Výstavba metra V.A – realizace jednokolejných traťových tunelů

• Foto

TECHNOLOGIE TUNELOVACÍCH STROJŮ
Pro uvedení do problematiky tunelovacích strojů je třeba připomenout, že v oboru tunelářském existují dva vývojové proudy způsobu provádění ražených děl. Jedná se o tzv. cyklické postupy výstavby reprezentované především Novou rakouskou tunelovací metodou a tzv. postupy kontinuální realizované pomocí tunelovacích strojů (TM – Tunnelling Machines). Nejzákladnější rozdělení rozlišuje razicí stroje (TBM – Tunnel Boring Machines) a štíty (SM – Shielded Machines).

Technologie tunelovacích strojů se v Československu poměrně slibně rozvíjela v období 60. – 90. let, jak je vidět v následujícím přehledu (prof. Ing. Barták Jiří DrSc. – Silnice a železnice 4. 7. 2010):

Razicí stroje – Výstavba dolů uranového průmyslu (v současnosti Subterra a. s.)

• DEMAG ∅ 2,67 m – výstavba dolu (VD) Přísečnice (1974 – 1. nasazení tunelovacího stroje v ČR), VD Dřínov, VD Josefův důl, VD Slezská harta, kabelové tunely Praha – celkem 23 041 m
• RS ∅ 2,6 až 3,8 m – kabelové tunely a stoky v Praze, VD Josefův důl, VD Slezská harta, Brněnský oblastní vodovod (úseky Běleč I a II, Švařec, Bystrc Bosonohy), důlní otvírka Figaredo (Španělsko) – celkem 43 644 m

Štíty plnoprofilové – Inženýrské a průmyslové stavby (v současnosti Skanska a. s.)

• PRISTLEY ∅ 2,4 a 3,6 m: Kabelový tunel Žižkov, kolektor Žižkov, tepelný napáječ Malešice
• Westfalia Lünen ∅ 1,6 m: Kanalizace Chodov, Kyje, Prosek

Mechanizované štíty plnoprofilové (větší) – Metrostav (v současnosti Metrostav a. s.)

• TŠčB-3 ∅ 5,8 m s ostěním z pressbetonu – trasa „A“ pražského metra – oba traťové tunely pod Vltavou Klárov – Staroměstská – (1973 – 1. nasazení plnoprofilového mechanizovaného štítu v ČR), pravý tunel trasy „A“ v úseku Staroměstská – Můstek, trasa „B“ – levý traťový tunel v úseku Můstek B – Florenc B, celkem cca 3 500 m

Štít s výložníkovou frézou:

• RŠF-1 – trasa „B“ – traťový tunel v úseku Florenc B – Invalidovna, celkem cca 2 000 m (1986 – 1. nasazení v ČR)

V porevoluční éře se technologie tunelovacích strojů z prostředí českého podzemního stavitelství zcela vytratila. Hlavním důvodem byl především charakter realizovaných projektů (železniční i silniční tunely poměrně krátkých délek), pro které byla výhodnější dynamic ky se rozvíjející Nová rakouská tunelovací metoda. Díky tomu došlo i ke ztrátě kontaktu s technologií TM a ztrátě zkušeností spolu s odchodem jejich nositelů z oboru.

Až projekt výstavby pátého provozního úseku trasy A, s jehož realizací se započalo na konci první dekády jednadvacátého století, se ukázal jako šitý na mírů moderním tunelovacím strojům. Zadávací podmínky, které požadovaly dobu realizace stavební části na období čtyř let a především prostředí, kterým je nová trasa vedená, se staly okrajovými podmínkami pro volbu metody ražeb jednokolejných tunelů. Zhotovitel musel splnit následující kritéria:

• bezpečně provést ražbu v městské zástavbě, s tím, že bylo nutno podejít např. výškové budovy sídliště Červený vrch, rušnou dopravní tepnu – Evropskou ulici, nebo oblast historických důlních děl,
• omezit sedání povrchu nad raženými díly na maximální hodnotu 10 mm, jak si žádala projektová dokumentace,
• provést ražbu dvou jednokolejných tunelových trub (každá v délce 4,1 km) za 19,5 měsíce.

Pro splnění požadovaných kritérií byla zvolena v podstatě nejmodernější metoda v oblasti štítů – EPBS (Earth pressure balance shield), spočívající v možnosti aktivní kompenzace zemních tlaků působících na čelbě pomocí upravené rubaniny v odtěžovací komoře.

ŠTÍTY PRO PROJEKT METRA V.A
Důležitým znakem tunelovacích strojů je to, že nejsou vyráběny sériově, ale vždy jako prototypy dle požadavků zákazníka. Zhotovitelská stavební firma proto musí již v dostatečném předstihu před zahájením projektu, resp. před zahájením výroby samotného stroje důkladně rozmyslet, jak přesně bude stroj vypadat a jakými dílčími technologiemi má být vybaven.

Metrostav požadoval bentonitový systém pro podpírání horniny obklopující štít, aby se zabránilo vzniku nadměrných zatížení působících na stroj během delších odstávek; požadoval také aby byla řezná hlava a šnekový dopravník vyrobeny z obrusuvzdorného materiálu na bázi karbidů chrómu z důvodu ražby v prostředí abrazivních pískovců s podílem křemité složky větším než 85 % a CAI koeficientem 4,5, kterými musel stroj projít v prvních 500 metrech trasy. Poměr otvorů na řezné hlavě byl zvětšen na 30 %, aby se minimalizovalo riziko ucpání řezné hlavy lepivými jíly, kterého se zhotovitel obával při průchodu deluviálními sedimenty a zvodnělými jílovitými břidlicemi. Stroj byl rovněž vybaven vrtacím zařízením pro možnost provádění průzkumných vrtů před čelbu.

Pro těžbu rubaniny byla vybrána pasová doprava. Materiál a segmenty byl transportován pomocí multifunkčních kolových platforem MSV, pro výplň mezikruží mezi tunelovým ostěním a výrubem byla zvolena koncepce tzv. dvoukomponentní injektáže a pro skladbu ostění tzv. univerzální prstenec.

Dvojice strojů určená pro projekt Výstavby metra V.A byly vyrobeny v německé továrně firmy Herrenknecht, předního světového výrobce tunelovacích strojů, pod sériovými čísly S-609 a S-610. Jelikož svou ražbu začínaly nedaleko motolské nemocnice, která je největší nemocnicí v republice a má velké dětské oddělení, uspořádalo vedení firmy Metrostav ve spolupráci s primátorem Bohuslavem Svobodu výzvu k dětem, aby oba stroje pojmenovaly. Pacienti z dětského oddělení přisoudily stroji S-609 jméno Tonda a stroji S-610 jméno Adéla.

Časové nasazení strojů
Vzhledem k charakteru projektu, který obsahoval stavbu jak traťových tak i staničních úseků, bylo nutné naplánovat práce na obou typech stavebních objektů tak, aby postupovaly pokud možno souběžně a byly na sobě časově co nejméně závislé. Důsledkem takto naplánovaného harmonogramu byla nutnost přerušovat ražby pomocí tunelovacích strojů v každém staničním úseku, stanicí stroj pouze protáhnout a opětovně započít s ražbou na jejím konci. Z pohledu zhotovitelů staničních úseků bylo naopak nutné dosáhnout v požadovaném termínu takové stavební připravenosti, která průtah stroje umožní.

Ražby stroji EPBM začaly 10. 4. 2011, kdy se na svou pouť vydal Tonda (S-609). Sesterský stroj Adéla (S-610) byl k ražbě připraven o tři měsíce později – 12. 7. 2011. Z hlediska rychlostí ražeb byla jednoznačně splněna očekávání, neboť bylo dosaženo doposud rekordních postupů v počtu tunelmetrů vyražených za určitou časovou jednotku (viz tabulka).

Největší časové prostoje byly způsobeny průtahy stanicemi a následnými restarty na jejich koncích. Výrazné zdržení bylo rovněž způsobeno stěhováním zařízení staveniště a všech technologií souvisejících s ražbou TBM z původního staveniště BRE1 na staveniště E2, situované zhruba v polovině budované trasy.

I se započítáním průtahů či stěhování čítala celková doba ražeb 596 dní. Při uvažovaní délky ražených tunelů 4 100 metrů, je průměrný denní výkon 6,8 metrů, což je číslo, které je konvenčními metodami v podstatě nedosažitelné, neboť je třeba mít na paměti, že hovoříme o tunelu provedeném v definitivním ostění, zatímco pokud jsou uváděny výkony ražeb pomocí NRTM, hovoří se pouze o tunelu vystrojeném primární obezdívkou.

Bezpečnost prací a ovlivnění okolí
Stroje EPBM umožňují práce ve třech různých režimech. Režim bez podpory čelby je takový, ve kterém není snaha o vytváření protitlaku na čelbě a kdy je veškerá rubanina rozpojovaná řeznou hlavou okamžitě odtěžována z prostoru odtěžovací komory. Tím, že je odtěžovací komora v podstatě prázdná, je možno dosahovat vysoké rychlosti postupů a energetických úspor. Takový režim je možno aplikovat v prostředí pevných hornin s nízkými přítoky podzemní vody.

V případě hornin nestabilních, tlačivých či při nutnosti čelit vyšším hydrostatickým tlakům v důsledku působení podzemní vody, je třeba přejít do režimu s plnou podporou čelby. Ten nastává v případě, kdy se rozpojená rubanina upravená pomocí aditiv hromadí v odtěžovací komoře a vytváří aktivní kompenzaci působícím tlakům horninového prostředí. Čím více materiálu se v odtěžovací komoře nashromáždí, tím většího tlaku se dosahuje. Tlak je monitorován pomocí čidel, jimiž je odtěžovací komora vybavena.

Třetím režimem je režim s částečnou podporou čelby, někdy zvaný jako přechodový mód. V tomto případě je odtěžovací komora zaplněna pouze zčásti a v případě potřeby lze snadno přejít do režimu uzavřeného.

Kromě toho, že se režim ražby řídí zastiženou geologií, může být použití uzavřeného módu vyžádáno nutností ochrany povrchové zástavby. Takový případ nastal v první etapě ražeb metra V.A. Trasa tunelu byla vedena v prostředí stabilních pískovců a jílovitých břidlic. Bylo však nutné postupně podejít obytný komplex Hvězda, železniční trať Praha – Kladno a objekty kanalizace. Všechny objekty byly zpracovatelem projektové dokumentace označeny jako objekty citlivé na zvýšené poklesy.

Ve všech případech se podařilo udržet sedání v předepsaných mezích a stroj EPBM tak zcela naplnil veškeré předpoklady, pro které byl na realizaci tohoto úseku vybrán.

Stejného výsledku bylo dosaženo i na počátku druhé etapy, kdy bylo nutné projít rizikovou oblastí historických důlních polí, ve kterých probíhalo v 18. století dobývání chudé železné rudy. O těchto polích bylo dochováno jen minimum záznamů. Hranice povoleného sedání nebyla překročena ani při ražbě pod výškovými budovami na sídlišti Červený vrch.

Dne 8. 7. 2012 došlo k mimořádné události, kdy se nad strojem S-609 propadla část konstrukce vozovky. Ohledáním místa samotného propadu i sledováním podloží v trase ražby pomocí gravimetrie a georadaru bylo zjištěno, že podkladní vrstvy pod silnicí v ul. Evropská jsou v nevyhovujícím stavu, nedostatečně zhutněné, obsahují oslabená prázdná místa a možné kaverny. Tím se ukázalo, že ani metoda TBM, která je obecně považovaná za nejbezpečnější tunelářskou metodu, není všespásná, a že je třeba věnovat pozornost prostředí, ve kterém ražba probíhá.

Až do konce ražeb proto byla přijata dodatečná bezpečnostní opatření spočívající ve sledování a vyhodnocování údajů z tlakových čidel, tlaků a množství výplňové injektáže atd. Zjištěné dutiny a kaverny byly v předstihu sanovány a vyplňovány. Na povrchu nad razícími stroji byl ustanoven stálý dozor, který měl za úkol informovat o jakékoli pozorované anomálii a v neposlední řadě byl zaveden systém automatických SMS, které byly doručovány vybraným technickým pracovníkům v případě překročení stanoveného těženého množství.

Dodatečná bezpečnostní opatření se ukázala být nezbytná zvláště s ohledem na velikost sanovaných dutin, které byly schopny pojmout i na 300 m³ sanačního materiálu.

Průtahy stanicemi a restarty
Jak již bylo uvedeno, největším zdržením při postupu výstavby jednokolejných tunelů byly průtahy stanicemi. Tunelovací stroje jsou totiž vyráběny jen pro svůj primární účel, tzn. pro ražbu tunelů a stavbu tunelového ostění. Veškeré další operace stroji nejsou vlastní a musí být řešeny individuálně podle povahy projektu. Průtahy stanicí jsou navíc obdobími, kdy stroj nerazí, a tudíž nepřináší ekonomický zisk.

Na projektu prodloužení trasy A musely stroje projít třemi podzemními stanicemi, jednou otevřenou hloubenou jámou a podzemním prostorem pro budoucí objekt ventilace. Oba stroje tedy musely na čtyřkilometrovém úseku absolvovat čtyři průtahy těmito prostory a také čtyři restarty po protažení.

Zahájení ražeb v montážní komoře na Vypichu bylo podmíněno vyražení cca 10 metrů dlouhou zarážkou, do které byl vsunut štít. Za ním byl instalován masivní ocelový startovací rám, který pro tyto účel navrhla firma Herrenknecht. Rám byl opřen do železobetonové konstrukce dna šachty, která byla schopna spolehlivě přenést síly vyvozené tlačnými písty tunelovacího stroje.

Ocelový rám byl opětovně použit i pro start obou strojů ze stavební jámy na staveništi E2. Start se však lišil od těch z BRE 1, neboť v tomto případě nebylo použito předražených tunelů. Start stroje se odehrál před svislou stěnou jámy a síly byly na rám přenášeny skrze postupně stavěné segmenty, které byly podpírány pomocnými ocelovými konstrukcemi a převázány lany.

V podzemních stanicích se pro restart strojů nejdříve vyrazily startovací komory o profilu větším než je profil TBM a délky 12 metrů, do kterého byl vsunut štít. Do primárního ostění předraženého tunelu byla po segmentech předem instalována ocelová skruž, která se následně spojila s primární obezdívkou pomocí kotev a volný prostor
mezi ní a primárním ostěním byl vyplněn samozhutnitelným betonem. Na skruž byly následně přivařeny rozpěry viz, které přenášely do ostění tlaky od pístů. K těmto rozpěrám se před zahájením ražeb TBM přimontoval ocelový prstenec, k němuž se pak postavil skutečný prstenec ze železobetonových segmentů. Od něj se pak stroj odrazil.

Průtahy stanicemi byly ze začátku prováděny způsobem, který byl inspirován řešením prováděným při výstavbě metra v tureckém Istanbulu. Ve stanici byly vybetonovány konstrukce železobetonových lůžek, do kterých byly upevněny vodící kolejnice. Po těchto kolejnicích, které musely být před posunem důkladně lubrikovány, se uskutečnil posun štítové části stroje. K vlastnímu posunu stroje byl používán ocelový segment, který se zachytil do kolejnic a od nějž se stroj odrazil vždy na vzdálenost jednoho postupu. Po výsunu se ocelový segment přitáhl zpět na startovací pozici. Tím, že byl stroj posouván po úzkých kolejnicích, byla minimalizována styčná plocha a tím i odpor vznikající v důsledku působící třecí síly.

Pro průtah závěsu byly štítem do lůžka pokládány segmenty, které byly kladeny do vysypaného pískového lože. Později se ukázalo, že tato sypání pískového lože a instalace segmentů byla zdlouhavá a problémy se ukázaly i při následných průjezdech vozy MSV, jejichž hmotnost způsobila praskání a posuny železobetonových dílců. Zároveň však bylo nutné ŽB konstrukce lůžek odstranit, a to bylo značně nákladné. Pro další průtahy byly vymyšleny ocelové konstrukce, které ŽB lůžko nahradily a celý proces zrychlily. Tyto ocelové konstrukce byly modifikovatelné a navíc použitelné opakovaně.

STAVEBNÍ MATERIÁLY
Pro stavbu tunelových trub byly v celé délce používány v zásadě pouze dva typy materiálu. Železobetonové prefabrikáty segmentového ostění a výplňová malta, která fixuje prstence do horninového masívu a zajišťuje tak spolupůsobení horniny s ostěním.

Tunelové ostění
Tunelové ostění bylo navrženo jako železobetonové s pevnostní třídou betonu C 50/60. Prstence byly tvořeny 5 + 1 segmentem a byly tzv. univerzální. Jedná se o koncept, kdy je pro celou konstrukci tunelu používán stejný typ prstence bez ohledu na to, zda ražba probíhá v přímé či v pravo- nebo levostranném oblouku. Směrování tunelu je dosaženo pouze díky natočení daného prstence podle vodorovné osy. Lze konstatovat, že takto zvolená koncepce se osvědčila.

Samotné prstence však nebyly schopny dokonale čelit silám působícím v průběhu ražby a začaly vykazovat praskliny. Takové chování segmentů pak má zásadní vliv na absolutní vodotěsnost tunelů, která je investorem stavby žádána.

Problém s praskáním segmentů byl způsoben kombinací více faktorů, počínaje návrhem segmentů, jejich výrobou, dopravou a skladováním přes způsob ražby až po samotnou stavbu prstence. Ačkoli byla poruchám a zjišťováním jejich příčin věnována velká pozornost, nepodařilo se během ražeb problém zcela eliminovat, ačkoli viditelných zlepšení dosaženo bylo.

Lze s jistotou konstatovat, že nejpalčivějším problémem byly síly, které na segmenty působí v době ražby. Vznik a vývoj prasklin na již zabudovaných segmentech, které jsou vystaveny působením zemních tlaků od okolního horninového prostředí pozorován nebyl. Segmenty byly vyráběny z vysokopevnostního betonu třídy C50/60, který vykazoval malou duktilitu. Tloušťka segmentů 25 cm je tou nejsubtilnější, která se světově pro železobetonové dílce používá. Pomocí nik pro šrouby a otvory pro naváděcí kužely erektoru byla tloušťka lokálně zmenšena na 15 cm, s tím, že uprostřed segmentu byly toto oslabení soustředěno do jedné osy. Praxe ukázala, že díky tomu jak byly segmenty navrženy, jsou velice citlivé na jakékoli nerovnoměrné působení sil a díky tomu velmi náchylné k prasklinám. Během ražeb se potvrdilo, že není zapotřebí využívat plně využívat přítlak stroje. Z uvedených důvodů bylo možné snížit třídu betonu na C45/55. Další použitou metodou pro zvýšení duktility betonu je příměs polypropylenových vláken v malém množství.

Výplňová malta
Pro projekt metra V.A byla jako výplňové médium vybrána tzv. dvoukomponentní injektáž (two component grout). Jedná se o materiál na bázi cementu, bentonitu a plastifikační přísady (komponenta A), který je ve fázi aplikace směšován s urychlující přísadou (komponentou B) zajišťující gelovatění a následné tuhnutí směsi.

Hlavní předností této koncepce výplňového média je skutečnost, že obě komponenty jsou do doby vzájemného smíchání tekuté a je možno je tudíž čerpat potrubně. Díky tomu je jejich doprava zcela nezávislá na okolní logistice.

Smícháním obou komponent nabývá směs gelové konzistence, která je schopná prostor rovnoměrně vyplnit a nemá tendenci se vsakovat do okolního prostředí. Gelová konzistence má rovněž zabránit efektu, kdy čerstvá injektážní směs v důsledku hydrostatického tlaku nadnáší segmenty.

Tím, že injektáž probíhá spolu s postupem stroje, je minimalizována doba, po kterou je výrub nezajištěn, což má vliv na redukci sedání povrchu.

ZÁVĚR
Nasazení technologie zeminových štítů bylo úspěšné. Prokázalo se, kde jsou přednosti i nedostatky této tunelářské metody. Všichni zainteresovaní pevně doufají, že bude možné získané poznatky rozvíjet na dalších projektech a že se nebude opakovat doba, která nastala po roce 1990, kdy byla metoda tunelovacích strojů zcela opomenuta a veškeré vědomosti bylo nutné sbírat takřka od nuly.

Construction of Metro V. A – Implementation of Single-Track Line Tunnels
When November 26, 2012 parts of underground walls started to be destroyed in the premises of end sections of turning rails of the Dejvická Station and cutting heads of tunnel boring machines Tonda and Adéla began to emerge gradually before plenty of significant guests with Martin Herrenknecht and MUDr. Bohuslav Svoboda at their head, employees responsible for construction of single track line tunnels could have felt relieved, because right in this moment it was possible to say that the mission lasting more than one and a half year called application of technology of so-called soil shields into environment of the Czech underground engineering was completed.

Autor

• Ing. Hybský Petr