Monitoring děčínského tunelu a zatěžovací zkoušky železničního mostu v rámci rekonstrukce trati Děčín východ – Děčín prostřední žleb

Článek se věnuje projektu „Optimalizace traťového úseku Děčín východ – Děčín Prostřední Žleb“, který si kladl za cíl obnovu traťového úseku v délce 1,3 kilometru pro nákladní vlakovou dopravu, a to včetně výměny 265 metrů dlouhého mostu přes Labe a sanace 400 metrů dlouhého Děčínského tunelu. Realizace stavby začala v dubnu 2022. V rámci geotechnického monitoringu bylo sledováno chování konstrukce Děčínského tunelu.

Součástí zakázky bylo kromě monitoringu také provedení statické a dynamické zatěžovací zkoušky nového ocelového příhradového mostu přes Labe. Specifika geotechnického monitoringu spočívala především ve sledování podélných vzpěr typu VARIOKIT, které rozpíraly opěry tunelu po ubourání cca 120 metrů původní klenby a na nichž byly měřeny osové síly přes 140 kN (mezní síla činila 240 kN). Pro účely měření byly společností INSET s.r.o. na míru vyrobeny a kalibrovány odporové tenzometrické siloměry. Výsledky zatěžovacích zkoušek mostu pak umožnily bezpečné uvedení nákladní dopravy po rekonstrukci trati opět do provozu.

Dotčený úsek železniční trati propojuje pravý a levý břeh řeky Labe, zároveň je součástí významného nákladního koridoru Transevropské dopravní sítě. Jeho rekonstrukcí došlo ke zlepšení celkového stavu dopravní infrastruktury a byly splněny parametry dané národní i evropskou technickou legislativou. Do řešeného úseku spadala rekonstrukce Děčínského tunelu a výměna mostu přes Labe v ev. km 458,756.

Hlavní stavební činnosti v Děčínském tunelu spočívaly ve výměně klenby v hloubené části. Kompletně bylo rekonstruováno odvodnění tunelu, byly provedeny sanace úseku v ražené části, spočívající v provedení hloubkového přespárování porušené malty a aplikaci bezešvé hydroizolace na rub i líc ostění. Byly sanovány portály a přilehlá křídla, bylo zhotoveno nové vybavení tunelu a provedeny další práce související se zprovozněním nákladní dopravy v tunelu.

V případě mostu přes Labe se jednalo o snesení stávající nosné konstrukce a výstavbu nové, pilíře zůstaly zachovány. Původní konstrukce byla nejprve přesunuta na provizorní bárky a po instalaci nové nosné konstrukce postupně rozebrána (viz Obr. 1).

Stavebně-technické řešení tunelu – stav před rekonstrukcí

Děčínský tunel byl vybudován mezi lety 1873 a 1874 Rakouskou severozápadní drahou jako dvoukolejný v masivu vrchu Kvádrberk. Původně se počítalo s vybudováním pravobřežní trati do Drážďan. K tomu však nedošlo, za severním portálem tunelu (ještě před železničním mostem) byla nicméně v roce 1880 zbudována strmě klesající odbočka vpravo dolů do nově vznikajícího Loubského přístavu s překladištěm. Po druhé světové válce pak byla tato odbočka zrušena. Do roku 1968 byl tunel provozován jako dvoukolejný. V letech 1968–1971 proběhla generální rekonstrukce tunelu, od té doby je provozován jako jednokolejný. V roce 1986 byla provedena elektrifikace trati. Dále, až do generální rekonstrukce v roce 2022 probíhaly v tunelu pouze údržbové práce.

Celková délka tunelu je přibližně 400 metrů. Tunel byl ze strany jižního vjezdového portálu vybudován jako hloubený ve stavební jámě v délce cca 120 m a dále jako ražený. Při ražbě tunelu byl použit tzv. anglický tunelovací systém. Mocnost nadloží v hloubené části se pohybuje od cca 0,2 m do 7,4 m, maximální mocnost nadloží v ražené části je přibližně 41 m.

Konstrukce portálů je původní, zděná z pískovcových kvádrů. Délka vjezdového portálu je 3,5 m. Na portál navazují oboustranná křídla rovnoběžně s tratí. Přesyp zeminy nad portálem dosahuje v místě klenby jen cca 0,2 m, kamenná klenba je bez izolace. Délka výjezdového portálu je 3,4 m. Portál je bez křídel, vsazený do strmé skalní stěny.

Navržené řešení stavby tunelu

V pasech, ve kterých byla průzkumem zjištěna nízká pevnost kamenného zdiva (většinou 4–15 MPa), byla vyměněna klenba tunelu. Původní kamenná klenba byla vybourána a nahrazena železobetonovou konstrukcí.

Výměna klenby byla realizována z otevřeného výkopu. Tomu předcházely zajišťovací práce v tunelu a stabilizace prostředí okolo tunelové trouby tak, aby byla v povolených mezích zajištěna maximální excentricita vnitřních sil v ponechaném kamenném zdivu opěr. Systém zajištění byl navržen odlišně ve dvou úsecích podle výšky nadloží nad tunelem.

V úseku s nadložím klenby do cca 3,5 m byl prostor za opěrami tunelu zajištěn 101 kusem pilot o průměru 900 mm a délky 15 m. Pilotové stěny byly kotveny přes korunní kotevní prahy dočasnými pramencovými kotvami. Na každé straně tunelu byly použity kotvy různých délek vzhledem k rozdílnému bočnímu tlaku zeminy.

Úsek s nadložím klenby cca 3,5–7,0 m byl řešen obdobně. Pilotová stěna za opěrami tunelu byla vysoká 12 m a ukončena přibližně v úrovni vrchlíku klenby.  Po vyhloubení stavební jámy byl vybudován korunní kotevní práh a skrz něj byly z boku instalovány horninové kotvy. Na korunu pilot v úseku s vyšším nadložím navazovalo zajištění horní části stavební jámy kotveným svahem. Pro zajištění svahu byly použity tyčové samozávrtné kotvy průměru 32 a 51 mm, kotvené přes kotevní prahy v líci stavební jámy. Kryt povrchu stavební jámy byl zhotoven ze stříkaného betonu tloušťky 200–250 mm s výztuží dvou vrstev KARI sítí. Hloubka stavební jámy byla do 10,5 m.

Opěry v tunelu byly přikotveny 146 kusy trvalých dvoupramencových kotev délky 4 m, situovanými mezi pilotami. Vzhledem k potřebě redukovat deformace a tím i vnitřní síly v kamenném ostění tunelu bylo kotvení provedeno přes monolitické kotevní bloky.

Před zahájením zemních prací nad tunelem bylo kromě přikotvení opěr provedeno rozepření tunelu. Rozepření a bednění bylo provedeno systémovými prvky bednění PERI. Jednalo se o vodorovné vzpěry VARIOKIT v rozteči 1,25 m, podepřené dvěma věžemi stejného systému. Celkem bylo na daný úsek použito 86 kusů rozpěr. Vzpěry byly opřeny do ostění přes roznášecí ocelové prahy z válcovaných profilů U 240.

Geotechnický monitoring děčínského tunelu v průběhu výstavby

Jelikož se jednalo o mimořádně složitou stavbu v nepříznivých geologických podmínkách, bylo nutné v průběhu výstavby sledovat navržené stavební konstrukce. Pro tento účel byly zřízeny dva kompletní monitorovací řezy, stanovené v souladu s projektovou dokumentací pro provádění stavby. V uvedených řezech byla provedena inklinometrická měření v pilotách a byla realizována měření deformací pilotových stěn na osazených geodetických bodech. U stavební jámy s nadložím klenby cca 3,5–7,0 m byla prováděna měření deformací kotvených svahů na geodetických bodech. Dále byly sledovány kotevní síly na osazených dynamometrech, a to jak na kotvách dočasných, tak trvalých. Pro stanovení deformací opěr ponechaných v tunelu po odbourání klenby bylo realizováno měření osových sil na rozpěrách tenzometrickými siloměry (Obr. 2) a konvergenční měření v místech měřených rozpěr v patě klenby.

Geotechnický monitoring byl realizován po celou dobu výstavby i v následujících měsících. Výsledky měření prokázaly správnost návrhu. Naměřené deformace/napětí v rozpěrách se pohybovaly na úrovni 50-80 % předpokládaných hodnot.

Žlebský (loubský) železniční most přes Labe před rekonstrukcí

Ocelový most spojující Děčín a Prostřední Žleb byl Rakouskou severozápadní drahou vybudován v letech 1873 – 1874 dle konceptu a plánů Konrada Wilhelma Hellwaga a Eduarda Gerlicha (rodáka z Oder). Vzletně býval nazýván „Vodní branou Českosaského Švýcarska“. 252 metrů dlouhý most o čtyřech polích se třemi pískovcovými pilíři a ocelovou příhradovou konstrukcí se spodní mostovkou, v úhlu cca 45 st. přes řeku vystavěla vídeňská firma Gebrüder Klein a Schmoll & Gaetner jako jednokolejný. Součástí mostu bylo i vedení trubek s pitnou vodou od pramenů v Horním Žlebu a Čertově Vodě do Děčína. V době výstavby se jednalo o největší most na našem území. Most sloužil v původním stavu až do roku 1916, kdy byla nahrazena konstrukce mostovky, tak aby odpovídala zvyšujícím se nárokům na její nosnost, a stará v letech 1927-28 snesena. Pilíře mostu byly v roce 2013 poškozeny povodněmi a v roce 2015 tak musely být opraveny. Most jako takový je krom své důležitosti i zajímavým krajinotvorným prvkem a je kulturní památkou ČR.

Nová nosná konstrukce mostu přes Labe

Železniční most přes Labe v ev. km 458,75 byl navržen jako trvalý železniční jednokolejný most o čtyřech polích tvořený konstrukcí prostého nosníku v poli 1 a 4 a spojitou konstrukcí o dvou polích v poli 2 a 3. Pro omezení zásahů do plavební dráhy byla zachována stávající poloha pilířů, která je určující pro rozpětí nosných konstrukcí. Pilíře rovněž prošly v r. 2015 rozsáhlou opravou po povodni v r. 2013.

V poli 1 a 4 je čtyřtrámová ocelobetonová svařovaná plnostěnná konstrukce s horní železobetonovou mostovkou s průběžným kolejovým ložem. Konstrukční výška NK je 1,845 m (1/15 L) s výškou ocelového nosníku 1,5 m (1/18 L). Stavební výška pak činí 2,645 m. Železobetonovou desku mostovky tl. 300 – 350 mm podpírá čtveřice hlavních nosníků z nesymetrického svařovaného I profilu s konstantní výškou. Koncové příčníky jsou navrženy jako tuhé spřažené plnostěnné svařované nosníky s ohledem na podepření mostu dvojicí ložisek na každé podpěře.

V Poli 2 a 3 je spojitá trámová ocelová svařovaná příhradová přímopásová konstrukce bezsvislicové rombické (kosočtvercové) soustavy s dolní ocelovou ortotropní mostovkou s průběžným kolejovým ložem. Příhradová konstrukce je přímopásová rombické (kosočtvercové) soustavy se svislými portály. Výška hlavních nosníků spojité konstrukce je 11,370 m s osovou vzdáleností dolního a horního pásu 10,12 m, což odpovídá 1/10 L.

Vně hlavních nosníků jsou navrženy chodníkové konzoly pro zajištění možnosti revize. Vodovodní potrubí je vedeno na konzolách po levé straně mostu (návodní). Spodní stavba je zachována původní. Nově jsou provedeny ŽB úložné prahy pro uložení nosné konstrukce.

Statická zatěžovací zkouška mostu přes Labe

Statické zatěžovací zkoušky a měření provedené za účelem kontroly statické funkce zkoušené konstrukce in situ a její spolehlivosti proběhly dne 21.11.2022. Měření svislých posuvů nosné konstrukce a deformace spodní stavby bylo po dohodě s objednatelem provedeno geodeticky. Stlačení ložisek, teplota konstrukce a parametry vzdušného proudu byly měřeny elektronicky velmi přesnými induktivními snímači.

Odezva mostu na vnesené zatížení byla sledována v podrobné síti měřicích bodů, ve kterých byly v souladu s Podklady ke zkoušce monitorovány svislé posuvy (průhyby) nosné konstrukce ve středu rozpětí jednotlivých polí, deformace konstrukce v místě podepření a deformace spodní stavby na úložném prahu. Kontinuálně byla měřena i teplota konstrukčního materiálu a parametry vzdušného proudu (teplota, rychlost a směr).

Jako zkušební zatížení (Obr. 3) byla dle Podkladů využita sestava sypacích vagónů a zátěže z dvojice podvozků vz. 53 s naloženými panely o hmotnosti 64 t. Pro pohyb sestavy bylo využito hnací vozidlo dieselové trakce o hmotnosti 72 t. Hmotnost sestavy zkušebního zatížení byla tedy 72,0 + 79,5 + 2 x 64 + 5 x 79,5 = 677 t. Sestava zkušebního zatížení postupně najížděla na zatěžovanou kolej, a to ve středu rozpětí jednotlivých polí a nad pilíř P2.

Naměřené výsledky jsou posuzovány a vyhodnoceny dle kritérií ČSN 73 6209 Zatěžovací zkoušky mostních objektů z 09/2019, kde se uplatňují nejen výsledky měření a pozorování během zatěžovací zkoušky, ale i výsledky teoretických výpočtů, uvedené v Podkladech pro zatěžovací zkoušku mostu.

Na základě provedených měření a pozorování bylo konstatováno, že mostní konstrukce se před, při i po daném statickém zatěžování chovala pružně a nebyly odhaleny žádné závady nebo poruchy, a zkoušený mostní objekt je tedy způsobilý pro provoz z hlediska statické funkce.

Dynamická zatěžovací zkouška

Dynamická zatěžovací zkouška a měření byly provedeny za účelem kontroly dynamické funkce zkoušené konstrukce in situ a její spolehlivosti dne 22.11.2022, a to na spojité konstrukci v poli č. 2 a 3.

Pro vybuzení vynuceného kmitání nosné konstrukce mostu ve tvarech blízkých příslušným teoretickým vlastním tvarům kmitání byl použit hydraulický budič kmitání typu INSET (Obr. 4) v režimu pro harmonické buzení. Odezva nosné konstrukce mostu byla sledována v podrobné síti měřicích bodů, tu tvořily snímače kmitání volně položené na obou dolních i horních pásech příhradové konstrukce (Obr. 5).

Kmitání ve všech bodech soustav měřicích bodů bylo měřeno v měřítku rychlosti, a to ve směru svislém (kolmo k zemskému povrchu), vodorovném podélném (vodorovně ve směru osy mostu) a vodorovném příčném (vodorovně a kolmo k ose mostu).

Pro vybuzení vynuceného kmitání nosné konstrukce mostu ve tvarech blízkých příslušným teoretickým vlastním tvarům kmitání byl použit hydraulický budič kmitání typu INSET v režimu pro harmonické buzení, a to pro buzení svislém a ve vodorovném příčném směru. Budič byl umístěn na kolej ve dvou třetinách rozpětí mostního pole č. 2, kde byl pevně spojen s kolejnicemi pomocí dvou ocelových trámů šroubovým spojem.

Celková hmotnost budiče je cca 700 kg. V průběhu zatěžování je nutno udržovat v jeho blízkosti pomocný hydraulický agregát a elektrocentrálu. Přídavné zatížení představovalo cca 900 kg a bylo uloženo nad pilíř č. 2. Dynamické účinky agregátu byly prakticky neměřitelné (dokonalý odpružovací systém, malé budicí síly na velmi vysokých frekvencích). Elektrocentrála, která je nutná pro chod hydraulického agregátu, byla umístěna v dostatečné vzdálenosti mimo měřená pole za opěrou.

Frekvence, při kterých konstrukce kmitá ve tvarech blízkých vlastním tvarům, byly vyhledávány postupnou pomalou změnou kmitočtu instalovaného budiče v automatickém režimu – režim buzení sweep. Kritériem byla maximalizace amplitudy rychlosti kmitání na vybraných místech konstrukce. Celý postup byl proveden jak pro svislý, tak pro vodorovný příčný směr kmitání budiče.

Při měření byla sledována odezva konstrukce na deterministické zatížení budičem kmitů. Jednalo se o harmonické (sinusové) buzení. Dále byl sledován útlum konstrukce – jedná se o režim zahrnující rozkmitání konstrukce při harmonickém (sinusovém) buzení a náhlé vypnutí budiče.

Z naměřených dat byly pomocí modální analýzy, při použití specializovaných výpočetních programů, spočítány jednotlivé vynucené tvary kmitání odpovídající vlastním tvarům kmitání. Tvary byly dále zpracovány firemní metodikou – tzn. sloučení jednotlivých záznamů ze všech měřicích počítačů a setřídění jednotlivých měřících bodů dle staničení. Výsledky byly prezentovány po jednotlivých složkách (svislá, vodorovná příčná, vodorovná podélná).

Pro měření útlumu konstrukce byla použita metoda, při které je konstrukce buzena budičem kmitů při frekvencích dle tabulky č. 2. Náhle je buzení zastaveno a je sledováno volné dokmitání konstrukce.

Dynamická zatěžovací zkouška byla provedena podle Podkladů ke zkoušce jako zkouška informativní ve smyslu kapitoly 5.2 ad b) ČSN 73 6209. Sloužila pro zhodnocení statické a dynamické spolehlivosti mostu. Získané výsledky byly zhodnoceny podle kritérií předepsaných ve čl. 8.2, resp. 8.2.8 normy ČSN 73 6209 a dále dle kritérií obecně platných pro daný typ konstrukce.

Pokud by v budoucnu bylo třeba posoudit statickou spolehlivost mostu, může být kdykoliv provedena opakovaná dynamická zkouška (za stejných podmínek) a další analýzou skutečné dynamické odezvy a relevantního dynamického výpočtu pak lze kdykoliv v budoucnu s velmi vysokou mírou přesnosti zjistit změny skutečného stavu mostu od předchozí dynamické zkoušky a predikovat jeho další vývoj.

K dispozici byly výpočtové podklady, kde bylo uvedeno 10 vlastních frekvencí pro hlavní nosnou konstrukci, a to v pásmu od 1,867 Hz do 10,183 Hz. Pro osm z uvedených vlastních frekvencí byly uvedeny obrázkové modely vlastního tvaru kmitání. Experimentálně bylo zjištěno 6 vlastních frekvencí pro svislý směr kmitání mostu a 4 vlastní frekvence pro vodorovný příčný směr kmitání mostu. Skrze porovnání experimentálně zjištěných tvarů kmitání a vypočtených vlastních tvarů kmitání bylo provedeno přiřazení vypočtených vlastních frekvencí k odpovídajícím experimentálně zjištěným frekvencím.

Závěr

Monitoring konstrukcí je důležitou součástí výstavby, neboť poskytuje informace o případném ovlivnění okolí i stavby samotné.

Před uvedením do provozu je vhodné/nutné na konstrukci provést statickou, příp. dynamickou zatěžovací zkoušku, která ověří statickou funkci a spolehlivost objektu.

TEXT: Ing. Miroslav Mixa (vedoucí střediska podzemních staveb),
Ing. Petra Chlopčíková (vedoucí střediska diagnostiky stavebních konstrukcí), INSET s. r. o.

FOTO: INSET s. r. o.