Ochrana komunikácií v portálových oblastiach tunelov pred padaním skál

• Foto

Predmetné opatrenia by však mali byť zrealizované v čo najvyššej kvalite s prvkami konštrukcií s minimálnymi požiadavkami na údržbu. Takéto konštrukcie boli realizované pri odstránení havarijného stavu skalných stien a svahov na úseku I/18 Strečno – Dubná Skala, no potrebu realizácie obdobných opatrení si vyžaduje aj množstvo už existujúcich tunelov na Slovensku ale aj v Českej republike.

V danej oblasti sa ako najvýhodnejšie opatrenie (je to závislé od okolitých podmienok) uplatňujú pasívne ochrany, medzi ktoré patria ochranné konštrukcie. Tie priamo nezabraňujú  samotnému pádu skalných úlomkov, ale úplne zamedzujú jeho pádu na komunikácie alebo priľahlú stavebnú konštrukciu. Medzi takého stavebné opatrenia patria hlavne špeciálne ochranné ploty, dynamické bariéry, ochranné galérie ale v neposlednom rade aj lavínové bariéry. V spojení spomínaných konštrukcií a nenáročných technologických zariadení tak vzniká stavebný prvok s možnosťou pravidelného monitoringu nielen priamo na mieste ale aj vo vzdialenom stredisku.

ÚVOD DO PROBLEMATIKY
Problém padania skál na stavebné konštrukcie nepatrí síce k častým ale k veľmi nebezpečným problémom, kde výšky škôd dosahujú veľmi vysoké hodnoty. Problematické úseky vznikajú hlavne vplyvom zvetrávania odťažených ale aj jestvujúcich svahoch skalných hornín. V neposlednom rade sa často skloňuje s portálovými oblastiami železničných a cestných tunelov nachádzajúcich sa v členitých geomorfologických pomeroch. V oblasti padania skál na cestné komunikácie ale aj železničné trate sa ochranné opatrenia delia na dve základné
druhy – aktívna a pasívna. Pod pojmom aktívna ochrana stavby voči padaniu skál rozumieme takú konštrukčnú, resp. inú ochranu skalného masívu, ktorá priamo zabraňuje odtrhnutiu skalného úlomku alebo skalného bloku z masívu (injektáže, železobetónové kotvené konštrukcie...). Pod pojmom pasívna ochrana zase rozumieme ochranu stavebného diela, ktorá priamo nezabraňuje odtrhnutiu skalného úlomku alebo bloku z masívu, ale spomaľuje, resp. usmerňuje jeho pád, prípadne iným spôsobom zabraňuje jeho pádu na stavebné dielo. Medzi takéto ochrany patria už spomínané ochranné ploty a dynamické bariéry, ktoré patria medzi najmodernejšie a najprogresívnejšie systémy v tejto oblasti ochrany. V ďalšom sa budeme z väčšej miery venovať pasívnym prvkom ochrany.

DÔVODY APLIKÁCIE OCHRANY TUNELOV VOČI PADANIU SKÁL
Pasívna ochrana
Pasívna ochrana voči padaniu skál sa navrhuje na miestach, kde hrozí pád väčších ale aj menších skalných blokov a úlomkov. V portálových miestach tunelov sa riziko pádov skalných blokov na železničnú trať alebo cestnú komunikáciu zvyšuje. Zvýšené riziko je spôsobené zväčša strmými svahmi nachádzajúcimi sa nad čelom tunelovej rúry. Hoci pri potrebe začatia razenia tunela a na zabezpečenie stability portálových svahov sú navrhnuté geotechnické konštrukcie (zárubné múry, gravitačné konštrukcie...), stále je tu zvýšené riziko prepadu skalných úlomkov a skalných blokov. Z dôvodu finančne efektívneho návrhu a samotnej realizácie takejto ochrany je nutné najprv vyhodnotiť riziká.

V prvých návrhoch sa jedná o zváženie odstránenia nestabilných časti skalných svahov, resp. pri väčších poruchách aplikáciu ochranných zariadení, tj. je nutné posúdiť a navrhnúť predpokladané trajektórie pádu skalných blokov ako aj veľkosť kinetickej energie bremena. To sa vykonáva vždy na mieste stavby, pričom sa po prehliadke stavby pomocou rôznych výpočtových metód zrealizuje vyhodnotenie rizík. V prípade aktívnych opatrení je samozrejme nutné zistiť geologické parametre a rozmery záujmovej oblasti, aby sa bezpečne dali nadimenzovať stabilizačné prvky s dostatočnou únosnosťou, silou, resp. kotviacou silou dosiahnutými kotevnými systémami na kritických miestach. Zároveň si dovoľujeme obrátiť sa aj na Švajčiarsky predpis pre plánovanie, stavbu a údržbu galérii voči padaniu skál a lavín, platiaci pre pozemné komunikácie vydaný Bundesamt für Stassen a Baudirektion GD SBB v roku 1998, v ktorom sú jasne zadefinované opatrenia pre jednotlivé energetické hodnoty 10–50 000 kJ. Viď obrázok 1 – Aplikácia zabezpečovacích zariadení.

APLIKÁCIE OCHRANNÝCH OPATRENÍ V PRIPORTÁLOVÝCH OBLASTIACH TUNELOV
Dynamické bariéry – najprogresívnejší systém pasívnej ochrany
Ako každá stavebná konštrukcia, aj pri týchto zabezpečovacích konštrukciách pasívnej ochrany musíme zvážiť hľadisko ich funkčnosti, možnosti realizácie ale aj ekonomické náklady. Jedná sa o posúdenie výhodnosti rozsiahlejšej plošnej realizácii zabezpečovaných konštrukcií, alebo realizácie lokálnych pasívnych konštrukcií. V praxi sa preto pri rozsiahlych poruchách masívu osvedčili pasívne prvky ochrany. Tie sú budované priamo na svahu masívu, zväčša pomocou mikropilótových základov. Budované sú v závislosti od potreby zabezpečenia maximálnej ochrany komunikácie, zväčša však v jednom súvislom rade. Veľkosť energie vzniknutej pri dopade bloku do záchytnej siete dynamickej bariéry je zrejmá z nasledujúceho vzorca pre výpočet energie Ec:

E_c = 1/2 x m x V_impact²    (1)
kde m = hmotnosť dopadového bloku; a V_impact = rýchlosť dopadového bloku nameraná jeden meter pred dopadom bloku do siete.

Výška bariéry sa navrhuje na základe posúdenia pádu „bremena“, taktiež ako už bolo spomínané aj stupeň pohltenia kinetickej energie, uvádzanej v kJ. Bariéry sa podľa stupňa pohltenia kinetickej energie aplikujú v rozsahu 500–5 000 kJ. Pre ozrejmenie, napríklad dynamická bariéra absorbujúca energiu 2 000 kJ dokáže zachytiť voľným pádom padajúci skalný blok hmotnosti 5 000 kg z výšky 40 m. Dynamické bariéry pozostávajú zo stĺpikov potrebnej dĺžky ukotvených do masívu pomocou pevnej alebo výhodnejšej kyvnej stojky. Stĺpiky sú medzi sebou osovo vzdialené vždy na 10 m (v zmysle platného predpisu ETAG 27). Výškovo sú osadené vždy v bezpečnej výške od objektu na základe výpočtu maximálneho prehybu ochrannej siete, ktorá je ku stĺpikom prichytená sústavou oceľových lán. Veľmi dôležitým prvkom dynamických bariér sú aj kotviace laná, ktoré zabezpečujú polohu stĺpikov a spolu s kotvením zabraňujú ich posunom. Rozhodujúcim prvkom bariér je hlavne disipátor energie (zariadenie absorbujúce kinetickú energiu z pádu bremena). O bremene hovoríme preto, pretože predmetné konštrukcie dokážu zachytiť aj padajúce stromy, či časti stromov.

Pri výbere vhodnej bariéry treba dbať na niekoľko dôležitých faktorov. Hlavne dve veľmi dôležité vlastnosti netreba pri návrhu podceňovať, jedným z nich je reziduálna výška bariéry a druhým deformácia bariéry. Bariéra je flexibilný prvok, ktorý pri dopade bloku mení svoj tvar vertikálne aj horizontálne. Bariéry od rôznych výrobcov sa nesprávajú rovnako a pri návrhu nie je dostatočné určiť len požadovanú energiu. Len pre ilustráciu deformácia bariéry v horizontálnom smere pri niektorých výrobcoch môže dosahovať až 7,0 m, keď si predstavíme, že
takáto bariéra je napr. 5,0 m od železničnej trate, netreba zdôrazňovať následky. Podobne je to z reziduálnou výškou, ktorá predstavuje zníženie schopnosti bariéry zachytiť ďalšiu sériu blokov, ktorá môže nasledovať po prvom dopade. Porovnaním niektorých typov bariér sa zaoberal nedávno odborný článok v časopise Geotechnika 2/2010.

Ostatné progresívne konštrukcie a prvky pasívnej ochrany
Ochranné ploty – Pre prípady ak by k pádom úlomkov dochádzalo vplyvom seizmicity cestnej alebo železničnej premávky sú vhodné na aplikáciu ochranné ploty. Tie dokážu zachytiť úlomky skalného masívu veľkosti do 50 cm padajúce rýchlosťou do 25 m/s. Výška ochranných plotov sa taktiež navrhuje na základe potrieb. Ako v prípade dynamických bariér aj v tomto prípade treba brať zreteľ na to, či je záchytné pasívne zariadenie realizované kolmo na masív alebo pod určitým uhlom. Ochranný plot je taktiež zhotovený zo sústavy kotviacich a záchytných lán a ochrannej siete. Oká ochrannej siete musia byť navrhnuté tak, aby sa zabránilo prepadu malých úlomkov.

Lavínové bariéry – Tvoria vlastnú skupinou ochranných zariadení. Tie sa aplikujú iba na miestach, kde hrozí pád snehových alebo kamenných lavín. Bariéry sa vo veľkej miere aplikujú v odtrhovej oblasti lavín, v ojedinelých prípadoch sa aplikujú v akumulačných zónach. Tieto ochranné zariadenia by mali okrem záchytných sietí obsahovať aj sieť s menšími okami, ktoré zabránia pádom menších úlomkov. V takýchto prípadoch sa z veľkej miery aplikujú iba pasívne záchytné zariadenia, pretože aktívne prvky zabraňujúce samotnému spusteniu lavíny je veľmi obtiažne a finančne náročnejšie.

Ochranné galérie – Zvláštnou skupinou ochrany cestných komunikácií v portálových úsekoch je realizácia ochranných galérií, s výplňou z dynamických bariér. Ich aplikácia bola zatiaľ realizovaná ako dočasné riešenie ochrany komunikácie počas realizácie stavebných prác, avšak parametrami dokáže slúžiť aj ako trvalá ochranná konštrukcia. Predmetná atypická konštrukcia takejto pasívnej ochrany je zhotovená z oceľových I profilov, dvojzákrutovej ochrannej siete zabraňujúcej prepadu malých skalných úlomkov do priestoru komunikácie a špeciálnych HEA panelov zabezpečujúcich odolnosť sietí pri páde skalného bloku.

Dátové a prenosové technológie – Pasívne prvky ochrany voči padaniu skál sa vo svete aplikujú už dlhšiu dobu. Príchod nových technológií ale uľahčil zisťovanie udalostí, ktoré sa v daných konštrukciách stali. Tieto informácie sa na základe rôznych optických meračov dostávajú do centrálnej záchytnej jednotky (počítača alebo iného elektronického zariadenia), ktoré okamžite pošlú signály formou SMS, MMS, elektronickou poštou alebo faxom správcovi zariadenia. Táto funkcia sa vyplatí hlavne v ťažko prístupných oblastiach. Tým pádom na správcoch ostáva iba povinnosť pravidelných kontrol, ktoré sa vykonávajú na základe manuálov údržby. Tie sa pohybujú zväčša v rozmedzí troch až piatich rokov. Samotné zariadenia pasívnej ochrany sú navrhnuté a vyrobené tak, že v prípade vzniku udalosti sa na danej konštrukcii vymení iba porušená časť konštrukcie a nie je nutné vymieňať kompletne celý súvislý celok.

UKÁŽKY Z APLIKÁCIE PASÍVNYCH OCHRANNÝCH ZARIADENÍ
Téma použitia pasívnych záchytných systémov vo forme bariér je v podstate nová a v našich podmienkach (Česká a Slovenská republika) nie je mnoho aplikovaná. V zahraničí je aplikácia takýchto konštrukcií bežnou praxou, hlavne v hornatých krajinách ako Rakúsko, Taliansko, Švajčiarsko. Príklady aplikácií možno vidieť na realizovanej stavbe ochrany priportálovej oblasti a výjazdu z tunela na lokalite Caggiano v Taliansku. Zaujímavým riešením je ochrana predportálovej časti na dialnici A3, kde tunel ohrozuje nebezpečná stavba, ktorú z neznámych dôvodov nebolo možné asanovať. Realizátor sa rozhodol riešiť situáciu jednoducho inštaláciou adekvátnej bariéry s energiou 500 kJ.

Road Protection Against Rocks Falling in Tunnel Portal Areas
Emergency condition of rock walls and slopes in tunnel portal areas increase risk of movement on the road significantly, whether it concerns railway or road tunnels. As a result, it is necessary to adopt redevelopment measures to increase the risk to a minimum. As one precaution, passive protection is applied including protection structures. These directly do not prevent the rock fractions fall but they completely prevent them from falling on the road or nearby construction. Such construction measures include mainly special protection fences, dynamic barriers, and protection galleries and, last but not least, the avalanche barriers. With regard to the mentioned constructions and not demanding technological facilities, there is a construction element with the option of regular monitoring not only directly in the place or in a distant centre.

Autoři

• Ing. Tóth Viktor
• RNDr. Prelovský Branislav