-VM (O – ) 3. Od r. 1957 Jednotný-vagónový mezinárodní 1-VM ( – . .), z n j pak: 4. Jednotný-stavební mezinárodní 1-SM (E.-C .) resp. dtto elektrifikovaný SME ( ) Nyní je navrhován TUNELOVÝ PR JEZDNÝ PR EZ podle SN 73 7508/2002 (Železni ní tunely) viz obr. 4.3 a 4.4 Pro každý tunel se má navrhovat pokud možno JEDNOTNÝ Ø. Výjimka je možná pouze u tunel v obloucích r zných polom r r. Tunelový profil se navrhuje z extrémních hodnot polom ru r a p evýšení kolejí p

Obr. 4.3: Tunelový pr jezdný pr ez pro elektrizovanou tra v p ímé a v oblouku o polom ru R 300 m [ SN 73 7508/2002 (Železni ní tunely)]

- 57 (171) -


Obr. 4.4: Sdružený tunelový pr jezdný pr ez pro elektrizovanou tra v p ímé a v oblouku o polom ru R 300 m [ SN 73 7508/2002 (Železni ní tunely)]

4.1.4 P í ný profil metra Vychází z PR JEZDNÉHO PR EZU METRA podle /1995 (Pr jezdný pr ez metra) – obr. 4.5

SN 73 7509

Obr. 4.5: P í ný Ø metra [ SN 73 7509 /1995 (Pr jezdný pr ez metra)]

- 58 (171) -


4.1.5 P í ný profil silni ních a dálni ních (m stských) tunel Je ší ka mezi obrubníky (= jízdních pruh ) + ší ka vodících proužk + ší ka p ípadného p ídavného pruhu + ší ka oboustranných (nouzových) chodník – obr. 4.6

Obr. 4.6

Konstrukce ší ky p í ného profilu silni ních, dálni ních a m stských tunel [D. Kolymbas, 1998]

Rozm ry silni ních, dálni ních a m stských tunel vyplývají z SN 73 7507/1999 (Projektování tunel pozemních komunikací) SN 73 7507/1999 p edpokládá ší kové kategorie uvedené na obr. 4.7. P estože tento p edpis nevylu uje obousm rné tunely, tak s ohledem na (p edevším požární) bezpe nost se jejich realizace již jeví jako málo pravd podobná. Podrobné rozm ry ší kového uspo ádání pozemní komunikace v tunelu vyplývají z tabulky 4.I

Obr. 4.7: Ší kové kategorie vozovek v silni ních, dálni ních a m stských tunelech [ SN 73 7507/1999 (Projektování tunel pozemních komunikací)]

- 59 (171) -


Tab. 4.I: P ehled ší kového uspo ádání komunikace v tunelu [ SN 73 7507/1999 (Projektování tunel pozemních komunikací)]

Poznámky:

Ší ková kategorie tunelu T-7,5 by m la být navrhována pro dlouhé (dl. >1 000 m) a st ední (dl. 200÷1 000 m) tunely Ší kové kategorie tunelu T-8,5; T1-9,0 a T-10,0 by m ly být navrhovány pro krátké tunely (do 200 m) Realizace dvoupruhových obousm rných tunel nep edpokládá

Další p edpoklady munikací:

se prakticky

SN 73 7507/1999 Projektování tunel pozemních ko-

Ší ka jízdních pruh je (podle zahrani ní zkušenosti) snížena na 3,50 m; pouze u krátkých tunel (pon vadž ty se navrhují nej ast ji ve m stech s vysokou intenzitou provozu) je ponechána 3,75 m Ší ka krajnice (odstavných pruh ) je redukována na 0,75 až 1,75 m. U dlouhých tunel lze tyto elementy zcela vynechat a nahradit je nouzovými zálivy Pro dlouhé (p íp. st ední) tunely je doporu ena kategorie T-7,5 (viz výše) U krátkých tunel je doporu ena kategorie T-8,5; T-9,0 a T-10,0 (viz výše). Rozhoduje technicko-ekonomické zhodnocení P ídavné (stoupací) pruhy by se nem ly z ekonomických d vod navrhovat (vypadávají proto 3pruhové tunely!) (Nouzové) chodníky z izované oboustrann o ší ce 0,75 až 1 m slouží i k nouzovému odstavení vozidel Dopln ním ší ky tunelu o podjezdnou výšku potom vzniká kompletní PR JEZDNÝ PR EZ (obr. 4.8). Podjezdné výšky se navrhují v hodnotách: Základní výška = 4,50 m (d íve 4,80 m)

- 60 (171) -


Základní výška (4,50 m) m že být ve zvláš od vodn ných p ípadech zvýšena Na místních obslužných komunikacích je podjezdná výška = 4,20 m Nad chodníky je podchozí výška = 2,20 m (2,40 m nad p ilehlou vozovkou)

h = 4,50 m h1= 2,20 m h2= 0,20 m Obr. 4.8: Pr jezdný pr ez silni ních, dálni ních a m stských tunel [ SN 73 7507/1999 (Projektování tunel pozemních komunikací)]

Pot ebný pr ez tunelu se odvozuje z pr jezdného pr ezu jeho obalením plynulou k ivkou líce budoucí podzemní stavby. Obrys líce by m l být co nejjednodušší. Bývá nej ast ji složený z kruhových oblouk se zachováním t chto zásad: Následné polom ry by m ly být v pom ru < 5 (resp. 1/5). Nejmenší polom r r = 1,5 m (obr. 4.9) Zaklenutí je staticky velmi výhodné (to proto, že v ost ní vznikají p edevším normálové síly; ohybové momenty potom jen p i výrazn rozdílné kvalit okolní horniny nebo nesymetrickém zatížení) Spodní klenba se navrhuje vždy u slabých hornin (u kterých lze o ekávat vysoké horninové tlaky nebo tlaky ve dn ) nebo p i vysokých tlacích vody. Použitím spodní klenby („protiklenby“) se podkovovitý profil (n mecky nazývaný „tlamový“) blíží profilu kruhovému. Nicmén je z pohledu plochy hospodárn jší a v p ípad konven ních metod tunelování i technologicky jednodušší

Obr. 4.9: Možná konstrukce p í ného ezu tunelu složeného z kruhových oblouk [D. Kolymbas, 1998]

- 61 (171) -


P i teoretickém líci ost ní se ponechává rezerva profilu na tolerance a budoucí rekonstrukce. Do volných prostor mezi pr jezdný profil a líc ost ní je umíst no technologické vybavení a dopravní zna ení – obr. 4.10

Obr. 4.10: Pr ez raženého tunelu [ SN 73 7507/1999 (Projektování tunel pozemních komunikací)]

Obr. 4.11 a 4.12: Tvorba p í ného ezu stanice a tunelu podzemní dráhy [zdroj www]

Pr ez únikové chodby a únikového tunelu je z ejmý z obr. 4.13 a 4.14. Úniková chodba (u dvou paralelních jednosm rných tunel jde o tunelovou propojku z tunelu do tunelu) slouží pro záchranu osob, únikový tunel slouží pro evakuaci vozidel. Úniková chodba pro osoby musí být z ízena maximáln po cca 350 m. Únikový tunel se z izuje pro vozidla u každého 2. nouzového zálivu

- 62 (171) -


Obr. 4.13: P í ný ez únikovou chodbou [ SN 73 7507/1999 (Projektování tunel pozemních komunikací)]

Obr. 4.14: P í ný ez únikovým tunelem [ SN 73 7507/1999 (Projektování tunel pozemních komunikací)]

Nouzový a otá ecí záliv se z izuje každých cca 700 m (obr. 4.15) Každý 2. nouzový záliv je otá ecí (obr. 4.16)

Obr. 4.15: P dorys nouzového zálivu [ SN 73 7507/1999 (Projektování tunel pozemních komunikací)]

Obr. 4.16: P dorys otá ecího zálivu [ SN 73 7507/1999 (Projektování tunel pozemních komunikací)]

- 63 (171) -


4.1.6 Typické hodnoty p í ných Ø liniových podzemních staveb • • • • • • •

Kanaliza ní sb ra (kmenová stoka) Dálnice (jeden jízdní pruh) Dálnice (dva jízdní pruhy) Železnice (jednokolejný) Podzemní dráha, Metro (jednokolejný) Rychlá železnice IC, EC (jednokolejný) Rychlá železnice IC, EC (dvoukolejný)

cca 10 m2 75 m2 90 až 110 m2 50 m2 35 m2 50 m2 80 až 100 m2

4.2 Sm rové pom ry Sm rové pom ry jsou dány technologií stavby a provozními pot ebami p i používání stavby. Velmi významné mohou být p i volb trasy i geotechnické pom ry.

4.2.1 Požadavky technologie stavby (zde jde p edevším o minimální polom ry zatá ení stavebních mechanism rmin) Kolejová doprava: rmin = 10 m Samovykláp cí vozy: rmin = 12 až 30 m Automobilová doprava, dempry, skipovací vozy, dopravníkové naklada e: rmin = 15 m Razící štíty a TBM: zatá ejí jen velmi nerady (r > 100 m). Jinak probíhá tato ražba asto v p ímých úsecích z šachty do šachty nebo z komory do komory se zm nami sm ru práv v šacht i v komo e; tím vzniká trasa v p dorysu polygonáln lomená Ražba v p ímé a obloucích velkého polom ru je vždy jednodušší a lacin jší

4.2.2 Pot eby provozní p i používání stavby: Oblouky malého polom ru lze navrhovat pouze u hydrotechnických štol (u štol s volnou hladinou: rmin = 5 d; u tlakových štol: rmin = 2,5 d; lépe 5 d; d = Ø štoly) Železni ní tunely: rmin závisí na návrhové rychlosti. V železni ních tunelech je rmin = 250 m. U oblouk r < 1 000 m vzniká nutnost rozší ení pr jezdného profilu. Tunely v obloucích se navíc i h e v trají Silni ní, dálni ní a m stské tunely: rmin závisí na návrhové rychlosti. rmin = 300 m – takový tunel již nevyžaduje rozší ení. Za výhodné se považuje umíst ní portál v oblouku, a to pro omezení osln ní p i výjezdu a omezení zrcadlení portálu p i vjezdu. U obousm rných tunel (ty by však nem ly být navrhovány!) omezí zak ivení v oblouku osl ování protijedoucích vozidel.

- 64 (171) -


4.3 Výškové (sklonové) pom ry 4.3.1 Minimální podélný sklon B hem stavby je dán pot ebou gravita ního odvodn ní: Min. 2 ‰ v tvrdých celistvých horninách Min. 4 až 5 ‰ v horninách slabých. P i obsahu jílových minerál nebo nebezpe í rozb ídání je odvedení vody mimo ádn d ležité! Sklony pot ebné pro spolehlivé odvodn ní potom mohou být i vyšší Dohorní ražba by m la být realizována vždy, když to jde. Ražby úpadní p inášejí pouze problémy! Nejde jen o gravita ní odvodn ní. Velmi nebezpe ná je úpadnicová ražba p i nasazení kolejové dopravy – zde jsou pracovníci v profilu, ale p edevším pak razi i na elb maximáln ohroženi v p ípad uvoln ní d lních voz P i dohorní ražb ze dvou portál vzniká charakteristicky st echovitá niveleta a profil je velmi dob e podéln odvodn ný na ob strany

Obr. 4.17: Charakteristická st echovitá niveleta liniové podzemní stvby p i dohorní ražb z obou portál

Minimální podélný sklon u silni ních tunel pro provozní gravita ní odvodn ní iní (s výjimkou vrcholového oblouku) 3 ‰

4.3.2 Maximální podélný sklon Štoly s volnou hladinou: maximální podélný sklon odpovídá (p i optimální rychlosti vody cca 2 až 2,5 ms-1) cca 2 %. P i vyšších sklonech vznikají mnohem vyšší rychlosti vody. Potom hrozí vymílání a eroze obezdívky. To je velmi d ležité u kanalizace, kde se proto eší vyšší spády pomocí šachet i spadišt Vodní tlakové štoly: mohou mít jakékoliv sklony v etn protispád . V nejvyšších místech trasy je umíst no odvzdušn ní, v nejnižších místech potom odkalení Železni ní tunely: sklon v tunelu musí být vždy menší než ve volné trati (to proto, že v tunelu jsou horší podmínky provozu – je zde v tší odpor vzduchu, vyšší vlhkost, horší osv tlení). Tunel se nesmí nikdy stát místem rozhodujícím o propustnosti trati! Max. stoupání v železni ním tunelu: s´= 0,8 s – 0,2 [‰] kde:

(obecn < 2%)

(4.1)

s…max. stoupání v p íslušné trati

Silni ní, dálni ní a m stské tunely: podélný sklon se navrhuje podle návrhové rychlosti, tak, aby nebyly z izovány p ídavné pruhy ve stoupání i v klesání (pro rychlost 80 km/hod je udáván max. podélný sklon 3,5 %) • Podle zahrani ních zkušeností u dlouhých tunel by max. podélný sklon nem l p ekro it 2,5 %

- 65 (171) -


•

•

Max. dovolený podélný sklon podle SN 73 7507 (tato hodnota se však obvykle neuplat uje!): o silnice a dálnice 7 % o místní komunikace 8 % Ve sv t se ob as setkáváme se sklony až k 15 % (zvlášt pro výrazné zkrácení ramp, p edevším ve m stech, nap . u podvodních tunel ). Zde je nutné zvážit, že s vyšším sklonem komunikace výrazn vzr stá nebezpe í kolize i havárie a dále stoupá velmi podstatn i produkce exhalací a potažmo stoupají i velmi výrazn náklady na v trání takového tunelu.

- 66 (171) -

Geotechnický pr zkum

5


Geotechnický pr zkum by m l být pro navrhovanou podzemní stavbu proveden vždy! Za ideální rozsah je považován pr zkum v objemu odpovídajícímu cca 2% celkových náklad na p íslušný soubor staveb. Jde o innost pro získání komplexní informace o geologicko-technických podmínkách v míst (resp. prostoru) do n hož je nutno umístit podzemní stavbu. Tato informace musí umožnit seriózní návrh, hospodárnou a bezpe nou realizaci a v neposledním i bezproblémový provoz podzemní stavby, a to po celou dobu její p edpokládané životnosti. Pr zkum by m l být realizován podle TP 76 Ministerstva dopravy/1995/2000 (Geotechnický pr zkum pro pozemní komunikace). Klasické tunelovací metody vytvá ely profil malými záb ry s jejich okamžitým zajišt ním (= výstrojí). Byly proto dosti universální – tzn., že se mohly p izp sobit i ne ekaným zm nám prost edí. Z toho d vodu nekladly zvláštní požadavky na pr zkum (ten probíhal prakticky sou asn s ražbou). Posta ujícími údaji byla obvykle pouze rozpojitelnost a tla ivost horniny Moderní tunelovací metody vyžadují dokonalejší geotechnický pr zkum. Tyto metody bývají totiž ú inné asto pouze v ur itém typu horninového prost edí. Pr zkum proto musí klasifikovat prost edí po celé trase a z toho posléze volit technologii výstavby. Platí to p edevším pro postupy nedostate n universální (to platí nap . pro TBM, štítování i další speciální metody ražení resp. hloubení). Za dostate n universální je dnes považována NRTM (Nová Rakouská Tunelovací Metoda).

5.1 Hlavní úkoly pr zkumu: •

• •

Vy ešení inženýrskogeologických (IG) pom r v území. Rozumí se tím objasn ní skladby vrstev hornin v trase i v širším okolí a v celé výšce nadloží stavby. Podstatné je objasn ní linie báze kvartéru, stupn a dosahu zv trání masívu a rozpukání (tj. sm ru, sklonu, intenzity a stavu diskontinuit). Ov eny a p esn lokalizovány musí být mocn jší tektonické linie i obecn ji „poruchová“ pásma Ov ení fyzikálních, mechanických a technologických vlastností horniny i masívu v etn jejich zat íd ní a klasifikací. Zvláštní význam mezi vlastnostmi horniny má bobtnání Hydrogeologické (HG) posouzení území. Musí být vždy ov eny hladiny podzemní vody a jejich kolísání, sm r a rychlost jejího proud ní, propustnost pokryv a puklinových systém v masívu, tlak vody apod. Voda p itéká do díla, zat žuje ost ní, snižuje stabilitu horniny a komplikuje technologii výstavby. Podzemní stavba drénuje prost edí. Následkem bývá „ukradení“ podzemní vody. Z toho vždy vyplývá nutnost zmapovat celé postižené povodí (nap . p i ražb pr zkumné štoly Višové ve SR nastaly výv ry vody až okolo 100 ls-1 a ješt 2 roky po doražení štoly inily cca 20 ÷ 40 ls-1; následkem bylo odvodn ní celé ob-

- 67 (171) -


•

•

•

•

lasti v nadloží a nutnost p ivést obyvatelstvu vodu novým ve ejným vodovodem) Posouzení korozní situace. Rozumí se tím posouzení agresivních ú ink horninového prost edí, vody (vody rozeznáváme neagresivní a agresivní, nicmén korozní dopad mají ob !), plyn a cizích proudových polí (= „bludné“ proudy!) na betonové, železobetonové a kovové konstrukce a na vlastní horninu. Sou ástí posouzení by m l být i základní návrh ochrany konstrukcí p ed korozí Získání podklad pro volbu technologie výstavby. K tomu slouží už p edchozí údaje a dále nap . údaje o trhatelnosti horniny, posouzení seismických ú ink trhacích prací, posouzení možností dalšího využití rubaniny, stanovení doby pot ebné pro aktivaci výstroje ap. Podklady pro posouzení stability území nad tunely i p i portálech. Posuzuje se stabilita portálových úsek , dále stabilita vlastních tunel i svah (u úbo ních tunel ) a p edevším možné poklesy povrchu území (s provedením nezbytné pasportizace ohrožených objekt v nadloží a na povrchu) Zvláštní (ne GT!) posouzení p edstavuje tzv. Ekologický audit (tzv. EIA procedura = Environmental Impact Assesment) pro posouzení možných vliv stavby na životní prost edí (na zele , na sociální zát že apod.). Ten obvykle zpracovávají kancelá e specializované na ekologii.

5.2 Metody pr zkumu Metody pr zkumu by m ly odpovídat p íslušné etap pr zkumu (ta sou asn odpovídá ur ité etap projek ních prací). Postupuje se p irozen od metod jednoduchých a všeobecných k metodám sofistikovaným (speciálním): Rekognoskace zájmového území Archívní šet ení a rešerše využívající základní výzkum (obvykle s exploatací p edm tné odborné literatury), stávající geologické mapy a pr zkumy již provedené v minulosti v dané lokalit (i pro jiné zám ry) Mapovací práce, asto v podrobném m ítku, p edevším v oblasti navrhovaných portál Geofyzikální prospekce p edevším povrchová, dále realizovaná z pr zkumné štoly i jako karotážní v pr zkumných vrtech (seismika, elektrika, magnetometrie, gravimetrie, termometrie, georadar apod.) Odkryvné práce. Vertikální, šikmé a horizontální vrty s povrchu i z podzemí; u portál se nasazuje penetrace. Zvláštní položku pr zkumu p edstavují sm rové p edrážené štoly – viz dále Laboratorní zkoušky pro stanovení vlastností horninové matérie (tj. vlastností fyzikálních, mechanických – zde p edevším pevnostních a p etvárných – dále indexových p íp. i reologických a technologických) Polní zkoušky a m ení. Stanovuje se obvykle p etvárnost, pevnost a napjatost horninového masívu a vlastnosti hydraulické Hydrogeologická a korozní šet ení a režimní sledování (zde p edevším kolísání hladiny p. v. resp. jejích p ítok ) Geotechnické sledování pr b hu výstavby (tzv. sled)

- 68 (171) -


Matematické modelování (metodou kone ných prvk (MKP), metodou hrani ních prvk (MHP), metodou odd lených prvk , metodou kone ných diferencí apod.) – viz obr. 5.1

Obr. 5.1: P íklad matematického modelování MKP [program RIB]

Fotoelasticimetrie a fyzikální (hmotové) modelování – viz obr. 5.2 Zvláštní posouzení (u staveb ve velkých hloubkách nebo ve specifické geologii): Podzemní plyny – výskyt CO2, CO, H2S (sirovodík), N, CH4 (metan). P i jejich p ítomnosti je nutné velmi intenzivní v trání b hem stavby (to platí i p i nasazení trhacích prací, kdy navíc vznikají produkty nedokonalého ho ení trhavin: NO, NO2, N2O5 ap.) Podzemní teplota – geotermální stupe má v R hodnotu cca 33 m. B hem stavby je nutné v trání a asto sou asn i chlazení (=> omezená doba práce p i suchém vzduchu do teplot až +50°C, p i vlhkém prost edí max. +40°C). Významnou veli inou je teplota, tepelný tok a tepelná vodivost u staveb s pohybem velkého množství lidí i s technikou vyvozující teplo p i provozu (nap . Metro) => dimenzování trvalého v trání. (Simplonský tunel – teplota až p es 50°C; Lötschber-

- 69 (171) -


ský bázový tunel: teplota 38°C na elb , 100% vlhkost; Gotthardský bázový tunel: chlazení pracoviš ).

Obr. 5.2: Fyzikální model podzemní stavby realizovaný v modelovacím stendu [F. Nazari, 1997]

5.3 Etapovost pr zkumu Etapy pr zkumu korespondují s p íslušným stupn m navrhování (jak e eno již výše) a podle TP 76 Ministerstva dopravy/1995/2000 (Geotechnický pr zkum pro pozemní komunikace) by m ly probíhat jako: Rešerše a orienta ní pr zkum (odpovídá STUDII): pro návrh trasy a nalezení kolizí P edb žný pr zkum (odpovídá DÚR = dokumentaci pro územní rozhodnutí): probíhá již v konkrétní trase; posuzuje se realizovatelnost stavebního zám ru Podrobný pr zkum (odpovídá DSP = dokumentaci pro stavební povolení): musí dát úplný prostorový obraz o IG, GT a HG pom rech lokality [Dopl kový pr zkum (odpovídá DZS = dokumentaci pro zadání stavby, p íp. DSP): eší dopl ky a detaily; není zcela zvláštní etapou, pouze asov odd lenou i prolínající se ástí „Podrobného pr zkumu“] GT sledování výstavby (odpovídá RDS = realiza ní dokumentaci stavby, p íp. DSPS = dokumentaci skute ného provedení stavby): v etn instrumentace a GT monitoringu [Pr zkum pro rekonstrukce a/nebo opravy: specificky zam ená zvláštní etapa].

- 70 (171) -


5.4 Postupné upravování podélného geologického ezu se zapracováním jednotlivých etap pr zkumu

Obr. 5.3: Podélný geologický ez tunelem Mont Terri postupn upravovaný po etapách pr zkumu [F. Klepsatel a kol., 1998]

Obr. 5.4: Podélný geologický ez tunelem Moutier (Švýcarsko – Jura). Naho e: prognózovaný profil) Dole: P epracovaný profil up esn ný detailním pr zkumem po havárii TBM (místo havárie na obrázku vlevo) [A. Müller, 2007]

5.5 GT sledování výstavby (sled) B hem výstavby je nezbytný geotechnický sled. U významných podzemních staveb probíhá nep etržit a významn spolupracuje s autory návrhu i se zhotovitelem. Významnou sou ástí geotechnického sledování je podrobná dokumentace ražbou zastižené geologické situace (obr. 5.5).

- 71 (171) -


Obr. 5.5: Geotechnická dokumentace elby raženého primárního kolektoru v Brn [V. Horák, 1986]

5.6 P edrážená pr zkumná štola Je velmi diskutovanou položkou pr zkumu: • • •

•

•

N kdy je odmítaná (pro vysoké náklady, asovou náro nost, ale p edevším pro významné narušení stavu napjatosti horninového masívu ješt p ed ražbou definitivního díla) N kdy je up ednost ovaná (pro p esnost a spolehlivost pr zkumu; adu údaj o masívu a jeho chování lze získat pouze pr zkumnou štolou!) N kdy je považována za prost edek jistého („politického“ i ekonomického) nátlaku. Je-li v p edstihu p ed velkou podzemní stavbou vyražena štola, standardn pak schází odvaha další etapy práce zastavit i stavební zám r zásadn zm nit O realizaci pr zkumné štoly by m ly vždy rozhodnout vysoce racionální argumenty (tzn. složitost o ekávaných geotechnických pom r , požadavky vyplývající z uvažované technologie provád ní stavby, výška nadloží, lenitost a využití území na povrchu nad podzemní stavbou – les, zem d lská p da, zástavba ap.) P ípadné vystrojení pr zkumné štoly nikdy nesmí kolidovat s technologií ražby následného velkého tunelu!

- 72 (171) -


Obr. 5.6: Umíst ní pr zkumné (p edrážené, sm rové, pilotní) štoly vzhledem k profilu budoucí podzemní stavby [F. Klepsatel a kol., 1996]. K jednotlivým polohám štoly:

a) Kladem je vynikající geotechnická informace a dále to, že kubatura štoly je obsažena v kubatu e tunelu (to vede ke snížení náklad na ražbu tunelu). Záporem je to, že ražbu 1. tunelu je možné zahájit až po dokon ení štoly, tedy se ztrátou asu b) Kladem je to, že ražbu 1. tunelu lze zahájit bezprost edn za štolou s tím, že získané geotechnické informace budou soub žn plynule zapracovány. Výhodou je rovn ž, že ze štoly lze v 1. tunelu rozfárat další pracovišt a urychlit tak práce. Štola je dále využitelná pro provizorní v trání, odvodn ní a vedení sítí a po dokon ení 1. tunelu slouží štola jako (provizorní) úniková i servisní c) U jednorourových tunel takto vedená štola urychluje výstavbu i slouží jako úniková. U tunel v mimo ádných geotechnických podmínkách tato štola vede trvalé technologie (v trání, sít , odvodn ní) a stává se servisní štolou.

Obr. 5.7: Umíst ní pr zkumné štoly v p í ném profilu budoucího tunelu [F. Klepsatel a kol., 1996]. K jednotlivým polohám štoly:

a) Takto se umís uje pr zkumná štola p i ražb plným profilem trhavinami nebo TSM. Vede se co nejníže pro gravita ní odvodn ní profilu b) Takto se asto umís uje pr zkumná štola p i len ném pr ezu. Vede se obvykle na úrovni první lávky c) Takto se asto umís uje pr zkumná štola p i ražb TBM nebo mechanizovaným štítem. Je vedena koncentricky. - 73 (171) -


5.7 Vliv výsledk geotechnického pr zkumu na trasování podzemní stavby Je-li o lokalizaci podzemní stavby koncep n rozhodnuto, je nutné v novat pozornost jejímu detailnímu umíst ní (je-li to v bec možné; m lo by být, ale asto to již z ady d vod nelze!). Tunel by se m l vyhnout: •

•

Horninám narušeným povrchovými vlivy (pásm m zv trání) a inženýrským sítím jako i jiným podzemním stavbám (viz podzemní urbanismus). Obecn pro první desítky metr platí to, že ím vyšší nadloží, tím lépe (tzn. že ve vetší hloubce lze o ekávat lepší horninu, dále vysoké nadloží zaru í horninovou klenbu, áste n se eliminují ú inky poddolování na poklesy povrchu apod.) Velkým i v tším poruchovým zónám v masívu (nelze-li to, je nutné je k ížit pokud možno kolmo, na co nejkratším úseku) – obr. 5.8

Obr. 5.8: Problémy p i ražb štoly VOV – Vírského oblastního vodovodu. Štola byla vedena s nízkým nadložím, v tektonicky siln porušené hornin a p edevším sledovala tektonické systémy. Z toho vyplynuly nep íjemné nadvýlomy resp. komíny [J. Hanák – V. Horák, 1999]

•

Nep ízniv orientovaným a uklon ným (p edevším z ela vycházejícím) hlavním systém m ploch nespojitosti – obr. 5.9. Pokud to lze, je vhodné orientovat sm r postupu ražby kolmo v i sm r m hlavních ploch d litelnosti. ím je v tší ší ka a výška díla (nap . u kaveren), tím je to d ležit jší, a to p edevším pro st ny Obr. 5.9: Význam orientace a sklonu puklin na stabilitu horniny ( ela výrubu). Bázový tunel Gotthard [F. Keller, 2005]

- 74 (171) -


•

Míst m nep íznivým pro umíst ní portál : nap . v sesuvných nebo labilních svazích kde portál dále podstatn zhoršuje jejich stabilitu = „pod ezává“ svah – obr. 5.10

Obr. 5.10: Umíst ní severních portál tunel do sesuvného území (do starých stabilizovaných sesuv ve flyši) [V. Horák, 1995]

Za zcela zvláštní p ípad lze považovat tunely navrhované v sedimentárních, výrazn vrstevnatých a zvrásn ných horninách: Tunel v synklinále a antiklinále – sm r kolmo na vrstvy (obr. 5.11)

Obr. 5.11: Tunel ražený ve zvrásn ném souvrství – kolmo na sm r vrstev [J. Aldorf a kol., 1980]. K jednotlivým p ípad m:

- 75 (171) -


A – za nejp ízniv jší možnost je považována trasa kolmá na sm r vrstev (puklin) a ty zapadají i jsou vodorovné B – prochází-li tunel antiklinálou je hornina výrazn rozpukaná (s místními nerovnom rnými horninovými tlaky) C – prochází-li tunel synklinálou je zpravidla vlhký (vlhký je vždy p i st ídání vrstev horniny s r znou propustností) Tunel v synklinále a antiklinále – tunel je ražený soub žn s vrstvami (což je považováno za mén vhodné až zcela nevhodné) – obr. 5.12.

Obr. 5.12: Tunel ražený ve zvrásn ném souvrství – soub žn se sm rem vrstev [J. Aldorf a kol., 1980]. K jednotlivým p ípad m:

A – vznikají zde zna né jednostranné tlaky a vysoké nadvýlomy (na obr. 5.13 ve sm ru zleva) B – hornina výrazn tla í z obou stran a obvyklé jsou velmi vysoké setrvalé p ítoky vody C – p i mírném ohybu vrstev hornina netla í, ale rozpojování je obtížn jší; p i strmém ohybu jsou standardní setrvale vysoká zatížení stropu

- 76 (171) -

Klasifikace horninového prost edí pro pot ebu podzemního stavitelství

6. Klasifikace horninového prost edí pro pot ebu podzemního stavitelství Klasifikace horninového prost edí pro pot ebu podzemního stavitelství je jedním ze základních výstup geotechnického pr zkumu pro podzemní stavby. Jde o správné a výstižné a sou asn i maximáln zjednodušené ohodnocení masívu (p ípadn jeho chování) z pohledu podzemního stavitelství. Klasifika ní systémy horniny a horninového masívu lze rozd lit na: • Inženýrskogeologické [IG] – popisující geologické prost edí • Geotechnické [GT] – popisují vlastnosti geologického prost edí • Ú elové (k nimž se adí i klasifikace tunelá ské) – vázané na návrh a realizaci inženýrské konstrukce v geologickém prost edí. Tunelá ské klasifika ní systémy se dají potom dále rozd lit na: • Popisné • íselné. Standardn se ada klasifika ních systém prolíná, p ekrývá a vzájemn dopluje.

6.1 Popisné tunelá ské klasifikace Popisné klasifikace kvalitu horniny a její chování ve výrubu p edevším verbáln popisují. Klasifikace podle tla ivosti. Popisuje schopnost horninového masívu vyvozovat na výstroj podzemní stavby horninové tlaky. Podle adu let již neplatné ÚN 73 7010 d lí horniny na: Horniny netla ivé (pevné, celistvé), nevyvozují na výstroj žádný nebo jen minimální tlak Horniny tla ivé (rozpukané, vrstevnaté, nav tralé, balvanité…), vyvozující na výstroj vícemén standardní tlak Horniny siln tla ivé (plastické, rozb edlé, tekoucí…), vyvozující na výstroj vysoké tlaky Horniny bobtnavé (s vysokým obsahem bobtnavých, p edevším jílových, minerál ), vyvozující na výstroj extrémn vysoké tlaky. Klasifikace podle ražnosti. Dnes již notn zastaralá (op t podle adu let již neplatné ÚN 73 7010), ale asto (p edevším verbáln ) používaná. Popisuje horninu tak, jak se chová p i ražení: 0 (zvláštní stupe ražnosti – tzv. „litá skála“) 1. stupe ražnosti 2. stupe ražnosti 3. stupe ražnosti Se vzr stajícím stupn m ražnosti klesá obtížnost rozpojování horniny a sou asn výrazn vzr stá náro nost na vystrojení výrubu.

- 77 (171) -


Klasifikace podle zvodn ní Z1 ( elba je suchá) Z2 (výrub je suchý, po 8 hodinách z puklin lokáln kape, p ítok do výrubu iní cca 0,05÷0,1 ls-1) Z3 ( elba je mokrá, ve výrubu drobn prší, p ítok do výrubu iní cca 0,1÷0,5 ls-1) Z4 (velký p ítok do výrubu, > 0,5 ls-1) Klasifikace podle stability nevystrojeného výrubu [p ináší tzv. „volné rozp tí“ = „volnou délku“ l*] podle Laufera. Tato klasifikace zavádí velmi inova n : 7 t íd (kvality) horniny (t ídy A až G). Ty jsou odvozeny z doby stabilnosti výrubu p i ur itém volném rozp tí l* Dobu stabilnosti (100 let až mén než 1 sekundu) pro p íslušnou kvalitu horniny p i otev ení výrubu na tzv. volné rozp tí l* Volné rozp tí jako maximální p ípustný rozm r otev eného nezajišt ného výrubu. Tímto rozm rem m že být podle okolností jak délka, tak i ší ka záb ru (obr. 6.1 a 6.2). Na základ zat íd ní horniny podle Lauffera lze (mimo jiné) p edb žn navrhovat i zabezpe ení výrubu. Myšlenka volné délky nezajišt ného výrubu byla využita u tunelá ských metod pracujících s tzv. „ len ním výrubu“ kdy velký profil podzemní stavby je ve slabších horninách proveden adou menších dílích výlom (viz dále NRTM). Tato klasifikace je do jisté míry již p echodem ke klasifikacím íselným.

Obr. 6.1 a 6.2: Ur ení volného rozp tí (volné délky) z ší ky a délky záb ru otevíraného (= nevyztuženého, nepodep eného, nezajišt ného) výrubu

- 78 (171) -


Vztah mezi volným rozp tím a dobou stability pro jednotlivé kvality horniny je patrný v Laufferov diagramu na obr. 6.3.

Obr. 6.3: Lauffer v diagram s vyzna ením obvyklého rozsahu platnosti a astého uvažovaného postupu ražby krokem1 m [J. Barták a M. Bucek, 1989]

Klasifikace podle rakouské normy ÖNORM B2203/1994. Tato klasifikace popisuje horninu podle jejího chování ve výrubu a podle takto stanoveného horninového typu p i azuje požadavky na výlom a jeho zabezpe ení. Oce uje horninové prost edí i z pohledu náklad na ražení: Horninový typ A (A1 – hornina stabilní, A2 – hornina mírn lámavá) Horninový typ B (B1 – hornina lámavá; B2 – hornina siln lámavá; B3 – hornina drobivá, vysýpavá) Horninový typ C (C1 – hornina odprýskavá; C2 – hornina tla ivá; C3 – hornina siln tla ivá; C4 – hornina tekoucí; C5 – hornina bobtnavá) Klasifikace pro NRTM (podle Rabcewicze a Pachera) je ú elovou klasifikací pro “Novou rakouskou tunelovací metodu“. Popisuje stav a vlastnosti prost edí a vliv podzemní vody. Na jejich základ pak odvozuje postup ražby a zajišt ní výrubu: T . I (Pevná hornina; bez vlivu podzemní vody; ražba plným Ø) T . II (Hornina siln opadávající; zajišt ní kaloty i bok je nutné; ražba plným profilem s kotvením p ístropí) T . III (Hornina je velmi drobivá a rozvoln ná ve více sm rech; vliv podzemní vody je významný; stabilita výrubu je krátkodobá, nutný je nosný horninový v nec; ražba musí probíhat len ným profilem, p íp. se spodní klenbou) T . IV (Jde o tla ivé horniny se zmenšenou pevností masívu od podzemní vody; vznikají velké bo ní tlaky, hrozí zvedání dna; nutný je len ný profil a spodní klenba) T . Va (Jde o siln tla ivé horniny, sypké, s vysokými deformacemi; nutné jsou pažení ela, hnané pažení, len ný profil a spodní klenba) T . Vb (Jde o velmi siln tla ivé horniny, sypké, bobtnavé nebo ku avky; možný je pouze kruhový profil s p edstihovou úpravou prost edí).

- 79 (171) -


6.2

íselné klasifikace

Používají se pro „uleh ení“ klasifikace. Místo asto obšírného popisování horninového prost edí p íp. jeho chování ve výrubu, p i azují masívu jedno íslo (index) v n mž by m lo být obsaženo ocen ní horninového prost edí – tzn. jeho kvality z pohledu tunelování. Tím se rozumí jak chování výrubu p i postupu prací tak i obtížnost tunelování. asto lze s použitím tohoto indexu v úvodních fázích projektu nebo pro jednodušší p ípady i navrhovat.

6.2.1

íselné klasifikace klasické (s jedním parametrem)

Klasifikace podle M. M. Protodjakonova P vodn byla vyvinuta pro pot eby podzemní t žby nerost , p edevším uhlí Vychází pouze z pevnosti horninového t líska v jednoosém tlaku c [MPa]; zcela zanedbává strukturn -texturní stavbu horninového masívu Je dána sou initelem pevnosti podle Protodjakonova fP fP = 1 odpovídá práci 98 067 J pot ebné k rozpojení 1 m3 horniny Horninu d lí do X t íd (s V podt ídami); p i azuje jim stupn pevnosti s verbálním popisem druhu i typu horniny, sou initel pevnosti fP a úhlem t ení (tj. pevnosti) podle Protodjakonova P, p íp. i hodnotu objemové tíhy – viz Tab. 6.I Klasický tvar pro ur ení sou initele pevnosti podle Protodjakonova je velice jednoduchý, vyhovuje však pouze pevným skalním horninám:

fP =

σc

(6.1)

10

Úprava podle Barona se osv d ila u mén kvalitních skalních a p edevším poloskalních hornin:

fP =

σc 30

+

σc

(6.2)

3

Zahrnutí stupn rozpukání horninového masívu je provedeno pomocí indexu kvality RQD (viz dále):

fP =

σc 10

RQD

(6.3)

- 80 (171) -


Tab. 6.I: Klasifikace podle M. M. Protodjakonova Objemová tíha

T ída

Stupe pevnosti hornin

Charakteristické horniny

Sou initel pevnosti fp

Úhel vnit ního t ení dle Protodjakonova p

I.

Nejtvrdší

nejtvrdší pevné, hutné a soudržné k emence a edi e

20

87°

28÷30

II.

Velmi tvrdé

velmi pevné žuly, k emitý porfyr, nejpevn jší pískovce, slepence a vápence

15

85°

26÷27

III.

Tvrdé

žula, velmi pevné pískovce a vápence, k emité rudné žíly

10

82,5°

25÷26

IIIa.

Tvrdé

tvrdé vápence, málo pevná žula, pevné pískovce, pevný mramor, dolomit, kyzy

8

80°

25

IV

Dosti tvrdé

rozpukaný k emenec, oby ejný pískovec, Ferudy (st edn pevné)

6

75°

24

IVa.

Dosti tvrdé

pís ité b idlice, b idli naté pískovce

5

72,5°

23

V.

St edn tvrdé

pevná hlinitá b idlice, málo pevný pískovec a vápenec, m kký slepenec

4

70°

24÷28

Va.

St edn tvrdé

málo pevné b idlice, hutný slín, málo pevné Fe-rudy

3

67,5°

25

VI.

Dosti m kké

m kké b idlice, velmi m kký vápenec, k ída, s l, sádrovec, antracit, skalnatá p da

2

65°

24

VIa.

Dosti m kké

št rková p da, ztvrdlá hlína, tvrdé erné uhlí

1,5

60°

18÷24

VII.

M kké

jíl, m kké erné uhlí, jílovitá p da

1

45°

18÷22

VIIa.

M kké

spraš, št rk, lehká pís itá hlína

0,8

40°

18÷20

VIII.

Zemité horniny

ornice, rašelina, lehká pís itá hlína, vlhký písek

0,6

30°

16÷18

IX.

Sypké horniny

písek, su , drobný št rk, dobyté uhlí

0,5

27°

14÷16

X.

Rozb edlé horniny

ku avka, rozb edlá spraš, rozmo ená p da

0,3

9°

- 81 (171) -

[kNm3 ]


Klasifikace podle K. Terzaghi-ho T ídí horniny podle jejich stupn oslabení (p edevším puklinami); nepo ítá s pevností horniny P i azuje horninám sou initele tla ivosti podle Terzaghiho cT´ a cT´´ Horninu d lí do 9 typ Byla považována za jistý dopln k klasifikace Protodjakonovy. D íve byla snaha o vzájemné p evody t chto klasifikací). V sou asnosti je již považovaná za p ekonanou.

6.2.2 íselné klasifikace moderní (až na první z nich víceparametrické) RQD (index Rock Quality Designation) [D. U. Deere a J. Hendron, 1967] Vychází standardn z výnosu jádra pr zkumného vrtu – p íklad na obr. 6.4. Jde tedy o klasifikaci jednoparametrickou

RQD = kde:

L10 100[%] L

(6.4)

L10…sumární délka úlomk horninového jádra dlouhého 10 a více cm v p íslušném návrtu L…...délka p íslušného návrtu

Ve štolách a tunelech se stanoví RQD na základ makroskopické do-

kumentace výrubu: RQD = 115 − 3,3 J v kde: Jv…po et puklin v 1 m3 masívu

(6.5)

Tato klasifikace bývá k dispozici již v po áte ních fázích pr zkumu p i provád ní pr zkumných vrtných prací Stanovení RQD siln závisí na kvalit vrtání RQD nelze použít pro horniny siln rozpukané i rozdrcené [kdy RQD = 0] Na základ stanovení indexu RQD lze v úvodních fázích navrhovat technologii ražby (obr. 6.5).

Obr. 6.5: Diagram pro návrh technologie ražby na základ stanovení indexu RQD podle Wooda, 1972 [J. Barták a M. Bucek, 1989]

- 82 (171) -


RQD =

35 + 20 + 17 + 38 = 55% 200

Obr. 6.4: P íklad stanovení RQD na základ m ení délky úlomk horniny vynesené p i pr zkumném jádrovém vrtání [Hoek, 1995]

RSR (index Rock Structure Rating) [G. E. Wickham, 1972] Je dán možných klasifika ních bod pro 3 parametry: RSR = A + B + C

(6.6)

kde: A…geologické podmínky; B…hustota a orientace ploch d litelnosti v i sm ru ražení; C…stav puklin a zvodn ní výrubu Hodnota jednotlivých parametr je uvád na tabelárn RSR se pohybuje v rozmezí 26 až 100 bod (26÷27 bod = tla ivé horniny; 78 bod => výrub net eba vyztužovat) Tato klasifikace je vhodná do pole s minimální podporou zkoušek a m ení (jen s tím, „co si geolog nese s sebou“). Q (index Quality) [NGI – Norský geotechnický institut; Barton, Loset, Lien, Lunde; 1974] vychází ze 6 parametr horninového masívu:

RQD Jr Jw Q= Jn Ja SFR

(6.7)

kde: Jn…po et a vzájemný vztah puklinových systém ; Jr…vliv drsnosti a spojitosti puklin; Ja…vliv výplní puklin a charakteru horniny; Jw…zvodn ní a hydrostatický tlak; SFR…vliv napjatostního stavu masívu - 83 (171) -


Hodnota jednotlivých parametr je uvád na tabelárn Q se v 9 skupinách pohybuje v hodnotách od 0,001 (zcela extrémn špatná hornina) do 1000 (extrémn výborná hornina) Z parametr kvality lze stanovit horninový tlak, volné rozp tí l*, navrhovat výstroj apod. Tato klasifikace je zdánliv velmi p esná, ale sou asn i velmi komplikovaná. Je vhodná spíše pro kvalitn jší skalní horniny (nap . Skandinávské). Není zcela vhodná pro NATM. RMR (index Rock Mass Rating) [Z. T. Bieniawski, 1976, upravena 1989] Vychází ze 6 parametr : RMR = A+B+C+D+E–I (6.8) kde: A…kvalita horniny ( c); B…RQD; C…frekvence puklin; D…charakter puklin E…p ítomnost a tlak podzemní vody; I…orientace puklin vzhledem ke sm ru ražení Hodnota jednotlivých parametr je uvád na tabelárn RMR d lí masív do V t íd (od max. 100 do 20 a mén bod ) s p i azením volného rozp tí l* a tomu odpovídající doby stability nezajišt ného výrubu, resp. doporu ení zp sobu ražby. Tato klasifikace je velmi moderní (vhodná pro NATM). Je vhodná pro horniny vyskytující se v R.

Obr. 6.6: Bieniawského diagram vztahu mezi kvalitou horninového masívu, dobou stabilnosti horniny a volným rozp tím l* [Z. T. Bieniawski, 1989]

QTS (Quality Testing System) [O. Tesa , 1980] Moderní 5-ti parametrická klasifikace; jediná originální eská tunelá ská klasifikace:

- 84 (171) -


TS = 10 log σ c + 26,2 log d + 6,2 log D + 61,4 kde:

(6.9)

TS...množství základních texturn -strukturních bod oce ujících masív c...pevnost

úlomku horniny v jednoosém tlaku [MPa]

d...pr m rná vzdálenost ploch diskontinuity [m] D...hloubka zkoumané horniny pod bází pokryvných útvar [m] Výsledná kvalita horninového masívu (též nazývaná kvalita texturn -strukturní):

QTS = TS − α ( β ) − γ (δ ) kde:

(6.10)

p ípadn nuit

...redukce na sm r, sklon a kvalitu diskonti-

p ípadn dy

...redukce na p ítok a hydrostatický tlak vo-

Hodnota jednotlivých redukcí je pro tuto formu stanovení QTS uvád na tabelárn Ke stanovení odpovídajícího množství QTS bod se obvykle používá spojnicový nomogram (obr. 6.7) V závislosti na velikosti (obvykle ší ce) výrubu zavádí i tzv. technologické skupiny (Ia; Ib; II; III; IV) s p i azením podmínek pro ražení Je vhodná pro NRTM Tato klasifikace je blízká klasifikaci RMR (Bieniawski) – viz obr. 6.8.

Obr. 6.7: Spojnicový nomogram pro ocen ní kvality masívu podle Tesa e

- 85 (171) -


Obr. 6.8: Vztahy mezi klasifikací QTS a dalšími klasifika ními systémy [O. Tesa , 1980]

Klasifikace prost edí pro ú ely protlak [M. Šedivý a E. Vold ichová, 1985] 6-ti parametrický Protla ovací Index: PI = 1.+2.+3.+4.+5.+6. (6.11) kde jednotlivé parametry oce ují: 1. (typ zeminy); 2. (zvodn ní); 3. (bobtnání); 4. (deformace zeminy na plášti protla ované trouby – konvergence); 5. (mocnost nadloží); 6. (vliv plynulosti protla ování) Klasifikace je ur ena p edevším pro mikrotunelování s protla ováním Tato klasifikace zavádí celkem V kategorií zeminového prost edí (od kvality dobré až po kvalitu extrémn špatnou) Pro jednotlivé kategorie jsou popsány možné potíže b hem protlaku Z PI lze odvodit i nutnou protla ovací sílu. Vedle v textu uvedených nejb žn jších klasifikací je možné se setkat i s dalšími, mén používanými, tunelá skými klasifikacemi.

- 86 (171) -

Primární a sekundární napjatost v okolí tunelového výrubu a odvození klenbové teorie

7. Primární a sekundární napjatost v okolí tunelového výrubu a odvození klenbové teorie Primární napjatost je p vodní napjatostí v horninovém masívu dosud neporušeném výrubem. Primární napjatost bývá též nazývaná geostatickou (správn ji by m lo být gravita ní). Sekundární napjatost vzniká vylomením otvoru v masívu; zde potom dochází k porušení p vodního rovnovážného stavu a k p eskupení primární napjatosti na sekundární.

7.1 Primární napjatost Mohou ji tvo it podle p í iny následující složky: •

Gravita ní nap tí je nejvýznamn jší nebo velmi významnou složkou. Je tvo eno vlastní tíhou horniny Nap tí ve svislém sm ru: kde:

σ z = γh

(7.1)

…objemová tíha horniny h…hloubka, ve které je nap tí stanovováno (= výška sloupce horniny).

Nap tí ve vodorovné rovin : kde:

σ x = σ y = σ z K0

(7.2)

K0…koeficient horninového tlaku v klidu

K0 =

ν

(7.3)

1 −ν

kde:

…Poissonovo íslo (= koeficient p í ného p etvo ení) horniny.

Poznámka:

Je-li matematicky K0 < 1, prakticky m že být i >> 1 (nap . Westerschelde Tunnel v Nizozemí. Zde bylo p i ražb v t etihorních glaukonitických píscích spo ítáno podle poruch ost ní za štítem K0 = až 2,8 !). Je to proto, že další složky napjatosti mohou výrazn zm nit stav zp sobený gravita ním nap tím (viz obr. 7.1 a 7.2).

Za gravita ního stavu nap tí odpovídají nap tí v osách (z, x, y) sm r m hlavních nap tí 1, 2 ( 3). P i gravita ním stavu napjatosti je v m ené rovin obrazec napjatosti tvo en elipsou resp. prostorov elipsoidem s delší hlavní osou postavenou vertikáln (obr. 7.1). Pokud se p idávají další složky (p edevším nap tí tektonická a reziduální – viz dále) m že docházet k natá ení elipsy, až p i K0 > 1 je elipsa napjatosti oto ena o 90° (obr. 7.2).

- 87 (171) -


Obr. 7.1: K0 < 1:

σ1

σ2

σ1

Obr. 7.2: K0 > 1:

σ2 Gravita ní nap tí jako jediné dokážeme spo ítat. A jako jediné z možných složek nap tí je v horninovém prost edí obsaženo vždy! •

• • • •

Reziduální (neboli zbytkové) nap tí je nap tí vnesené do masívu v geologické minulosti tíhou p vodního nadloží. Nadloží bylo posléze (obvykle v kvartéru) oddenudováno a odneseno. Pouze ást nap tí se uvolnila (následkem je obvykle subhorizontální rozpukání z odleh ení) a ást vnesených nap tí v masívu z stala. Z toho vyplývá tzv. p ekonsolidace a vysoká bo ní nap tí Tektonická nap tí jsou zna ná nap tí vyvolaná nahromad ním energií od horotvorné innosti v geologickém vývoji (vrásn ní: synklinály a antiklinály, p esmyky, hrást apod.) Nap tí od bobtnání i smrš ování u hornin s vysokým podílem jílových minerál , p i p ijímání i ztrát vody v krystalické m ížce jílových minerál Nap tí od nehomogenit a anizotropií v masívu P itížení a odleh ení zp sobená lidskou inností (poddolováním, extrémn vysokými figurami horniny a zeminy ap.).

Jednotlivá nap tí (reziduální, tektonická a bobtnací p íp. smrš ovací) m žeme obvykle pouze odhadovat podle geologické stavby resp. podle projev ve výrubu p i výstavb i p i pr zkumu.

- 88 (171) -


Celkovou primární napjatost však m žeme u složit jší geologie zm it (nap . konvergen ní metodou nebo vodní trhací zkouškou – viz kurz Mechanika hornin) – obr. 7.3 a 7.4). Skute ná primární napjatost m že být potom i dosti odlišná od napjatosti gravita ní. Primární stav napjatosti je mimo jiné pot ebný i pro stanovení zatížení n kterých moderních typ ost ní (nap . p i „prstencové metod “).

Obr. 7.3: Konvergen ní m ení pro stanovení stavu napjatosti horninového masívu Merril-Pettersonovou metodou. Metoda se též nazývanou odleh ení štolou [J. Pavlík, 1987]

Obr. 7.4: P sobení nap tí p i vodní trhací zkoušce pro stanovení stavu napjatosti [J. Pavlík, 1987]

7.2 Sekundární napjatost Uvoln ním otvoru (tj. vylomením výrubu) dochází v horninovém masívu k porušení p vodního rovnovážného (primárního) stavu napjatosti, který se zm ní na napjatost sekundární. P vodní pole nap tí se nem že vytratit, pouze se transformuje (tzn. že se p emístí vn vylomeného profilu). Vývoj sekundární napjatosti je podstatný pro odvození klenbových teorií.

- 89 (171) -


Hornina v okolí výrubu uniká zvýšení nap tí v d sledku p emíst ní nap ového pole z otvoru svým „zplastizováním“ (rozrušením). Zplastizovaná hornina vy erpala svou pevnost a není již schopná nést žádná zatížení. Poznámka:

Hornina ve strop a v po v výlomu se chová jako spodní vlákna vysokého nosníku ohýbaného sm rem do výrubu. Nízká pevnost horniny v tahu má potom za následek její porušení. Hornina ve st nách je namáhána vysokým zatížením v tlaku. To má za následek u k ehkých pevných hornin p i jejím p etížení vývoj odprysk (obr. 7.6). Odprysky vždy respektují sm r vyššího nap tí a jsou d ležitým indikátorem orientace hlavních nap tí v horninovém masívu.

Porušená (zplastizovaná) hornina vytvá í tedy v d sledku vy erpání své pevnosti odleh enou zónu, která má tendenci se sesouvat do výrubu a vyvíjí tak na výstroj podzemní stavby horninový tlak. Nepostavíme-li výstroj, rozvoln ná hornina výrub zavalí a hornina se bude do masívu rozvol ovat tak dlouho, dokud se nevytvo í nový rovnovážný stav ve v tší vzdálenosti od výlomu – tedy pokud nedojde k vytvo ení tzv. p irozené horninové klenby. Rozsah odleh ené zóny závisí na mechanických vlastnostech horniny, tvaru a rozm rech výrubu a na tunelovací metod . Za odleh enou zónou následuje zóna zvýšených nap tí = horninová klenba. V ní se ve v tší vzdálenosti od výrubu (a tedy na v tší ploše) roznášejí zvýšená nap tí zp sobená odstran ním horniny z prostoru výrubu. Hornina se zde tak stává nosnou – obr. 7.5.

Obr. 7.5: Vlevo: Kvalitní („netla ivá“) hornina zachová zcela pružný stav; st ny udrží i velmi vysoké nap tí ve svislých st nách; maximáln se v nich projeví odprysky (obr. 7.6). Výrub zat žuje pouze svislý horninový tlak Obr. 7.5: Vpravo: Mén pevná („tla ivá“) hornina se chová áste n pružn plasticky; st ny neudrží vysoké zatížení; to po ne ustupovat do bok a st ny se tak po nou porušovat. Výrub zat žuje jak svislý tak i bo ní horninový tlak

- 90 (171) -


Obr. 7.6: Horninový odprysk v granodioritech. P íbram – Háje – Kavernový zásobník plynu, hl. cca 1 000 m pod povrchem. Odprysky se zde vyvíjely ve strop a po v výrubu. Elipsa napjatosti byla pooto ena o 90°. Šlo o typický p ípad K0 > 1 [foto V. Horák]

Polohu p irozené horninové klenby okolo výrubu lze ov it pomocí geofyzikálního (seismického) prom ení horninového prost edí – obr. 7.7.

Obr. 7.7: Ov ení p irozené horninové klenby polním geofyzikálním m ením ve vrtném v jí i. Nam ené seismické rychlosti. „Tunel . 8/2“ – pr zkumná štola [J. Pavlík, 1987]

K tomu, aby se mohla vytvo it horninová klenba je nutná dostate n mocná vrstva masívu nad podzemní stavbou => geometricky musí být spln no tzv. vysoké nadloží. Pokryvné útvary se do výšky nadloží b žn neuvažují. Stano-

- 91 (171) -


vení hodnoty spl ující kriterium „vysokého nadloží“ je zna n problematické, pon vadž jeho velikost se m ní v závislosti na ší ce výrubu (b) a na kvalit horninového prost edí. Velmi, velmi zjednodušen lze za vysoké nadloží považovat takové, které spl uje hodnotu alespo 2b, nikdy však mén než b.; u teorie M. M. Protodjakonova je vysoké nadloží rovno min. trojnásobku výšky horninové klenby (viz dále). Pokud je nadloží nižší než vysoké jedná se o tzv. nízké nadloží. Potom se uvažuje pro zatížení horninovým tlakem celá výška prost edí nad PS; po ítá se tzv. plné nadloží (v etn zatížení na povrchu).

7.3 Výpo et sekundární napjatosti v okolí kruhového výrubu Sekundární napjatost lze v okolí kruhového výlomu matematicky vyjád it pouze pro p sobení gravita ního stavu napjatosti (tj. vlastní tíhy horniny). Z hlediska matematického vyjád ení jde o p ípad maximáln zjednodušený. Pokud by výrub nebyl kruhový, tak se jednoduše p evádí na rovnoplochý výrub kruhový. P edpoklady ešení: a) Úloha je rovinná. Výpo et je vztažen na 1 bm délky konstrukce (prost edí) b) Nadloží i okolí je vzhledem k Ø otvoru velmi vysoké resp. daleké. Za takové je považováno tehdy, když je > než 10 Ø výlomu c) Látka prostoru je pružná d) Primární stav napjatosti je dán svislým hlavním nap tím z = h [7.1] e) Okraj otvoru není zatížen f) Ražený objekt není ovliv ován jiným podzemním dílem, resp. nejbližší výlom se nachází nejblíže ve vzdálenosti 10 Ø. ešení vychází z matematické teorie pružnosti – z AIRY-ho funkce nap tí. Pro st ed kruhového otvoru (obr. 7.8) platí:

F=

σz 4

r − 2a 2

2

(r ln r +

2

)

− a2 cos 2ω r2

(7.4)

Obr. 7.8: Schéma pro výpo et sekundární napjatosti v okolí kruhového výrubu

- 92 (171) -


Postupnou derivací Airy-ho funkce nap tí obdržíme vztahy pro výpo et sekundárního radiálního ( r), tangenciálního ( t) a smykového ( ) nap tí v okolí kruhového výrubu:

γ (H − r cos ω )

σr = σt =

2

γ (H − r cos ω )

τ =− kde:

2

[(1 − ρ )(1 + K 2

ρ=

) + (1 − 4 ρ 2 + 3ρ 4 )(1 − K 0 ) cos 2ω ] (7.5)

[(1 + ρ )(1 + K

γ (H − r cos ω ) 2

0

2

[(1 + 2 ρ

2

0

) − (1 + 3ρ 4 )(1 − K 0 ) cos 2ω ] (7.6)

)

− 3ρ 4 (1 − K 0 )sin 2ω

a r

Výpo et probíhá pro polární sou adnice

]

(7.7) (7.8)

a r.

7.4 Klenbové teorie V klasickém podzemním stavitelství byla využita skute nost vzniku sekundárního stavu napjatosti v okolí výlomu k odvození tzv. klenbových teorií. V literatu e je jich uvád na celá ada. Nejpoužívan jší z nich: •

• • •

Teorie Otto Kommerella – uvažuje parabolickou horninovou klenbu pod kterou dochází k nakyp ení rozrušené horniny. Ta zv tšuje sv j objem a svou tíhou zat žuje strop, který pod ní klesá. Výška horninové klenby se stanovuje z hodnot poklesu stropu podzemního díla a charakteristické hodnoty trvalého nakyp ení horniny. Uvažuje pouze svislý horninový tlak Teorie Karla Terzaghi-ho využívá k výpo tu výšky horninové klenby sou initele tla ivosti podle Terzaghiho c´T a c´´T (viz oddíl 6.2.2). Uvažuje i bo ní horninový tlak Teorie Forchheimerova (resp. Bierbäumerova) využívá pro stanovení výšky horninové klenby tzv. komorové pnutí ú inkem tlak bo ních pásem horniny nad výrubem Z klasických teorií se až do sou asnosti u nás udržela velmi jednoduchá a názorná teorie M. M. Protodjakonova.

7.4.1 Teorie M. M. Protodjakonova Odvození rozm r horninové klenby podle teorie M. M. Protodjakonova bezprost edn souvisí s jeho íselnou klasifikaci kvality horniny (6.2.2). Jeho hypotéza horninového tlaku (1908) vychází z p edpokladu, že hornina je do jisté míry prost edí nesoudržné. To odpovídá skute nosti rozrušení horniny pod horninovou klenbou. Protodjakonov odvodil parabolický tvar klenby z podmínky rovnováhy horniny nacházející se v této p irozené klenb a její výšku získal z podmínky maximální stability. Tato klenbová teorie m že být uplatn na pouze tehdy, pokud je výška nadloží nad výrubem mocná nejmén

- 93 (171) -


trojnásobku výšky horninové klenby. P i výpo tu rozm r horninové klenby a z ní odvozených zatížení výrubu je vždy nutné p ihlédnout k charakteru dot eného horninového prost edí: Pevné, celistvé skalní horniny (sou initele pevnosti podle Protodjakonova fP > 5) – horninová klenba se p edpokládá jen nad ší kou profilu (obr. 7.9 a)). Výška horninové klenby:

h1 =

b fP

(7.9)

Svislý horninový tlak se uvažuje zjednodušen jako rovnom rné zatížení:

q = γh1

(7.10)

Bo ní tlak se v t chto horninách nep edpokládá. U zaklenutých pr ez lze na základ klenbového efektu snížit hodnotu svislého zatížení horninovým tlakem o 30%:

q = 0,7γh1

(7.11)

Obr. 7.9: Zat žovací schéma podle teorie M. M. Protodjakonova. a) Pevné, celistvé skalní horniny, b) Mén pevné skalní horniny a zeminy

Mén pevné skalní horniny a zeminy (sou initele pevnosti podle Protodjakonova fP 5) – horninová klenba se musí opírat po stranách o horninu (je upnuta ve v tší vzdálenosti od výrubu). Toto op ení leží za možnou smykovou plochou aktivního bo ního tlaku odklon nou od svislice o úhel 45°- /2 (= aktivní klín horniny). Polovina ší ky horninové klenby:

ϕ

B = b + htg (45° − ) 2

- 94 (171) -

(7.12)


Výška horninové klenby:

h1 =

B fP

(7.13)

Svislý horninový tlak se uvažuje zjednodušen jako rovnom rné zatížení:

q = γh1

resp.

q = 0,7γh1

(7.10), (7.11)

Bo ní aktivní tlak horniny je odvozen stejn jako aktivní tlak na op rnou st nu:

ϕ

e1 = γh1tg 2 (45° − ) 2

(7.14)

ϕ

e2 = γ (h + h1 )tg 2 (45° − ) 2

(7.15)

P ípadn zjednodušen :

ϕ

e = γ (05h + h1 )tg 2 (45° − ) 2

(7.16)

Vztahy pro výpo et bo ních tlak dávají podle zkušenosti neúm rn vysoké hodnoty. To proto, že p edpokládají plný aktivní tlak s vytvo ením smykové plochy. To je však p i správném vystrojení výrubu nep ípustné, pon vadž by došlo k enormním vodorovným deformacím, potažmo k zavalení profilu. Proto se doporu uje uvažovat vodorovný tlak hodnotou 1/5 až 1/3 tlaku svislého. Prakticky se potom bo ní tlak u hornin sou initele pevnosti fP > 1,5 zcela zanedbává, pon vadž p i správném vystrojení výrubu dochází vlivem svislého zatížení ke vzniku pasivního odporu v bocích; ten je ovšem vždy v tší než tlak aktivní – obr. 7.10.

Obr. 7.10: Zóny aktivního a pasivního tlaku na ost ní

- 95 (171) -


8.

Statické ešení tunelových ost ní

Zp sob ešení a p edb žná statická úvaha závisí p edevším na: • •

•

Vlastnostech horninového masívu ( , E, k…) P etvárných vlastnostech obezdívky (E) – obr. 8.1. Zde se rozlišují: o Ost ní pružná s malou ohybovou tuhostí (s tlouš kou cca 0,1 r a mén , kde r…polom r odpovídající vnit ní sv tlosti obezdívky) o Ost ní tuhá s významným rozdílem mezi tlouš kou (tuhostí) klenby a op ry o Ost ní pružná s vloženými tuhými prvky o Ost ní kloubová (obvykle pružná s vloženými klouby; tvarov neur itá) Tvaru ost ní, když rozeznáváme (obr. 8.1): o Kruhové o Podkovovité o Klasické o Složené

Obr. 8.1: Typy a tvary ost ní podzemních staveb

•

• •

Technologickém postupu ražby, kdy jsou využívány: o Technologie klasické – s výlomem a vystrojováním po pasech, p íp. i delších úsecích, vyvolávající vznik horninové klenby o Technologie moderní (nap . prstencová metoda p íp. NRTM) – p edpokládající svislý a bo ní horninový tlak jako ást primárního stavu napjatosti Seismicit (v R celkem nepodstatný faktor) Zvláštních p edpisech (p edevším u staveb záštitných).

Statické ešení tunelu sestává ze ty krok : 1. P edb žný návrh rozm r ost ní jako celku i jeho ástí v technologickém postupu výstavby 2. Stanovení zatížení 3. Výpo et vnit ních sil navržené konstrukce 4. Posouzení nejexponovan jších pr ez v provád cích stádiích a ve stádiu definitivním.

- 96 (171) -


8.1 P edb žný návrh rozm r tunelového ost ní • •

Stanovení nezbytného pr jezdného, pr to ného i manipula ního pr ezu (viz p edpisy a zásady navrhování pozemních a železni ních komunikací, kolektorových a vodohospodá ských staveb) Pr jezdný, pr to ný i manipula ní pr ez je obalen plynule zak ivenou (zaklenutou) arou vnit ního líce. Doporu uje se ponechat mezeru 0,20 až 0,25 cm v i nezbytnému Ø jako rezervu pro pozd jší nutné úpravy – nap . pro dodate né vložení izolace proti vod , dodate né zesílení konstrukce p i opravách a/nebo rekonstrukcích apod. o U menších Ø se volí obvykle pr ez kruhový nebo podkova o U v tších Ø ražených složit jším len ním se používá asto oblouk složený – tzv. „tlamový“ (z kruhových oblouk – viz obr. 4.9 a 8.2). N kdy, podstatn mén ast ji, se m že použít i oblouk parabolický nebo se hledá statickým výpo tem bezmomentový tvar st ednice ost ní

Obr. 8.2: Složený („tlamový“) Ø vnit ní obalové áry tunelového ost ní

• •

Tlouš ka obezdívky v záklenku u pružného ost ní se odhaduje p edb žn d0 0,06 r, kde: r …polom r líce vrcholového oblouku (obr. 8.1) Tlouš ka obezdívky u tuhého ost níse navrhuje (spíše však navrhovala, pon vadž tuhá ost ní už nejsou na programu dne) podle složitých empirických vzorc – viz obr 8.3.

Obr. 8.3: Empirické stanovení rozm r tuhého ost ní

- 97 (171) -


8.2 Zatížení p sobící na ost ní podzemní stavby Zatížení by m lo být stanoveno podle SN 73 7501/1993 (Navrhování konstrukcí ražených podzemních objekt ). Tento p edpis klasifikuje, p ípadn kvantifikuje: •

•

•

•

Zatížení stálá o vlastní tíha ost ní o tlak horniny na ost ní (v etn pasivního odporu) o zatížení budovami a jinými stavebními objekty v nadloží a na povrchu (p i nízkém nadloží) o p ípadné stálé p edpjetí ost ní (pokud je výpo tem považováno za vn jší sílu) Zatížení nahodilá dlouhodobá o tlak podzemní vody o dlouhodobá technologická zatížení a vlivy vyvolané používáním podzemního objektu o dynamické vlivy periodického charakteru (nap . v dopravních tunelech s pravidelnou dopravou nebo p i provozu trvale osazeného strojního za ízení) Zatížení nahodilá krátkodobá o zatížení dopravou na povrchu (p i nízkém nadloží) o krátkodobá zatížení vyvolaná používáním o krátkodobá zatížení od technologie výstavby (tlak vzduchu p i pneumatickém tunelování, tlak štítových lis , tlak injektáží, zatížení od stavebních mechanism etc.) o dynamická zatížení neperiodického charakteru (seismické ú inky trhacích prací, dynamické ú inky dopravních za ízení p i nepravidelném provozu etc.) Zatížení nahodilá mimo ádná o seismické ú inky zem t esení o mimo ádná zatížení podle „speciálních p edpis “ (u staveb záštitných).

Normové zatížení horninovým tlakem lze stanovit: a) Výpo tem – s využitím klasických postup podle r zných hypotéz (Bierbäumer, Terzaghi, Kommerell, Protodjakonov...) b) Matematickým modelováním (MKP. MHP...) c) Empiricky – s využitím r zných klasifika ních systém na základ analýzy dostate ného po tu p ípad z tunelá ské praxe d) Experimentáln – s využitím fyzikálního modelování nebo výsledk p ímého m ení na konstrukcích „in situ“ (pr zkumná štola, pokusný úsek stavby, observace skute né konstrukce) e) P evzetím údaj o zatížení ze zvláštních sm rnic i doporu ení s oborovou nebo podnikovou platností (musí však být odsouhlaseno investorem!).

- 98 (171) -


SN 73 7501/1993 rovn ž stanovuje (vedle ady dalších údaj sou initele podmínek p sobení u, sou initele materiálové m a sou initele spolehlivosti zatížení f.

8.3 Výpo et vnit ních sil navržené konstrukce Postup výpo tu musí vždy korespondovat s technologií výstavby. Statické ešení tunelových ost ní by se m lo vždy provád t pro ost ní spolup sobící s horninovým prost edím. K dispozici jsou následující metody (n které z nich však nejsou výpo tové – nap . observa ní metoda vychází z m ení): Prost ednictvím pasivního odporu • Tuhé ost ní • Kloubové ost ní • Pružné ost ní o S p edur enou k ivkou pasivního odporu (Bugajeva; Davydov) o Pasivní odpor zavedený do výpo tu – polygonální metoda Jako sp ažená konstrukce • Fenner-Pacherovo ešení • Rabcewicz-Sattlerovo ešení Matematickým modelováním (metoda sítí – FLAC; MKP – Ansys, PLAXIS, UDEC…; metoda odd lených prvk ; metoda kone ných diferencí apod.); 2D, 3D Observa ní metoda Výpo tem nebo m ením radiální deformace odleh eného výrubu a empirickým návrhem ost ní ze SB

8.4 Pasivní odpor – Winklerova teorie (E. Winkler, 1867) Winklerova teorie má v podzemním stavitelství velmi významné místo. Zna ná ást analytických metod navrhování konstrukcí podzemních staveb s touto teorií pracuje.

Obr. 8.4: Tuhý základ na pružném (Winklerov ) podkladu

- 99 (171) -


P edpoklady (obr 8.4): •

Lineární závislost pružného p sobení horniny (tj. odporu) na deformaci p i p it žování:

p = kδ

kde:

(8.1)

p…pasivní odpor [kNm-2, MNm-2, kPa, MPa] k…sou initel pasivního odporu (též „pružného odporu, reakce, ložnosti, pérová konstanta, Winkler v koeficient“ etc. etc.) [kNm-3, MNm-3, kPam-1, MPam-1] …deformace do horniny (do prost edí) [m]

•

Místní nezávislost deformací. Pasivní odpor vzniká jen v míst zatláení rubu konstrukce!!! Jeho velikost závisí jen na velikosti posunutí do horniny Winklerovský koeficient není zcela objektivním parametrem, konstantou. Závisí i na velikosti, tvaru a tuhosti zat žující konstrukce a na zp sobu zatížení.

•

8.5 Kloubová ost ní Kloubová ost ní jsou namáhána menšími ohybovými momenty. Klouby moment m nevzdorují, uniknou jim pooto ením (obr. 5). Typickými p íklady v R jsou: n které tra ové tunely Metra a menší komunální štoly ražené štítem i erektorovou ražbou a vystrojené prstencovou obezdívkou skládanou z železobetonových dílc s r zn konstruovanými klouby (péro a drážka; konkáv-konvexní spoj…). Výhodou t chto konstrukcí je v tší únosnost a odolnost proti vzniku trhlin, nevýhodou je potom složité t sn ní kloub .

8.6 Pružné ost ní s p edur enou k ivkou pasivního odporu Poddajný (pružný) v nec je podep ený Winklerovskými pružinami p sobícími jednostrann (jen v tla ené oblasti!!) pasivním odporem o hodnot závislé na sm ru a velikosti posunutí podep ených míst sm rem do hory. Rozmíst ní reakcí po obvod závisí na deformacích soustavy. Nejsložit jší úlohou je nalezení tzv. „nulových míst“: •

u kruhového Ø zatíženého svislým zatížením jde o horní kvadrant – tj. výse 90° (obr. 8.6) • u nekruhových profil se eší soustava jako staticky lineární a „nulová místa“ se hledají postupnou iterací. Další potíž ešení spo ívá v tom, že nelze použít zákon superpozice; každé kombinaci zatížení totiž p ísluší jiný rozsah pásma pasivního odporu. Tyto potíže odstranila O. E. Bugajeva (1951) návrhem (tvrdého) p edur ení k ivky pasivního odporu – obr. 8.7.

- 100 (171) -


Obr. 8.5: Kloubové ost ní [J. Mencl, 1969]

Obr. 8.6: Pásma na rubu ost ní – pásmo aktivního tlaku a pasivního odporu [J. Mencl, 1969]

- 101 (171) -


Obr. 8.7: P edur ená k ivka pasivního odporu pro kruhové ost ní podle O. E. Bugajevy [J. Mencl, 1969]

O.E Bugajeva pak sestavila na základ p edur ení pr b hu pasivního odporu „jednoduché“ analytické vzorce pro výpo et M a N v ost ní pro jednotlivá zatížení. Jedná se o zatížení vlastní tíhou ost ní, svislým a bo ním horninovým tlakem, t ením v rubu op ry, vnit ním zatížením vodou s volnou hladinou i vnit ním p etlakem vody, vn jším hydrostatickým tlakem a pasivním odporem horniny). Výsledky výpo t pro jednotlivá zatížení lze superponovat pro výpoet M a N v p ti charakteristických pr ezech. Tyto vzorce byly uspo ádány do tabulek. Obdobn posléze vypracovala Bugajeva spolu se Zurabovem ešení pro dva základní typy podkovovité obezdívky konstantního pr ezu (obezdívky „typu 1“ a „typu 2“). Tyto výpo etní postupy pro typizované obezdívky byly zvlášt oblíbené u vodohospodá ských štol a tunel – obr. 8.8. Na záv r výpo tu se provádí (stejn jako u všech ostatních metod) konstrukce „tlakové áry“ – p emíst né st ednice ost ní – z excentricit pr ezu:

e=

M N

(8.2)

a posouzení v pr ezu(ech) s nejvyšší(mi) mimost ednostmi emax.

- 102 (171) -


Obr. 8.8: Pružné ost ní podkovovitého tvaru konstantního pr ezu typu 1 a 2 podle Bugajevy – Zurabova [J. Mencl, 1969]

8.7 Pasivní odpor zavedený do výpo tu - POLYGONÁLNÍ METODA Hladký tvar st ednice ost ní se u této metody nahradí vepsaným (sekantovým) mnohoúhelníkem s dostate ným po tem vrchol . Plynulé zm ny tuhosti se nahradí jejich stup ovitým pr b hem. Aktivní zatížení se nahradí silami ve vrcholu polygonu. Souvislé poddajné prost edí (pasivní – pružný odpor) se nahradí pružnými (Winklerovskými) pruty (pružinami) kolmo i šikmo k rubu ost ní (jsou-li šikmé, p edstavuje to vliv t ení mezi rubem obezdívky a horninou). Plynulá k ivka pasivního odporu se tak nahrazuje stup ovitou arou. V ásti ost ní deformující se sm rem do výrubu nelze p sobení Winklerovských pružin p edpokládat – ty p sobí pouze p i zatížení tlakem!!

Obr. 8.9: Statické soustavy pro ešení ost ní polygonální metodou [J. Mencl, 1969]

- 103 (171) -


Vzniklá konstrukce (obr. 8.9) je mnohokrát staticky neur itá. eší se silovou metodou. Základní staticky ur itá soustava se vytvo í vložením kloub do vrchol sekantového polygonu, po et kloub potom ur uje stupe statické neuritosti. Uvoln né vazby nahradíme momenty (= staticky neur itými veli inami, silami). Pro n (resp. n + 1) staticky neur itých veli in je nutno sestavit n (resp. n + 1) rovnic. K ešení je vhodné použít po íta . Proto byly sestaveny programy.

8.8 Jako sp ažená konstrukce 8.8.1

ešení Fenner-Pacherovo

eší spolup sobení horniny s obezdívkou p i nasazení kombinace svorníkové výstroje a betonové (železobetonové) kruhové obezdívky (obr. 8.10).

Obr. 8.10: Schéma pro ešení Fenner-Pacherovo [K. Ratkovský – I. Kubík, 1989]

8.8.2

ešení Sattler-Rabcewiczovo

Prstenec kruhové obezdívky je vestav n do horninového masívu. Na základ pozorování chování skute ných konstrukcí vyslovili ešitelé p edpoklad, že k porušení prstence ost ní dochází smykem od p sobení horninového tlaku (obr 8.11). Pro tento p ípad je vyvinut analytický postup.

Obr. 8.12: Schéma pro ešení Sattler-Rabcewiczovo [K. Ratkovský – I. Kubík, 1989]

- 104 (171) -


8.9 Matematické modelování K matematickému (numerickému) modelování, které nabývá v sou asnosti p i navrhování v podzemním stavitelství nezastupitelné formy, se používají vysoce výkonné hardware s rovn ž výkonným programovým vybavením. Toto instrumentárium se neustále prudce vyvíjí. Používají se modely na základ MKP (namátkou: ANSYS, PLAXIS, UDEC...), METODY SÍTÍ (FLAC), metody kone ných diferencí etc. Modelování se standardn realizuje jako 2D n které modely i 3D. Ilustra ní obr. 8.13.

Obr. 8.1. Ilustra ní obr. k matematickému modelování. Porovnání dopad r zných metod len ní velkého tunelového pr ezu

8.10 Posouzení nejexponovan jších pr ez v provád cím i kone ném stadiu Jak je uvedeno již výše, provádí se posouzení v místech maximální excentricity. Standardem posouzení p i posouzení primární obezdívky je posudek podle klasické betoná ské teorie:

σ ≤ σ dov

(8.3)

Sekundární obezdívka se posuzuje na základ podle teorie mezních stav .

eských (evropských) norem

P i posouzení bývají u pružných obezdívek potíže s posouvajícími silami (posouzení nevycházejí, resp. vycházejí p íliš vysoké posouvající síly. Z toho plynou obtížná vykrytí pr ezu smykovou výztuží, vytvá ení trhlin apod.). - 105 (171) -


V sou asnosti bývá k návrhu významné podzemní stavby používáno nejast ji MATEMATICKÉ MODELOVÁNÍ v kombinaci s OBSERVA NÍ METODOU. Poznámka:

ada metod statického výpo tu obezdívek podzemních staveb je p edm tem cvi ení p edm tu „Podzemní stavby“. Matematické modelování podzemních staveb je potom realizováno v p edm tu „Automatizace inženýrských úloh v geotechnice“ p íp. ve specializovaných seminá ích.

- 106 (171) -

Tunelové systémy a soustavy pro v tší profily

9.


9.1 Rozd lení tunelových systém a soustav Tunelové soustavy a systémy lze rozd lit (i když ne nutn ) podle následujícího schématu na: Klasické: • Porubem • Pilí ové • Pláš ové (jádrové) Moderní: • Vrtání a odst el • Prstencová metoda • Nová rakouská tunelovací metoda – NRTM (NATM) • TBM a štíty o TBM do tvrdých hornin o Štíty do zemin Otev ené Uzav ené (s podporou ela) Pneumatický Bentonitový (slurry, BS) Zeminový (EPB, EBS) Smíšené (pro oba režimy, tj. otev ené i s podporou ela) Nožové • Speciální technologie (obvodový vrub, kesonování, naplavování, vysouvání, pneumatická ražba apod.) • M lké tunely o Hloubené (Cut & Cover) o Kombinované (Cover & Cut, Top – Down) o Na povrchu (p esypávané, zasypávané) o Systém „želva“.

9.2 Klasické tunelovací soustavy Tyto soustavy se d lily obvykle podle geometrie vytvá ení výrubu: Porubem – otevíráním na celou ší ku Pilí ováním – s ponecháním nosných horninových pilí mezi jednotlivými menšími výruby Pláš ové (jádrové) – otevíráním po obvodu výrubu, s ponecháváním naposled uvoln ného jádra. P i hodnocení podle asového postupu výstavby ost ní lze tyto soustavy rozd lit na soustavy: S výstavbou ost ní až po plném vylomení profilu S výstavbou ost ní ve stádiu díl ích výlom . Klasické soustavy se vyzna ovaly v tšinou velkou pracností, byly (z dnešního pohledu) pom rn pomalé (i když ne nutn všechny) a p edevším vykazovaly

- 107 (171) -


zna nou spot ebu d eva na minérskou a zednickou výd evu (obr. 9.1 a následující).

9.1: Výd eva p i klasické tunelovací soustav . 1…pažení, 2…podélníky, 3…ramenáty a bedn ní, 4…plná vazba [K. Ratkovský – I. Kubík, 1989]

9.2.1 Stará rakouská tunelovací metoda (porubem, p í níková)

Obr. 9.2: Stará rakouská tunelovací metoda (p í níková, porubem – tj. na celou ší ku výrubu)

- 108 (171) -


9.2.2 Moderní rakouská tunelovací soustava (podélníková – pilíová) Moderní rakouská tunelovací soustava (pozor: neplést s Novou Rakouskou Tunelovací Metodou!) byla nejznám jší a na území bývalého R.-U. a SR patrn i nejpoužívan jší z klasických tunelovacích soustav. Hlavní nosné prvky výd evy (provizorní výstroje) byly na líci výrubu uloženy vodorovn a podéln . Podélníky bylo možné postupn odstra ovat s postupem výstavby ost ní (tj. jeho zd ním). Postup prací je z ejmý z obr. 9.3 a 9.4.

Obr. 9.3: Postup prací p i „Moderní rakouské“ tunelovací soustav (tzv. podélníkové i pilí ové). Uspo ádání výd evy [zdroj: Ottova Encyklopedie]

Obr. 9.4: „Moderní rakouská“ soustava – modifikovaná. Postup výstavby [J. Barták – M. Bucek, 1989]

- 109 (171) -


9.2.3 Podchycovací tunelovací soustava (belgická) – pilí ová Výstavba tunelu touto soustavou spo ívala v tom, že se nejprve provád l výlom kaloty s definitivním vyzd ním klenby. Posléze se razila spodní ást profilu, ve které se vybudovaly op ry. Tato soustava se používala jen v pom rn pevných horninách, ve kterých byla klenba schopná p enést horninové tlaky bez nebezpe í pokles – obr. 9.5 a 9.6.

Obr. 9.5: Postup prací p i „Belgické“ tunelovací soustav (tzv. podchycovací). Uspoádání výd evy [J. Barták – M. Bucek, 1989]

Obr. 9.6: „Belgická“ soustava. Postup výstavby [J. Barták – M. Bucek, 1989]

9.2.4 Jádrová tunelovací soustava (n mecká) – pláš ová Postup prací p i jádrové soustav je dán tím, že se nejprve vylamuje obvodová ást pr ezu, tedy pláš . Ten se po ástech (jednotlivými štolami na obvodu) postupn s výlomem i zajiš uje, až do uzav ení ost ní. Pod ochranou takto zhotovené obezdívky je jako poslední vylomeno jádro – obr. 9.7 a 9.8.

- 110 (171) -


Obr. 9.7: Postup prací p i „N mecké“ tunelovací soustav (tzv. jádrové). Uspo ádání výd evy [J. Barták – M. Bucek, 1989]

Obr. 9.8: „N mecká“ soustava. Postup výstavby [J. Barták – M. Bucek, 1989]

Poznámka: V sou asné dob mají klasické tunelovací soustavy už jen historický význam. Bylo jimi postaveno p edevším rozhodující množství železni ních tunel v síti D a ŽSR. V R skon ila éra klasických tunelovacích soustav v roce 1982, kdy p i rekonstrukci ásti železni ního Tunelu . 7 na trati Brno – eská T ebová byla naposledy použita „Modifikovaná moderní rakouská metoda“.

9.2.5 Modernizace klasických soustav Klasické tunelovací soustavy byly velice pracné a z pohledu rychlosti výstavby i dosti pomalé. Navíc byly mimo ádn náro né na spot ebu d eva, p edevším kulatiny (hran né d evo se tém nepoužívalo). Jejich modernizace spo ívala p edevším v úspo e d eva. Ta se realizovala použitím ocelové provizorní výstroje – tzn. p í ných žeber a skruží a ocelových i betonových pažin ponechaných v definitivním betonovém ost ní jako tuhá výztuž – obr. 9.9.

- 111 (171) -


Obr. 9.9: Modernizace klasických soustav. Tunel spojující Madrid s letišt m (Špan lsko). Kombinace výd evy (stojky) a ocelových válcovaných profil [OHL ŽS, 2005]

9.3 Moderní tunelovací soustavy a systémy 9.3.1 Vrtání a odst el Systém vrtání a odst el se používá ve skalních horninách s velmi vysokou stabilitou (tj. s velkým volným rozp tím a zna nou stabilitou v ase). Výrub se asto vystrojuje jen minimáln . Výstroj má potom charakter pouze obkladní jako ochrana p ed ov tráváním. asto se používá jen rychlé svorníkování. Není-li to nutné nevystrojuje se v bec. Postup prací vyplývá z obr. 9.12. Velmi d ležitý je správn zvolený postup trhacích prací, to pro zachování p í ného Ø a minimální rozvoln ní horniny do hloubky (viz dále v kap. 11.2 „Trhací práce“). V R nejsou horniny vhodné pro tento postup p íliš obvyklé.

Obr. 9.10: Vrtání a odst el. Cyklický postup prací. Výrub je zajišt ný pouze kotvením [Atlas Copco]

- 112 (171) -


9.3.2 Prstencová metoda Prstencová metoda se m že nasadit ve skalních horninách s dostate nou stabilitou, p íp. i v mén stabilních poloskalních horninách a zeminách (zde bývá dopln na o štít). Ražba se provádí standardn plným profilem s použitím trhací práce i TSM (= frézy, rypadla, impaktory). Není vylou eno ani jednoduché len ní s p edráženou horní pilotní štolou. Krátké výlomové záb ry jsou bez odkladu vystrojovány definitivní výstrojí s uzav ením PRSTENCE – obr. 9.11. Podle pot eby následuje obvykle rychlá zakládka a vždy nezbytná v asná výpl ová aktiva ní injektáž. To, spolu s rychlým postupem prací i u velkých pr ez , omezuje rozsah rozvoln né zóny nad výrubem.

Obr. 9.11: Prstencová metoda. Postup prací [J. Barták – M. Bucek, 1989]

Krátké záb ry zajiš ují stabilitu výrubu v podélném sm ru. U prstencové metody totiž vždy platí, že volné rozp tí l* = ší ce výrubu b. P itom je nutná stabilita p íd ! Nestabilní elba ohrožuje bezpe nost a výrazn snižuje i stabilitu stropu, a to p edevším v podélném sm ru. Potom je nezbytné elbu podep ít, obvykle kotvením – obr. 9.12 – p íp. nestandardn p etlakem vzduchu. Další možností je potom nasazení štítu. V n kterých p ípadech je možné prstencovou metodu realizovat i s n kterými typy provizorní výstroje (st íkaný beton, BERNOLD, rámy).

- 113 (171) -


Obr. 9.12: Zajišt ní ela p i prstencové metod vytvo ením celíku p ed p ídí kotvením a SB [J. Barták – M. Bucek, 1989]

Je-li prstenec obezdívky provád n z dílc vysoké hmotnosti ( ádov v q až t, b žn 1 až 1,5 t, max. cca 2,5 t) je nutný uklada neboli erektor – obr. 9.13 a 9.14. Pokud je používán jen erektor bez štítu jde o erektorovou ražbu.

Obr. 9.13: Uklada ost ní – erektor. Zde uvnit razícího štítu. pohled od ela výrubu [J. Barták – M. Bucek, 1989]

Obr. 9.14: Prstencová metoda jako erektorová ražba [J. Barták – M. Bucek, 1989] - 114 (171) -


V sou asné dob již není prstencová metoda v porovnání s dalšími konven ními i cyklickými metodami ražení (p edevším p i porovnání s NRTM) považována za dosti výkonnou resp. ekonomicky výhodnou. Nicmén z stává pevn spojena se štítováním p ípadn s TBM.

9.3.2.1 Montovaná ost ní p i prstencové metod (p ípadn p i štítování) Prstence ost ní jsou obvykle (i když ne nutn ) montovány z jednotlivých segment . Jako ost ní lze p i prstencové metod používat následující prvky i technologie: Litinové a ocelolitinové tubinky (též psáno tubingy, tybinky, tybingy) Jde o pláš z litinových i ocelolitinových dílc , obvykle z šedé litiny. Dílce jsou standardn vyleh eny a sou asn vyztuženy žebry. Spojovány jsou šroubením na p íruby (obr. 9.15). V dílech je vždy injek ní otvor, který m že být osazený i ventilem. Mezi tubinky se vkládá t sn ní r zných konstrukcí a z r zných materiál (drážky v podélném a p í ném sm ru jsou t sn ny neoprénem – gumou, asfalto-azbestem, temováním olovem nebo aluminiem, rychlovaznými cementy apod.) – obr. 9.16. Tubinky se asto montují s vyst ídáním tak, aby byla mezi nimi vytvo ena vazba na podélných spárách. Hmotnost dílc bývá ádov v q. Jedná se o jedno z nejt žších ost ní. To je zd vodnitelné pouze do siln tla ivých a zvodn ných hornin a to i proto, že nese okamžit po smontování. Litinové dílce mohou být namáhány jen tlakem, ocelolitinové i tahem a ohybem. Navíc jdou i sva ovat (litinové obvykle ne) a mají oproti litinovým zhruba jen polovi ní hmotnost. Tubinky jsou mimo ádn drahé.

- 115 (171) -


Obr. 9.15: Litinový tubink zesílený žebry, s injek ním otvorem [K. Ratkovský – I. Kubík, 1989]

Obr. 9.16: Detail šroubového spoje dvou tubink [K. Ratkovský – I. Kubík, 1989]

Je-li prstenec skládán z tubink nebo z železobetonových dílc , nastávají v d sledku nutnosti osazovat prvky zevnit profilu potíže s jeho uzavíráním. V záv rku (záklenku) prstence potom musí být použity nestandardní dílce – obr. 9.17. Obdobný problém m že nastat, když je pot eba trasu takto provád ného podzemního díla vést obloukem. Zde lze za jistých okolností použít pro konstantní oblouky prstence klínové (obr. 9.18). Takovým ešením však typovost dílc velmi nar stá. Hrozí rovn ž zám na podobných díl p i montáži prstenc .

Obr. 9.17: Tubinky v prstenci: A…standardní, B…asymetrický, C…záv rný. 1 až 5…po adí v montáži tubink [D. Kolymbas, 1998]

- 116 (171) -


Obr. 9.18: Klínové prstence. a)…v p ímé, b)…v oblouku [D. Kolymbas, 1998]

Lemované plechy (též „lisované plechy, Metroplechy, Liner Plates“) Oproti tubink m jsou lehké, s hmotností cca 12 až 32 kg, i mén . Vyráb jí se v r zných rozm rech odpovídajících pr m ru požadovaného prstence. Lisují se z ocelového plechu tl. 3 až 8 mm, asto s prolisy pro zesílení – obr. 9.19. Spojují se podobn jako tubinky na p íruby, šroubením, s vyst ídáním ve vazb . Každý plech bývá obvykle opat en injek ním otvorem (standardn už bez ventilu). Velmi asto se lemované plechy používají jako kovové bedn ní stav né po prstencích a sou asn ochra ující pracovišt . Toto bedn ní pln nese až po zatvrdnutí cementové injektáže. Prstence mohou být vyztuženy (podep eny) vnit ní skruží – obr. 9.20. Lemované plechy se vyzna ují nepom rn jednodušší manipulací a nižší cenou než litinové a ocelolitinové tubinky. Sou asn však vykazují jen zlomek tuhosti resp. nosnosti tubink .

Obr. 9.19: Lemované plechy (Metroplechy) [K. Ratkovský – I. Kubík, 1989]

- 117 (171) -


Obr. 9.20

Podep ení lemovaných plech vnit ní ztužující skruží ( asto do asnou, montážní) [K. Ratkovský – I. Kubík, 1989]

Ost ní z betonových a železobetonových dílc (též panel , nesprávn tubink ) Betonové i železobetonové panely jsou podstatn levn jší než kovové tubinky. Mají však obvykle vyšší hmotnost (cca v prvních t). Používá se celá ada typ a systém panel , tvarov asto odvozených práv od litinových tubink (obr. 9.21). Stejn jako u kovových dílc zde platí požadavek na co nejmenší typovost (to pro drahé výrobní formy a možné komplikace p i montáži). Panely jsou spojovány r znými zp soby: šroubením, montážními trny, na péro a drážku, zaobleným (konkáv-konvexním) spojem apod. – viz obr. 9.22. Mezi dílce se vkládá t sn ní, asto extrémn sofistikované (syntetická p na, neoprén, prysky ice, cementy apod.). V t žišti dílc je nutný otvor pro uchopení uklada em (erektorem). Tento otvor obvykle slouží sou asn i pro injektáž.

- 118 (171) -


Obr. 9.21: Betonové a železobetonové dílce pro prstencovou metodu [K. Ratkovský – I. Kubík, 1989]

Obr. 9.22: Spojování betonových a železobetonových dílc u prstencové metody [K. Ratkovský – I. Kubík, 1989]

- 119 (171) -


Obr. 9.23: Podzemní dráha Mnichov. Vazba železobetonových dílc mezi následujícími prstenci

- 120 (171) -


Obr. 9.24: Stani ní tunel Metra. Praha. Prstenec z železobetonových p írubových dílc . D 7,8/8,8 m [J. Barták – M. Bucek, 1989]

Ost ní z lisovaného („extrudovaného“) betonu Tento typ ost ní je zásadn z izován pouze v kombinaci se štítem. Monolitické ost ní bývá z izováno z prostého betonu nebo drátkobetonu do taženého bedn ní za štítem – obr. 9.25. Definitivní obezdívka je provád na po prstencích. Beton se hutní lisováním štítovými lisy p i posunu štítu (viz štíty). Kladem tohoto ešení je to, že se zbavíme sty ných spár s nutností jejich t sn ní a sou asn omezíme deformace povrchu. Velkým záporem ešení je vysoká technologická náro nost provád ní a složitá konstrukce zaízení (p edevším náv su) za štítem.

Obr. 9.25: Ost ní z lisovaného betonu do taženého bedn ní [K. Ratkovský – I. Kubík, 1989]

- 121 (171) -


Metoda ztraceného bedn ní (systém BERNOLD) M že být použita p i prstencové metod , prstence už potom nemusí být vždy v po v uzavírány. Jedná se o velmi neostrý p echod k dalším konven ním metodám (nap . NATM), resp. jde o jedno z ost ní využitelných i p i NATM. Primární i rovnou sekundární obezdívka podzemní stavby je z izována z betonu ukládaného do ztraceného bedn ní z prolamovaných nebo žebrovaných plech (9; 10; 11 žeber, tl. 1,25; 2; 3 mm) nebo husté sí oviny vyztužené pruty. Pažící plechy mohou být v zeminách zatahovány nebo p edhán ny. B žná je kombinace Bernoldova bedn ní s ocelovými skružemi (trvalými nebo vzty enými jen po dobu zrání betonu), s kotvením, p ípadn i se st íkaným betonem. Tato technologie je vhodná i pro z izování šachet. V po áte ní fázi po osazení se obezdívka chová jako poddajná, posléze s tvrdnutím betonu zvyšuje svoji tuhost. Kone ná tuhost obezdívky odpovídá tlouš ce betonu.

Obr. 9.26: Spojování prolamovaných plech montážním trnem. St íkání betonu na Bernold-plech [BERNOLD]

- 122 (171) -


Obr. 9.27: Kombinace bernold-plech a skruží z válcovaných profil [BERNOLD]

Obr. 9.28: Ztracené bedn ní systému BERNOLD tvo ené hustou sí ovinou vyztuženou ocelovými pruty zataženou do p írub ocelových válcovaných skruží [foto V. Horák]

- 123 (171) -


Obr. 9.31: Ztracené bedn ní systému BERNOLD tvo ené žebrovaným plechem zataženým do p írub ocelových válcovaných skruží [foto V. Horák]

9.3.2.2 Pracovní cyklus prstencové metody 1.

Vrtání na délku záb ru nutného k postavení prstence. Délka záb ru musí odpovídat stabilit horniny

2.

Nabíjení a odst el

3. V trání (body ad 1. až ad 3. splývají p i strojním rozpojování TSM do jednoho kroku) 4.

Nakládání a odvoz rubaniny (u TSM je provád no pr b žn )

5.

Stav ní definitivní obezdívky

6.

Vyzd ní elní zídky (= ílkování). ílko je nezbytné pro zat sn ní diafragmy mezi rubem ost ní a lícem horniny ze strany elby. Zat sn ní se provádí proto, aby bylo možné tuto mezeru zainjektovat. ílko pomáhá rovn ž sm rov a výškov rektifikovat nov stav ný prstenec

7.

Soub žn s vrtáním dalšího záb ru se provádí injektáž za rub ost ní.

9.3.2.3 Prstencová metoda - injektáž Injektáž je nezbytná pro vypln ní mezery za rubem nového prstence. Její funkce je výpl ová, t snící a p edevším aktiva ní. Injektáž se provádí p es injek ní otvory v tybincích (dílech). Mezeru mezi obezdívkou a horninou je nezbytn nutné pe liv proinjektovat v etn záklenku, jinak hrozí porušení obezdívky podélnými puklinami. Injektuje se nej ast ji cementem, n kdy metodou odd lené injektáže zafoukání ka írkem + injektáží cementovou maltou nebo i jinými postupy. Injektáž je standardn provád na jako primární a ná- 124 (171) -


sledn jako sekundární. Injektáž postupuje odspodu, nahoru symetricky na ob strany, s kontrolou ve vyšších otvorech (signálem ukon ení je vždy vytékající injekce z otvoru vyššího dílce) – viz obr. 9.32.

Obr. 9.32: Postup injektáže za rub prstence p i prstencové metod . íslo udává krok injektáže

- 125 (171) -


9.3.3 Nová rakouská tunelovací metoda (NRTM, NATM, NÖTM) NATM = New Austrian Tunnelling Metod (angl.) NÖTM = Neue Österreichische Tunnelbaumethode (n m.) NRTM je moderní tunelovací metoda, jejíž zásady byly od 40. a 50. let XX. stol. rozpracovány teoretiky a praktiky tzv. „Salzburgské školy“ (Rabcewicz, Fener, Pacher, Müller a další). Vede se dlouholetý spor rakouských a švýcarských tunelá , zda NATM jako tunelovací metoda v bec existuje. Švýcarští tunelá i používají obdobnou (vícemén totožnou) tunelovací metodu konven ního tunelování s cyklickým postupem prací, kterou nazývají Spritzbetonmethode (= metoda st íkaného betonu). NRTM je univerzální a velmi flexibilní metoda, použitelná prakticky pro veškeré typy podzemních staveb a pro jakékoliv geologické podmínky. Již v r. 1998 bylo NRTM (obvykle s použitím trhavin) vyraženo na sv t n kolik tisíc tunel . Definice NATM navržená Rakouským národním komitétem pro podzemní stavby zní: Horninový masív se p i NATM stává nosným prvkem K tomu je pot ebná koncepce Ta spo ívá v aktivování nosného prstence v horninovém masívu (tvo eném zeminou nebo skalní horninou). NRTM je typickým p ípadem OBSERVA NÍ METODY použité pro návrh a realizaci složité inženýrské konstrukce. Postup navrhování a provád ní lze shrnout do následujících krok : • •

P edb žný návrh výpo tem nebo podle zkušenosti Pro optimalizaci postupu výstavby a definitivní návrh typu a dimenzí výstroje následuje provedení široce instrumentovaného a monitorovaného zkušebního úseku. Ten m že být do jisté míry nahrazen pr zkumnou štolou • Na základ výsledk získaných realizací zkušebního úseku a dalších (obvykle numerických) výpo t vylad ných na výsledky monitoringu zkušebního úseku jsou stanoveny provozní a varovné stavy pro provád nou stavbu, a to v etn návrhu nutných opat ení provád ných v p ípad dosažení takto stanovených varovných stav • Je proveden návrh observa ní procedury pro kontrolu výše uvedených provozních resp. varovných stav . Cílem je maximální ekonomie p i optimálním nebo maximálním postupu stavby. V R je dnes NRTM naprosto p evažující metodou používanou pro konven ní tunelování p i výstavb v tších tunel . Pracovní skupina pro konven ní tunelování eského tunelá ského komitétu ITA/AITES proto zpracovala a TuK vydal v edici „Dokumenty TuK ITA/AITES“ Zásady a principy NRTM…( www.ita-aites.cz/files/edice_CTuK/ctuk_02.pdf ).

- 126 (171) -


9.3.3.1 Principy NRTM Principy metody jsou v literatu e shrnuty do 21 až 24 zásad. Nej ast ji je jich uvád no 22. Nejvýznamn jší z nich jsou z ejmé z obr. 9.33 až 9.47 a z mezi n vloženého textu.

Obr. 9.33: První zásada: základní nosný prvek tunelu tvo í hornina [L. Müller – E. Fecker, 1990]

Obr. 9.34: Druhá zásada: udržet p vodní pevnost horniny [L. Müller – E. Fecker, 1990]

Obr. 9.35

T etí zásada: zabránit uvoln ní horniny. Destabilizuje [L. Müller – E. Fecker, 1990]

- 127 (171) -


Obr. 9.36: tvrtá zásada: zabránit jednoosým a dvouosým stav m napjatosti v hornin . Hornina je špatn snáší [L. Müller – E. Fecker, 1990]

Obr. 9.37: Pátá zásada: mobilizovat ochrannou obálku a p esto zabránit uvol ování masívu. Vytvo it nosný prstenec (tj. udržet horninovou klenbu u tunelu) [L. Müller – E. Fecker, 1990]

Obr. 9.39: Sedmá zásada: správn odhadnout specifický faktor asu (tj. stabilnosti) a na jeho základ navrhnou len ní výrubu (tj. volnou délku) v p í ném i podélném sm ru. ím horší je hornina, tím menší výruby je v ní nutné otevírat [L. Müller – E. Fecker, 1990] - 128 (171) -


Obr. 9.38: Šestá zásada: osazení výstroje ani p íliš brzo ani p íliš pozd ; výstroj ani p íliš tuhá ani p íliš poddajná (zkrátka vždy tak akorát) [L. Müller – E. Fecker, 1990] 1...charakteristická k ivka horninového prost edí (Fennerova-Pacherova k ivka), 2...charakteristická k ivka pro optimáln osazenou výstroj, 3...charakteristická k ivka pro nesprávn osazenou výstroj. a...výstroj osazena p ed asn , b...výstroj osazena pozd , c...p íliš tuhá výstroj, d...p íliš poddajná výstroj. R...polom r vystrojeného výrubu, R/R...pom rná radiální deformace výrubu, Pr...reakce výstroje

Osmá zásada: pro odhad

asového faktoru slouží jednak p edb žné pokusy v laborato i, ale zejména m ení in situ a dále p ímá m ení deformací v tunelu. Doba stability horniny, rychlost p etvá ení a na jejich základ provedené zat íd ní horniny zprost edkují p edstavu o této nejd ležit jší ovliv ující veli in

Obr. 9.40: Devátá zásada: zajišt ní výlomu musí p sobit plošn a uzav en . Toho se nejlépe dosáhne st íkaným betonem a kotvami [L. Müller – E. Fecker, 1990]

Obr. 9.41: Desátá zásada: používat tenkost nné primární i sekundární ost ní poddajné v ohybu [L. Müller – E. Fecker, 1990] - 129 (171) -


Obr. 9.42: Jedenáctá zásada: zesilování výstroje provád t nikoli jeho tlouš kou, ale SB na výztužné sít , oblouky z válcovaných profil a kotvami [L. Müller – E. Fecker, 1990]

Obr. 9.43: Dvanáctá zásada: návrh prost edk a as pro provád ní primárního ost ní se provádí na základ rozsáhlé instrumentace a monitoringu chování systému hornina x výstroj [Interfels, Salzburg]

- 130 (171) -


Obr. 9.44: T ináctá zásada: staticky se posuzuje tunel jako (tlustost nná) roura složená z nosného prstence horniny a primárního (p íp. i sekundárního) ost ní. pv...svislý horninový tlak, ph...vodorovný horninový tlak, pi...reakce výstroje [L. Müller – E. Fecker, 1990]

Obr. 9.45: trnáctá zásada: uzav ení nosného prstence je zvlášt d ležité (pokud jej neuzavírá v po v sama hornina) [L. Müller – E. Fecker, 1990]

Obr. 9.46: Šestnáctá zásada: pokud možno provád t ražení v plném profilu. Díl í ražení poškozuje horninu [L. Müller – E. Fecker, 1990]

- 131 (171) -


Obr. 9.47: Osmnáctá zásada: aby se zabránilo koncentracím nap tí, které porušují horninu mají být preferovány zaoblené pr ezy [L. Müller – E. Fecker, 1990] Jednadvacátá zásada: pro kontrolu a dimenzování celé konstrukce slouží soustavná m ení nap tí v betonu, nap tí na kontaktu mezi betonem a horninou a m ení deformací celého systému konstrukce x hornina Dvaadvacátá zásada: hydrodynamický tlak v hornin a hydrostatický tlak na ost ní se uvolní pomocí drenáží (nap . „hadicovou“ metodou).

9.3.3.2 Typy výstroje použitelné pro NRTM Jak vyplývá z p edchozího textu je p i NRTM nesmírn d ležitý vliv asu p i vystrojení otev eného výrubu primární obezdívkou. Musí tedy být vždy použita jednoduchá a rychlá výstroj (viz 11. zásada). Jako taková výstroj se používá: St íkaný beton na ocelové sít (tzv. KARI-sít resp. sva ovaná m ížovina). SB bývá urychlený. Používá se suchá i (dnes ím dále ast ji) mokrá technologie. Nejnov ji se používá i rozptýlená výztuž (drátkobetony). To je to nejvhodn jší tenkost nné, tak akorát poddajné ost ní Kotvení výrubu (v etn kotvení ela). Používají se svorníky a h ebíky všech možných typ Ocelové oblouky plnost nné (I, H, HE, HEB, K [tzv. Heintzmann], Stern) i p íhradové (Bretex, Pantex, Asta apod.) Ve velmi špatné až extrémn špatné geologii je možné i p edstihové zlepšování horninového prost edí v okolí i v p edpolí podzemní stavby (kotvením ela, pilotami, mikropilotami, injektáží, tryskovou injektáží, odvod ováním, zmrazováním p ípadn dalšími metodami). 9.3.3.3 Profily ražení a len ní výrubu P i NRTM je obvykle z izován nekruhový pr ez (podkova i tzv. pr ez „tlamový“), v horninách nižší kvality i v zeminách s dolní klenbou (protiklenbou). Pro NRTM je typické (vedle variability vystrojování) i LEN NÍ VÝRUBU v p í ném i podélném sm ru. Podle zásady . 7 vstupujeme do masívu menšími šetrnými záb ry, rychle zvládnutelnými, se kterými se hornina dob e vyrovná (tzn. volíme vhodné volné rozp tí l*). Nem lo by to však být na úkor zbyte ného poškození horniny (zásada . 16)! len ní se provádí i v podélném sm ru, kdy jsou jednotlivé díl í postupy realizovány se zpožd ním rychlosti ražení.

- 132 (171) -


len ní je asto ostatn nutné i v kvalitních horninách, a to z ryze technologických d vod . To platí p edevším pro velké ražené profily, kdy je nutné p íliš velký pr ez roz lenit na menší výruby z d vodu dosahu použitých mechanism . Zde potom obvykle posta uje jednoduché horizontální len ní na jednu i dv lávky – obr. 9.48 vlevo naho e. lení se: Horizontáln Vertikáln .

Obr. 9.48: R zné postupy len ní výrubu p i NRTM. ísla zna í po adí záb ru

Praxe ukazuje, že horizontální len ní je realizovatelné pouze v kvalitn jších horninách. Volnou délkou je zde vždy celá ší ka raženého profilu (l* = b). P i horizontálním postupu len ní lze o ekávat menší stabilitu výrubu a v tší deformace nadloží. Vertikálním len ním lze dosáhnout výrazného zmenšení volné délky rozd lením ší ky na menší ásti b´. Potom se volná délka l* = b´. Za jistých okolností se m že dosáhnout i stavu, kdy l* = l, tzn. že volná délka je rovna délce záb ru (délce postupu), která je již zcela volitelná. P i vertikálním len ní lze (podle zkušeností) o ekávat vyšší stabilitu horninového masívu a nižší deformace nadloží zp sobené ražbou. P íklady len ní výrubu jsou z ejmé i z obr. 9.49 a 9.50.

Obr. 9.50: Varianty vertikálního len ní. Tunely Dobrovského Brno. Varianta ražby podle DZS (vpravo) zajiš uje p í nou tvarovou stabilitu op rových tunel i jádra rozep ením [Amberg Engineering Brno a Metrostav, 2007] - 133 (171) -


Obr. 9.49: Horizontální len ní. Tunel H ebe [Metrostav a. s.]

9.3.3.4 Rozpojování horniny Rozpojování horniny p i ražb NRTM probíhá (obr. 9.50): Trhavinami (trhací prací) TSM (výložníkovými frézami, bagry, impaktory).

Obr. 9.51: P íklady rozpojování horniny p i NRTM [K. Ratkovský – I. Kubík, 1989] - 134 (171) -


9.3.3.5 P íklady tunel ražených NRTM

Obr. 9.52 až 9.54: Železni ní tunel Dietershan (SRN), délka 7 345 m. Jednoduché horizontální len ní na p ístropí a lávku. Trhací práce. Primární obezdívka: SB + kotvení. Sekundární obezdívka z vodot sného betonu - 135 (171) -


Obr. 9.54 a 9.55: Zugwald-tunnel u Davosu (Švýcarsko), délka 2,1 km. ást T1 délky 110 a 240 m (vždy od portál ) z izována pod ochrannou deštníku TI. Jednoduché len ní na kalotu a lávku. T žba frézou. Primární ost ní: ocelové oblouky + 25 cm SB. Sekundární ost ní ze SB

Obr. 9.56: Zugwald-tunnel u Davosu (Švýcarsko), délka 2,1 km. ást T2. Horizontální len ní na dva (resp. t i v p ípad protiklenby) záb ry. Ražba trhací prací (v dobré hornin ) a impaktorem (ve špatné hornin ). Primární obezdívka: kotvení + SB (v dobré hornin ), resp. ocelové oblouky + SB + kotvy (ve špatné hornin ). - 136 (171) -


Obr. 9.57: Výrazné len ní výrubu p i ražb Uetliberg tunnelu (Švýcarsko – silni ní obchvat Zürichu), celková délka 4,46 km, délka takto len ného úseku 860 m. Ø 143÷148 m2. Stabilita op rových tunel je zajišt na jejich rozep ením. V tší íslo v díl ím výlomu zna í po adí pobírání. Primární obezdívka: ocelové oblouky + SB

9.3.3.6 Pracovní postup p i NRTM Postup výstavby tunelu s nasazením NRTM lze zjednodušen shrnout do následujících bod . Výstavba nicmén m že být r zn modifikována: [Podle pot eby je možné p edstihové zlepšení horniny] Rozpojení horniny = uvoln ní záb ru (trhací prací i TSM) Odvoz rubaniny = vyklizení záb ru (oba kroky mohou probíhat sou asn ) Vystrojení [díl ího] záb ru = primární obezdívkou [Podle len ní: postupné dobrání dalších záb r do uvoln ní celého profilu]. Uzav ení celého pr ezu do primární obezdívky, vybourání vnit ních ástí (provizorních) primárních obezdívek díl ích záb r Prorážka tunelu v primární obezdívce [Okamžit po vyklizení výrubu jsou v m ících profilech osazována m idla – je provedena instrumentace – a po íná monitorování pro ov ení stav systému hornina x konstrukce. Nejlepším p ípadem je potvrzení stav provozních. V p ípad zjišt ní stav varovných je nutné bezodkladn p ijmout p edepsaná opat ení – nap . zesílení konstrukce!]

- 137 (171) -


[Po prorážce tunelu následuje obvykle položení mezilehlé izolace na primární obezdívku] Završením výstavby je betonáž sekundární (vyztužené p íp. nevyztužené) obezdívky Vystrojení tunelu provozní technologií (vozovka i kolejové lože, provozní v trání, osv tlení, zna ení a signalizace...).

- 138 (171) -


9.3.4 TBM do (tvrdých) hornin TBM = Tunnel Boring Machines (angl.) = Tunnelbohrmaschinen (n m.) Plnoprofilové razící (vrtací) stroje jsou ur eny do (tvrdých) hornin. Tyto stroje vrtají výrub mechanicky bez použití trhavin, a to na celý profil. Ražba TBM je ur ena pro z izování kruhových pr ez nebo pr ez kruhovému profilu velmi blízkých. V sou asné dob zaznamenává tato metoda velmi dynamický rozvoj. Jsou nasazovány nové typy TBM, zv tšuje se profil t chto stroj , probíhá výzkum rozpojování horniny velmi vysokou teplotou apod. V R (resp. bývalé SR) byly TBM použity k ražbám p edevším dlouhých až velmi dlouhých vodohospodá ských štol malého Ø (p ivad e pitné vody u Vírského oblastního vodovodu a Ostravského oblastního vodovodu, Nová odvod ovací štola pro Bánskoštiavnický rudní revír apod.). 9.3.4.1 Schéma a funkce TBM Na ele stroje rotuje vrtací hlava hnaná do elby vysokým p ítlakem. Vysoký p ítlak je realizován hydraulicky, za upnutí stroje jeho rozep ením do výrubu, a to pomocí hydraulicky rozhán ných rozp rných desek (tzv. „ba kor“). Vrtací hlava p i své rotaci nabírá vrtáním rozpojenou horninu a nakládá ji na pásový dopravník, který rubaninu vynáší ze stroje do tzv. náv su navazujícího na vlastní stroj. Náv s bývá délky až okolo 150÷200 m. V n m jsou obvykle p istavovány d lní vozy. Ty po napln ní z pásového dopravníku, tažené akumulátorovou lokomotivou, po kolejích vyvážejí rubaninu z raženého díla. Schéma TBM je z ejmé z obr. 9.58.

Obr. 9.58: Schéma TBM do (tvrdých) hornin [J. Barták a M. Bucek, 1989]

TBM mohou být bu otev ené (bez plášt ) nebo s plášt m – viz dále. TBM s plášt m jsou konstrukcí i funkcí velmi blízké mechanizovaným štít m (viz). Rozdíl mezi TBM a štítem spo ívá v tom, že vrtací hlava TBM vytvá í otvor v tšího Ø než pláš a pláš se do p edvrtaného otvoru zatahuje za vrtnou hlavou. U mechanizovaného štítu hlava rozpojuje zeminu pod p ímou ochranou plášt , který je do zeminy trvale zatla ován a odpovídá Ø ražení. Vrtné hlavy TBM bývají vybaveny jako vlastními rozpojovacími nástroji p evážn rotujícími diskovými dláty (obr. 9.59 a 9.60). Oproti tomu vrtné hlavy štít bývají vybaveny obvykle loupacími dláty (obr. 9.60). TBM moderních konstrukcí lze v p ípad pot eby p estav t na mechanizované štíty a rozdíl mezi ob ma mechanismy se tím potom smazává.

- 139 (171) -


Vrtací hlava TBM m že být plošn uzav ená nebo otev ená (potom je tvo ena víceramenným k ížem). Na vrtací hlav jsou osazeny rozpojovací nástroje. U TBM do tvrdých hornin zcela p evažují valivá disková dláta (viz výše) s eznou hranou z kalené oceli nebo ast ji z tvrdokovu (obr. 9.59 a 9.60). Tato dláta se odvalují pod velkým p ítlakem a rozpojují horninu kombinací p í ného tahu a soust edného tlaku (obr. 9.61). Každé z valivých dlát má svou vlastní dráhu. elba raženého díla je potom charakteristicky koncentricky kruhov zna ená stopami dlát (obr. 9.62 a 9.63).

Obr. 9.59: Jednoduché valivé diskové dláto [zdroj www]

Obr. 9.60: Nejb žn jší typy pracovních nástroj pro vrtací hlavy TBM [K. Ratkovský – I. Kubík, 1989]

Obr. 9.61: Mechanismus rozpojování horniny valivým diskovým dlátem kombinací soust edného tlaku a p í ného tahu) [F. Klepsatel a kol., 2002] - 140 (171) -


Obr. 9.62 a 9.63: Koncentrické dráhy valivých dlát na ele (zdroj www)

Teoretická rychlost postupu vrtání iní n kolik m/hod. Z toho lze odvodit výkony n kolik set až mnoho set m/m síc (nap . p i ražb Nové odvod ovací štoly pro rudní revír v Banské Štiavnici až cca 800 m/m síc p i Ø díla 3,26 m). Skute ná rychlost postupu TBM je však podstatn nižší v d sledku ady zpomalujících vliv : P erušení vrtání v d sledku nutnosti odsouvat zna né kubatury rubaniny. Rubaniny je potom tím více, ím rychleji stroj postupuje! P erušení vrtání v d sledku nutnosti p emís ování stroje p i postupu vrtání. Posun stroje a p estavování jeho „ba kor“ probíhá systémem „st j a popojdi“ – obr. 9.64) P erušení vrtání v d sledku nutnosti údržby a oprav stroje a p edevším pot eby vým ny opot ebovaných dlát na vrtací hlav P erušení vrtání v d sledku p ípadného zajiš ování výrubu. Pohon TBM je zásadn elektrický – s vedením kabelem VN. VN je ve stroji transformováno a elektrický proud pak pohání jednotlivé hydraulické agregáty stroje. N které TBM (s jednoduchým i dvojitým plášt m) umí i zatá et, a to obvykle ve velkých polom rech (n které speciální konstrukce dokonce i ve velmi malých polom rech). Byly již ideov navrženy i TBM eliptického (oválného) i tlamového pr ezu. Dosud však nebyly realizovány.

- 141 (171) -


Obr. 9.64: Schéma pracovního cyklu TBM. Postup stroje systémem „st j – popojdi [J. Barták a M. Bucek, 1989]

9.3.4.2 Rozd lení TBM Podle profilu stroje: Malé s výrubem Ø 5 m. Takové se nasazují pro ražbu pr zkumných a vodohospodá ských štol a tunel (vodovodních, kanaliza ních, odvodovacích, p ivad VE a PVE, závlahových apod.) St ední s výrubem Ø 5 až 10 m. Takové se nasazují pro ražbu tra ových p íp. i stani ních tunel metra a jednokolejných železni ních tunel Velké s výrubem Ø > 10 m. Takové se nasazují pro ražbu silni ních, dálni ních a dvoukolejných železni ních tunel , p íp. (i když z ídka) i jiných d l. Podle konstruk ního uspo ádání: TBM bez plášt (tzv. otev ený) TBM s plášt m: o Jednoduchým o Dvojitým (teleskopickým) TBM s rozši ováním výrubu (s len ním pr ezu). 9.3.4.3 TBM bez plášt (tzv. otev ený) Obsluha stroje je chrán na st íškou. St edem stroje vede pásový dopravník, na který se rubanina nahrnuje obvodovými lopatkami p i rotaci hlavy p i cca 14 až 16 ot/min. Vrtání musí být p erušeno p i p estavb „ba kor“.

- 142 (171) -


Naprostá v tšina TBM je stav na jako otev ená. Jde o klasický typ pro tvrdé celistvé skalní horniny. Standardn p itom není nutné z izovat v pracovních okruzích stroje žádnou výstroj. Schéma stroje je na obr. 9.65. Konstrukce je z ejmá i z obr. 9.66 a 9.67.

Obr. 9.65: TBM otev ený (bez plášt , bez štítu) [F. Klepsatel a kol., 2002]

Obr. 9.66 a 9.67: Otev ený TBM [foto V. Horák]

- 143 (171) -


9.3.4.4 TBM s jednoduchým plášt m Tento stroj není vybaven vlastními „ba korami“. Je v principu velmi podobný mechanizovanému štítu. Pracuje rovn ž cyklicky. Obezdívka je nezbytná jak z pohledu chování masívu, tak kv li posunu stroje (ten se d je štítovými lisy, které se opírají do diafragmy smontované obezdívky). Definitivní ost ní je standardn provád no ze ŽB dílc v prstencích. Rychlost ražení je oproti p edchozímu typu snížená (postup probíhá v horší geologii a je nutné stav t ost ní). Tento typ stroje je ur en do variabilní geologie – p edevším do prost edí s nebezpe ím vypadávání úlomk do výrubu, viz obr. 9.68 a 9.69.

Obr. 9.68: TBM s jednoduchým plášt m (štítem) [F. Klepsatel a kol., 2002]

Obr. 9.69: TBM s jednoduchým plášt m (štítem) [zdroj www]

9.3.4.5 TBM s dvojitým (teleskopickým) plášt m Tento stroj m že pracovat se stav ním výztuže (jako TBM s jednoduchým plášt m) i bez jejího stav ní (má vlastní „ba kory“, které v takovém p ípad použije) – obr. 9.70 a 9.71. Jde tedy o kombinaci otev eného TBM a štítu. Vrtání i z izování montované obezdívky mohou probíhat soub žn . Pokud není hornina dostate n stabilní pro op ení ba kor, pracuje jako TBM s jednoduchým plášt m, v dobré hornin pracuje jako otev ený TBM.

- 144 (171) -


Obr. 9.70: TBM s dvojitým (teleskopickým) plášt m [F. Klepsatel a kol., 2002]

Obr. 9.71: TBM s dvojitým (teleskopickým) plášt m. Vlevo plášt je patrná „ba kora“ [zdroj www]

9.3.4.6 TBM s rozši ováním pr ezu Prvním postupovým krokem u tohoto typu je vyražení pilotního tunelu. Ten je veden v ose budoucího velkého profilu. Rozši ování pr ezu se pak d je standardn jen v jednom stupni. Jak p i vrtání pilotního tunelu, tak p i rozši ování pr ezu se obvykle jedná o stroj otev ený – obr. 9.72 a 9.73. Tento typ stroje se v zahrani í asto ozna uje pon kud odlišn jako TBE: TBE = Tunnelbohrerweiterungsmaschine (n m.) Tunnel Bore Enlarging machine (angl.). TBM s rozší ením výrubu (TBE) jsou ur eny do prom nných geologických podmínek resp. pro velké pr ezy podzemních d l. Nevýhoda pot eby dvojnásobného pr chodu profilem je kompenzována možností bezprost edního pr zkumu p i první ražb pilotního tunelu menšího Ø. Další výhodou m že být p edstihové zabezpe ení nestabilních úsek p íp. rozší ení takového úseku jiným (konven ním) postupem. Pilotní tunel bývá využit i pro v trání a odvodn ní pro následnou ražbu. Nezanedbatelnou výhodou m že být i možnost p edstihového vyražení komplikovaných objekt v trase (komíny, šachty, kaverny) rozfáráním z pilotní štoly (tunelu). Je-li nutné vestavovat pro zajišt ní definitivního tunelu výstroj, tak se to provádí bezprost edn za zatahovanou krátkou vrtnou hlavou. Tento TBM m že mít velmi výhodn vým nnou vrtnou hlavu v rozp tí Ø až 3÷4 m p i zachování v tšiny stejných agregát .

- 145 (171) -


Obr. 9.72: TBM s rozši ováním pr ezu (TBE) [F. Klepsatel a kol., 2002]

Obr. 9.73: TBM s rozši ováním pr ezu (TBE). Fy Wirth [zdroj www]

9.3.4.7 Výhody ražby TBM Výhody ražení technologií TBM jsou následující: • • •

•

Obvykle je ražení pr m rn cca až 3x rychlejší než konven ní tunelování (obdobn jako p i práci speciálním štítem – viz dále) Okolní masív je ražbou minimáln narušen, ražba je v i hornin velmi šetrná „Nep erušovaný“ (tedy zdánliv nep erušovaný – viz výše) cyklus ražení (24 hod/den, 7 dn v týdnu). Ražení má ovšem adu omezení vyplývajících z nutné údržby stroje, nezbytné vým ny nástroj , odsunu rubaniny, hygienických limit etc. Možnost budování ost ní pod ochranou náv su a za ízeními umíst nými v náv su.

9.3.4.8 Nevýhody ražby TBM • •

Možnost ražby pouze kruhovým Ø, nebo Ø velmi blízkým kruhu Malá flexibilita p i nasazení v rozdílných horninách. B žn se stroj staví „na míru“ dané lokality. Mohou vzniknout potíže p i postupu stroje v blízkosti siln kolísavé báze kvartéru

- 146 (171) -


•

•

Nutnost dobré kvality horniny. P i nízké kvalit horniny hrozí zavalení hlavy, povolení horniny p i rozep ení ba kor i zabo ení vrtné hlavy (stroj jde „na hlavu“, jeho hlava se zabo uje). V sou asnosti je již možné provád t p edstihový vrtný nebo geofyzikální (obvykle seismika) pr zkum p ed vrtací hlavou. Jde nicmén o technicky komplikované ešení, p i kterém je nutné p erušit práci TBM. Totéž platí i pro zlepšení horniny p ed hlavou (nap . injektáží) – obr. 9.74 a 9.75 Vysoká až velmi vysoká po izovací cena celého komplexu. Ta bývá, podle profilu stroje, v ádu 10. až [mnoha] 100. mil. K . Pro ekonomické ražení je tedy zapot ebí nejen vhodná kvalita horninového prost edí, ale p edevším dostate n dlouhá trasa. Jednoduchý diagram porovnávající efektivitu ražení TBM s konven ním postupem používajícím trhací práce vztažený na délku raženého díla je vykreslen na obr. 9.76.

Obr. 9.74: TBM vybavené pro p edstihový vrtný pr zkum [Foster, 1997]

Obr. 9.75: Zlepšení horninového masívu p ed hlavou TBM injektováním. Injektáží trubky musí být (v p ípad , že z stávají ve vrtech) rozpojitelné vrtnou hlavou TBM. Materiál trubek = plast [Maidl, 1999]

- 147 (171) -


Obr. 9.76: Porovnání efektivity ražení TBM s konven ním postupem p i použití trhací práce [D. Kolymbas, 1998]

9.3.4.9 P íklady nasazení TBM

Obr. 9.77: Vereina linie (Švýcarsko) – Zugwald tunel, dl. 2,1 km, Ø 7,64 m (Ø výlomu 46 m2). Hmotnost TBM 700 t, hmotnost náv su 250 t. Celková dl. stroje s náv sem 210 m. El. p ípojka 4 200 kW, p ítlak hlavy 21 000 kN, na hlav 57 valivých dlát. Výkon výlomu je limitován výkonem dopravníkového pásu = 500 m3/hod

Obr. 9.78: TBM pro ražbu tunelu v jižní ásti bázového tunelu Lötschberg, Ø 9,43 m. 60 diskových dlát, p ítlak 16 000 kN, až 6 ot/min, výkon 3 500 kW. Dl. stroje s náv sem 142 m. Projektovaná rychlost ražby 25 m/den. Nejlepší výkon (k 30. 5. 2002) 40,5 m/den

- 148 (171) -


9.3.5 Štítování Vynálezcem razícího štítu byl francouzský inženýr Marc Isambard BRUNEL (1769-1849), p sobící ve Velké Británii – obr. 9.79. Inspirací mu byl údajn mlž skula provrtávající skálu hlavou chrán nou sko ápkou a promazávající si cestu slizem. Zajímavé je, že jeho štít nem l p vodn ani kruhový ani zaklenutý profil (obr. 9.80 a 9.81)

Obr. 9.79: Vynálezce razícího štítu Marc Isambard BRUNEL [zdroj www]

1. štítovaným tunelem realizovaným M. I. Brunelem bylo podtunelování Temže v Londýn . Bylo zahájeno roku 1824 a po 11 pr valech vody (obr. 9.82 a 9.83) a ad zával bylo v roce 1828 p erušeno. Tunel dlouhý 1.100 m, ur ený pro 2 povozy vedle sebe, byl dokon en až v r. 1842 štítem již mechanizovaným. M. I. Brunelovi bylo v té dob již 73 let a tunel dokon il se svým synem (ješt slavn jším inženýrem nežli jeho otec) Isambarem Kingdom Brunelem. Po 20 letech byla do tohoto tunelu umíst na podzemní dráha, která slouží svému ú elu dodnes!

- 149 (171) -


Obr. 9.80 a 9.81: Schéma Brunelova štítu [D. Bennett, 2005 a www]

Obr. 9.82: Ražení tunelu pod Temží v Londýn Brunelovým štítem. Zaplavení tunelu p i pr trži nadloží [D. Bennett, 2005]

- 150 (171) -


Obr. 9.83: Mladý I. K. Brunel v potáp ském zvonu prohlíží pr trž v p ístropí havarovaného tunelu pod Temží. V ele tunelu je havarovaný štít [D. Bennett, 2005]

Štítování je považováno do jisté míry již za „zvláštní metodu ražení“ podzemních d l. Používá se prakticky výhradn pro stavby liniové. Štítování je použitelné do veškerých zemin (i velmi špatných), a dále pro ražení pod hladinou podzemní vody. Pak jde obvykle o štíty uzav ené: pneumatické, bentonitové i zeminové – viz dále. Uzav ené štíty se používají i pro omezení pokles povrchu území b hem ražby. Nasazení štít do poloskalních nebo skalních hornin je t žko zd vodnitelné. Když, tak pouze u velmi zv tralých a/nebo alterovaných hornin, p íp. v bezprost ední blízkosti velmi kolísavé báze pokryv . Profil ražení štítem bývá obvykle kruhový. Nekruhové pr ezy se používají jen zcela výjime n . Zna nou technologickou komplikací je u nekruhových štít velká druhovost díl obezdívky a rovn ž velké potíže p i p ípadném p í ném nato ení štítu.

- 151 (171) -


Jako nekruhové profily mohou být n kdy realizovány: elipsa (ovál), podkova nebo obdélník se zaoblenými rohy – obr. 9.84.

Obr. 9.84: P ípadné nekruhové profily štít

9.3.5.1 Otev ený štít Otev ený štít je silnost nná roura s osazenými štítovými lisy, v p ední ásti opat ená b item. T lo štítu (tj. roura) chrání pracovníky na p ídi p ed zavalením zeminou z nadloží. Takovýto štít je nasazován do nesoudržných zemin vyšší ulehlosti nebo do zemin soudržných tuhé a vyšší konzistence. Pracovišt na p ídi bezprost edn chrání štítek (p edštítek) r zných úprav – obr. 9.85. Štítek však zvyšuje sou asn i odpor proti zatla ování štítu p i jeho postupu. P i postupu štítu se štítové lisy opírají do prstence ost ní zhotoveného v koncové ásti pod jeho ochranou. Každé štítování tedy vlastn upravená PRSTENCOVÁ METODA (viz oddíl 9.2.2).

Obr. 9.85: Zjednodušené schéma štítu [J. Barták – M. Bucek, 1989, upraveno]

Obr. 9.86: Otev ený štít p evážený na podvalníku. Patrný je vnit ní prstenec osazený štítovými lisy [foto V. Horák]

- 152 (171) -


Obr. 9.87: Otev ený štít p evážený na podvalníku. Na b itu štítu jsou patrné desky k p ipažování otev ené elby [foto V. Horák]

V nesoudržných kyprých zeminách je p í pažena p íložným pažením. To se otevírá p i odebírání zeminy za stálého p epažování. Pažení m že být p ípadn kombinováno i s aktivní podporou elními deskami podporovanými lisy – obr. 9.87. elo m že být v nesoudržných zeminách zajišt no i vodorovnými plošinkami (obr. 9.88 a 9.89).

Obr. 9.88 a 9.89: Nemechanizovaný a mechanizovaný štít s vodorovnými pažícími plošinkami na ele [J. Barták – M. Bucek, 1989 a www]

- 153 (171) -


Otev ený štít sestává z následujících ástí zajiš ujících jeho funkce (obr. 9.90): • • •

P ední ást: B it. Jde o ást nejvíce namáhanou, proto pat i n vyztuženou. Umož uje postup štítu p i jeho posouvání p ípadn p edhán ní St ední ást: Nosná. Bývá vyztužená p í nými prstenci a podélnými žebry. U v tších Ø je vybavená pracovními plošinami. P enáší zatížení od horninového tlaku a od štítových lis . M že být i dvoupláš ová Koncová ást: Pod její ochranou se z izuje prstenec. Musí být co nejten í, s p esahem na min. 1/3 délky montovaného prstence.

Obr. 9.90: ásti štítu a postup ražby štítem [K. Ratkovský – I. Kubík, 1989]

Mezi smontovaným ost ním a plášt m štítu v koncové ásti musí být pro vyrovnání sm rových a výškových odchylek, p íp. pro zatá ení, v le cca 0,8 až 1 % vnit ního Ø. Manévrovací schopnost štít není obecn dobrá. Jisté výškové a sm rové ízení je však možné. Pro zachování schopnosti manévru je d ležitý pom r délky štítu ku Ø štítu v jeho rubu. Tento pom r by m l init cca 0,75 (u velkých štít ) a cca 1 (u malých štít ). S ohledem na to, že štíty „nerady“ zatá ejí bývá štítová ražba obvykle navrhována v p ímých liniích se zm nami sm ru v šachtách. P dorys ražby potom bývá polygonální. Z pohledu technologie rozpojování zeminy p i ražb d líme štíty na: Nemechanizované u kterých t žba probíhá ru n (krumpá i, motykami, špi áky, lopatami, sbíjením), výjime n i omezeným trháním Mechanizované u kterých t žba probíhá vestav ným rypadlem nebo frézou, u uzav ených štít potom obvykle rotující hlavou ( ezným kolem) – obr. 9.91 a 9.92.

- 154 (171) -


Obr. 9.91: Ražba mechanizovaným otev eným štítem [Tauber]

Obr. 9.92: Mechanizovaný otev ený štít vybavený rypadlem a osovou t žní frézou

Pracovní fáze štítování lze rozd lit na následující cyklicky se opakující operace: Ražba, tj. rozpojení zeminy a její odsun od ela Výstavba ost ní (obvykle jeho montáž) Aktivace ost ní injektáží mezi rub prstence a horninu. Injektuje se obvykle cementem; m že být použita popílkocementová „pasta“ nebo odd lená injektáž (zafoukání ka írkem a následná injektáž cementem). Injektáž m že být vícestup ová (obvykle 2°). N kdy se pro omezení pokles kladou na horní záv rné klenáky gumotextilní vaky s ventilem, vypl ované injek ní sm sí V celé fázi ražby je štít posouván ( i lehce p edhán n) do ela resp. do prost edí p ed štítem štítovými lisy op enými o poslední prstenec uzav ený pod jeho ochranou.

- 155 (171) -


V R byly štíty v tších Ø nasazeny p i výstavb Metra v Praze. Významné množství staveb bylo v R (i v bývalé SR) realizováno menšími štíty postavenými (a dlouho i používanými) bývalou firmou Ingstav Brno. Jejich parametry, parametry ost ní a parametry odpovídajících (startovacích a cílových) šachet jsou z ejmé z navazují tabulky 9.I. Tab. 9.I: Štíty bývalé fy Ingstav Brno

9.3.5.2 Štítování s podporou výrubu V m kkých i sypkých zeminách je asto p i ražb nutné zajistit stabilitu horninového t lesa podep ením ela. Vedle mechanického zapažení (které je pon kud t žkopádné – obr. 9.87) lze elbu podep ít i p etlakem vzduchu (pneumaticky), bentonitovou suspenzí i vlastní t ženou zeminou ve které probíhá ražení (obr. 9.93).

- 156 (171) -


Obr. 9.93: Rozd lení štít pro ražbu v zeminách a principy podep ení ela [zdroj: asopis Tunel cz, upraveno]

9.3.5.3 Štítování (tunelování) s p etlakem vzduchu (pneumatické tunelování) Pneumatické tunelování je obdobou kesonování. Výrub je v ele (v otev eném nevystrojeném úseku) aktivn podporován p etlakem vzduchu. Pracovní úsek musí být uzav en vzduchot snou p ehrádkou. Aby byl možný pr chod pracovník , odsun rubaniny z ela a p ísun materiálu pro vybudování obezdívky jsou ve vzduchot sné p ehrádce uzavírající p etlakový úsek osazeny tzv. vzdušnice (osobní a materiálová) – obr. 9.94. Pneumatické tunelování bývá (obvykle jako krajní možnost) nasazováno: • Ve zvodn lých píscích a št rcích • Pod vodními toky jako ochrana p ed pr trží vody • V m kkých jílech pro omezení deformací prost edí. Pneumatický štít m že být s ohledem na svou funkci konstruován jako otev ený (obr. 9.94) nebo jako uzav ený (obr. 9.96). Pneumaticky lze tunelovat i bez štítu. Stanovení pot ebného p etlaku vzduchu je pom rn složité a jsou s tím spojena nezanedbatelná rizika: • •

P etlak vzduchu na pracovišti by m l odpovídat p im en (opatrn ) navýšenému hydrostatickému tlaku vody Velké riziko hrozí p i pneumatickém tunelování ve zvodn lých píscích a št rcích p i v tším úniku vzduchu z prostoru ražby do okolí nebo p ed elbu. Vzduch má totiž viskozitu cca 70x nižší než voda, takže hrozí okamžitá pr trž s náhlým únikem vzduchu a následným katastrofálním závalem. Nebezpe í úniku vzduchu snižuje pracovní úsek dlouhý 200 až 300 m, max. až 600 m, s v tší zásobou vzduchu a dále pe livý p edstihový pr zkum p ed elbou.

- 157 (171) -


Obr. 9.94: Otev ený pneumatický štít. Tunel pod Labem v Hamburgu [K. Ratkovský – I. Kubík, 1989]

Obr. 9.95: Možné úniky vzduchu pr trží p i pneumatickém tunelování (štítování) [J. Barták – M. Bucek, 1989]

Mimo ádn nep íznivým faktorem p i pneumatickém tunelování jsou zna ná hygienická rizika pro razi e. T m hrozí tzv. kesonová nemoc. Pracovníci proto musí absolvovat ízené dekomprese p i vystupování z pracovišt ; ty probíhají v osobní vzdušnici. Pracovní doba je omezená jak z pohledu maximální délky vlastní pracovní doby, tak s ohledem na nutnou dobu dekomprese spadající do pracovní doby. Pracovní osádky musí být pod zvýšeným zdravotním dozorem. I vlastní ražba je technologicky komplikovaná odsunem rubaniny a p ísunem materiálu p es vzdušnici. Proto byl zkonstruován uzav ený pneumatický štít (obr. 9.96) u kterého výše uvedené komplikace odpadají. Nicmén ani nasazení uzav eného pneumatického štítu nemusí být prosté komplikací. Tlakový vzduch má tendenci unikat do zadní nep etlakové ásti štítu. Nebezpe í pr trže: nastává p edevším p i revizích a opravách ezného kola. Zásoba tlakového vzduchu v ele je malá takže schází rezerva p i p ípadné pr trži a úniku vzduchu. A p edevším je nesmírn komplikovaný p ístup do ela p i vým n ezných dlát nebo pro odstra ování p ekážek v ražb (balvan , fosilních kmen strom ).

- 158 (171) -


Obr. 9.96: Uzav ený pneumatický štít s p etlakem vzduchu v prostoru razící hlavy a mechanizovanou ražbou [J. Barták – M. Bucek, 1989]

V R nebyly dosud pneumatický štít ani prostá pneumatická ražba (bez štítu) nasazeny. 9.3.5.4 Štítování s podporou ela bentonitovou suspenzí, bentonitový štít (BS Bentonite Shield, Slurry Shield) Bentonitový štít má p i zakládání staveb jistou obdobu v provád ní podzemních st n a pilot pod suspenzí. Bentonitová suspenze proniká v ele štítu do zeminy a vytvá í protiváhu proti zemnímu a hydrostatickému tlaku. Bentonit svou tíhou aktivn tla í na elo proti tlaku zeminy a tlaku vody a tím elo podporuje (obr. 9.97). Dále vytvá í v ele membránu (film). V p ípad nutnosti vstupu do komory pak tento film zabra uje úniku náhradního tlakového vzduchu, který se musí v takových p ípadech použít. Hustota suspenze se volí podle pórovitosti zeminy. Frézové ( ezné) kolo štítu se p izp sobuje otá kami pr niku bentonitové suspenze p ed štít. Otá ky jsou pomalé – 1 až 3 ot/min. Tlak suspenze musí být p ísn kontrolován. V nejhorším p ípad m že dojít, obdobn jako u pneumatické ražby, k protržení nadloží.

Obr. 9.97: Princip podpory ela u bentonitového štítu [J. Barták – M. Bucek, 1989]

- 159 (171) -


Ve sv t se používají dva systémy bentonitových štít : • •

N mecký, kdy tlak suspenze je udržován tlakem vzduchu p sobícího na hladinu bentonitu (obr. 9.97 a 9.98) Japonský, kdy tlak suspenze je udržován erpadlem, tj. regulací p ítoku a odtoku do komory na p í i a z p íd .

Rozpojená zemina se spolu se suspenzí erpá potrubím na povrch. Zde se zemina od suspenze odseparuje sedimentací i na vibra ních sítech. Následuje regenerace bentonitové suspenze a její op tná cirkulace do komory štítu. V prom nné geologii bývají obtíže p i lad ní separa ní stanice. Moderní typy bentonitových štít mají v tlakové komo e vestav n drti na velké valouny a kameny.

Obr. 9.98: Bentonitový štít. N mecký systém. Rozpojování zeminy probíhá frézovým kolem. V komo e m že být vestav na místo frézového kola i TSM fréza [J. Barták – M. Bucek, 1989]

Choulostivým místem bentonitových štít (jako kone n všech uzav ených štít ) je t sn ní jejich koncové ásti. Bývá velmi sofistikované. Opravy i vým na tohoto t sn ní se d jí p i demontáži posledního prstence ost ní a pod ochranou proinjektované i zmrazené zeminy. Jedná se o velmi náro nou operaci.

- 160 (171) -


Obr. 9.99: Bentonitový štít. Japonský systém [J. Barták – M. Bucek, 1989]

V R byly dosud nasazeny bentonitové štíty jen malých pr m r (spíše parametr mikrotunelu) pro ražbu komunálních vodohospodá ských podzemních staveb. 9.3.5.5 Štítování s pažením ela zeminou – zeminový štít (EBS – Earth Balance Shield, EPB – Earth Pressure Balance) Zeminový štít využívá k podpo e ela vlastní zeminu rozpojovanou p i ražení. Zemina rozpojená frézovacím kolem vniká do komory štítu, zde se stla uje a vytvá í protitlak (= pasivní tlak) proti aktivnímu tlaku zeminy a vody z geologického prost edí v ele. Systém funguje proto, že hodnota tlaku na elo (= protitlaku) leží mezi dv ma krajními hodnotami: ppas > p > pakt

(9.1)

Vytvo ený vnit ní protitlak je v komo e monitorován sníma i a podle pot eby je regulován odebíráním zeminy z komory šnekovým dopravníkem (obr. 9.100, 9.101 a 9.102).

Obr. 9.100: Mechanizovaný štít s aktivním pažením ela zeminou [K. Ratkovský – I. Kubík, 1989]

- 161 (171) -


Obr. 9.101: P sobení tlak v komo e zeminového štítu. Zleva: hydrostatický tlak a aktivní zemní tlak. Zprava: pasívní tlak (protitlak) rozvrtané zeminy v komo e [zdroj www]

Obr. 9.102: ez mechanizovaným štítem s aktivním pažením ela zeminou [Herrenknecht]

Potíže mohou nastat p i postupu zeminového štítu na rozhraní dvou dosti odlišných kvalit zeminy (obr. 9.93 uprost ed). N které systémy kombinují tento štít s bentonitovým štítem nebo p idávají do rozpojené zeminy vodu, ímž vzniká suspenze, odt žovaná hydraulicky jako u BS. Do rozvrtávané zeminy jsou p idávány chemické p ísady (p ny a dispergátory) pro její zhomogenizování, snížení t ení a snížení lepivosti. Zeminový štít je konstruk n jednodušší (a rovn ž i lacin jší) než bentonitový. Proto je ve sv t t chto štít používáno v praxi více. Výborným prost edím pro nasazení EPB je jíl. V R nebyl dosud zeminový štít nasazen. 9.3.5.6 Vícenásobné štíty Ve sv t již byly postaveny a nasazeny (resp. navrženy) vícenásobné štíty schopné vyrazit sou asn dva resp. t i soub žné tunely – obr. 9.103 až 9.104. Stejn tak jsou navrženy i komplexy, které mohou m nit sv j Ø. Takovéto e- 162 (171) -


šení m že být technicky a ekonomicky velmi významné nap . p i výstavb podzemních drah. Jedním štítem lze stav t jak tra ový tak i stani ní tunel.

Obr. 9.103: Dvojitý mechanizovaný štít. P í ný ez tunelem. Odvod ovací tunel Chiba, Japonsko [zdroj: asopis Tunel cz

Obr. 9.104: Trojitý štít [zdroj www]

Obr. 9.105 a 9.106: Návrh štít s prom nným profilem [zdroj www] - 163 (171) -


9.3.5.7 Nožový štít Nožový štít bývá n kdy nasazován v zeminách s v tším obsahem valoun , balvan p íp. jiných tvrdých p ekážek (nap . fosilní kmeny strom ) nebo p i pot eb eliminovat deformace v nadloží. Pláš štítu je len n soustavou samostatn (postupn ) vysouvatelných nož tj. pažnic spojených zámky. Tvar nož i zámky jsou podobné št tovnicím „Larsen“. Pažnice (nože) lze do ela hydraulicky zatahovat nebo je i p edhán t a pod jejich ochranou razit. Za štítem bývá nav šeno tažené bedn ní do kterého je z izováno definitivní monolitické betonové (ŽB) ost ní (obr. 9.108). Nožový štít bývá standardn mechanizovaný (obr. 9.109). Tyto štíty mají obvykle pr ez zaklenutého obdélníka mén lu) – obr. 9.107.

asto elipsy (ová-

Obr. 9.107: Pr ezy nožových štít

Nožový štít velkého profilu byl bez v tšího úsp chu nasazen v 90. letech minulého století p i ražb kolektoru Centrum v Praze.

Obr. 9.108: Schéma nožového štítu a navazujících za ízení (náv su) [Subterra]

Obr. 9.109: Nožový štít mechanizovaný rypadlem a p í nou razící frézou [Westfalia Lünen]

- 164 (171) -


9.3.5.8 Vývoj rozm r pr ez štít Dnes jsou ve sv t b žné štíty o Ø 10 m. P itom takový rozm r byl až donedávna považován za rekordní. Vývoj maximálních rozm r štít je velmi prudký: Japonsko (tunel pod Tokijskou zátokou): Ø 14,14 m [1989 – 1997] SRN (Hamburg, 4. tunel pod Labem): Ø 14,2 m [1999 – 2004] USA (tunel pod Niagarskými vodopády): Ø 14,4 m [2005 – 2009] Špan lsko (Madrid, metro): Ø 15,3 m [sou asnost] ína (Šanghaj, silni ní tunel dl. 14 km): Ø 15,4 m [sou asnost]. Za naprostou technickou hranici rozm ru štítu je považován Ø n kde ke 20 m! [M. Herrenknecht, 2007]

- 165 (171) -


9.3.6 Speciální technologie výstavby tunel 9.3.6.1 Metoda obvodového vrubu (metoda „Perforex“, také metoda p ed ezu i metoda p edklenby) Po átky této metody lze dohledat ve Francii v roce 1969. Je vhodná p edevším do zemin jako i do slabých a poloskalních hornin, p edevším p i nízkém nadloží a dále i pro omezení deformací v nadloží. Po kulise odpovídající profilu tunelu jezdí et zová pila s tvrdokovovými roubíky a vy ezává po obvodu vrub tlouš ky 10 až 20 cm a hloubky 3,5 až 5 m. Vrub se manipulátorem vypl uje (obvykle po jednotlivých lamelách v plášti prstence obezdívky) urychlovaným SB (p íp. drátkobetonem). Vybetonovaný vrub lze jen velmi obtížn vyztužovat, i když i to je možné. Takto vytvo enou obezdívku lze podepírat vnit ní skruží umis ovanou do úžlabí pod p ekrytím lamel. Profil nelze uzavírat rozep ením v po v bezprost edn po každém záb ru. Pokud se uzav ení profilu provádí, tak s jistým zpožd ním a p edevším na úkor rychlosti postupu. Jednotlivé záb ry se p ekrývají, proto jsou mírn odklon ny nahoru od horizontály, záb r se odt žuje v celé ploše. elo výlomu lze stabilizovat st íkaným betonem nebo kotvením (plastovými kotvami). Na každý tunel se staví vrubovací stroj „na míru“ – schéma vrubovacího stroje je na obr. 9.110, postup výstavby je z ejmý z obr. 9.111. Ost ní z ízené touto metodou je z pohledu své funkce obvykle provád no jako primární.

Obr. 9.110: Metoda Perforex. Vrubovací stroj [Bec Frères]

Obr. 9.111: Metoda Perforex. Postup výstavby ost ní. Op ry jsou pro zvýšení stability obezdívky p ikotveny [Bec Frères SA]

Vrubovací stroj byl R nasazen p i ražb tunelu B ezno u Chomutova (svými 1.758 m nejdelší tunel D). Dne 5. 5. 2003 došlo na stavb (po vyražení již cca

- 166 (171) -


800 m touto metodou) k závalu a tunel byl dokon en v r. 2007 konven ním ražením NRTM. 9.3.6.2 Kesonování Kesonování je zvláštní metodou pro výstavbu n kterých m lkých podzemních staveb (stanic podzemních drah, garáží, p echodových úsek navazujících na tunely budované jinými postupy) v extrémn špatné geologii (nap . v propustných zeminách pod hladinou [podzemní] vody, v bezprost ední blízkosti ek apod.). Postup výstavby je odvozem od metody speciálního zakládání staveb (nap . mostních pilí ), v sou asnosti však používané již pom rn z ídka, a to pro technologickou náro nost a p edevším pro hygienická rizika – viz pneumatické tunelování. M lký tunel je z izován postupným spoušt ním jednotlivých sekcí, které jsou p ípadn skuplovány do tunelové roury. P íklady kesonovaných tunel jsou uvedeny na obr. 9.112 a 9.113. Dnes jsou již vyvinuty a používány metody výstavby tunel , které mohou kesonování vícemén úsp šn nahradit (nap . speciální štíty). V R nebyla dosud tato technologie výstavby podzemních staveb použita.

Obr. 9.112: P í ný ez tunelu z ízeného kesonováním pod ekou Seinou v Pa íži (tra Express Regional) [F. Klepsatel, 1990]

- 167 (171) -


Obr. 9.113: P í ný ez kesonované stanice metra Hibiya (Japonsko). 1...silni ní tunel, 2...podchod pro p ší, 3...stanice metra, 4...navážky, 5...m kký silt, 6...prachovitý jíl, 7...jíl, písek, št rk [F. Klepsatel, 1990]

9.3.6.3 Naplavování Výstavba tunelu naplavováním se realizuje obvykle ve státech s tradicí stavby lodí, tam, kde jsou k dispozici rozsáhlé doky. Naplavované (m lké) tunely se z izují asto v ústí velkých splavných ek. V detailu lze rozlišit Evropskou a Americkou metodu naplavování. Postup výstavby (Evropskou) Holandskou metodou lze shrnout do následujících krok : 1. V suchém doku jsou postaveny dílce budoucího tunelu. Po dokon ení jsou jejich ela uzav ena tzv. diafragmou (tj. ocelovým plechem) a opat ena vyvažovacím vodním balastem 2. Suchý dok je otev en a zaplaven 3. Uzav ené a vyvážené dílce plavou. Jsou taženy remorkéry na místo osazení. Zde jsou potopeny zaplavením vnit ních prostor vodou do upravených rýh ve dn , na p edem p ipravené úložné prahy 4. Posledním krokem je skuplování jednotlivých dílc . Vy erpáním vody z prostoru mezi dv ma uzavíracími diafragmami vznikne podtlak a tím se zajistí funkce t snících prstenc mezi díly. Skuplované díly jsou p ikotveny ke dnu. Pro zajišt ní jejich polohy a ochranu t lesa tunelu p ed poškozením plavbou následuje p esypání balastem i p ebetonování. Posledním krokem je vy erpání vody z tunelu (obr. 9.114 až 9.116). V R, v Praze, byla touto technologií z ízena trojshybka hlavní kanaliza ní stoky K pode dnem Vltavy.

- 168 (171) -


- 169 (171) -


Obr. 9.114 až 9.116: Naplavovaný tunel pod ústím Labe v Hamburgu. Postup výstavby. Podélný a p í ný ez [F. Klepsatel, 1980, 1998]

9.3.6.4 Vysouvání Vysouvání tunel je do jisté míry variantou naplavování. V suchém doku je zhotoven tubus tunelu. Jeho elo je uzav eno, t leso tunelu je vyváženo vodním balastem a dok je zaplaven. Místo plavení za tažnými remorkéry je tunel vysouván tažením z prot jšího b ehu eky. Po vysunutí je tunelová roura spušt na p itížením vodním balastem z pomocného nosného pontonu do p edem vybagrované rýhy a zajišt na stejn jako naplavovaný tunel – obr. 9.117 až 9.119. První v bec vysouvaný tunel na sv t byl realizován v Praze p i výstavb prodloužení trasy Metra C p i p ekonání toku Vltavy v Tróji.

Obr. 9.117: Vysouvaný tunel Metra v Praze. P í ný ez a usazení tunelu v kone né poloze [Metrostav] - 170 (171) -


Obr. 9.118: Vysouvaný tunel Metra v Praze. Hmotnost tubusu 6 700 tun, hmotnost ve vod vyvážená na 70 tun. Vn jší rozm ry 6,48 x 6,48 m, tlouš ka st n 0,73 m. Délka tubusu 168 m, doba výsuvu 9 hod. Sm rové zak ivení tunelu 750 m, výškové zak ivení 3 800 m [Metrostav]

Obr. 9.119. Vysouvaný tunel Metra v Praze. Letecký pohled na suchý dok s dokon eným tubusem tunelu [Metrostav]

Studijní opora pokra uje modulem BF06-M02 - 171 (171) -

VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V BRN FAKULTA STAVEBNÍ PODZEMNÍ STAVBY MODUL BF06-M01 PODZEMNÍ STAVBY

Recommend Documents