Výstavba rychlostní komunikace S7 přes Żuławy aneb neustálý boj s vodou

• Foto

ÚVOD

Abychom čtenáře mohli lépe zasvětit do problematiky zájmového území a tudíž lépe pochopit rozsah navrhované sanace podloží, je nezbytné přiblížit trochu historie. Żuławy Wiślane jsou územím zaujímajícím 1 700 km² na dolním toku řeky Visly, která tvoří její deltu. Přibližná podoba nynějších Żuław sahá někdy okolo 6 000 let do minulosti, kdy při spolupůsobení vln a mořských proudů, větru a řeky nesoucí sedimenty z horního toku, byl zformován přírodní val „Mierzej Wiślana“, který se postupem času vynořil z moře. Tímto jevem se mohla začít tvořit takzvaná vnitřní delta řeky Visly.

Aluviální sedimenty nesené řekou v kombinaci s jezerní sedimentací vytvořily často střídající se horizonty podloží rašelin s naplaveninami písků, jílů a bahna. Do té doby byl přírodní proces zakončen antropogenním vlivem ve 13. století našeho letopočtu příchodem křižáků, kteří začali se stavbou protipovodňových valů a melioračních kanálů, čímž vznikajícími poldry získávali další úrodnou půdu. Přibližně 28 % území Żulaw se nachází pod úrovní moře s nejnižším bodem –1,8 m p.h.m. Za posledních 1 000 let prošlo území zatěžkávací zkouškou v podobě nejméně 150 katastrofických povodní, čímž docházelo opakovaně k procesu obnovy zaplavovaného území. Nejméně jednou v roce je na předmětném území vyhlašován povodňový stav, tudíž povolání jako správci valů, kanálů a hrázní se s pochopením a uznáním společnosti dochovaly dodnes. Povodně nejsou způsobovány pouze táním sněhu na středním a horním toku, ale v případě, že se sejde v čase s bouří na moři a dojde k takzvanému jevu „cofka”, tedy vzedmutí hladiny moře až o tři metry, říční ledové kry ucpou koryto řeky, hladina se ve vnitrozemí začne prudce zvedat a pod náporem síly dochází k protržení valů, tedy výše zmíněným katastrofickým povodním. Po mnoho let vznikající široko daleko nejúrodnější půda dokáže člověku přinášet s sebou nejenom
problémy, ale i velké bohatství. Má to pouze jeden háček – bez podmínky zachování ekologické rovnováhy mezi člověkem a přírodou, je to vždy příroda, která zvítězí.

Krátký popis investice:

• 20,5 km rychlostní komunikace s 19 mostními objekty a dvěma uzly, v tom objekt dvou 930 m dlouhých mostů přes inundační území řeky Visly
• dva jízdní pásy se dvěma jízdními pruhy s rezervou na třetí jízdní pruh v každém směru
• generální dodavatel Metrostav a. s., organizační složka Polsko
• hodnota kontraktu 8,5 miliardy Kč, z toho polovina sanace podloží
• 2 smluvní milníky (20 % a 60 % finanční prostavěnost v čase 13 a 26 měsíců)
• délka výstavby 27 měsíců (se zimní pauzou 36 měsíců), zakončení stavby 9. 10. 2018
• projekt dle červeného „Fidic“ s možností provádění změn s uplatněním „Value engineering“
• zatřídění do III. geotechnické kategorie
• maximální přípustné sedání 5 cm do 10 let na hlavní trase
• z dvanácti investorem navrhovaných sanačních metod podloží generální dodavatel vybral 6
• přes 8,5 mil. tun sypkého materiálu
• produkce více než 550 000 m³ betonu
• 44 500 tun armovací výztuže

GEOTECHNICKÉ PRÁCE

Inženýrsko geologické podmínky na daném území jsou komplikované a vykazují extrémní stlačitelnost. Podloží je tvořeno kvarterními pokryvy reprezentovanými především holocenními sedimenty o mocnosti do 25 m. Silně stlačitelné organické zeminy (rašeliny nacházející se ve formě souvislé vrstvy při povrchu nebo ve formě čoček v celé mocnosti holocenního pokryvu) se vyskytují o přírodní vlhkosti w_n = 278 %. Naplaveniny pod vrstvami rašelin jsou tvořené jemnozrnnými a nesoudržnými zeminami s vysokým obsahem organických složek o různých mechanicko-fyzikálních a deformačních parametrech v závislosti na stavu konzistence naplavenin. Toto souvrství je protkáno vrstvami písku o různém stavu ulehlosti. 

Hladina podzemní vody se nachází v několika úrovních s běžným kolísáním hladin od –0,75 do –2,5 m. První úroveň hladiny podzemní vody byla zastižena už i v hloubkách od 0 m h.m.

Technické řešení

Na základě inženýrsko-geologických a hydrologických podmínek, výšky násypu, třídy komunikace, dostupnosti materiálů, projektované i stávající infrastruktury jsou na jednotlivých úsecích použity různé technologie zlepšování a vyztužování podloží. Abychom dosáhli geotechnicky uceleného a logisticky uskutečnitelného projektu, zredukovali jsme tak původních dvanáct typů založení silničního násypu na konečných šest metod. Optimalizace po doplňujícím geologickém průzkumu nejen snížila nebezpečné přechodové oblasti mezi konsolidačními a nekonsolidačními metodami, ale uspořila též finanční a časovou stránku výstavby.

Optimalizace nespočívala pouze ve vhodné volbě technologie. Koordinace projektů vycházela z komplexního řešení všech vstupů do výrobní přípravy a možností čerpání z dostupných materiálů. Rozsáhlou dokumentaci technologických projektů sanace podloží jsme podmínili hranicím výrobních kapacit, rychlosti výstavby a vše přizpůsobili místní náročnosti dopravní obsluhy na terénu stavby i jeho okolí.

Stěžejní technologií projektu je provádění roztlačovaných pilot tzv. „Full displacement piles“. Tento druh hlubinného založení se využívá hlavně ve složitých geologických podmínkách u stlačitelných zemin s malou pevností a při výskytu vysoké hladiny podzemní vody. Jedná se o velice progresivní metodu provádění pilot, kdy celkový čas provedení jedné železobetonové piloty o délce 15 m zabere okolo 10 minut.

Samotné vykonání piloty se provádí pomocí speciální vrtné koncovky typické pro místní oblast, která radiálně roztlačuje zeminu do stran. Po zanalyzování prvních zkušeností na dokončených úsecích spočívala optimalizace na stanovení energetického kritéria, konstantní rychlosti vrtání a odporu zajištující projektovanou únosnost piloty. Parametry byly též přijaty z důvodu přebytečného a časově náročného vrtání již v únosných ulehlých píscích, kde zdlouhavé tvoření paty projektované délky piloty získávalo až negativní efekt na únosnost. Po dosažení všech parametrů se přes vrtné soutyčí vhání betonová směs a následně se osazuje ocelová výztuž.

Z navrhovaných 2,5 mil. metrů běžných pilot v počtu přibližně 190 tis. ks pilot bylo už v polovině kontraktu vykonáno něco přes 2,3 mil. metrů. Plná mobilizace 22 pilotovacích souprav umožňovala provést až 175 000 m pilot měsíčně.

S ohledem na čas výstavby a nutnou koordinaci prací v přechodových oblastech mezi mostními objekty založenými na vbíjených pilotách a sanací silničního tělesa roztlačovanými pilotami bylo nezbytné zajištění realizace těchto objektů nezávisle na sobě. Z tohoto důvodu jsme implementovali separaci všech mostních základů beraněnými štětovými stěnami za účelem odstranění kolizí v podobě nepřípustných deformací.

Po vykonání pilot s délkami v rozmezí od 6 – 24 m, které jsou navržené ve čtvercové síti, je na hlavě piloty kloubově uložena železobetonová hlavice spolu s vyztuženou štěrkopískovou matrací. Přenos sil do pilot přes roznášecí platformu označujeme jako LTP (Load transfer platform). Návrhová konstrukce s klenbovým efektem podléhala zásadám německé metody EBGEO.

První situační výkresy výztuže byly detailně rozkresleny dle výpočtu jednotlivých únosností pilot, které obsahovaly vysokou škálu typů a délek armovacích košů na celou hloubku. Výrobní dokumentace armovacích košů s ohledem na detailní analýzu roznosu sil v roznášecí platformě, výrobu armovací výztuže piloty a na organizaci práce evolučně prošla typizací. Typizace armovací výztuže v pilotě byla jedním z důležitých aspektů pro urychlení výstavby.

Na krátkém úseku hlavní trasy rychlostní komunikace a zázemí technických služeb včetně dvou odpočívadel byla zvolena metoda prefabrikovaných drénů s přitěžujícím násypem. Daná technologie se uplatnila na geologicky komplikovaných úsecích hlavní komunikace, kde je podloží násypů tvořeno střídáním hydrogeologických vrstev složené organickými zeminami a drobnými písky do hloubky několika desítek metrů, kdy založení násypu na pilotách nebylo možné vykonat.

Celková délka vykonaných vertikálních odvodňovacích drénů činí 1 mil. metrů. Konce geodrénů jsou zavedeny do nesoudržných zemin nacházejících se pod neúnosnými vrstvami, čímž je zajištěno obou stranné odvodnění. Odvodňovací propustná vrstva je přitížena nadnásypem, jehož cílem je zvýšit napětí v podloží, zkrátit odvodňovací dráhy s efektem zrychlení primární konsolidace. V podstavě násypu se nachází štěrkopísková matrace, jejíž účelem je zabezpečení stability v čase provádění, konsolidace a užívání konstrukce násypu. Po celý čas je konstrukce monitorována v charakteristických místech (např. v přechodových oblastech mezi technologiemi konsolidačními a nekonsolidačními) pomocí geodetického monitoringu, horizontálních inklinometrů umístěných v podstavě násypu, vertikálních inklinometrů a piezometrů se zvukovou signalizací umístěných na patě svahu násypu. Ukončení procesu konsolidace je vyhodnoceno pomocí metody ASAOKI využívané k interpretaci sedání podloží organického původu. Metoda je založena na pravidelném cyklickém měření změn při konstantním přitížení podloží. Vyhodnocení je doplněno o zkoušku FVT. Celková výška přitěžujících násypů se pohybuje od 2,5 – 5 m. Projektovaná doba primární konsolidace podloží násypů je stanovena minimálně na dobu 4 měsíců.

První zkušenosti s primární konsolidací jsme získali v lokalitě budoucího areálu technických služeb. Předpokládaná doba primární konsolidace byla 5 měsíců s očekávanou hodnotou sedání 60 cm. Ve skutečnosti byla primární konsolidace zakončena během 4 měsíců, přičemž sedání jsme podrobně sledovali monitorovacími zařízeními a výsledná hodnota se pohybovala v rozmezí 30 – 80 cm.

V případě výskytu organických zemin při povrchu o malých mocnostech na přilehlých místních komunikacích byly navrženy technologie výměny neúnosné (organické) zeminy za vhodný zásypový materiál (přírodní těžený písek o frakci 0/2) v modifikaci s použitím přitěžujících násypů v místech, kde nám doplňující geologický průzkum odhalil nutná přitížení nadnásypem. Vykonáním přitěžujícího násypu dojde k urychlení konsolidace méně únosné zeminy nacházející se v podloží pod výměnou, a tím omezí sedání podloží násypu na etapě užívání konstrukce.

Mezi další technologie zlepšení podloží násypů patří zhotovení výztužných štěrkopískových matrací, které redukují vliv nerovnoměrného sedání násypů v místech, kde se při povrchu nacházejí říční hrubozrnné písky, naplavené řekou Vislou, o různém stavu ulehlosti. Na předmětném území Pomořského vojvodství nejsou zdroje lomového kamene, které by umožnily uspokojit poptávku všech stavebních elementů na našem projektu. Z důvodu nedostatku lomů jsme konstrukční prvek geosyntetické matrace přizpůsobili místním podmínkám. Původní požadavek zrnitosti na obsah štěrkové frakce stěny místních pískoven nesplňovaly. Ve spolupráci s externí laboratoří a producenty geosyntetik jsme připravili křivku zrnitosti, která garantuje zhutnitelnost na dosažení požadovaného deformačního modulu při zachování původních vlastností a funkce roznášecí geosyntetické matrace.

Poslední technologií, kterou aplikujeme, jsou vylehčené matrace z lehkého keramického kameniva (keramzitu) obaleného geosyntetikami v místech s přilehlou stávající zástavbou, kde vykonání hlubinného založení bylo nepřípustné. Jeho cílem je zmenšení napětí působící na podloží za účelem redukce sedání násypů. Z příčiny obecně vysoké hladiny podzemní vody a jejího kolísání jsme technologii využili pouze v oblastech s příznivými hydrogeologickými podmínkami.

KONCEPCE A LOGISTIKA STAVBY

Z výše uvedených geotechnických metod a morfologie území je patrné, že celý realizovaný úsek probíhá v násypu, na který je potřeba přivézt něco okolo 8,5 mil. tun sypkých materiálů. V tom sám násyp se všemi elementy konstrukce činí přibližně 7 mil. tun, zbytek materiálu je potřebný jako zásypový materiál do výměn neúnosného podloží.

Již v rámci přípravy cenové nabídky do výběrového řízení o dodavatele stavby byla detailně přemyšlena koncepce výstavby. Kromě realizace 20,5 km hlavní trasy kontrakt předpokládá realizaci dalších 60 km místních a účelových komunikací, které jsou vedené paralelně kolem hlavní trasy zajišťující především příjezd pro místní obyvatele na přilehlé zemědělské pozemky. 70 % hlavní komunikace vede v trase současné silnice a pouze 30 % na zelené louce. Původní projekt zakládal etapizaci výstavby hlavní komunikace na poloviny s tím, že nejprve bude provedena sanace podloží a násyp pod novým jízdním pásem, na něj přeložena doprava, rozebrána stávající komunikace o dvou jízdních pruzích, provedena sanace podloží a výstavba druhého nového jízdního pásu v poloze stávající komunikace.

Optimalizace výše zmíněné koncepce spočívala v převedení dopravy na nejprve nově zbudované místní komunikace vedoucí paralelně s hlavní trasou, tedy umožnění stavební připravenosti na celou šířku násypového tělesa pro oba jízdní pásy hlavní trasy, čímž se podstatně zjednodušil postup prací při výstavbě násypového tělesa.

S ohledem na délku úseku, výšku násypu, dovozní trasy, harmonogram výstavby a dalších okrajových podmínek bylo na realizovaném úseku zlokalizováno 6 meziskladů pro příjem materiálů. Vzhledem k poloze řeky Visly, která přetíná realizovaný úsek přibližně v polovině, povstaly na každé straně řeky tři sklady. Bonitní půda nacházející se v celém okolí stavby nedovolovala použít přilehlé pozemky jako skladovací plochy, tudíž 5 mezideponií bylo umístěno na předaném staveništi v ose hlavní trasy, což taktéž mělo svůj vliv na organizaci výstavby a plánování v čase.

Tyto skladové plochy o celkové ploše 120 000 m² umožnovaly skladovat okolo 600 000 t materiálu pro budoucí potřebu stavby. Tak rozlehlá plocha se pro představu rovná ploše 12 fotbalových hřišť. Plocha přeznačená na skladování materiálů zaujímá přibližně 2/3 celkové plochy, z čehož zbylou třetinu tvoří manipulační plochy, technologické silnice, místa vážení, provizorní armovny a zařízení staveniště. Tyto sklady byly koncipovány tak, aby byly schopné přijmout i vydat až 50 000 t sypkých materiálů včetně 40 000 m² geosyntetik denně.

Z výše uvedeného vyplývá, že bez sofistikovaného monitorovacího systému kontroly materiálů by byl projekt těžko realizovatelný. Každé auto přicházející na staveniště je váženo a informace o autě, řidiči, materiále jsou automaticky odesílány na firemní server, kde je následně během několika sekund možné sledovat v kanceláři stavby jaké množství, od jaké firmy a na jaký sklad přišlo, což při počtu až 2 000 nákladních aut denně umožňuje mít veškerý pohyb neustále pod kontrolou.

Rozvoz materiálu po stavbě je realizován pomocí 150 nákladních aut typu „sklápěč“, které spolu najezdí denně okolo 16 000 km. Každé nákladní auto je vybaveno monitorovacím zařízením, které je schopné automaticky zaznamenat naložení a vyložení materiálu, bez jakékoliv intervence řidiče. Systém zaznamenává souřadnice GPS, díky kterým dochází k lokalizaci materiálů na stavbě podle příslušného staničení. Samozřejmostí systému je automatický report z každého dne umožňující připravit podklady pro fakturaci se subdodavateli během několika minut.

Písky a štěrkopísky potřebné do násypu, výměn neúnosných zemin a geosyntetických matrací, jsou dováženy ze vzdáleností od 4 do 93 km od stavby. To samé se nedá říci o materiále lomového kamene potřebného do konstrukce podkladních vrstev vozovek o mase 300 000 t, který je dovážen nákladními loďmi z kamenolomů v Norsku a západním Skotsku do přístavu, odkud ho naše nákladní automobily vozí na stavbu.

Sypké materiály jsou získávány klasickou povrchovou těžbou v 9 pískovnách, které nepřetržitě přesévají a deponují písek pro následný transport na naši stavbu. Jelikož klasické pískovny v okolí stavby nejsou schopny ať už svojí kapacitou, produkcí, anebo propustností dojezdových tras zajistit požadované množství stavby, bylo nutné získat písek i z jiných zdrojů. V bezprostřední blízkosti stavby se nachází jak hlavní koryto řeky Visly, tak její slepá ramena, z kterých je za pomocí zařízení pro těžbu z vody nasáván materiál nad úroveň hladiny vody a následně je pumpován na břeh, kde dochází k jeho vysušení, promíchání a transportu. Tímto řešením jsme získali až 10 000 tun materiálu denně, což pokrylo chybějící 2 miliony tun.

Mimo výše zmíněný sypký materiál projekt taktéž obsahuje přes 5 mil. m² geosyntetik dovážených převážně ze západní Francie a Indie, což v kombinaci s dodávkami přibližně 190 tisíc prefabrikovaných košů a válcovaných profilů výztuže pilot představuje opravdu velkou výzvu.

ZÁVĚR

Zakázka ve svém rozsahu, složitosti, výjimečnosti, specifice a požadavcích investora napovídá, že bez úzké spolupráce a osobního nasazení všech členů projektového týmu by byla jen těžko zrealizovatelná. První smluvní milník je úspěšně za námi a splnění druhého je na dosah. Česko-polský tým firmy Metrostav tím dává jasně najevo, že dokážeme úspěšně stavět nejenom v našich podmínkách, ale i za hranicemi jsme firmou, která tam svoje místo bezpochyby má a je nutno s ní počítat.

Construction of S7 Expressway through Żuławy or a Constant Struggle with Water
Located in the proximity of Gdańsk near the Baltic Sea in the Duchy of Pomerania, S7 expressway section – Koszwały – Nowy Dwór Gdański under construction is a significant part of “Trójmiasta” urban sprawl (Gdańsk – Gdynia – Sopot conurbation) as well as the modernised section connecting Gdańsk and the Capital City of Poland, forming a Pan-European Transport Corridor (E77). From the international perspective, the section connects the east and the west from Riga through Kaliningrad, Elbląg, Gdańsk to Hamburg (Via Hanseatica) as well as the north and the south from Gdańsk through Warsaw to Odessa (Via Intermare).

Autoři

• Ing. Sedláček Igor
• Ing. Krtek Jiří
• Ing. Šroba Marián