Deformace povrchové zástavby při ražbě tunelů pražského metra

Traťové tunely na prodloužení linky A pražského metra mezi přístupovou a montážní šachtou na Vypichu a stávající koncovou stanicí Dejvická jsou raženy dvěma moderními mechanizovanými štíty s tlakovou kontrolou čelby. Na trase délky 4,54 km se třemi stanicemi podcházela ražba zeminovým štítem dvě významná uskupení povrchové zástavby. Jedním z nich byl nový obytný komplex Hvězda na pražských Petřinách, druhým byla skupina pěti výškových panelových budov na Červeném vrchu.

Popis trasy metra v zájmové oblasti
U obou obytných uskupení (obr. 1) byly obavy z negativního ovlivnění konstrukcí objektů poklesovou kotlinou vznikající nad dvěma s odstupem raženými traťovými tunely. Článek je věnován deformačnímu ovlivnění obytného areálu Hvězda. Problematika při podchodu výškových budov na Červeném vrchu byla obdobná, komplikaci představovala možnost historického poddolování oblasti při těžbě železné rudy, která se naštěstí nepotvrdila.

Obr. 1 Oblasti ražby pod obytnou zástavbou

Obytný areál Hvězda v Praze 6 – Veleslavíně tvoří moderní obytný komplex několika zděných budov. Jedná se o objekty 677, 688 a 679, objekt 680 nepatří do areálu, ale je v zóně ovlivněné ražbou (obr. 2). Výška jednotlivých budov se pohybuje od 6 do 10 nadzemních podlaží a jsou vzájemně oddilatovány. Na fasádách některých budov byly již před zahájením ražeb patrné trhliny ve zdivu, které neohrožovaly statickou funkci konstrukcí, nicméně v suterénních prostorách byly zjištěny závažné nedostatky i na nosných konstrukcích. Ač je areál poměrně nový, neboť pochází z období 1995 až 1996, byl stav budov vyhodnocen jako špatný. Příčinou těchto poruch primárně byly zřejmě rozdíly v sednutí jednotlivých budov, které vyplynuly jednak z různě velkého napětí v základových spárách objektů, jednak z časového členění postupu výstavby. Sekundární příčinou deformací jsou trvale působící stavebněfyzikální změny vyvolané teplotními a vlhkostními vlivy. Ty byly jednoznačně prokázány monitorováním deformačních změn na budovách areálu i s několikaměsíčním odstupem od ražeb.

Obr. 2  Obytný areál Hvězda	Obr. 3  Poloha traťových tunelů pod areálem Hvězda

Obytný areál Hvězda se nachází ve stavebním oddílu SOD 06 Traťové tunely Petřiny – Veleslavín, který má celkovou délku asi 1 km a je ohraničen koncem stanice Petřiny a začátkem stavební jámy stanice Veleslavín. Paralelně vedené traťové tunely podcházejí sledovaný obytný komplex v délce asi 200 m (obr. 3), a to v poměrně značné hloubce s nadložím 39 až 42 m (tolerance vyplývá z vlivu podélného sklonu tunelových trub). Traťové tunely metra mají průměr výrubu 6,0 m a jejich vzájemná vzdálenost – šířka horninového pilíře mezi tunelovými troubami – činí 9,0 m.

Ražbu tunelů pod zástavbou lze velmi úspěšně realizovat moderní technologií mechanizovaného štítování, která zajišťuje mechanické rozpojování horniny řeznými nástroji umístěnými na razicí hlavě tunelovacího štítu. Pro eliminaci deformačních projevů na zástavbu při mělkém tunelování byly vyvinuty mechanizované štíty s tlakovou kontrolou čela výrubu. Ta se provádí prostřednictvím stlačeného vzduchu, bentonitové suspenze nebo lubrikované zeminy. Ve světě nejrozšířenějším typem strojů s tlakovou kontrolou čela výrubu, s prokázanou vysokou účinností, jsou stroje využívající řízený tlak lubrikované zeminy – takzvané zeminové štíty.

Pro ražbu traťových tunelů k prodloužení trasy A metra byly použity dva zeminové štíty Herrenknecht S609 (Tonda – obr. 4) a S610 (Adéla), čímž bylo eliminováno rozpojování horniny pomocí trhacích prací s jejich negativními seizmickými (budovy, inženýrské sítě) a akustickými účinky (obyvatelstvo). Ražbu zeminovými štíty je možno provádět v několika režimech (módech), které odpovídají zadaným geotechnickým kritériím jednotlivých tříd rozpojitelnosti. Dva zásadní režimy jsou otevřený mód (open mode), při němž je ve štítové komoře atmosférický tlak, a uzavřený mód (close mode), při němž je ve štítové komoře určitý přetlak. Ten zabraňuje extruzi (horizontálním deformacím) zeminy do výrubu a velmi účinně tak zmenšuje svislé deformace nadloží a povrchu území před čelbou tunelu. Mezilehlý režim se nazývá transition mode, při němž je ve štítové komoře atmosférický tlak, ale komora je více než z jedné poloviny zaplněna rozpojenou zeminou.

Geologické poměry v oblasti areálu Hvězda
Zájmové území patří k několika náhorním plošinám v Praze (Prosek, Petřín, Vidoule, Petřiny a Bílá Hora), na nichž jsou zachovány druhohorní svrchnokřídové horniny, které nasedají na prvohorní ordovické břidlice a křemence. Geologický profil v zájmové oblasti tvoří od povrchu území (obr. 5):

• 0 až 2 m – kvartérní pokryvné útvary – písčité hlíny a štěrky,
• 2 až 13 m – druhohorní bělohorské vrstvy spodního turonu – písčité slínovce (opuky),
• 13 až 38 m – druhohorní korycanské a perucké souvrství cenomanu – pískovce, prachovce, jílovce,
• 38 m a níže – prvohorní dobrotivské břidlice, případně skalecké křemence.

Obr. 5  Geologické podmínky v oblasti areálu Hvězda

Hladina podzemní vody je zaklesnuta hluboko do propustných křídových hornin a nachází se zhruba 2 m nad povrchem nepropustných peruckých jílovců, tj. asi 30 m pod povrchem území.

Ražba tunelů metra bude ve sledovaném profilu probíhat těsně pod bází křídového souvrství, ve známém prostředí prvohorních prachovitopísčitých břidlic, případně křemenců. Geotechnické parametry pro všechny výpočty uvedené v dalším textu byly shodně uvažovány na základě údajů inženýrskogeologického průzkumu, který byl proveden pro prodloužení trasy A pražského metra [1].

Deformační podmínky stanovené pro Hvězdu a vypočtené deformační účinky ražby na obytný areál Hvězda
Na základě pečlivého stavebně-technického průzkumu a statického posouzení konstrukcí jednotlivých budov areálu Hvězda byly stanoveny velmi přísné deformační podmínky pro maximální sednutí, nerovnoměrné sednutí a rozevření stávajících trhlin (tab. 1). Všechny deformační podmínky byly vztaženy v přijaté škále varovných stavů (obr. 6) k limitní hodnotě A, určené externím statickým posudkem.

Obr. 7  Analytický výpočet poklesové kotliny pod objekty 678 a 679
Obr. 8  3D modely pro posouzení ražby na úsecích 1 a 2

Výpočty deformací povrchu území při ražbě traťových tunelů prodlužované linie metra A byly provedeny několika postupy. V roce 2009 byl v rámci posouzení úseku trasy vedené pod areálem Hvězda [2] proveden výpočet pomocí analytického řešení [5]. V řezu procházejícím pod objekty 677 a 678 byly tímto postupem získány orientační hodnoty sednutí povrchu a parametrů poklesové kotliny po průchodu obou tunelů (obr. 7) – sednutí 4,42 mm, maximální sklon poklesové kotliny 1 : 5 500.

Z podstaty algoritmu použitého analytického řešení nutně plynulo, že vypočtené hodnoty deformačních parametrů poklesové kotliny budou vyšší než hodnoty, které budou dosaženy při ražbě zeminovými štíty. Nicméně na základě tohoto orientačního výpočtu bylo možno vzhledem k malé hodnotě maximálního sednutí a naprosto bezpečnému sklonu poklesové kotliny konstatovat, že výstavba projektovaných traťových tunelů na prodloužení trasy A ovlivní objekty areálu Hvězda jen nepodstatnou měrou.

V roce 2011, ještě před průchodem obou štítů pod obytným areálem Hvězda, bylo provedeno rovinné i prostorové numerické řešení ražby metodou konečných prvků [3]. Pro rovinné výpočty (2D řešení) byl použit program Plaxis, prostorové výpočty (3D řešení) byly provedeny programem Midas GTS; 3D výpočty byly provedeny ve dvou úsecích (řezech). Úsek 1 (obr. 8) byl veden pod objekty 679 a 680 a ražené traťové tunely v tomto případě zasahovaly kalotou do vrstvy měkkých křídových jílovců a prachovců. Na úseku 2, který byl veden pod objekty 677 a 678, byly traťové tunely raženy v masivu podložních ordovických břidlic.

Výsledky provedených řešení metodou konečných prvků jsou v tab. 2. Je zřejmé, že na úseku 1 (kalota traťových tunelů zasahovala do měkkých jílovců), který je pro ražbu geotechnicky náročnější, bylo překročeno maximální povolené sednutí (4,3 mm > As = 3 mm), nikoliv však hodnota náklonu (0,065 mm/m < An = 1,25 mm/m). Na úseku 2, který je geotechnicky příznivější pro ražbu, nebylo překročena ani hodnota maximálního povoleného sedání (2,2 mm < As = 3 mm), ani maximální hodnota náklonu (0,015 mm/m < An = 1,25 mm/m). Rovinné řešení v řezu odpovídajícím podmínkám úseku 2 dává výsledky prakticky vyhovující deformačním podmínkám a je srovnatelné s 3D řešením. Změřené hodnoty deformačních účinků ražby
Vzhledem k mimořádným podmínkám ražby (nová technologie, špatný stav objektů) byl na základě doporučení statika a Rady monitoringu nainstalován a provozován v podzemním podlaží budov areálu Hvězda automatický monitoring, který zajišťoval nepřetržité měření poklesů, náklonů a rozvoje trhlin v období průchodu obou štítů pod objekty. Ražba pod areálem probíhala v uzavřeném módu, který zajišťuje minimalizaci deformací. Deformační kritéria byla v souladu s posudkem statika vyhodnocována komplexně – překročení jedné z podmínek (tab. 1) nezakládalo kritický stav. Výsledky monitorovaných deformací jsou patrné z tab. 3 [4].

Deformace změřené 6 týdnů po průchodu obou štítů pod areálem Hvězda, což je interval, po jehož uplynutí došlo bezpečně k uklidnění účinků ražby na nadloží, splňují prakticky ve všech hodnotách velmi přísné deformační limity ražby. Marginální výjimku tvoří sednutí fasády, kde je stanovená hodnota A překročena o 0,3 mm. Štíty EPB tak prokázaly jednoznačně schopnost podstatně eliminovat deformace nadloží při tunelování.
Měření provedená v průběhu půl roku od ukončení ražeb ukazují, že zásadní příčinou deformací budov areálu jsou stavebněfyzikální vlivy, zejména tepelné.

TEXT: prof. Ing. Jiří Barták, DrSc., Ing. Jan Tesař
FOTO: archiv autorů

Jiří Barták pracuje na Katedře geotechniky Fakulty stavební ČVUT.

Jan Tesař je přípravář na Divizi 5 ve společnosti Metrostav, a. s.

Literatura
1.    Zpráva doplňujícího IG průzkumu pro stanici
Petřiny na trase V.A metra. Arcadis Geotechnika, 6/2000.
2.    Barták, J.: Predikce ovlivnění budovy čp. 439
v Křenově ul. v Praze 6 ražbou tunelů metra.
Posudek, 6/2009.
3.    Tesař, J.: Deformační ovlivnění nadloží a povrchové zástavby při ražbě štítem EPB na trase V.A metra v oblasti Petřiny – Hvězda. Diplomová práce, 2011.
4.    Zveřejněné materiály Rady monitoringu stavby Prodloužení trasy A metra v Praze ze stanice
Dejvická, provozní úsek V.A – Dejvická (mimo)
– Motol.
5.    Peck, R. B.: Deep Excavation and Tunnelling in Soft Ground. State-of-the-Art Report. In: Proc. 7th Int. Conf. Soil Mech. and Found. Eng., Mexico City,
Mexico, 1969, pp. 225–290.

Článek byl uveřejněn v časopisu Inžinierske stavby/Inženýrské stavby.