Oprava únosnosti železničního spodku Karlovy Vary – Chodov, 1. TK km 186,614–186,794 – projektové řešení sanace a nepřetržitý autorský a geotechnický dozor

• Foto

ÚVOD
Na celostátní trati Chomutov – Cheb v drážním úseku ŽST Karlovy Vary TÚDÚ 0112 L1 se stala 26. února 2013 mimořádná událost. Vlivem výrazného bodového poklesu kolejnicových pasů pod kolejí č. 1 došlo těsně před stanicí Karlovy Vary horní nádraží k vykolejení několika prázdných vagonů nákladního vlaku. Provoz na trati byl s okamžitou platností omezen, k dopravě v předmětném úseku sloužila pouze kolej č. 2. Příčinu vykolejení lze spatřit v nepravidelném, ale dlouhodobém poklesu koleje č. 1. Počáteční mírný pokles se na přelomu března a dubna 2013 rozvinul do rozsáhlého sesuvu severozápadního svahu náspu. Po vyhodnocení závažnosti situace byl provoz na trati od 14. května do 1. července 2013 zcela vyloučen.

POPIS LOKALITY
Zájmová lokalita se nachází na sever od řeky Ohře a na východ od říčky Rolavy mezi městskými částmi Rybáře a Sedlec. Dvoukolejná elektrifikovaná železniční trať je zde vedena ve směru od jihu k severu na náspu o výšce cca 12 m a tvoří jakousi „umělou“ bariéru v mírně se svažující depresi jihozápadního směru (místní název „V Rokli“), kterou protéká levobřežní bezejmenný přítok říčky Rolavy. Generelní sklon severozápadního svahu náspu je cca 42° (kolej č. 1), jihovýchodní svah pak dosahuje sklonu cca 32° (kolej č. 2).

PŘEDCHOZÍ SANAČNÍ ÚPRAVY
K deformacím konstrukčních vrstev náspu docházelo dlouhodobě, situace se řešila opakovaných strojním podbíjením pražcového podloží, na předmětném úseku k němu docházelo 2× ročně. Přesto se pokles kolejového roštu nedařilo zastavit. Ke koci března 2004 činil celkový kumulovaný pokles koleje č. 1 ve staničení km 186,705 od původní nivelety již 1,1 metru (není ale známo, od kdy), a tak po geotechnickém průzkumu a návrhu sanačních opatření (vše UNIGEO a.s. Ostrava, divize SANEKO) byly realizovány ve stejném roce ve staničení km 186,690 až 186,730 tyto sanační práce:

• vybudování povrchové odvodňovací rýhy při patě jihovýchodního svahu náspu,
• vyčištění a oprava propustku ve staničení km 186,705,
• konsolidační zpevnění tělesa náspu štěrkovými tampony v úseku km 186,695–186,725,
• stabilizace pražcového podloží a svahu náspu hřebíky TITAN v úseku km 186,698–186,719,
• rekonstrukce kolejového lože typ 3 v následujícím složení: kolejové lože – štěrk 32/63 mm, štěrkodrť 0/32 mm, výztužná geotextilie TS 70, výztužné geobuňky systém GEOWEB 200; mocnost sanované vrstvy 0,85 m (uvažováno od zemní pláně).

Požadavkem objednatele v roce 2004 bylo provedení geotechnického průzkumu, zmapování a rekognoskace současného stavu zájmové lokality s následným zpracováním návrhu a posouzení možného způsobu sanace a stabilizace drážního náspového tělesa pod kolejí č. 1 v úseku km 186,690 –186,730.

VÝVOJ V POSLEDNÍM OBDOBÍ
V průběhu roku 2009 byly na trati zaznamenány další poklesy kolejí, ve staničení km 186,730 pod kolejí č. 1 činil roční přírůstek svislé deformace celkově 192 mm, ve staničení km 186,723 pod kolejí č. 2 byl zaznamenán pokles celkem o 126 mm.

Objednatel proto v roce 2009 uzavřel smlouvu se zhotovitelem ARCADIS Geotechnika a. s. na práce, jejichž cílem bylo objasnit příčiny deformací železničního náspu. Práce v úseku km 186,700–186,800 pozůstávaly nejprve z:

• odvrtání 4 jádrových vrtů bez výplachu (IJ1 a IJ4 po 15 m vrtány v JV a SZ patě náspu, IJ2 a IJ3 délky 20 m vrtány v koruně náspového tělesa v ose koleje č. 1 a č. 2),
• provedení 6 ks dynamických penetračních sond DP1 až DP6 z drážní stezky do hloubky 12 m,
• IG dokumentace a odběru vzorků zemin (porušených i neporušených) a vody,
• provedení laboratorních zkoušek a jejich vyhodnocení,
• osazení vrtů inklinometry a jejich následného monitoringu

a dále z:

• vyhodnocení inklinometrických měření po 6 měsících a doporučení pro zamezení deformací náspu, podložených matematickými výpočetními modely.

Z provedených terénních a laboratorních zkoušek vyplynulo, že zemní těleso náspu je tvořeno jemnozrnnými silně převlhčenými zeminami o nízké konzistenci. Přirozená vlhkost zemin se pohybovala v intervalu 33–49 %. Dále bylo zjištěno, že zeminy jsou rovněž málo zhutněné, neboť jejich suché objemové hmotnosti se pohybovaly v rozmezí ρ_d = 1 120–1 150 kg/m³. Pórovitost daných zemin dosahovala až 60 %. Kvalita zemin v horní polovině náspu byla silně ovlivněna nepravidelným výskytem vertikálně i horizontálně proměnlivých poloh písčitých až štěrkovitých zemin. Celkově byly mechanické vlastnosti zastižených jemnozrnných zemin do úrovně cca 9 m pod korunou náspu hodnoceny z geotechnického hlediska jako nevyhovující. Dle předpisu SŽDC S4 Železniční spodek (s účinností od 1. 10. 2008) se pro použití do zemního tělesa považují za nevhodné zeminy s velmi vysokou a extrémně vysokou plasticitou, tedy právě zeminy, které ve staničení km 186,700–186,800 převažovaly. Rovněž vysoká pórovitost zemin umožňovala jejich vysoké a dlouhodobé sycení vodou.

Jako dvě hlavní příčiny vzniku deformací kolejí v km 186,700–786,800 byly v předběžném zhodnocení vypracovaném ARCADIS Geotechnikou v prosinci 2009 stanoveny:

• nízká kvalita zemin v náspu,
• nepříznivé hydrogeologické poměry v nedostatečně odvodněné depresi „V Rokli“.

Napěťo-deformační analýza vypracovaná ARCADIS Geotechnikou v závěrečném zhodnocení v dubnu 2010 na základě inklinometrických měření upřesnila předběžné zhodnocení a potvrdila, že:

• deformace tělesa náspu vznikají v důsledku nízké stability svahů, která je způsobena jak vlastnostmi materiálu náspu o nízkých parametrech smykové pevnosti, zejména ve vrchní vrstvě náspu, tak úpravami při čištění kolejového lože. Deponovaný materiál v koruně náspu přitěžuje v nevýhodné pozici svah o mezní rovnováze. Svah u koleje č. 1 byl označen za rizikovější.

NÁVRHY NA ZAJIŠTĚNÍ STABILITY NÁSPU
Součástí závěrečného zhodnocení ARCADIS Geotechniky z dubna 2010 bylo i doporučení dalšího postupu. Nejefektivnější a nejspolehlivější sanací problému se jevilo rozebrání stávajícího tělesa náspu a vybudování nového tělesa podle stávajících technických předpisů. To však z důvodu finančních, časových i technických (nutnost zachování provozu na frekventované železniční trati) nebylo možné, a proto byl návrh dalšího postupu opravy tělesa náspu modifikován a rozdělen do následujících kroků:

• provést plně funkční odvodnění v patě náspu zejména ze strany u koleje č. 2 (lze realizovat po provedení opravy bez nutnosti výluky na trati),
• ze svahů náspu odstranit přísypy vzniklé při opravách kolejí v minulých letech (nutnost omezení provozu vždy na příslušné koleji),
• v náspu provést v rozteči cca 7 m drenážní odvodňovací žebra, napojená do odvodnění u paty, přičemž dosah žeber bude upřesněn při provádění, neboť při hloubení žeber bude možné lépe specifikovat vrstvy v tělese náspu (nutnost výluky na obou kolejích),
• u pat náspu provést cca 3 m vysoké vyztužené konstrukce, umožňující  zmenšení sklonu svahů náspu při jejich opětovném dosypánído jednotného sklonu (lze realizovat po provedení opravy bez nutnosti výluky na trati).

Z navržených kroků se do havárie železničního svahu koncem února 2013 nerealizoval ani jeden, a to ani dlouhodobý monitoring osazených inklinometrů z roku 2009. Důvod byl zcela pragmatický, finance.

K proměření osazených inklinometrů došlo až počátkem března 2013, bohužel v té době byl již inklinometr IJ3 (osazený v ose koleje č. 1) v hloubce 2,2 m pod povrchem pražců neprůchodný. Stav železničního náspu (zejména pod kolejí č. 1) se stále zhoršoval a po roztání sněhu počátkem dubna 2013 již kolejnicový pás v délce 20 m visel ve vzduchu (v úseku km 186,730–186,750).

V té době již ARCADIS Geotechnika dokončovala projekční práce, které z větší části vycházely zejména z opatření navržených již v roce 2009. Koncepce projektu „Oprava únosnosti železničního spodku Karlovy Vary – Chodov, 1. TK 186,614–186,794“ byla aktualizována podle potřeb objednatele (z důvodů výlukových), nutných a následných realizačních opatření (z technologického hlediska) a samozřejmě s ohledem na finanční možnosti.

Projekt sanace rovněž pružně reagoval na výsledky zaměření sesuvu, monitoringu vývoje deformací a geotechnického posouzení rozsahu poškození železničního náspu a spočíval v:

• odstranění přísypů ze svahu náspu a provedení reprofilace koruny náspu dle VL ŽS pod kolejí č. 1 v délce 180 m,
• provedení 18 ks drenážních a stabilizačních žeber ve svahu náspupod kolejí č. 1,
• provedení vyztuženého roznášecího štěrkového polštáře pod oběma kolejemi v délce 56 m a pod kolejí č. 1 v délce 180 m,
• realizaci jednoetážové přitěžovací lavice v délce 56 m a dvouetážové přitěžovací lavice v délce 78 m v patě svahu pod kolejí č. 1.

Při sanaci se rovněž počítalo s výškovým a směrovým vyrovnáním kolejí č. 1 a 2. Báze sanace se nacházela cca 1,7 m pod temenem nově vyrovnané kolejnice TK 1. Přehled navržených sanačních opatření je patrný z tabulky č. 1.

Tabulka 1 – Přehled navržených sanačních opatření

Vyztužený štěrkový polštář byl navržen v celém úseku v této skladbě:

• separační a filtrační geotextilie položená na zhutněnou zemní pláň,
• 1. konstrukční vrstva (15 cm štěrkodrtě frakce 0–32 mm),
• výztužná geomříž PET o pevnosti 55/55 kN,
• 2. konstrukční vrstva (35 cm štěrkodrtě frakce 0–32 mm),
• výztužná geomříž PET o pevnosti 55/55 kN,
• 3. konstrukční vrstva (35 cm štěrkodrtě frakce 0–32 mm), jejíž povrch tvořil pláň železničního spodku.

Drenážní a stabilizační žebra byla navržena na celou výšku severozápadního svahu takto:

• 4 ks v úseku km 186,660–186,716 hloubky 2 m v osové vzdálenosti 7 m,
• 11 ks v úseku 186,716–186,772 hloubky 4 m v osové vzdálenosti 5 m,
• 3 ks v úseku 186,772–186,794 hloubky 2 m v osové vzdálenosti 7 m.

Přitěžovací lavice byly navrženy takto:

• jednoetážová lavice výšky 3,0 m se sklonem čela 45° a patou lavice umístěnou ve stávající patě severozápadního svahu v délce 56 m,
• dvouetážová lavice výšky 5,0 m (první stupeň) a 3,0 m (druhý stupeň) se sklonem 45° a patou prvního stupně lavice předsazenou o 3,0 m před stávající patu severozápadního svahu v délce 78 m.

Tvar nového náspu s navrženými sanačními opatřeními je patrný ze schématu 1.

PRŮBĚH VÝSTAVBY A REAKCE NA SKUTEČNĚ ZASTIŽENÉ GEOTECHNICKÉ PODMÍNKY
Po vytyčení kabelových tras, provedení nutných přeložek kabelových vedení a vybudování příjezdových zpevněných ploch byly zahájeny zemní práce na budování drenážních a stabilizačních žeber.

V průběhu výkopových prací pro žebra byla upřesňována geologická skladba náspu. Původní jednokolejná železniční trať (zprovozněna roku 1870) byla ještě koncem 19. století rozšířena na dvoukolejnou. Většina materiálu na rozšíření trati pocházela z okolních kaolinových dolů. Způsob provedení „přístavby“ je patrný z pořízené fotodokumentace.

Oproti poznatkům z průzkumných prací byly na stěnách výkopů pro žebra dokumentovány značně mocné (až 2,5 m) polohy škváry, mouru a uhelné substance. Dalším výrazným poznatkem z geologické dokumentace byla informace o geometrickém uspořádání a tvaru jednotlivých vrstev zemin tvořících násep. Kromě oblasti sesuvu, kde byly vrstvy vzájemně promíseny, potrhány a proklouzány, měly vrstvy generelně mísovité uspořádání. Vznik takového tvaru lze jednoznačně přičíst vlivu dlouhodobého podbíjení pražců kolejového lože na železničním tělese tvořeném jemnozrnnými vysoce plastickými zeminami. Podbíjení pražců způsobovalo zatlačování zemin železničního spodku do tělesa náspu a zároveň jejich vytlačování směrem ven z náspu. Celkový vektor pohybu kopíroval spádnici svahu. Fakticky se jednalo o pomalé smykové pohyby vyvolané neustálým přitěžováním koruny náspu novým štěrkem.

Dalším faktorem v dlouhodobém měřítku degradace tělesa náspu byla srážková voda. Propustné vrstvy zemní pláně (štěrkovité a písčité zeminy, škvára, mour) pro ni představovaly ideální cestu. Tak se postupně zvyšovala vlhkost míst s výskytem jílovitých zemin, nehledě na fakt, že mísovitý tvar nepropustných vrstev neumožňoval odtok vody.

V oblasti sesuvu se geologická pozornost soustředila zejména na hloubkový dosah smykové plochy. Z těchto důvodů bylo nutné v sedmi případech (v km 186,719 až 186,749) prohloubit žebra o 1 m na celkových 5 m.

V pěti žebrech (km 186,749 až 186,729) byl nejprve ve vrstvách uhelného mouru a škváry (cca 391 m n. m.) a později v polohách jílovitého písku obsahujícího rozpukané bloky pískovce (cca 390 m n. m.) zaznamenán přítok vody s počáteční vydatností 5 l/min. Reakcí na tyto skutečnosti bylo vybudování odvodňovací drenáže v patě severozápadního svahu a její napojení na bezejmenný levostranný přítok říčky Rolavy.

Po vybudování 18 ks drenážních a stabilizačních žeber na severozápadním svahu se stavební práce soustředily do oblasti koruny náspu, na budování vyztuženého štěrkového polštáře. V průběhu přípravy zemní pláně v úseku staničení km 186,614 až 186,716 pod kolejí č. 1 však bylo zjištěno, že rozsah výskytu jílovitých zemin měkké až tuhé konzistence je větší, než se očekávalo.

A tak po provedení statických zatěžovacích zkoušek deskou (ve staničení km 186,689 a 186,659) a jejich vyhodnocení (E₀ = 2,2 MPa a 2,4 MPa) bylo tedy provedeno dodatečné odtěžení 0,2m vrstvy jílovitých zemin (v šířce 2 m na každou stranu od osy koleje č. 1) pod projektovanou úroveň zemní pláně a její nahrazení štěrkodrtí. Součástí této výměny na úseku od staničení km 186,614 do km 186,684 bylo i provedení 14 ks příčných odvodňovacích drénů, které propojily sanovanou parapláň s okrajem severozápadního svahu náspu.

Další sanační opatření zemní pláně bylo nutné realizovat v úseku staničení km 186,716 až 186,772 pod kolejí č. 2. Při rozhrnování 0,15 m vrstvy štěrkodrti (pojezdem kolového grejdru) došlo k vyjetí kolejí na zhutněné zemní pláni. Bylo proto přistoupeno k odtěžení znehodnocené zeminy v mocnosti 0,2 m a jejímu nahrazení štěrkodrtí (v šířce 3 m a délce 56 m). Součástí této výměny bylo rovněž provedení 10 ks příčných odvodňovacích drénů, které propojily sanovanou parapláň s okrajem jihovýchodního svahu náspu.

Poslední sanační opatření v zemní pláni bylo realizováno v úseku staničení km 186,772 až 186,794 pod kolejí č. 1. Výsledek statické zatěžovací zkoušky deskou na zhutněné 1. konstrukční vrstvě (ve staničení km 186,780) zde neodpovídal požadavkům SŽDC S4 na minimální hodnotu modulu přetvárnosti na zemní pláni (E₀ = 2,0 MPa). Bylo opětovně přistoupeno k odtěžení 0,2m vrstvy pod úroveň zemní pláně a jejímu nahrazení štěrkodrtí (v šířce 3 m a délce 22 m). Napojení 3 ks příčných odvodňovacích drénů bylo provedeno na 3 stávající drenážní a stabilizační žebra.

Pokládka ostatních konstrukčních vrstev včetně výztužných geomříží proběhla podle projektu a výsledné hodnoty modulů přetvárnosti na pláni železničního spodku splnily požadavky projektové dokumentace.

Výsledky všech provedených zatěžovacích zkoušek deskou jsou přehledně uvedeny v tabulce č. 2.

Tabulka 2 – Výsledky statických zatěžovacích zkoušek deskou

V souladu s obecně technickými podmínkami byly provedeny i kontrolní zkoušky geotextilií a geomřížek před jejich zabudováním do tělesa železničního spodku. Kontrolní zkoušky na geomříži potvrdily vyhovující pevnost, i když s velmi malou rezervou. Jejich výsledná pevnost po zabudování do štěrkodrtě frakce 0–32 mm klesá v průměru o 15 % (tabulka č. 3). Nedílnou součástí projektového řešení bylo vybudování přitěžovacích lavic na severozápadním svahu náspu. Navržená jednostupňová lavice v km 186,660 až 186,716 byla s ohledem na rozsah výskytu jílovitých zemin nízké konzistence v náspu železničního tělesa a provedené přepočty stability severozápadního svahu provedena i v úseku km 186,614 až 186,660, čímž se její délka prodloužila z 56 na 102 m.

Tabulka 3 – Porovnání výsledků kontrolních zkoušek geomříží s požadavky OT P, TKP a projektové dokumentace

ZÁVĚR
Provádění stálého dozoru na akci Oprava únosnosti železničního spodku Karlovy Vary – Chodov, 1. TK km 186,614–186,794 bylo nutné z hlediska častých úprav postupu v reakci na skutečně zastižené geotechnické prostředí.

Železniční násep v tomto úseku je z velké části tvořen převlhčenými jemnozrnnými zeminami, jež jsou nevhodným materiálem zemního tělesa dle platné legislativy a předpisů SŽDC. Jak se ověřilo v průběhu rekonstrukce náspu, plošný a hloubkový rozsah výskytu těchto materiálů byl značný, což mělo za následek provedení dodatečných a neplánovaných sanačních úprav, zejména v úrovni zemní pláně.

Geologickou dokumentací prováděnou v průběhu hloubení drenážních a stabilizačních žeber bylo zjištěno, že v případě výskytu jemnozrnných zemin vyšší plasticity v železničním spodku může strojní podbíjení pražců vést k vytváření prohnětených depresí v zemní pláni, a tím ke snížení její únosnosti. Dlouhodobé působení srážkové vody v takto deformovaném prostředí nadále zhoršuje mechanické vlastnosti podložních vrstev náspu a může vést až ke vzniku svahových pohybů.

Důslednou kontrolou provádění zemních prací na jednotlivých konstrukčních vrstvách železničního spodku bylo dosaženo kvality konstrukce zemního tělesa dle projektu prací. Výsledné hodnoty deformačních modulů z kontrolních statických zatěžovacích zkoušek na pláni železničního spodku v rozmezí 70,8 až 107,7 MPa splňují požadovanou minimální hodnotu dle předpisu SŽDC S4 pro tento typ konstrukce. Činnost geotechnického a autorského dozoru byla pro realizaci stavby nezbytná, zjištěné odchylky od předpokladů projektu se podařilo včas zaznamenat a projektovaná opatření těmto odchylkám přizpůsobit.

Výsledky statické ruční penetrace provedené z úrovně zemní pláně v ose 2. TK ve staničení km 186,759 až 186,761 a dodatečná sanační úprava zemní pláně jsou plně v souladu s výsledky závěrečné zprávy IG průzkumu vypracované naší společností v dubnu 2010 a svědčí o nízké kvalitě jemnozrnných zemin tvořících zemní těleso i pod 2. TK. Předpokládáme, že u této koleje bude nezbytné v blízké budoucnosti provést minimálně reprofilaci svahu náspu. Pokud by v dlouhodobém horizontu docházelo k poruchám GPK, bude nutné vybudovat obdobná drenážní a stabilizační žebra i ve svahu pod kolejí č. 2.

Těleso železničního spodku bylo sanováno s maximální možnou pečlivostí a jeho stabilita se zvětšila na požadovanou úroveň, což se kladně projeví na bezpečnosti a plynulosti železničního provozu a na údržbě trati v budoucnu.

Subgrade bearing capacity rehabilitation on Karlovy Vary – Chodov railtrack, km 186,614–186,794 – remediation design approach and continuous supervision
ARCADIS CZ a.s., division Geotechnika (formerly Stavební geologie – Geotechnika, a.s.) is the part of an international company ARCADIS that provides consultancy, design, engineering and management services in the fields of infrastructure, water, environment and buildings. With over 85 years of history, knowledge of modern European approaches and ability to manage large engineering projects the company offers to clients personal and professional attitude focused on well performed and low-cost solution of engineering structures particularly in geotechnical engineering, foundation engineering, underground structures as well as environment.

Autor

• Ďurove Jan