Ražba tunelů Ejpovice

• Foto

Než však Viktorie dospěla k tomuto okamžiku, museli pracovníci na tomto projektu zúčastnění překonat mnoho nástrah a technických úkolů, které vyplývaly nejen z podstaty v našich podmínkách dosud nerealizovaného projektu, ale také ze složitostí geologického prostředí, které připravila sama matka příroda. Jejich více než dvouletou práci přibližuje následující článek.

CHARAKTERISTIKA PROJEKTU, INŽENÝRSKO GEOLOGICKÉ PODMÍNKY

Ejpovické tunely jsou dvojící paralelně vedených jednokolejných tunelových trub podcházejících terénní vrcholy – Homolku a Chlum. Jejich délka je shodně 4 150 m, přičemž jsou vzájemně propojeny osmerem propojek. Jsou navrženy pro konstrukční rychlost 160 km/h, z tohoto požadavku vyplývá i jejich příčný profil, jehož světlý průměr je 8 700 mm. Ostění je tvořeno prefabrikovanými segmenty z betonu s rozptýlenou výztuží. Vnější profil prstenců je 9 500 mm. Tunely jsou téměř v celé své délce ražené, jen v portálových částech jsou hloubené. Propojky byly raženy dle zásad Nové Rakouské tunelovací metody. Propojky mají charakter spojovacích chodeb s vnitřními technologickými místnostmi. Propojky č. 1, 4 a 7 jsou navíc doplněny technologickými chodbami, které jsou situovány kolmo na hlavní trasu propojky. Ostění propojek je dvouplášťové; primární ostění je tvořeno ocelovými příhradovými rámy, stříkaným betonem a výztužnými sítěmi, definitivní ostění je z monolitického železobetonu. Mezilehlá izolace je fóliová. Výjimku v tomto návrhu tvoří propojka č. 8, jejíž definitivní ostění je ze stříkaného drátkobetonu a mezilehlá izolace je stříkaná. Geologický profil tvořily pod vrchem Homolka především břidlice různého stupně zvětrání, naopak dominující horninovým typem pod vrchem chlum byly pevné skalní horniny – spility.

NÁVRH TUNELOVACÍHO STROJE

Klíčovým prvkem metody mechanizovaného tunelování je tunelovací stroj. Ten provádí veškeré pracovní operace ražby tunelu (rozpojení horniny za současného podepření čelby, odtěžbu rubaniny a následné zajištění výrubu) a právě na něm je celá technologie závislá. Z tohoto důvodu je alfou a omegou úspěšného zvládnutí ražeb jeho správný návrh, neboť každý tunelovací stroj je konstruován jako originál pro konkrétní podmínky projektu. Stroj pro Ejpovické tunely musel být schopen razit stejně efektivně v břidlicovém prostředí stejně jako v pevných skalních horninách – spilitech. Proto byl navržen takový strojní komplex, který byl základně konstruován jako zeminový štít s možností přestavby pro režim stroje do pevných skalních hornin.

HLOUBENÍ PORTÁLOVÉ JÁMY, PŘÍPRAVA KONSTRUKCÍ PRO START STROJE

Před zahájením ražeb bylo třeba vyhloubit cca 700 m dlouhý zářez, jehož hloubka místy přesahovala 20 m. Celý zářez je zajištěn pomocí pilotových stěn překrytých stříkaným betonem, skrze převázky pramencovými kotvami kotvenými do okolního horninového prostředí. Na dně stavební jámy v předportálí jižního tunelu byly vybetonovány konstrukce pro montáž a pozdější start tunelovacího stroje, tzv. kolíbky. Tyto konstrukce musely být prováděny doslova s milimetrovou přesností, neboť jakákoli nepřesnost by montáž i start stroje notně komplikovala.

Stroj byl na staveniště po částech převážen v posledním kvartále roku 2014 a díly byly postupně kompletovány. Montáž byla dokončena na konci ledna 2015, přičemž v únoru byly zahájeny ražby jižní tunelové trouby.

RAŽBA JIŽNÍ TUNELOVÉ TROUBY

Ražba v břidlicovém prostředí tunelu Homolka probíhala v režimu zeminového štítu. V místech s nízkým nadložím a vysokých přítoků podzemní vody byl využíván uzavřený mód s aktivním tlakovým podpíráním čelby. Naopak v oblastech stabilní čelby byl využíván mód bez podpory čelby. Pro prostředí spilitů byl stroj konstrukčně přestavěn do tzv. „hardrock“ režimu. V něm pak dokončil ražbu tunelu Chlum.

Obecně lze tvrdit, že geologické podmínky byly komplikovanější, než jaké předpokládala zadávací dokumentace. Prostředí mělo mnohem vyšší stupeň abrazivity, vyznačovalo se vysokými přítoky podzemní vody (v maximech až 28 l/s) a jako celek bylo málo stabilní s vysokou propustností.

Takové podmínky výrazně komplikují ražby a nutí zhotovitele postupovat s vysokou opatrností, která ve výsledku znamená časová zdržení, oproti původně plánovaným postupům. I přesto, že se podařilo dosáhnout úctyhodných denních (32 m) i měsíčních (526 m) maxim, trvala ražba jižní tunelové trouby celkem 16 měsíců.

Již během postupu jižním tunelem zhotovitel na základě zjištěných skutečností vyvíjel technická řešení, které by mohl použít při ražbě tunelu severního. Jednalo se jednak o opatření prováděná v horninovém prostředí, tak i konstrukční prvky implementované přímo na tunelovací stroj.

STĚHOVÁNÍ STROJE, PŘÍPRAVA RAŽEB SEVERNÍ TUNELOVÉ TROUBY

Po doražení prvního tunelu (v tomto případě jižního), byl stroj rozebrán na transportovatelné části a postupně odvezen zpět na vjezdový portál. Vysoká abrazivita prostředí způsobila nadměrné opotřebení některých strojních částí, proto musely být převezeny do Prahy na středisko ocelových konstrukcí, kde byly repasovány. Během fáze opětovné montáže stroje tak kromě samotných montážních prací byly prováděny i repase stroje a práce na dodatečných technických vylepšeních. I přesto byl stroj na konci září roku 2016 sestaven a připraven pro ražbu tunelu severního.

RAŽBA SEVERNÍ TUNELOVÉ TROUBY

Jak již bylo uvedeno, pro ražbu severní tunelové trouby vypracoval zhotovitel skupinu opatření a technických řešení, které ve výsledku pomohly popasovat se mnohem lépe se zjištěnými komplikovanými geologickými podmínkami. 

První skupinou opatření, která zhotovitel provedl pro ražbu severního tunelu, byla ta, jimiž upravoval samotné horninové prostředí. Jelikož první úsek cca 250 m ražeb probíhal v částečně nízkém nadloží s vydatnými přítoky podzemní vody, navíc v prostředí s krátkodobou stabilitou, bylo ve spolupráci s Radou monitoringu rozhodnuto o odvodnění této části horninového prostředí skrz již vyraženou jižní tunelovou troubou. Skrze její segmentové ostění byly v pravidelných krocích udělány průvrty délky, jejichž prostřednictvím byla výrazně snížena hladina podzemní vody.

Velké komplikace ražeb způsobovala vysoká abrazivita prostředí. V jejím důsledku se mnohem rychleji, než se předpokládalo, opotřebovávaly řezné nástroje. Tento fakt nejen, že ve svém důsledku způsobuje zpomalení ražeb, ale vyžaduje také mnohem častější zastávky z důvodu nutnosti výměn řezných nástrojů. V prostředí s omezenou stabilitou výrubu je však velmi obtížné nalézt vhodné místo, kde by bylo možné zastavit, vyprázdnit odtěžovací komoru a vstoupit do tohoto prostoru za účelem výměny řezných nástrojů.

Z tohoto důvodu bylo přistoupeno k opatření v podobě zlepšení horninového prostředí v předem naplánovaných místech zastávek pro kontrolu a výměnu řezných nástrojů. Zlepšení se provádělo pomocí monolitických podzemních stěn. Podzemní stěny měly délku 15 m, šířku lamely 1,2 m a vždy se prováděly 3 v těsné blízkosti za sebou. Podzemní stěny se prováděly do hloubky poloviny profilu řezné hlavy. Díky podzemním stěnám bylo možno v předem připravených místech zastavit ražbu a provést práce na řezné hlavě bez nutnosti jejich provádění v přetlaku vzduchu, který by díky vysoké propustnosti prostředí byl velice rizikový s ohledem na bezpečnost práce důsledkem náhlého úniku vzduchu.

Pro vyloučení jakýchkoli negativních dopadů, které by ražba potenciálně mohla na nadloží mít, prozkoumalo se nadloží geofyzikálními metodami. Nejdříve před zahájením ražby severního tunelu, a následně po vyražení určitého úseku. Výsledky byly porovnány a v místech, které vykazovaly určité anomálie, se tyto ověřovaly pomocí vrtů případně pomocí kopaných sond, aby se ověřilo, zda zjištěné anomálie značí nadměrné rozvolnění nadloží či nikoli. V případě, pokud by se rozvolnění potvrdilo, bylo by toto místo sanováno.

NOVÁ TECHNICKÁ ŘEŠENÍ NA TUNELOVACÍM STROJI URČENÁ K RAŽBĚ V REŽIMU EPB

Již v průběhu ražeb jižního tunelu zhotovitel vyvíjel dodatečná zařízení na tunelovací stroj tak, aby byla připravena pro ražbou trouby severní. Stále však bylo třeba mít na paměti fakt, že se jedná o stroj konvertibilní a že určitá vylepšení pro ražby EPB by mohla komplikovat ražby hardrock a naopak. V zásadě se zhotovitel při svých návrzích zaměřil především na problémy s vysokými přítoky podzemní vody.

Jedním z popsaných problémů ražeb v břidlicovém prostředí byla úprava konzistence rubaniny. Břidlice mají poměrně úzké spektrum vlhkosti, při kterých je jejich konzistence vhodná pro ražbu zeminovým štítem. Nižší podíl vlhkosti způsobuje lepivou konzistenci, naopak vyšší konzistenci zvodnělou. Úprava rubaniny byla o to náročnější, že masív byl dotován vysokým přítoky podzemní vody. Proto zhotovitel spolu s dodavatelem stavební chemie firmou MAPEI pracoval na způsobu používání polymeru k vázání vody. U každé stavební chemie totiž platí, že je třeba mít kvalitní produkt, ale mnohem důležitější je jeho správné použití.

Firma Metrostav a. s. vyvinula automatický systém, který připravil homogenní roztok v přednastavené koncentraci. Roztok bylo možno posléze dávkovat do odtěžovací komory a v ní promíchat s rubaninou. Výsledek byl viditelný téměř okamžitě. Projevil se snížením tlaku na výstupu ze šnekového dopravníku a především mnohem lepší těžitelností rubaniny.

NOVÁ TECHNICKÁ ŘEŠENÍ NA TUNELOVACÍM STROJI URČENÁ K RAŽBĚ V REŽIMU HARDROCK

Poté, co ražba dospěla do prostředí spilitů, byl stroj zastaven a začaly práce na přestrojení stroje do režimu pro pevné skalní horniny (tzv. režim hardrock). Toto přestrojení spočívalo v několika konstrukčních změnách především na řezné hlavě, způsobu odtěžování rubaniny a změnách v řídícím softwaru tunelovacího stroje. Na řeznou hlavu byly namontovány tzv. skluzy, které při rotaci hlavy usměrňují rubaninu přímo do násypky. Mimo to byly otvory v řezné hlavě zmenšeny pomocí ocelových vzpěr. Řezné disky velikosti 18“ byly nahrazeny disky 19“. Pro odtěžování byla do prostoru odtěžovací komora vsunuta již zmíněná násypka, pod níž byl vsazen pásový dopravník.

Ražby v režimu zeminového štítu – zvláště v režimu s plnou podporou čelby – kladou velký požadavek na lidský um. Pilot zpočátku pracuje s daty, které stroj sbírá prostřednictví různých senzorů a měřidel, ale musí se řídit i citem při dosahování ideální konzistence rubaniny. V režimu hardrock je lidský faktor více upozaděn. Rychlost postupu je omezena charakteristikami stroje, resp. maximálním dosažitelným kroutícím momentem při daných otáčkách řezné hlavy a maximální možnou zatížitelností řezných disků, která se odráží v limitu kontaktní síly. Pilot při řízení stroje tyto hodnoty nastaví a v podstatě čeká na odezvu horniny, jakou rychlost postupu stroji umožní.

Také v prostředí pevných skalních hornin měla na potup ražby neblahý vliv zvýšená abrazivita prostředí. Bylo třeba mnohem častějších kontrol potažmo výměn řezných nástrojů. Po zkušenostech z jižního tunelu zhotovitel po konzultaci se zahraničními experty navrhl nasazení dvojitých disků na každou sudou pozici na řezné hlavě. Očekávalo se, že toto opatření povede ke zvýšení penetrace, potažmo rychlosti postupu a také, že disky budou mít delší životnost. Předpoklady se potvrdily jen zčásti. Rychlost zůstala srovnatelná s jižní tunelovou troubou, životnost byla opravdu delší. Avšak čas získaný v důsledku lepší životností byl ve výsledku ztracen kvůli tomu, že náročnost výměny dvojitého disku je mnohem vyšší, než jaká je u disku jednoduchého.

Přesto, že v prostředí spilitů se postupy ražeb příliš urychlit nepodařilo, v prostředí břidlic byl vliv provedených opatření mnohem větší. Veškerá opatření vedla v součtu k tomu, že se zhotoviteli podařilo vyrazit severní tunelovou troubu o více než čtyři měsíce dříve než troubu jižní. Zároveň s tím bylo dosaženo rekordního denního výkonu o hodnotě 38 m a měsíčního výkonu 702 m.

POKLÁDKA INVERTŮ, RAŽBA PROPOJEK

Během ražby severní tunelové trouby práce v jižním tunelu rozhodně nestály. Právě naopak. Po provedení sanací tunelového ostění byla zahájena betonáž invertu. Ta byla včetně betonové desky dokončena za 2 měsíce. Z vybetonovaného dna jižního tunelu mohly být zahájeny práce na ražbách propojek, Nejprve se pomocí okružní pily vyřezaly segmenty v místě vstupu do propojky. Příslušné segmenty byly vybourány a byla započata ražba propojky. Práce začaly na propojce č. 1 a postupně pokračovaly k propojce č. 8. Vždy, když to postup prací dovolil, začalo se s izolatérskými pracemi dna, následovalo jeho armování a betonáž. Z vybetonovaného dna se následně izolovala klenba, opět následovaly práce na armování a betonáž ostění do formy. V závěrečných fázích se provedly tzv. krčky, tedy přechody propojek na segmentové ostění jižního a severního tunelu. V maximální možné míře se využívalo souběhu prací s tím, aby byly propojky co nejdříve stavebně dokončeny a připraveny pro technologickou část.

PŘESUN STROJE PO DORAŽENÍ SEVERNÍ TUNELOVÉ ROURY

Proto, aby mohly být co nejdříve po doražení severního tunelu zahájeny co nejdříve další navazující práce v něm, byla snaha tunelovací stroj co nejdříve po prorážce dostat z prostoru portálu tunelu. Zhotovitel tudíž již v předstihu připravil technickou variantu řešení, při němž rozpojil část štítovou a část závěsovou. Štít byl pomocí hydrauliky a ocelových stojek PIŽMO vyzvednut, přestěhován na připravené betonové pásy a po nich postupnými kroky přestěhován. Mezitím mohly být z tunelu vytahovány jednotlivé vozíky závěsu stroje, demontovány, čištěny, konzervovány a baleny tak, aby byly připraveny k transportu.

ZÁVĚR

Ejpovické tunely budou po svém dokončení významným prvkem koridorové trati na trase mezi Prahou a Plzní. Do provozu budou uvedeny dosud nejdelší železniční tunely v síti SŽDC. Významné byly i z hlediska provádění. Na jejich ražbu byl použitý dosud největší tunelovací stroj v podmínkách českého podzemního stavitelství. Náročné geologické podmínky prověřily schopnosti všech subjektů na tomto projektů zúčastněných. V dnešní době, kdy jsou již oba tunely proražené, je možné prohlásit, že všichni zúčastnění obstáli.

Tunneling of Ejpovice Railway Tunnels
At the beginning of October 2017, several thousands of non-experts as well as experts witnessed an unusual event in Doubravka, quarter of Pilsen. It was the moment, when the largest tunnelling machine seen in underground construction industry within the Czech Republic completed the last meters of the tunnelling and drilled its way through the portal wall made of sprayed concrete. Its rotating cutting head broke through it. The moment was, indeed, unique, because the last meters of the longest railway tunnel in the SŽDC networks were being broken through. That is how the last meters by Viktorie, the tunnelling machinery, at the northern side of the construction, were celebrated.

Autor

• Ing. Hybský Petr