Výstavba nových linek podzemní dráhy ve Vídni z pohledu geotechniky

Článek se zabývá výstavbou nových linek podzemní dráhy v hustě zastavěné oblasti centra Vídně. Popisuje všechna nezbytná opatření, která zhotovitel přijímá pro monitorování a prevenci negativních dopadů způsobených ražbou tunelů na úseku 17-21 trati U2 vídeňské podzemní dráhy.

V roce 2020 získalo konsorcium složené ze společností PORR a STRABAG od společnosti Wiener Linien zakázku na dosud největší komplexní stavební projekt vídeňského metra, který je součástí rozšíření sítě stávajícího metra o linku U2 a výstavbu linky U5. Hodnota stavebního úseku U2/17-21 (prodloužení linky metra U2) a U5 činí 481 milionů eur. Stavba byla zahájena v březnu 2021 a potrvá do května 2028.

Zesílení budov

Vzhledem k velmi husté zástavbě a malé tloušťce nadloží v oblasti trasy tunelu bylo nutné provést důkladný monitoring konstrukcí nacházejících se v dotčené oblasti.
Byly monitorovány základy několika stovek budov a stanoveny maximální přípustné deformace. Na základě předpokládaných deformací v důsledku výstavby tunelu bylo nutné vyztužit v předstihu přibližně 159 budov. Realizovala se následující podpůrná opatření: trysková injektáž základů (DSV-Körper), vyrovnání sedání, rozšíření základů, prohloubení základů, výstavba základové desky, zesílení nosné konstrukce nebo kombinace několika opatření.

Kompenzace sedání

Kompenzace sedání slouží k včasnému vyrovnání sedání, ke kterému dochází při ražbě tunelů, aby nebyla překročena přípustná deformace stavby. Vyrovnání sedání se provádí kompenzační injektáží. Kromě technologie injektáže je nedílnou součástí procesu i měřicí technika.

Cílem vyrovnání sedání je zabránit vzniku sedání a rozdílům oproti výpočtům, způsobených ražením, resp. udržet je ve stanovených mezích. Injektážní směs zavedená pod tlakem způsobí lokální porušení podloží. Injektáž suspenze vede ke zvětšení objemu, což znamená, že podloží je zpočátku lokálně předepjato. Objemový nárůst se koriguje množstvím injektážní směsi. Deformace se průběžně měří a zaznamenávají pomocí elektronických vodováh.

Pro fázi výstavby U2 17-21 byla vymezena dvě kompenzační pole. Vrty pro injektážní potrubí byly vedeny buď ze šachet ÖBB (Rakouské železniční společnosti) (obr. 1), nebo z nově vytvořených šachet ražených pro injektáž.

Měřicí systém

Měřicí systém (systém vodovah a měřičů náklonu) tvořil podklad pro návrh budoucích kompenzačních injektáží. V následujícím textu bude detailně popsán zejména systém vodovah, protože měřiče náklonů jsou použity v menším množství a mají pouze podružnou roli. Obr. 3 ukazuje odpovídající výřez z vývojového diagramu.

Obecné nastavení systému

Vodováhy

Princip měřicího systému s vodováhami je vysvětlen na obr. 4. Systém se celkově skládá z jednotlivých měřicích bodů, ze záznamníku dat a dále z hadic a kabelů, které spojují jednotlivé měřicí body se záznamníkem. Dále je v oblasti referenčního měřicího bodu umístěn vyrovnávací zásobník se speciální kapalinou. Celý měřicí systém leží v jedné výškové úrovni.

Pro každý monitorovaný objekt je vytvořen jeden měřicí obvod, přičemž přesná pozice měřicích bodů byla určena po dohodě s objednatelem. Referenční měřicí bod byl umístěn po dohodě s objednatelem a projektantem na výškově stabilizované místo. Tento bod byl následně objednatelem zaměřen a pravidelně kontrolován. Měření bylo započato jeden měsíc před zahájením stavebních prací (nulové měření), aby bylo možné odstranit obvyklé hodnoty rozptylu při měření objektů.

Ze strany objednatele byla stanovena tolerance měření +/- 2,0 mm, přičemž tato tolerance nebyla brána u mezních hodnot v úvahu. V oblastech, kde kompenzace sedání zahrnuje domy, jsou zavedeny pojmy jako vnitřní a vnější referenční měřicí bod. Jeden objekt, resp. budova tvoří jednu uzavřenou oblast měření při použití vodovážného měřicího systému, přičemž vnitřní referenční měřicí bod se nachází uvnitř této oblasti na stejné výškové úrovni. Tento bod leží mimo předpokládanou oblast sedání.

Každý vnitřní referenční měřicí bod vodovážného systému je osazen na povrchu, a pokud možno na stejné stěně, aby ho bylo možno jednoduše zaměřit a provádět opakovaná kontrolní měření. Dále je osazen vnější referenční bod vodovážného systému jako geodetický měřicí bod, který byl výškově zaměřen.

Teplotní rozdíly a další povětrnostní vlivy mohou vést k nepřesnostem měření na vnitřních i vnějších bodech. Na základě měření teploty je výsledek upravován matematickým modelem. Použitá vodováha odpovídá požadavkům projektanta na 0,05 mbar (= 0,5 mm relativní přesnost). Vodní sloupec je 0,15 až 0,25 m a při 0,09 % z 0,25 m je přesnost 0,225 mm. Záznamník data shromažďuje a nahrává na server.

Měřiče náklonů

Měřiče náklonů měří změny sklonu povrchu a mohou být též použity pro sledování staveb. Také tyto hodnoty jsou shromažďovány a nahrávány na server.

Realizace

Obr. 5 ukazuje půdorys již zmíněné fiktivní budovy. Žluté obdélníky představují vodováhy uvnitř budovy a měřiče náklonu vně budovy, přičemž na budově bylo umístěno 10 vodováh. To odpovídá v průměru 25 m2 plochy budovy na jednu vodováhu. Plocha na jednu vodováhu je daná počtem instalovaných vodováh ve sledovaném půdorysu budovy. Průměrná plocha budovy 25 m2 na měřicí senzor vychází z počtu senzorů dle zadání a z celkové plochy, kde je na projektu požadována kompenzační injektáž.

Propojení mezi vodováhami (žluté čáry) dává možnost sledovat změnu úhlu mezi dvěma body, přičemž rozhodující propojení byla navržena společně s objednatelem a projektantem. Do měřicího obvodu byl zapojen dále záznamník dat, který shromažďuje všechny naměřené hodnoty, vyhodnocuje relativní a absolutní sedání, je schopen rozesílat e-mailem varovné zprávy při překročení hodnot sedání a pro další použití ukládá hodnoty v reálném čase na server.

Schéma měřicího systému

Pro kompenzační injektáže polí 1 a 2 jsou určeny tři měřicí vodovážné okruhy. Jeden měřicí okruh začíná vodováhou, která obsahuje zároveň geodetický referenční bod v oblasti tížné zdi ÖBB u šachty jih, druhý měřicí okruh vede podél mostního pilíře ÖBB, osa D, a třetí měřicí okruh se nachází v místnostech USTRAB. Geodetický referenční měřicí bod je umístěn v oblasti nástupiště USTRAB (obr. 6, výřez z prováděcího výkresu Vodováhy, pole 1−4, půdorys 9). Dva další měřicí okruhy jsou nainstalovány v oblasti, kde se podchází komunikace Gürtel (vnitřní městský okruh), východně od severní šachty. Poloha vodovah a geodetických referenčních bodů je zobrazena na prováděcím plánu Vodováhy.

Měřicí frekvence

Centrální záznamník načítá jednotlivé vodováhy sériově pomocí systému BUS, pro každý měřicí bod je třeba čas cca 150 milisekund. Vzhledem k sériovému zapojení je frekvence měření na měřicím bodě závislá na celkové velikosti měřicího okruhu (přibližně deset až dvacet měřicích bodů na okruh).

Alarm/varování

Aby byla zaručena zvýšená bezpečnost výstražného systému, je tento systém redundantní. Centrální záznamník měřicího okruhu u každé budovy monitoruje relativní i absolutní deformace. Pokud tyto deformace překročí určené hodnoty, je e-mailem zaslána varovná zpráva. Aby byla minimalizována chybná hlášení, je varovná zpráva zaslána teprve po opakovaném překročení (např. po třech překročeních). Dodatečně jsou později na webové platformě zkontrolována sedání a natočení, a je znovu odesláno varování. Toto je podrobněji vysvětleno v následující kapitole.

Webová platforma (software)

V této části je popsána webová platforma, která tvoří centrální úložiště dat – jednotku pro vizualizaci – a řídicí jednotku pro systém kompenzace sedání. Obr. 7 ukazuje výřez z vývojového diagramu.

Řízení kompenzačních injektáží má zásadní význam, neboť řízená injektáží musí jak co do místa injektáže, tak i do množství udržovat deformace postižených budov a objektů (sedání i naklonění) uvnitř povolených tolerancí. Potřebný řídicí obvod je zásobován informacemi z měřicího systému a daty z provedených injektáží. Z dat naměřených vodováhovým systémem a měřiči náklonů je určena potřebná úroveň kompenzace nadlimitního sedání.

Vyrovnání sedání je přitom nutné vidět plošně a je charakterizováno dvěma kritérii − nakloněním mezi dvěma měřicími body a též absolutními hodnotami jednotlivých měřicích bodů, které je potřeba upravit na limitní hodnoty. Vyrovnání sedání probíhá primárně prostřednictvím relativního posunutí mezi dvěma body (naklonění).

Schéma systému

Webová platforma je online aplikace, která zobrazuje shromážděná data a která umožňuje kdykoli online přístup pomocí uživatelského jména a hesla ke všem záznamům pro všechny oprávněné uživatele. Díky tomu existuje neustálý přehled o aktuálních deformacích a provedených injektážích.

Přenos a zobrazení dat

V předstihu bylo nutné provést zanesení skutečných pozic vodovah, měřičů náklonů a injektážních manžet do webové platformy. Tyto údaje byly do platformy zaneseny pomocí jejich souřadnic a jsou zobrazeny v situaci.

Všechna naměřená data z vodováh, měřičů náklonů a data z injektáží jsou zaznamenávána do webové platformy, pokud možno v reálném čase. Záznamy všech dat jsou kódovány. Na základě všeobecných technických podmínek, které zhotovitel nemůže ovlivnit (mobilní internetové připojení datového záznamníku ve sklepních místnostech, měřicí rychlost senzorů, rychlost přenosu, internetové připojení uživatelů webové platformy atd.), je zaručena časová prodleva při přenosu dat od vodováhy do webové platformy do 30 s, přičemž tuto prodlevu lze označit technicky jako nevýznamnou a přenos probíhá „v reálném“ čase. Při této maximální časové prodlevě je každopádně stále zajištěn aktuální obraz průběhu deformací v oblasti s kompenzačními injektážemi.

Mezi vizualizačním softwarem a dokumentačním softwarem tunelu investora probíhá přenos minimálně jednoho záznamu (čas, sedání/zdvihání, natočení měřicího bodu, množství injektáže, doba injektáže na injektážní bod) a maximálně 24 záznamů za 24 hodin. Data jsou přenášena v běžných formátech, resp. v kódování (např. .csv, .xlsx, resp. .ASCII). Ostatní geodetická měření z tunelu (posuny, horizontální inklinometry) a jiná měření na povrchu nejsou s webovou platformou propojena.

Vizualizace

Celé staveniště je v situaci zobrazeno pokud možno co nejjednodušeji. Jednotlivé části staveniště jsou většinou zobrazeny v detailu pomocí zoomu, aby byla vidět data z jednotlivých činností. Vodováhy, měřiče náklonů, vrty a injektážní manžety jsou zjednodušeně vyobrazeny ve skutečné poloze. Jednotlivé body jsou barevně podbarveny, aby bylo možné rychle interpretovat množství injektáže, sedání, natočení a rezervy sedání (rezervy k dosažení dalšího stupně varování). Pro lepší obraz sedání jsou zobrazeny 2D izolinie.

Obr. 8 ukazuje možné zobrazení celkového staveniště, včetně přiblížení až k jednotlivým měřicím bodům (např. vodováha) a barevného rozlišení stupňů varování (= reakční hodnoty). V zobrazeném případu by v oranžové, resp. červené oblasti byl dosažen minimálně v jednom měřicím bodě stupeň „varování“, resp. „zásah“, přičemž díky přiblížení je možné v této oblasti přesně zjistit inkriminovaná měřicí místa. Pro jednotlivé stupně varování byly zvoleny následující barvy:

• žádná hodnota nedosažena: zelená,
• dosažení hodnoty varování: oranžová,
• dosažení hodnoty zásah: červená,
• dosažení hodnoty alarm: modrá,
• dosažení hraniční hodnoty: purpurová.

Analýza dat a dokumentace

Pomocí kliknutí na měřicí a injektážní místo, resp. na tabulku, mohou být v detailu zobrazeny jednotlivé průběhy sedání/zdvihání a rovněž průběhy injektáže. Navíc je k jednotlivým zobrazením možné též zobrazit a současně analyzovat vybrané měřicí body s vodováhou a injektážní místa v průběhu času injektáže.

Z obr. 9 je patrné, že u každého měřicího bodu je zobrazena hodnota v mm, příp. v promile u bodu měřicího natočení a barevně je též zobrazen aktuální stupeň varování (výše uvedené). Pro natočení mohou být hodnoty též zobrazeny jako poměr (1/1000). Hodnota dole je hodnota nebo rezerva v mm nebo v promile, nebo jako poměr pro dosažení dalšího stupně varování. Šedou barvou jsou vykresleny 2D izolinie, které zobrazují stejné hodnoty sedání.

Jestliže se poloha bodu nachází v prohlubni nebo v sedle, je toto v případě potřeby zobrazeno na webové platformě. Objednatel a projektant za součinnosti zhotovitele určí, mezi kterými měřičskými body osazenými vodováhou se bude vyhodnocovat poloha sedla a prohlubně. Obdobně je objednatelem a projektantem za součinnosti zhotovitele určeno, mezi kterými body se bude vyhodnocovat úhlové natočení. Křivka sedání je analogicky zobrazena v barvách dle reakčních hodnot.

Alarm/varování

S ohledem na objednatelem požadovaný plán poplachu a poplachové stupně je při překročení hraniční hodnoty rozesíláno e-mailem varování. Obsahem varovné zprávy je datum a čas poplachu, překročený stupeň, včetně míry překročení a označení objektu a měřicího bodu. Příslušná hodnota je zřetelně označena na webové platformě (která takto slouží jako mobilní pozorovací a monitorovací stanice).

Obr. 10 ukazuje naměřené hodnoty (sedání a natočení), které překročily hodnotu varování (oranžově) a hodnotu pro zásah (červeně), na základě čehož by bylo zasláno jednorázové varování určeným skupinám osob a následovalo by zřetelné zobrazení na webové platformě, jak je uvedeno na příkladu. E-mail je zasílán jedenkrát za hodinu a jedenkrát za dosažení reakční hodnoty. Následuje přenos dat mezi vizualizačním softwarem a dokumentačním softwarem tunelu.

Při překročení krajních hodnot (hodnota větší nebo rovna hodnotě pro zásah) následuje:

• alarm (v reálném čase, max. 1 minuta),
• návrh injektáže a případně nutná opatření při ražbě,
• posouzení a hodnocení návrhu injektáže stavbyvedoucím a mistrem,
• zahájení mobilizace (personál a injektážní zařízení),
• zahájení injektáže – v případě potřeby do 24 hodin po překročení hodnoty.

Automatizovaný návrh injektáže

Důležitá funkce webové platformy je automatizované vytvoření návrhu injektáže. Při poplachu od stupně 2 (zásah) je webovou platformou automaticky propočítán a odbornému personálu na místě (mistr, resp. obsluha injektážní stanice) předán návrh injektáže. Injektážní návrh je posouzen odborným personálem (mistr a stavbyvedoucí) a může být změněn jak co do množství použitých manžet, tak co do množství směsi na manžetu. Pro výpočet a určení injektážních bodů jsou potřeba určité údaje. V programu jsou předem definovány zóny vlivu, resp. dílčí plochy z celkových ploch, a každé takové dílčí ploše (ploše ovlivněné manžetou) je přiřazen odpovídající měřicí senzor, který je umístěn na nosné části budovy.

Přiřazení dílčích ploch je provedeno prostřednictvím definice zóny vlivu vodováhy / měřiče náklonu (obr. 11) a upraveno podle konkrétního injektážního místa.
Na uvedeném fiktivním příkladu byly zóny vlivu nakresleny jen jako kruhy kolem vodovah a sklonoměrů.

Tato oblast je ještě rozdělena na oblast 1 a 2 (světle a tmavě zelená), aby bylo možno automaticky vygenerovat co nejflexibilnější návrh injektáže. Velikost a tvar zóny vlivu se může měnit v průběhu výstavby a podle stavebních úseků.
Díky tomu, že webová platforma zná pozice vodováh a injektážních manžet, je přiřazení provedeno automaticky výpočetním algoritmem. Kritéria pro přiřazení dílčích ploch, resp. pro zvolený průměr zóny ovlivnění jsou kromě jiného následující:

• geologie v oblasti injektáže,
• hloubka injektáže,
• hloubka založení a typ základů,
• získané zkušenosti z injektáží na lokalitě.

Zóny ovlivnění mohou být průběžně upravovány a v průběhu výstavby se mění.
Potřebné teoretické množství injektáže pro kompenzaci na příslušné částečné ploše je vypočítáno následovně:

kde je

• Verf,theoretisch – teoretický vypočítaný objem injektáže pro návrh (l),
• A − obsah částečné plochy na injektážní manžetu (m²),
• H − průměrný zdvih (mm  l/m²),
• EF − faktor účinnosti (−),
• ABMF − redukční faktor vzdálenosti (−).

Faktor účinnosti injektáže je v prvním kroku odhadnut na základě popsané zeminy a zkušeností z předchozích projektů. Po prvních kompenzacích (nebo v průběhu zkušební a kontaktní injektáže) je faktor stanoven znovu pro každou šachtu a je průběžně upravován. Pokud nejsou na příslušných vodováhách dosaženy požadované zdvihy s předpokládaným množstvím injektáže, je třeba postup injektáže opakovat a faktor účinnosti pro další postup zvýšit.

Pokud je požadovaných zdvihů dosaženo rychleji, je třeba injektáž přerušit a faktor snížit. Cílová hodnota kompenzace pro příslušný objekt je stanovena objednatelem/projektantem (při zohlednění stavu objektu a typu podchycení). To znamená, že je stanovena reakční hodnota nebo je stanoveno, zda má být obnovena původní hodnota.

Předpokládané množství injektáže Verf,theoretisch, vypočítané na základě výše uvedeného vzorce, je použito jenom na příslušnou manžetu, u které je měřen účinek zdvihu. Hodnota určená výpočtem platí pouze pro jeden injektážní postup – množství injektáže je posouzeno odpovědným pracovníkem a může být případně upraveno. Typickým příkladem je, že se zvyšujícím se množstvím injektáže v daném prostoru se zvyšuje stupeň účinnosti. Zkušenosti o chování a deformacích zemin získané po každé provedené injektáži slouží jako nová informace pro provádění dalších kompenzačních injektáží.

Dodatečně může být použit redukční faktor vzdálenosti, aby byly v okrajových oblastech vyvolány nižší zdvihy díky nižšímu množství injektáže (např. v zóně vlivu 2 je aplikována jenom polovina vypočteného teoretického injektážního množství, které je ale možné ještě dodatečně upravit).

Na závěr software vyexportuje soubor s příslušnými daty injektáže (číslo injektážní trubky, číslo manžety, množství injektáže). Tato data jsou v požadovaném formátu předána do injektážního kontejneru. Paralelně k souboru s daty vyexportuje software požadavky na směny pro obsluhu injektážního kontejneru. Tyto požadavky na směny potom tvoří další dokumentaci prováděných prací.

Mobilní pozorovací a monitorovací stanice

Webová platforma funguje také jako mobilní pozorovací a monitorovací stanice. Platforma je určena i pro mobilní zařízení, jako jsou chytré telefony a tablety a ve spojení s mobilním připojením k internetu lze monitorování provádět kdekoli i na cestách. Shromažďována jsou data ze všech měřicích bodů a překročení hraničních hodnot je zobrazeno v reálném čase opticky na displeji (dodatečně k alarmu, který je zasílán e-mailem).

Závěr

Článek popisuje sofistikovaný monitorovací systém v hustě zastavěné oblasti města Vídně. Ukazuje, že je možné realizovat výstavbu metra bez narušení původní urbanistické podoby. Stavební práce probíhají podle harmonogramu. V současné době probíhají speciální podzemní práce, budují se šachty, razicí štít byl dokončen na podzim roku 2022.

Dosud se nevyskytly žádné nepředvídané problémy. Město Vídeň plánuje v současné době druhou fázi rozšíření U2. V tomto kroku rozšíření bude U2 nejprve prodloužena o další dvě stanice z Matzleinsdorfer Platz směrem na jih do Wienerbergu (Gußriegelstraße, Wienerberg).

Po dokončení první etapy výstavby U5 mezi náměstím Frankhplatz a Karlsplatz bude následovat další rozsáhlé rozšíření ve směru na Elterleinplatz. V této druhé fázi, která je v současné době v závěrečné fázi celkového projektového záměru města Vídně, bude U5 prodloužena o další čtyři stanice (Arne-Karlsson-Park, Michelbeuern-AKH, Elterleinplatz, Hernals).