VÝSTAVBA TUNELŮ V ČÍNĚ

VÝSTAVBA TUNELŮ V ČÍNĚ B. Yun & W. Shaochun Univerzita Tongji, Čína Abstrakt: Tunelování v Číně se pozoruhodně rozvinulo a je stále ve stavu konjunktury. Tento příspěvek nejprve představí celkový vývoj tunelového stavitelství v Číně. Za druhé ilustrujeme technické vlastnosti konvenčních ražeb, strojních ražeb a staveb ponořených tunelů používaných v Číně. Za třetí uvádíme hlavní stavební metody používané na třech převratných tunelových stavbách – tunel Shanghai Yangtze River, HZMB Tunel a tunel Xiamen Xiang’an. Nakonec hovoříme o hlavních problémech, kterým tunelové stavby čelí. Klíčová slova: tunel pod řekou; podmořský tunel; konvenční ražba; strojní ražba; provádění ponořených tunelových trub; mezníky tunelů.

1. ÚVOD Tunely se v Číně užívají již od starověku. Tunel Karez, který lze vysledovat až v dynastii Západní Chan před více než 2200 lety, byl vybudován za účelem zavlažování (viz obr. 1). Tunel Shimen vybudovaný v dynastii Východní Chan asi před 2000 lety je první dopravní tunel v Číně. Moderní výstavba tunelů ale v Číně začala později (viz obr. 2). První železniční tunel je tunel Badaling na trati mezi městy Jing a Zhang, který byl dokončen v roce 1908. S rychlým sociálním a hospodářským rozvojem od osmdesátých let minulého století se vybudovaly tisíce tunelů a tunelářské technologie se rychle rozvinuly. Přitom se stavby tunelů s jedinečnou výhodou šetření pozemních zdrojů stávají stále populárnější. Aby se vyhovělo budoucím sociálním a hospodářským potřebám a požadavkům životního prostředí, je mnoho tunelů ve fázi výstavby nebo plánování. Tento příspěvek za prvé představuje celkový rozvoj tunelového stavitelství v Číně, včetně silničních tunelů, železničních tunelů, tunelů pro podzemní dráhy a dalších. Za druhé se v tomto příspěvku představují tři hlavní tunelovací metody. Za třetí se v něm ilustrují některá klíčová technická řešení na stavbách tunelů – mezníků, aby se předvedl rozvoj poslední technologie stavby tunelů. Nakonec se v něm předkládají budoucí tunelové projekty a stručně se pojednávají hlavní problémy budoucích tunelů.

Obrázek č. 1: Tunel Karez

Obrázek č. 2: Tunel Shimen

2. VÝVOJ TUNELOVÉHO STAVITELSTVÍ V ČÍNĚ 2.1. SILNIČNÍ TUNELY Silniční tunely se v Číně prudce rozvíjejí od roku 2000. Podle statistiky ministerstva dopravy [1] dosáhl do konce roku 2014 celkový počet 12.404 a jejich celková délka 10.756 kilometrů. Tento počet a délka

takových tunelů jsou největší na světě. Od roku 2006 do roku 2014 byl průměrný roční nárůst celkové délky a počtů takových tunelů 53,8 % respektive 25,3 %, jak je znázorněno na Obr. 3. Silniční tunel Zhongnanshan dokončený v roce 2007 je se svou délkou 18,04 kilometrů nejdelší dvoutrubní silniční tunel na světě a nejdelší tunel v Asii. Silniční tunel Changlashan dokončený v roce 2015 je v největší tunel v nadmořské výšce 4500 metrů. Silniční tunel Niutoushan dokončený v roce2013 má největší příčný profil mezi jednosměrnými čtyřpruhovými silničními tunely v Číně 243,5m2. 14000

Mileage(km)

Number

12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

2013

2014

Obrázek č. 3: V ýstavba silničních tunelů v Číně od roku 2006 do roku 2014

Čína také během uplynulých 40 let vybudovala mnoho tunelů pod hladinou vody, zvláště ve velkoměstech jako je Šanghaj, Nanjing a Wuhan. Silniční tunel Dapu, který byl postaven nejdříve, byl postaven v Šanghaji v roce 1970. Od té doby se stal tunel Zhujiang postavený v roce 1994 prvním pevninským ponořeným tunelem. Tunel Xiang’an postavený v roce 2010 je první podmořský silniční tunel budovaný pomocí trhacích prací (Drill&Bast Method). Některé další známé tunely budované pod hladinou vody jsou uvedeny v Tabulce 1. Po zavedení plnoprofilových tunelovacích strojů, technologie štítování a stavby ponořených tunelů se bude stavět ve městech nebo mezi nimi stále více silničních tunelů pod hladinou vody. Tabulka 1 Známé silniční tunely budované pod vodou v Číně

1

Tunel Jiaozhouwan

Qingdao

7800

2011

Stavebnı́ metoda Vrtno-trhacı́

2

Tunel Shanghai Yangtze River

Shanghai

8955

2009

SP tı́t

3

Tunel Nanjing Yangtze River

Nanjing

6042

2010

SP tı́t

4

Tunel Yangtze River

Wuhan

3630

2008

SP tı́t

5

Tunel Jungong Road

Shanghai

2050

2011

SP tı́t

6

Tunel Shangzhong Road

Shanghai

2800

2008

SP tı́t

7

Silnič nı́ tunel Dalian

Shanghai

2500

2003

SP tı́t

8

Tunel Bund

Shanghai

2880

2003

Ponloř ená trouba

9

Tunel Changhong

Ningbo

1053

2002


10

Tunel Cross Habour

Hongkong

1860

1972


CP .

Jmé no

Mı́sto

Dé lka(m)

Rok vý stavby

2.2. ŽELEZNIČNÍ TUNELY Železniční tunely se začínají stavět na konci 19. století, tedy daleko později než v západním světě. Před rokem 1949 byl celková délka a počet železničních tunelů 156,34 kilometrů respektive 665. Podle statistiky Národního železničního úřadu do konce roku 2013 dosáhla délka 82.717 kilometrů a počet tunelů 9.476, což je opět světový rekord tohoto období [2]. Od začátku 21. století, od roku 2000 do roku 2013, dosáhla průměrná roční rychlost nárůstu celkové délky a počtu silničních tunelů 14,6 % respektive 7% (viz obr. 4).

12000 Number

Mileage(km)

10000 8000 6000 4000 2000 0 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013

Obrázek č. 4: Vývoj výstavby železničnívh tunelů od roku 2000 dlo roku 2011

Čína za léta vybudovala mnoho známých a náročných železničních tunelů. Železniční tunel Xinguanijao dokončený v roce 2014 je se svou celkovou délkou 32,6 kilometrů nejdelší jednokolejný železniční tunel v Číně. Železniční tunel Shilin dokončený v roce 2013 je s délkou 18,2 kilometrů nejdelší dvoukolejný železniční tunel v Číně. Železniční tunel Kunlunshan dokončený v roce 2002 je nejdelší a největší tunel postavený v oblasti náhorní plošiny s věčně zmrzlou půdou. Železniční tunel Fenghuoshan dokončený v roce 2003 se nalézá na tibetské náhorní plošině Qinghai s nejvyššíi nadmořskou výškou 4905 metrů, což je opět světový rekord. Stavba Čínské vysokorychlostní železnice (CHFR) započala stavbou první vysokorychlostní železnice (HSR) známé jako železnice Qinhuangdao-Shenyang pro osobní dopravu v roce 1999. Od té doby prožívá železnice HSR konjunkturu a železniční tunely těchto staveb hrály důležitou roli v kříženích hor a řek. Statistiky posledních klíčových vysokorychlostních železnic (HSR) jsou obsaženy v Tabulce 2. Do roku 2020 přesáhne celková délka vysokorychlostních tratí v Číně 20.000 kilometrů, s kompletní sítí, která spojí všechna provincionální hlavní města a velká města s počtem obyvatel přes pět milionů, viz obr. 5. Tabulka 2 Rozvoj tunelů na vysokorychlostních železničních tratích v Číně Segment HSR

Celková dé lka (km)

Celková dé lka tunelu (km)

Celkový počet tunelů

Dé lka tunelů / Pomě r celkové dé lky (%)

Rok stavby

Wuhan-Guangzhou

968

179

237

18,5

2009

Zhengzhou-Xi’an

485

77

38

15,9

2010

Guangzhou-Shenzhen -Hongkong

242

33

26

13,6

2018 (oč eká vaný )

Shijiazhuang-Taiyuan

191

75

32

39,3

2009

Hangzhou-Ningbo

150

13

9

8,7

2013

Xiamen-Shenzhen

502

133

74

26,5

2013

Fujian-Xiamen

296

25

24

8,4


Hefei-Wuhan

360

64

37

17,8

2009

Baoji-Lanzhou

401

272

74

67,8


Obrázek č. 5: Celkové plánování vysokorychlostní železniční sítě v Číně (Zdroj: https://en.wikipedia.org/wiki/High-speed_rail_in_China)

2.3. MĚSTSKÁ PODZEMNÍ DRÁHA V roce 1969 vybudoval Peking první městskou podzemní dráhu v Číně. Byl následován Hong Kongem a městem Tianjin v roce 1980 respektive 1984. Do konce roku 2014 je celková provozní délka městských podzemních drah 2361 kilometrů, což činilo 74,4 % čínských železničních dopravních systémů. Do konce roku 2014 byl počet měst s podzemní dráhou 22 a dalších 15 měst je schváleno pro budoucí projekty. Významné je, že provozní délka stávajících systémů v Šanghaji i Pekingu již přesáhla 500 km. Na Obr. 6 je provozní délka a počet měst, která vybudovala městskou podzemní dráhu do roku 2014. Stávající systém ale stále není schopný uspokojit nároky městské hromadné dopravy, obzvláště ve velkoměstech jako je Šanghaj a Peking. Porovnáním městských železničních dopravních systémů plánovaných do roku 2020 se stávajícím systémem z roku 2014 lze snadno dospět k závěru, že více jich bude teprve vybudováno (viz obr. 7). 2500

25 Operating mileage(km)

Number of cities

2000

20

1500

15

1000

10

500

5

0

0 2010

2011

2012

2013

Obrázek č. 6: Délka a počet tunelů v provozu v čínských městech do roku 2014

2014

1400 1200 1000 800 600 400 200 0 Shanghai

Beijing

Nanjing

Existed urban rail transit operating mileage(km)

Wuhan

Guangzhou

Shenzhen

Tianjin

Planned urban rail transit operating mileage(km)

Obrázek č. 7: porovnání stávající a plánované délky provozovaných městských železničních tratí v hlavních městech v Číně

2.4. TUNELOVÉ VODNÍ PŘIVADĚČE Aby se ulevilo nedostatku vody a elektřiny v severní Číně se v uplynulých 60 letech vybudovalo mnoho staveb pro převedení vody a podzemních vodních elektráren. Podle neúplných statistik se do konce roku 2013 dokončilo přes 10.000 kilometrů tunelových vodních přivaděčů a přes 3.000 podzemních vodních elektráren. Navíc je ve výstavbě nebo se plánuje přes 3.000 km tunelů pro vodní elektrárny [2]. Tunelové převedení vody z jihu na sever je pravděpodobně největší stavba pro převedení vody na světě. Náročná stavba 3,48 km dlouhého tunelu křížení Žluté řeky (Yellow River Crossing Tunnel) na středním úseku trasy stavby převedení vody z jihu na sever (South-to-North Water Diversion Project) byla dokončena v roce 2010 (viz obr. 8). Obzvláště dlouhý tunel Qinling pro převedení vody na stavbě Hanjiang-Weihe Water Diversion Project bude s délkou 81,8 km nejdelší tunel pro převedení vody v Asii. Mnoho staveb pro převedení vody, například stavba Datonghe-Huangshuihe a stavba pro převedení vody Hongyanhe-Shitouhe, jsou ve výstavbě.

Obrázek č. 8: Tunel křížení Žluté řeky (Yellow-River Crossing Tunnel)

2.5. DALŠÍ TUNELY Kromě silničních a železničních tunelů a tunelových vodních přivaděčů se v Číně staví i jiné druhy tunelů, jako jsou městské vodárenské tunely, odvodňovací tunely, tunely pro potrubí a důlní tunely. Například v roce 2012 vybudovala Šanghaj vodárenský tunel křížící řeku s délkou v jednom směru 7,23 kilometrů, který dopravuje vodu z nádrže Qingcaosha do středu města [3]. Město Guangzhou navrhlo v roce 2012 koncepci výstavby prvního hlubokého odvodňovacího tunelu v Číně v hloubce 40 metrů pod zemí. S prudkou urbanizací bude v budoucnosti potřeba stále více tunelů s různými účely.

3. STÁVAJÍCÍ STAV TUNELOVACÍCH METOD V ČÍNĚ 3.1. KONVENČNÍ TUNELOVACÍ METODY Konvenční tunelování se také v různých zemích označuje jako důlní tunelování nebo vrtno-trhací (Drill & Blast) tunelování nebo NRTM, metoda stříkaného betonu, sekvenční metoda ražby, observační metoda, Italská tunelovací metoda a Norská tunelovací metoda. Konvenční tunelovací metoda má nejdelší historii a užívá se téměř na 90 % čínských tunelů. Tunel Dayaoshan postavený v roce 1987 je zlomový tunel pro který byla přijata koncepce NRTM a použití moderních strojů ve velkém měřítku. Od té doby se takových konvenčních tunelů staví stále více. Například tunely Xiangyin a Jiaozhou Bay vybudované v roce 2005 respektive 2011 jsou první a druhý tunel postavený pod hladinou vody pomocí konvenční tunelovací metody. Tunel Shilin postavený v roce 2013 je nejdelší tunel postavený konvenční metodou v krasu. Tunel Meilinguan postavený v roce 2013 je nejdelší tunelový plynovod v Číně. Z čínského předpisu a projekčních výkresů uvidíme, že: 1) Pevnost horniny je rozhodující faktor pro proces ražby tunelů; 2) Tuhé tunelové ostění namísto pružného vystrojení je preferované většinou čínských projektantů tunelů. 3.1.1. Představení čínského předpisu (a jeho rozdílů od Q systému) Při posuzování kvality hornin a řízení projektu a provádění tunelů se široce přijímá inženýrská klasifikace hornin. Základní faktory při klasifikaci jsou pevnost horniny, celistvost horniny, stav diskontinuit a podzemní vody. I když jsou základní faktory u většiny klasifikací stejné, odlišují se vzájemně různými komplexními hodnotícími indexy kvality horniny. Kvalita horniny se v čínském předpisu (GB 50218-94) považuje za související nejenom pouze s pevností horniny a její celistvostí, ale i s podzemní vodou, plochami oslabení a napětí in-situ. BQ, znamenající „Index základní klasifikace horniny“ je vyjádřen takto: BQ = 90 + 3 = Kde

+ 250

(3 − 1)

(3 − 2)

představuje jednoosou pevnost v tlaku horniny, je součinitel netknutosti horniny, je rychlost podélného pružného vlnění v hornině a je rychlost podélného pružného vlnění v nedotčené hornině.

[BQ] znamenající „Modifikovanou základní kvalitu“ se používá na další posuzování vlivu podzemní vody, neúnosné základové spáry a napětí in-situ. BQ je vyjádřeno jako: BQ = BQ − 100( kde

+

+

) (3 − 3)

představuje korekci na podzemní vodu v rozsahu 0 až 1,0; představuje korekci na rovinnou orientaci podzemní vody v rozsahu od 0 do 0,6; představuje korekci na napětí in-situ v rozsahu od 0,5 do 1,5.

Odpovídající třída horniny po výpočtu je uvedena v tabulce 3

Tabulka 3: Klasifikace hornin s použitím čínského předpisu[4] Tř ı́da horniny

BQ/[BQ]

Rychlost Vpm(km/s)

I

>550

>4,5

II

550b 451

3,5~4,5

III

450b 351

2,5~4,0

IV

350~251 ≤250

1,5~3,0

V VI

1,0~2,0 <1,0(pro vodou nasycenou zeminu<1,5)

Z výše uvedeného vidíme, že odlišné posouzení pevnosti horniny a spolupůsobení mezi konstrukcí tunelu a okolní horninou podle čínského předpisu. Z porovnání čínského předpisu a Q systému vyplývají následné rozdíly: 1) Z důvodu prostého přidání do čínského předpisu hraje vzorec (3-1,3-2,3-3) a pevnost horniny dominantní roli při klasifikaci horniny. Dá se velmi omezeným způsobem kompenzovat pouze nespojitostí horniny. Přitom v Q systému určuje klasifikaci kombinace všech souvisejících parametrů. V Q systému nebo RMR systému je přikládána velká důležitost poruchám horniny. 2) V důsledku toho se v Číně široce používá metoda tuhého ostění. Například se pro systém vystrojení tunelů běžně užívá vystrojení pomocí rámů z I-profilů a horninových svorníků.

Ob rázek č. 9: I profil nosníku

Obrázek č. 10 Figure 10: Horninové svorníky pod protiklenbou tunelu

3.2. METODA STROJNÍ RAŽBY (PLNOPROFILOVÉ TUNELOVACÍ STROJE, TBM) Strojním ražbám se také říká plnoprofilové štítování. Plnoprofilové tunelovací stroje (TBM) se v Číně rozsáhle používají pro ražení tunelů v různých horninových a zeminových podmínkách. Tunel Qinling dokončený v roce 2000 je první tunel ražený pomocí TBM v Číně; Tunel Schiziyang dokončený v roce 2011 je první podmořský tunel vybudovaný štítováním; Šanghajský tunel přes Žlutou řeku (Shanghai Yangtze river tunnel), tunel přes Žlutou řeku ve městě Nanjing a tunel přes Žlutou řeku ve městě Wuhan jsou všechny postaveny metodou štítování. Kromě toho se metodou štítování postavilo mnoho tunelů budovaných pod hladinou vody, tunelů městských podzemních drah, důlních tunelů a multicipálních tunelů. Například Šanghaj metodou štítování vybudovala mnoho městských tunelů pod hladinou vody za účelem ulehčení tlaků na městskou dopravu (viz obr. 11). O zkušenostech a rozvoji klíčových vazeb u metod strojích ražeb se pojednává dále.

Obrázek č. 11: rozvoj tunelů budovaných pod hladinou vody v Šanghaji

3.2.1. Stavba a výběr plnoprofilových tunelovacích strojů (TBM) Tunely ražené plnoprofilovými tunelovacími stroji se v Číně široce používají do různých geologických a geotechnických podmínek. Tyto stroje zahrnují stroje s otevřeným čelem, stroje s jednoduchým štítem, stroje s dvojitým štítem do skalních hornin a zeminové štíty, bentonitové štíty a stroje do smíšených poměrů v zeminách. Typické horniny a typy razicích štítů ve velkoměstech jsou ukázány v Tabulce 4. Tabulka 4 Typické horniny a výběry plnoprofilových tunelovacích strojů v čínských velkoměstech Typická hornina

Vý bě r š tı́tu

Velkomě sta

Mě kký jı́l

zeminový

SP anghaj, Hangzhou, Nanjing, Suzhou

Pı́sč itý š tě rk

zeminový, s otevř ený m č elem

Beijing, Chengdu, Shenyang, Harbin

Smı́šené podmı́nky

vı́ceú č elový

Guangzhou, Shenzhen

Tvrdá hornina

tunelovacı́ š tı́t

Qingdao, Dalian, Chongqing, Xiamen

Spraš , rozpı́navá zemina

zeminový, s otevř ený m č elem

Xi’an, Hefei, Lanzhou

Stavba plnoprofilových tunelovacích strojů se v posledních 15 létech rychle vyvíjela a stává se plně domácí a smíšenou. Například razicí štít „Xianxing“ s průměrem 6,534 m vyrobený v roce 2004 je první doma vyrobený zeminový štít; razicí štít „Jinyue“ postavený v roce 2009 je první bentonitový štít s průměrem 11,22 metrů; štít „China Railway No.1“ postavený v roce 2008 pro železnice je první víceúčelový štít s průměrem 6,39 metrů; první štít s otevřeným čelem s průměrem 7,93 metrů byl postaven v roce 2014; první duální stroj s jedním štítem pro šikmou šachtu s průměrem 7,6 metrů byl postaven v roce 2013. Dále byl v Číně vyvinut i nekruhový tunelovací štít. Největší obdélníkový razicí štít domácí výroby s průřezem „10.13m×7.27m“ byl vyroben v roce 2013. První eliptický štít „Yangming“ byl vyroben v roce 2015. 3.2.2. Startování a příjezd Konstrukce pro startování štítu a příjezd do cíle jsou dvě nejrizikovější etapy celého tunelovacího procesu. Během těchto etap dochází k téměř 70 % nehod při ražbách. Razicí štít normálně startuje ze šachet nebo stanic a dojíždí do nich. S rostoucími omezeními vztahujícími se k ochraně životního prostředí, dopravě, prostoru na povrchu země a časovému plánování se používají nové technologie pro statování a dojezd strojů. Například v písčitých zeminách s vysokým hydrostatickým tlakem se pro přijetí příjezdu stroje používá instalace ocelového válce. Tam, kde se nedají použít metody zlepšování zemin se štít přijímá pod vodou; k osvětlení startovací šachty se používá technologie průniku štítu (Ground Penetrating Shield, GPST). Při startování a příjezdu štítů je velmi důležité i zlepšování zeminy v oblasti budoucího průchodu ražby tunelu portálovou stěnou - z měkčího betonu. Odvodňování, mísení in-situ a zmrazování jsou v současné

době nejoblíbenější metody zlepšování zemin. Toto jsou klíčové body při zlepšování zemin pro bezpečný start a dojezd: 1) Přednost při upravování zemin, zvláště v písčitých formacích, musí mít odvodňování； 2) Pro zastavování vody v píscích by se neměla používat trysková injektáž; 3) Zmrazování je spolehlivá metoda, ale měla by být sporná v šachtách hloubených metodou kesonování pod přetlakem, protože vzduch obsažený v hornině se nedá upravovat. 3.2.3. Ražba štíty, ukládání segmentů a výplňová injektáž Aby se minimalizovaly účinky ražby ne okolní vrstvu, budovy a další infrastrukturu, měla by se při ražbě štítem pečlivě kontrolovat stabilita čela výrubu. Detailní kontrola parametrů ražby štítem by měla být určena podle geotechnických podmínek, výšky nadloží, okolního prostředí a tak dále. Mimořádně velké tunely ražené štíty pod hladinou vody se normálně staví pomocí víceúčelových štítů. Přístup k ražbám pomocí štítů by se také měl pečlivě kontrolovat, aby nedocházelo k velkým odchylkám od projektované osy tunelu. Odchylka by měla být omezena na ±50 mm po dokončení montáže koncového dílu štítu[5]. Velká odchylka od projektované osy tunelu vede k „esíčkovým“ tunelům, což může způsobit uvíznutí štítů a dokonce i poškození koncového těsnění a dílců ostění. Přístup k ražbě štítem je ovlivněn hlavně heterogenní geologií, vlastní hmotností štítu, jeho provozním personálem a řídícím systémem. Projekt skládaného ostění je pro kvalitu štítem ražených tunelů velmi důležitý. V Číně se užívají hlavně dva typy prstenců skládaného ostění: 1) Univerzální prstenec z dílců; 2) Obyčejný prstenec z dílců (“Prstenec pro levostranný oblouk“, „Prstenec pro pravostranný oblouk“ a „Standardní prstenec“). Ten první se stává populárnější, protože se lépe vyrovnává s projektovanou osou tunelu a jeho kvalita je lepší. Výplňová injektáž pomáhá kontrolovat sedání povrchu terénu a zlepšovat mechanické chování konstrukce ostění během ražby tunelu. Injektážní metody, materiály a parametry by se měly pečlivě vybírat při ražbách různých tunelů štíty. K rychlému vyplnění mezery mezi koncovou obálkou a výrubem se široce používá synchronní injektáž přes koncovou obálku. Nejběžnější metoda používaná v Číně je injektáž směsi jednou trubicí snadným injektážím postupem, zatímco injektáž se dvěma trubicemi se používá též pro počáteční pevnost. 3.3. TUNELOVACÍ METODA S PONOŘENOU TROUBOU Ponořené tunely se skládají z prefabrikovaných úseků uložených v rýhách vyhloubených pod vodou v říčním nebo mořském dně. Tunel napříč přístavem v Hong Kongu (The Hong Kong Cross-Harbour Tunnel) byl první ponořený tunel dokončený v Číně v roce 1972. Před 21. stoletím již Hong Kong vybudoval 5 ponořených tunelů. Tunel Guangzhou Zhujiang dokončený v roce 1994 je první ponořený tunel na pevnině. Tunel na vnějším okruhu Šanghaje (the Shanghai Out-Ring Tunnel) byl vybudován pod řekou Hangpu v roce 2003. 3.3.1. Výroba prefabrikovaných prvků Prefabrikované prvky se vyrábějí mimo staveniště, obvykle v loděnici nebo suchých docích. Existují ale tři typy tunelových prvků (ocelové, železobetonové a kombinované). Železobetonový prvek se použil na všech stávajících ponořených tunelech na čínské pevnině. Normálně se tunelové prvky betonují jeden po druhém ve sledu betonování „nejprve deska dna, boční stěny a naposledy stropní deska“. U dlouhých tunelů jako je tunel HMZB (Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge ) se pro zvýšení produktivity a kvality budovaly výrobny prefabrikátů. 3.3.2. Základy tunelů Základy tunelů se dají rozdělit na základy z čerpaného písku, základy ze štěrku s povrchem z potěru, základy z injektáže maltou a pilotové základy. Způsob zakládání by se měl volit v souladu s geotechnickými podmínkami a prostředím. Přehled druhů základů u čínských ponořených tunelů je uveden v Tabulce 5. Založení na pilotách je nejspolehlivější, co se týká řízení sedání. Základy z čerpaného písku byly použity u tunelu přes Perlovou řeku a na tunelech na Vnějším okruhu pro jednoduchost jejich provádění. Základy z čerpaného písku ale nemusí být vhodné v oblastech náchylných k zemětřesení. Metoda injektáže se dá

použít uvnitř tunelové trouby a není ovlivněna venkovním počasím a přílivovými pohyby. Negativní aspekt této metody je zdvihací účinek injektáže. Tabulka 5 Založení hlavních ponořených tunelů v Číně Jmé no stavby

Mı́sto

SP ı́řka tunelu (m)

Založ enı́

Tunel př es Perlovou ř eku

Guangzhou

33

CP erpaný pı́sek

Tunel př es ř eku Yong Tunel Changhong

Ningbo Ningbo

11.9 26.3

Injektá ž maltou Piloty

Tunel na Vně jš ı́m okruhu

Shanghai

43

CP erpaný pı́sek

Tunel HZMB

——

37.95

SP tě rkové lož e

3.3.3. Spouštění a usazování Spouštění a usazování prvku je ovlivňováno a omezováno mnoha faktory (např. prostředím, naváděním, zařízením, samotným prvkem apod.)[6]. Ty by se při zvažování stavebního schématu výběru způsobu spouštění a usazování prvku měly brát v úvahu. Obecně se na spouštění prvků používají hlavně účelové katamarány a pontony s pískem. Ty první jsou na velké a střední prvky. Během procesu spouštění a usazování prvku by měla stanice průběžně monitorovat pozici a chování prvku a skutečný proud působící na polohu prvku pomocí inklinometrů, GPS, sonarů apod. Počítačová simulace umožňuje zviditelnit stavební prostředí a stala se běžnou technologií.

4. KLÍČOVÁ TECHNICKÁ ŘEŠENÍ PRO PŘEVRATNÉ TUNELOVÉ STAVBY 4.1. TUNEL HZMB 4.1.1. Úvod Tunel HZMB spojuje Hong Kong na východě a město Zhuhai/Macao na západě. Je to integrované námořní spojení o délce 35,6 km zahrnující most, ostrov a tunel (viz obr. 12). Stavba tunelu a ostrova má celkovou délku 7.440 m. Skládá se z 5.664 m dlouhého ponořeného tunelu a dvou umělých ostrovů v moři, každého s plochou 100.000 m2. Geotechnický podélný profil tunelu je na Obr. 13. Tunel je uložený hlavně ve vrstvě sialitického jílu. Hloubka vody se pohybuje od 10 do 18 metrů [7].

Obrázek č. 12: Místo stavby HZMB (Hu, Xie& Wang, 2015)

Obrázek č. 13: Geotechnický profil tunelu HZMB

4.1.2. Stavba umělého ostrova Pro realizaci přechodu z mostu do tunelu se u pobřeží vybudovaly dva umělé pobřežní ostrovy, každý s plochou 1000.000 m2. K vytvoření těsnicí konstrukce se použil ocelový válec o průměru 22 metrů a průměrnou výškou 45 metrů. Na dvou ostrovech bylo během 215 dnů pomocí osmi souprav hydraulických vibračních kladiv o výkonu 600 kW spuštěno asi 120 ocelových válců se svislostí 1/200 (viz obr. 14).

Obrázek č. 14: Stavba umělého ostrova

4.1.3. Úpravy základů Jelikož se geologické poměry mění z bahna a silitu na obou koncích a silitu a písku uprostřed, bylo ke snížení rozdílného sedání použito přechodové založení. V koncových úsecích (E1~E4) se použila metoda zakládání na pilotách ze zhutněného pískju. Úseky s přirozenými horninovými poměry (E6~E24) jso „dlážděny“ 1,5 metru silnou vrstvou štěrku. V přechodových úsecích (E4~E6) bylo použito zakládání na zhutňovaných pískových pilotách. Piloty z tryskové injektáže se použily na stycích mezi koncovými úseky a umělým ostrovem. Pro náhradu pískových zásypů umělého ostrova se použily základy z předpjatých vysokých betonových pilot (viz obr. 15).

Obrázek č. 15: Úpravy základů tunelu HZMB

4.1.4. Tovární výroba prefabrikovaných prvků Tunel HZMB se skládá z 33 obdélníkových prvků z předpjatého betonu o délce 180 metrů. Každý prvek obsahuje 8 dílců o délce 22,5 m. Příčný řez každého dílce je 37,95 m široký a 11,4 m vysoký a tloušťka betonu je 1,5 m. Na ostrově Guyshan byla za účelem zlepšení kvality a účinnosti výroby prvků zřízena moderní výrobna prefabrikovaných prvků (viz obr. 16). Byl vytvořen celoprofilový hydraulický automatizovaný bednicí systém s míchacím systémem složeným ze 4 sad na míchání 3m3 betonu s kapacitou 50 m3/h, 12 sad míchaček a 6 distribučních systémů pracujících společně, aby se daly vyrobit 2 prvky za 2 měsíce (viz obr. 17). Tunelový prvek se stěhuje pomocí speciálního tlačného systému.

Obrázek č. 16: Výroba prefabrikovaných prvků

Obrázek č. 17: Celoprůřezový automatizovaný systém hydraulického bednění

4.1.5. Tažení a spouštění prvků Činnost tažení a spouštění prvků pro tunel HZMB je velmi obtížná z důvodu měnících se navigačních parametrů, kritických hydrologických podmínek, vysokých nároků na přesnosti usazování prvků, napjatého harmonogramu stavby atd. Pro technickou přípravu je třeba předem vyvinout fyzické a numerické zkoušky. Prvek je do určené polohy tažen 8-10 remorkéry. Byl zde vyvinut speciální navigací podporovaný software pro koordinaci všech remorkérů. K monitorování jak absolutních tak relativních pozic prvku se používá GPS a sonar. Pokud odchylka od osy přesáhla požadavky projektu, mohlo být pro jemné ustavení prvku do nivelety použito 12 tlačných hydraulických válců a 10 hydraulických válců bránících posunutí. Po spojení prvků tunelu na sraz se použije tahový systém, který umožňuje počáteční stlačení pásků z profilů GINA (viz obr. 18).

Obrázek č. 18: tažení, spouštění a ukládání prvků

4.2. TUNEL PŘES ŽLUTOU ŘEKU V ŠANGHAJI 4.2.1. Představení Tunel přes Žlutou řeku v Šanghaji začínající od plynárenského zařízení Wuhaogou a končící na ostrově Changxing je 8,955 km dlouhý (Viz obr. 19). Je navržen jako 6-pruhový silniční tunel s místem rezervovaným pro budoucí železniční systém. Tunel přes Žlutou řeku v Šanghaji se razí velkým plnoprofilovým tunelovacím strojem s průměrem 15,43 metrů. Vnitřní a venkovní průměry jsou 13,7 metrů respektive 15 metrů. Tloušťka zeminového nadloží se pohybuje od 14 do 29 metrů a maximální hloubka pode dnem řeky je 55 metrů.

Obrázek č. 19: Místo tunelu pod Žlutou řekou v Šanghaji

4.2.2. Technika startování a dojíždění tunelovacích štítů Zemina kolem pracovní šachty je zlepšena hluboko mísenými pilotami, pilotami z tryskové injektáže a odvodňovacími vrty. K zajištění bezpečnosti startu štítu se používá systém těsnění stěny stavební jámy skládající se z dvouvrstvé pryžové desky a desky s klouby (viz obr. 20). Když se tunel blížil k portálu, načerpala se do přijímací šachty voda do úrovně hladiny podzemní vody, aby se tak zabránilo průniku vody a ztrátě zeminy mezi tunelem a horninou (viz obr. 21).

Obrázek č. 20: Systém těsnění stěny stavební jámy

Obrázek č. 21: Technologie dojezdu do vody

4.2.3. Technologie oprav a údržby dálkových ražeb Ražba 7,5 km dlouhého tunelu bez přestávky je pro velké razicí štíty náročná práce. Řezná hlava musí být speciálně navržená a osazená 201 řeznými nástroji včetně vyměnitelných nožů. Dělníci mohli během provozu vyměnit 71 nástrojů v podmínkách atmosférického tlaku, což je mnohem bezpečnější než tradiční technologie výměny řezných nástrojů (viz obr. 22). Byl vyvinut těsnicí systém hlavního ložiska účinný až do 0,8 MPa a také byl k zajištění bezpečnosti vyvinut speciální systém monitorování hlavního ložiska. Systém těsnění koncové obálky se skládal ze 3 drátěných kartáčů a 1 ocelového deskového kartáče. Kromě toho jsou pro případ stavu nouze instalovány plynové pytle a zmrazovací potrubí (viz obr. 23).

Obrázek č. 22: Vyměnitelný řezný nástroj

Obrázek č. 23: Systém těsnění koncové obálky

4.2.4. Synchronní stavební technologie Synchronně s ražbou se instaloval prefabrikovaný krabicový prvek. Z důvodu omezené šířky prefabrikovaného prvku je možný průjezd jen jednoho nákladního automobilu pro dopravu dílců ostění, nových komponentů a injektážích materiálů do štítu. Vozovka se obvykle buduje do určité vzdálenosti za prvním prefabrikovaným prvkem. Po instalaci prefabrikovaného prvku již rychlost ražby není ovlivňována instalací vnitřních konstrukcí (viz obr. č. 22).

Obrázek č. 24: schéma synchronní stavební technologie

5. HLAVNÍ PROBLÉMY BUDOUCÍCH TUNELOVÝCH STAVEB 5.1. ÚVOD DO BUDOUCÍCH TUNELOVÝCH STAVEB 5.1.1. Přímé tunely Čína má 32.000 kilometrů dlouhou pobřežní čáru a celkem 15 zálivů. Pro podporu harmonického rozvoje východní Číny a posílení vzájemného působení mezi třemi velkými hospodářskými oblastmi se plánuje pobřežní dopravní koridor o celkové délce 5.700 kilometrů, který začíná v provincii Heilongjiang a končí v provincii Hainan. Mnoho tunelů již bylo postaveno a mnoho jich ještě v průběhu výstavby tohoto pobřežního dopravního koridoru postaveno bude (viz obr. 25).

Obrázek č. 25: Pobřežní dopravní koridor

1) Tunel přes úžinu Qiongzhou Ostrov Hainan se nachází v jižní Číně. Od provincie Guangdong je oddělen úžinou Qiongzhou. Tato úžina je v průměru 30 kilometrů široká a hloubka vody v ní se pohybuje od 40 do 160 metrů. Skalní podloží do hloubky 200 metrů je tvořeno hlavně vrstvami třetihorních a čtvrtohorních jílů, silitů a písků. Pro stavbu křížení úžiny Qiongzhou byly navrženy tři hlavní varianty: a) západní přemostění (41,3 kilometrů); b) střední přemostění (21,9 kilometrů); c) střední tunelové řešení (27,8 kilometrů). Střední tunelové řešení se považuje za nejlepší z hlediska celkových úvah o účincích navigace, stavební technologii, bezpečnosti národní obrany, účincích počasí a tak dále (viz obr. 26).

Obrázek č. 26: Varianty stavby křížení úžiny Qiongzhou

2) Tunel přes Taiwanskou úžinu Tunel přes Taiwanskou úžinu se v Číně plánuje s cílem podpořit hospodářskou a kulturní výměnu přes úžinu. Hloubka Taiwanské úžiny je normálně do 80 metrů. Mořské dno je většinou tvořeno sedimentárními horninami patřícími do období čtvrtohor a pískovcem a břidlicemi patřícími do období třetihor sahajícími do hloubky několika tisíc metrů. Kromě toho vyvřelé horniny převážně složené

z bazaltu se objevují na severozápadním úseku úžiny blízko provincie Fujian. Z důvodu existující horizontálně se rozpínající vrstvy písčité břidlice silné nejméně 300 metrů se za vhodnou pro tunel přes Taiwanskou úžinu považuje metoda ražby otevřeným štítem s použitím trhacích prací. Jsou navrženy tyto tři tunelové trasy: a) severní trasa; b) střední trasa; c) jižní trasa. Široce přijímána je severní trasa jelikož severní tunel s celkovou délkou 130 kilometrů je nejkratší a na této trase dosud nezažili zemětřesení stupně 7 (viz obr. 27).

Figure 27: Routes of Taiwan Strait Tunnel

3) Hospodářská zóna Ring-Bohai je jedna ze tří hlavních hospodářských zón v Číně. Podmořský tunel Yantai-Dalian (tunel přes úžinu Bohai) se plánuje, aby změnil stávající „typ C“ systému dopravy na „typ D“, což znamená, že se ušetří 1600 kilometrů na cestě z města Yantai do města Dalian (viz obr. 28). Mořské dno v úžině Bohai je tvořeno hlavně žulou, xylitickými břidlicemi a bazaltem, takže se doporučuje použití otevřeného štítu s trhacími pracemi. Nejkratší přímá vzdálenost pro tunel přes úžinu Bohai je 106 kilometrů a největší hloubka vody je 86 metrů. Existují hlavně čtyři plánované trasy, které jsou ukázány na Obr. 28. Trasa 2 o délce 114 kilometrů se nyní považuje za nejlepší, hlavně z důvodu snadnosti stavby šachet na ostrovech (viz obr. 29).

Obrázek 28: Poloha tunelu přes úžinu Bohai

Obrázek 29: Trasy tunelu přes úžinu Bohai

5.1.2. Stavba převedení vody z jihu na sever (South to North Water Diversion Project - SNWDP) Stavba převedení vody z jihu na sever (SNWDP) je infrastrukturní stavba na odvedení vody z vodou dostatečně zásobené jižní Číny na vodu postrádající sever (viz obr. 30). Stavba byla zahájena v roce 2002 a její úplné dokončení se očekává do roku 2050. Stavba SNWDP složená ze tří samostatných tras (východní, střední a západní) se stane největší stavbou pro převedení vody na světě. Tři trasy se plánují ve třech etapách. První etapy východní trasy a střední trasy převedení vody z jihu na sever byly dokončeny do roku 2015. Vybudovala se řada tunelových převaděčů vody, například známý tunel pro křížení Žluté řeky na dvou trasách. První etapa západní trasy ležící na náhorní plošině Quinghai v Tibetu s nadmořskými výškami pohybujícími se od 3000 do 5000 metrů je plánována pro převedení vody z řeky Dadu do Žluté řeky a je dosud předmětem studie proveditelnosti. Západní trasa se skládá ze 14 hlubokých dlouhých tunelů s obecnou hloubkou měnící se od 500 do 800 metrů (viz obr. 31) [9]. Okolní horniny podél západní

trasy se mění a skládají se hlavně z třídyⅡa třídy Ⅲ, které pokrývají 90 % celkové délky tunelu. Z důvodů předností velké rychlosti, vysoké kvality a hospodárnosti se pro většinu těchto tunelů se uvažuje s použitím plnoprofilových tunelovacích strojů. Může ale dojít k nepříznivým situacím, například uvíznutí štítu, střílení horniny, průvalu vody, závalu v okolních nestabilních horninách a tak dále.

Obrázek č. 30: Stavba tunelu pro převedení vody z jihu na sever (Zdroj: https://en.wikipedia.org/wiki/South%E2%80%93North_Water_Transfer_Project)

Obrázek 31: Fáze 1 západní trasy stavby (Wang, 2011)

5.1.3. Hluboké odvodňovací tunely Mnoho měst v Číně již zakusilo záplavy v případě lijáků. Podle statistiky zažilo 211 měst mezi roky 2008 a 2010 záplavy více než 3krát, což bylo 60% z celkového počtu měst 351. Za hlavní důvod častého zaplavování se považuje stárnutí městských odvodňovacích systémů s nízkým návrhovým standardem. Za účinný způsob pro zlepšení ukládání a dopravy vody v největších městech v následujících létech se považují hluboké odvodňovací tunely. Hluboké odvodňovací tunely se normálně staví s cílem zajistit ukládání a dopravu městských srážkových vod a vypouštění splaškových vod. Hluboký tunel Chicago s délkou 174 kilometrů a hloubkou 107 metrů byl zahájen v roce 1975 a jeho dokončení se očekává do roku 2029 (viz obr. 32). Hluboký tunel Chicago s průměrem od 3 do 10 metrů se staví pomocí plnoprofilových tunelovacích strojů a trhacích prací. Kanalizační systém s hlubokým tunelem v Singapuru se skládá z 48 kilometrů dlouhého tunelu ležícího v hloubce 18–55 metrů pod povrchem (viz obr. 33). Město Guangzhou plánuje osm hlubokých odvodňovacích tunelů s celkovou délkou 86 kilometrů a hloubkou 40 metrů (viz obr. 34). Stavba hlubokého odvodňovacího tunelu Donghaoyong byla zahájena v roce 2014. Byla prováděna plnoprofilovým tunelovacím strojem s průměrem 6,26 metrů. Šanghaj také naplánovala stavbu hlubokého tunelu pro potok Suzhou s délkou 17 kilometrů a hloubkou 50-60 metrů, která byla

zahájena v roce 2015. V blízké budoucnosti se postaví více hlubokých odvodňovacích tunelů, aby se plnily požadavky výstavby měst.

Obrázek č. 32: Hluboký tunel Chicago

Obrázek č. 33: Kanalizační systém Singapuru s hlubokým tunelem

Obrázek č. 34: Celková situace hlubokého odvodňovacího systému města Guangzhou

5.2. PROBLÉMY 5.2.1. Technologie navrhování a výroby plnoprofilových tunelovacích strojů Technologie navrhování a výroby plnoprofilových tunelovacích strojů by se měla dále rozvíjet, aby se vyrovnala se stále složitějšími podmínkami. Průřez těchto strojů se zvětšuje a je flexibilnější. V současnosti největší plnoprofilový tunelovací stroj na světě je bentonitový štít o průměru 17,6 metrů vyrobený firmou Herrenknecht AG. Nekruhové (obdélníkové, oválné, dvoukruhové a jiné) razicí štíty se považují za účinnější ve využití profilu a stávají se populárnější na stavbách městských tunelů. Použití plnoprofilových tunelovacích strojů se také rozšiřuje. Například štíty pro dva režimy ražby se již používají na ražbu ve smíšených podmínkách, zatímco svislé štíty se vyrábějí pro použití při stavbách šachet. 5.2.2. Technologie ražeb dálkových tunelů Stavba dálkových tunelů je náročná z důvodu velkého objemu stavebních prací, omezeného pracovního prostoru a složité geologie. U dálkových tunelů se stávají obtížnými vedlejší chodby (souběžná ražba, svislé šachty a šikmé šachty), které se obvykle v Číně při ražbách používají ke zlepšení rychlosti, větrání, dopravu rubaniny a odvodnění. Strojní tunelovací metoda se považuje za lepší než metoda trhacích prací pro svou vysokou stavební účinnost a bezpečnost pracovního prostředí. Je ale potřeba zlepšovat návrh razicí hlavy a technologii výměny řezných nástrojů, obzvláště ve složitých horninových podmínkách. Navíc, problémem pro plnoprofilové tunelovací stroje jsou také obtížné geologické podmínky potkávané při ražbách dálkových tunelů (např. kras, velký horninový tlak).

5.2.3. Technologie pro stavby velkorozměrových tunelů Řízení stability čelby a řízení deformací okolní horniny se stává stále náročnější u velkorozměrových tunelů. Ražba plnoprofilovými tunelovacími stroji s jednoduchým nebo dvojitým štítem je mnohem obtížnější při riziku uvíznutí strojů v podmínkách vysokého horninového tlaku když se zvětšuje velikost štítu. Když se na tunelech s velkým průřezem použije vrtno-trhací metoda, měly by se pečlivě vybírat a provádět vhodné postupy trhacích prací, ražby a vystrojování, aby odpovídaly různým horninovým poměrům a stavebním požadavkům. Ve složitých horninových podmínkách (zvodnělé pískové vrstvy, neúnosná okolní hornina, mělce uložené segmenty) by se měly navrhovat i systémy předstihového zajištění výrubu. Měl by se vyvíjet detailnější systém řízení rovnováhy na čelbě hodící se pro mimořádně velké zeminové nebo bentonitové štíty. Dále bude potřeba, aby u staveb větších štítů bylo vyřešeno bránění vznášení štítu a unikání bentonitové směsi u bentonitových štítů u mělko uloženého segmentu. 5.2.4. Předstihové předpovídání geologie Je potřeba, aby se technologie předstihového předpovídání geologie pro stále složitější tunelové stavby stala přesnější a spolehlivější. I když se technologie předstihového předpovídání geologie v Číně velmi zlepšila, předstihové předpovídání špatných geologických podmínek zůstává ve stádiu kvalitativní analýzy. Očekává se realizace kvalitativní analýzy před čelem výrubu. Omezený prostor pro pozorování a elektromagnetické rušení vážně snižují přesnost předstihového předpovídání geologie u současných ražeb plnoprofilovými tunelovacími stroji nebo štíty. S rozvojem strojních ražeb tunelů se zlepší i technologie plnoprofilových tunelovacích strojů a štítů.

6. ZÁVĚR S rychlým hospodářským a sociálním rozvojem nastal zlatý věk výstavby tunelů v Číně. I když se dosud dosáhlo velkých úspěchů, měly by se dále rozvíjet filozofie projektování a stavební technologie, aby se vyrovnaly s budoucími výzvami. Literatura [1] Editorial Department of China Journal of Highway and Transport, 2015.Review on China’s tunnel engineering research: 2015. China Journal of Highway and Transport, 28(5): 1-60. [2] HONG, K. L., 2015. State-of-art and prospect of tunnels and underground works in China. Tunnel Construction, 35(2): 95107. [3] GU, J. S., 2008. Segment tunneling applied to water convey in Qingcaosha raw water project. Water Purification Technology, 27(5): 1-4. [4] Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China, 1994. GB 50218-94, Standard for engineering classification of rock masses. China Planning Press, 1994. [5] Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China, 2008. GB 50446-2008, Code for construction and acceptance of shield tunneling method. China Building Industry Press, 2008. [6] DU, C. W., WANG, X. Y., 2007. Key technology of design and construction on immersed tube tunnel. Engineering Science, 7: 76-80. [7] CCCC second flight engineering survey & design institute Co., Ltd. (CCCC SFES&DI), 2009. Geological investigation report on immersed tunnel of Hong Kong–Zhuhai–Macao Bridge in construction documents design phase. [8] HU, Z. N., XIE Y. L., WANG, JUN., 2015. Challenges and strategies involved in designing and constructing a 6 km immersed tunnel: A case study of the Hong Kong–Zhuhai–Macao Bridge. Tunneling and Underground Space Technology, 50: 171177. [9] WANG, X. C., 2011. Geological conditions and key rock mechanics issues in the Western Route of South-to-North Water Transfer Project. Journal of Rock Mechanics and Geological Engineering, 3(3): 234-243.

B. Yun Univerzita Tongji, Čína W. Shaochun Univerzita Tongji, Čína

VÝSTAVBA TUNELŮ V ČÍNĚ

Recommend Documents