Tunel Poľana – ražba a primární ostění

Tunel Poľana je budován v rámci projektu výstavby slovenské dálnice D3 Svrčinovec–Skalité. Slavnostně byl proražen 7. 9. 2015, kdy po 15 měsících ražby zdolaly stroje poslední centimetry. Stavba je realizována na poloviční profil, což znamená, že v pravém jízdním pásu dálnice se vybuduje tunel kategorie 2T – 8,0 dle STN 73 7507 s dočasným obousměrným provozem. Návrhová rychlost je 80 km/h.

V levém jízdním pásu dálnice se vybuduje úniková štola (v minulosti již bylo přibližně 300 m štoly vyraženo jako průzkumná štola). Ta se v budoucnu přebuduje na levou tunelovou troubu. Součástí tunelu budou také tři propojky mezi pravou tunelovou troubou (PTT) a únikovou štolou, které slouží jako únikové cesty. Příspěvek se zaměřuje zejména na popis ražby PTT. Přiblíží, v jakých geologických podmínkách a jakou metodou je tunel ražen, jaké je členění profilu, délky záběrů, postup budování primárního ostění, jaké materiály a stroje se při ražbě používají, jak probíhala výstavba a zajištění západního i východního portálu tunelu a popíše dosavadní průběh ražby.

Situace umístění tunelu Poľana

Základní opis stavby

Stavba D3 Svrčinovec –Skalité v Žilinském kraji, okrese Čadca má celkovou délku úseku 12,282 37 km (měřeno v ose dálnice) a prochází katastrálními územími obcí Svrčinovec, Čierne a Skalité. Budovaný úsek dálnice začíná těsně před křižovatkou Svrčinovec, kde se napojí na úsek D3 Čadca (Bukov)–Svrčinovec. V křižovatce Svrčinovec bude dálnice napojena na existující silniční síť (cestu I/11) útvarovou křižovatkou, která bude řešit propojení křižujících se komunikací ve všech směrech. Za křižovatkou vstupuje do tunelu Svrčinovec dlouhého 435 m. Úsek k následujícímu tunelu Poľana je veden na svazích údolí s říčkou Čierňankou na okraji zástavby obcí Svrčinovec, Čierne a Skalité, přičemž v katastru Čierne je dálnice částečně vytlačena až na hřeben masivu Valy. Dálnice křižuje v celém úseku hluboká údolí místních toků – z významnějších jsou to Markov potok, Čierny potok, Gorilov potok, Čadečka a Rieka. V obci Skalité vstupuje dálnice do masivu Poľana stejnojmenným tunelem Poľana dlouhým 895 m a na konci se napojuje na rozestavěný úsek D3 Skalité–hranice Česká republika/Polská republika.

Dálnice je vedena na svazích údolí říčky Čierňanky, ve kterém jsou umístěny výrazné územní liniové prvky – samotná Čierňanka, cesta I/12 a železniční trať Čadca–Zwardoň, v počátečním úseku i elektrifikovaná trať Čadca–Bohumín a silnice I/11. Celé údolí je zastavěno téměř souvislou obytnou zástavbou, vybíhající až do přilehlých údolí přítoků Čierňanky, resp. na přilehlé svahy. Kromě silnic I. třídy jsou obce vybaveny hustou sítí místních účelových komunikací, z nichž hlavní tvoří osu zástavby obcí a jsou rozvětvované do bočních údolí k rozptýlené zástavbě umístěné na svazích. Zemědělská a lesní půda, většinou patřící soukromým vlastníkům (a z velké části v užívání PD Čierne), je zpřístupněna sítí polních a lesních cest.

Stavbu dálnice realizuje Združenie D3 Svrčinovec–Skalité, které je tvořeno společnostmi Metrostav, a. s., Váhostav-SK, a. s., Doprastav, a. s., a Strabag, s. r. o. Zhotovitelem tunelu Poľana je tzv. malé sdružení společností Metrostav, a. s., a Doprastav, a. s. Objednávatelem a budoucím provozovatelem dálnice D3 je Národná diaľničná spoločnosť, a. s. Projektantem tunelu je společnost Basler&Hofmann Slovakia, s. r. o. Stavba se zhotovuje ve smyslu smluvních podmínek FIDIC (Smluvní podmínky pro technologické zařízení a projektování – realizaci pro elektrotechnická a strojně-technologická díla a pro stavební a inženýrská díla projektovaná zhotovitelem) (dále jen „žlutý FIDIC“ nebo „žlutá kniha“).

Výškové a směrové poměry tunelu Poľana

Délka PTT je 898 m, z toho délka ražené části tunelu je 860,60 m. Zbytek tvoří hloubené tunely na východním a západním portálu.  Směrem od západního portálu k východnímu stoupá tunel ve sklonu 2 %. Do portálů zasahuje údolnicový a vrcholový oblouk. Směrově je trasa tvořena dvěma směrovými oblouky o poloměrech R = 594,25 m a R = 705,75 m, které jsou spojeny přechodnicí. Příčný sklon jízdního pasu se překlápí z 3,5 % na 3,0 %. Budoucí levá tunelová trouba (LTT) je tvořena směrovými oblouky o poloměrech R = 650,0 m a R = 675,0 m spojených přechodnicí a má stejně jako PTT 2% stoupání od západního k východnímu portálu.

Úniková štola kopíruje směrově i výškově osu budoucí LTT. Poloha štoly k ose LTT je odsazena směrově 2,4 m ve směru k PTT a výškově je v celé délce snížena o 0,15 m. Geometrie propojek je dána průchodným průřezem ve smyslu STN 73 7507. Výškové vedení propojky P1 je 1,42 a 2 % (od PTT k únikové štole), propojky P2 2,69 % a propojky P3 2,64 %. Příčný sklon všech propojek je 2 %. V tunelu budou zbudovány dva nouzové zálivy délky 50 m (jeden na levé a druhý na pravé straně). Na pravé straně ve směru staničení (tj. od západu k východu) budou umístěny požární hydranty, SOS výklenky a čisticí výklenky.

Vznik geologického nadvýlomu v tunelu Poľana

Geologické a hydrogeologické poměry

Na budování masivu v trase tunelu Poľana se podílejí sedimenty paleogénu zastoupené jílovci a pískovci, s převahou jílovců, které jsou překryty různě silnou vrstvou kvartérních deluviálních sedimentů. Komplex zpevněných paleogenních sedimentů vytváří hydrogeologický masiv bez významnějších souvislých hydrogeologických kolektorů vrstvového typu s oběhem podzemní vody převážně v povrchové zóně a pásmech puklinového a tektonického porušení. Kvartérní sedimenty nevytvářejí významnější hydrogeologický celek. Zastoupeny jsou svahovými deluviálními sedimenty méně sesuvným deluviem. Pro svou malou tloušťku a charakter složení tvoří spolu se zónou rozložených hornin jednotné zvodnělé prostředí. Průnik podzemních vod do výrubu tunelu se předpokládá v zónách silně tektonicky porušených hornin.

Vektory deformací štoly JMP 81, 83 a 84

Přípravná fáze

Před zahájením samotné ražby bylo zapotřebí provést terénní úpravy a zajistit portály na východní a západní straně tunelu. Jako první začaly koncem března 2014 práce na západním portálu. Bylo zapotřebí přebudovat portál, který zde byl zbudován při ražbě průzkumné štoly v roce 2006. Celý původní portál se musel odkopat a ubourala se i část štoly v délce cca 11 m. Stavební jámu tvoří portálová stěna a pravý a levý boční svah (při pohledu ve směru staničení budoucí D3, tj. směrem k hranicím SR/PL). Levý boční svah je řešen svahováním ve sklonu 1 : 2. Čelní portálová stěna je výškově rozdělena na dvě etáže.

První etáž se hloubila nejprve ve sklonu 1 : 1 a následně ve sklonu 4 : 1. Na svah 1 : 1 byl aplikován stříkaný beton C 20/25 tloušťky 10 cm. Svah ve sklonu 4 : 1 byl zajištěn stříkaným betonem C 20/25, vyztuženým ocelovou kari sítí ∅ 8/150 × ∅ 8/150. V patě svahu se ponechala lavice šířky 0,8 m, ze které se vybudoval kotevní práh a stěna byla zajištěna zemními hřebíky a lanovými horninovými kotvami. Zemní hřebíky délky 3,0 m a ∅ 28 mm se osazovaly v rastru 1,5 × 2,0 m. Odklon od vodorovné roviny byl 14°. Lanové kotvy byly délky 25 m (volná délka 15 m, délka kořene 10 m), 5pramencové,  s F = 500 kN a odklonem od vodorovné roviny 3° a 12°. Vzájemná vzdálenost kotev je 2,5 m. Kotevní práh tvoří stříkaný beton C 20/25 tloušťky min. 400 mm, vyztužený kari sítí ∅ 8/100 × ∅ 8/100 ve dvou vrstvách a ocelovou štětovnicí LARSEN IIIn.

Druhá etáž portálové stěny se hloubila ve sklonu 4 : 1 až po dno stavební jámy. Druhá etáž v úseku mezi štolou a pravou tunelovou troubou je proměnné výšky 6,08 až 9,8 m. Zajištěna je stříkaným betonem C 20/25 tloušť­ky 0,15 m, vyztuženým ocelovou kari sítí ∅ 8/150 × ∅ 8/150 a zemními hřebíky délky 5,0 m, průměru 28 mm a dvěma řadami lanových horninových kotev délky 15 m (volná délka 10 m, délka kořene 5 m). Vzájemná vzdálenost kotev je 2,5 m, kotvy jsou 5pramencové, s F = 500 kN a odklonem od vodorovné roviny 12°. Kotevní prahy jsou navrženy obdobně jako v případě první etáže.Pravý boční svah se hloubil do hloubky 2 m (od původního terénu) ve sklonu 1 : 1 (chráněný stříkaným betonem C 20/25 tloušť­ky 0,1 m) a ve sklonu 2 : 1. Spodní etáž ve sklonu 2 : 1 se zajistila stříkaným betonem C 20/25 tloušťky 0,15 m, vyztuženým ocelovou kari sítí ∅ 8/150 × ∅ 8/150 a zemními hřebíky délky 4,0 až 5,0 m v rastru 1,5 × 2,0 m. Výška spodní etáže ve sklonu 2 : 1 je 0 až 5,2 m.

Slavnostní prorazení se událo 7. 9. 2015, kdy stroje zdolaly poslední centimetry.

Před zahájením ražeb se nad klenbou PTT vybudoval ochranný deštník z MP 114/6,3 délky 20,0 m. Práce na západním portálu probíhaly až do konce července a prováděla je firma Geo­statik. Ještě před jeho dokončením bylo možné zahájit ražbu pravé tunelové roury. Během prací na stavbě západního portálu se zahájily i práce na zařízení staveniště (ZS). Zařízení staveniště se skládá ze tří částí – ZS 1, ZS 2 a ZS 3. Všechny tři části ZS jsou umístěny na západní straně tunelu. ZS 1 slouží jako skladovací plocha materiálů pro ražbu a betonárku. Na ZS 2 jsou umístěny kancelářské buňky, sociální zařízení a šatny. ZS 3 se nachází přímo u vstupu do tunelu a je tam umístěna zámečnická hala, betonárka, mezideponie, sklady a mycí zařízení pro kola nákladních vozidel odvážející rubaninu.   

V polovině července se rozběhly i hrubé terénní práce a zajišťování východního portálu. Způsob zajištění portálové stěny a svahů jako i použité materiály byly obdobné jako u portálu západního. Pouze kotevní prahy se nevybudovaly ze stříkaného betonu, ale byly použity betonové prefabrikáty a portálová stěna se budovala ve třech etážích. Největším problémem při zajišťování východního portálu byl přístup k němu. Na rozdíl od portálu západního, kde už existovala přístupová komunikace (vybudovaná pro ražbu průzkumné štoly), bylo potřeba zřídit v náročných terénních podmínkách provizorní stavební přístupovou cestu. Dalším problémem byly klimatické podmínky. Neustálé přívalové deště neuvěřitelným způsobem komplikovaly odkopové práce při prohlubování stavební jámy a hlavně při odvozu rubaniny z portálu. Zemina se neustále nasycovala vodou a docházelo k ujíždění svahu. Práce na portálu prováděla firma Zakládání staveb, která jej koncem října 2014 dokončila.

Horníci razily troubu tunelu Poľana na stavbě D3 Svrčinovec–Skalité patnáct měsíců ze západní strany na východ, nejdříve jednostranně, pak oboustranně.

Ražba PTT

Délka ražené části tunelu bude v ose 860,60 m. Umístění tunelu je v nadmořské výšce kolem 600 m n. m. Maximální výška nadloží je 64 m. Nad tunelem ani v blízkosti portálů se nenachází žádná povrchová zástavba. Ražba probíhá technologií NRTM (Nová rakouská tunelovací metoda). Horninový masiv se klasifikoval podle TP 06-1/2006 do vystrojovacích tříd výrubu. Tento technický předpis předpisuje způsob určení i zařazení tříd ražení do přehledné matice. Pro samotné určení čísla třídy výrubu platí dvě samostatná kritéria, která jsou charakteristická prvním a druhým určujícím číslem. První určující číslo zohledňuje délku záběru (výrubu) a horizontální dělení raženého profilu. Druhé určující číslo je přímo závislé na množství a typu zařízení primárního ostění. Profil tunelu PTT včetně nouzových zálivů (NZ) je horizontálně členěn na kalotu, opěří a dno, resp. spodní klenbu. Každá z těchto tří částí se razí samostatně. Odstupy čeleb kaloty, opěří a dna, jakož i délky záběrů, závisí na dané vystrojovací třídě (VT). Plocha výrubu v kalotě je cca 58 m², v opěří  je to kolem 22 m² a v protiklenbě 20 m². V místech nouzového zálivu to je v kalotě 82 m², v opěří  27 m² a v protiklenbě 34 m². Rozpojování horniny se provádí buď strojově, nebo pomocí trhacích prací.

Primární ostění

Konstrukce primárního ostění je složena z výstužných prvků (ocelové sítě, příhradová výztuž-BTX), stříkaného betonu (SB), systémového kotvení a z opatření pro stabilizaci přístropí výrubu a nadloží (jehlování, deštníky IBO). Ihned po vyražení každé jednotlivé části záběru se musí osadit výstroj primárního ostění podle navržené třídy výrubu. Pro primární ostění je standardně navržen stříkaný beton třídy C20/25. Způsob nástřiku SB je tzv. mokrou cestou. Jako přísada urychlující tuhnutí se používá MasterRoc SA 183 firmy BASF. Náběhy pevností mladých SB jsou dle křivky J2 a pro zvodnělé prostředí dle J3. Tloušťka primárního ostění se pohybuje v rozmezí od 170 mm do 300 mm (dle VT).

Výztuž ve stříkaném betonu je navržena ze svařovaných ocelových sítí ∅ 6/150 × ∅ 6/150, ∅ 8/150 × ∅ 8/150 a ∅ 8/100 × ∅ 8/100. Velikost přesahu sítí je min. 300 mm v každém směru. Sítě se použijí v jedné nebo dvou vrstvách, podle příslušné vystrojovací třídy. Napojení prvních sítí (vnějších) mezi kalotou a opěřím (resp. mezi opěřím a dnem) se provede pomocí stykovacích prvků – tzv. vylamováků. Jde o ocelový profil ∅ 8 mm a délky 800 mm tvaru L. Tyto prvky se při montáži první vrstvy sítí kaloty (resp. opěří) přivážou vázacím drátem na každý svislý drát výztužné sítě a jejich vodorovná část se ochrání před zastříkáním. Při osazování vnějších sítí opěří (resp. dna) se tyto prvky narovnají a použijí k napojení.

Za podmínky dodržení příčných přesahů sítí (300 mm) se nechají druhé (vnitřní) sítě v patě kaloty při aplikaci druhé vrstvy stříkaného betonu nezastříkané. V případě, že sítě budou z důvodu spádu SB při stříkání zanesené, je nutné je před spojením s další sítí očistit. Pro primární ostění kaloty a opěří jsou navrženy obloukové ocelové nosníky (BTX), které se osazují v každém záběru. V protiklenbě se BTX neosazují. V podélném směru jsou rámy stabilizované pomocí ocelových rozpínek a celý oblouk je fixován k vnější vrstvě kari sítí. Pro jednotlivé vystrojovací třídy je navrženo systematické kotvení. Navržené typy a délky kotev jsou přizpůsobeny pro různé geologické podmínky. V místech s mírně tektonicky narušenou skalní horninou jsou navrženy horninové kotvy typu SN délky 4 až 6 m. V místech poruch nebo se silně tektonicky narušenou skalní horninou jsou navrženy samozavrtávací svorníky typu IBO R32 délky 6 m. Doba zabudování kotev, jejich injektáž a těsnění je dána postupem ražby.

V místech poruch nebo v místech se silně tektonicky narušenou skalní horninou je v příslušných vystrojovacích třídách navržena předháněná výztuž. Předháněná výztuž se osazuje v koruně kaloty vždy před samotným výrubem dalšího záběru. Jako jehly mohou být použity ocelové betonářské výztuže průměru 25 mm a délky 3,0 m a 4,0 m nebo samozávrtné jehly (svorníky) R51L délky 9 m. Jehly jsou navrženy většinou bez cementového tmelu, v úsecích se sypkým materiálem s cementovým tmelem, aby se tento materiál stabilizoval.

Prorazení tunelu 7. 9. 2015

Příklad postupu zbudování primárního ostění (ve VT 5/1):

Postup prací v kalotě:
1. zabudování ocelových jehel ∅ 25 délky 3 m,
2. výlom kaloty – délka záběru 1,3 až 1,7 m; úprava a navrtání čelby, nabíjení vývrtů, trhací práce,
3. odvětrání a odtěžení rubaniny, případné strojní dočištění výlomu,
4. zajištění výrubu kaloty:
    a)    v prvním záběru od čelby:
       –    zajištění výrubu stabilizační a ochrannou vrstvou ze SB tloušťky 25 mm a zajištění čelby tloušťky 50 mm dle potřeby,
       –    osazení vnější vrstvy ocelových sítí (1. sítě),
       –    osazení ocelového příhradového nosníku (BTX),
       –    stříkaný beton tloušťky 80 mm (1. vrstva),
    b)    ve druhém záběru od čelby:
       –    zabudování (navrtání + injektáž) svorníků,
    c)    v třetím záběru od čelby:
       –    osazení vnitřní vrstvy ocelových sítí (2. sítě);
–    dostříkání SB na finální tloušťku 170 mm (2. vrstva).

Postup prací na opěří:
1. odstup opěří od kaloty max. 50 m,
2. výlom opěří – délka záběru 2,6 až 3,4 m (dvojnásobek záběru kaloty); očištění a navrtání čelby, nabíjení vývrtů, trhací práce,
3. odvětrání a odtěžení rubaniny, strojní dočištění výlomu,
4. zajištění výrubu opěří:
    a)    v prvním záběru od čelby:
       –    zajištění výrubu stabilizační a ochrannou vrstvou ze SB tloušťky 25 mm dle potřeby,
       –    osazení vnější vrstvy ocelových sítí (1. sítě),
       –    osazení ocelového příhradového nosníku (BTX),
       –    stříkaný beton tloušťky 80 mm (1. vrstva),
    b)    ve druhém záběru od čelby:
       –    zabudování (navrtání + injektáž) svorníků,
    c)    ve třetím záběru od čelby:
       –    osazení vnitřní vrstvy ocelových sítí (2. sítě),
       –    SB tloušťky 170 mm (2. vrstva).

Postup prací ve dně:

1. odstup dna od opěří bez omezení (dle výsledků měření deformací),
2. výlom dna: délka max. 10 m,
3. ochrana dna betonem C 16/20.

Dosavadní průběh ražby PTT

Ražba PTT začala dne 1. 7. 2014 dovrchně ze západního portálu. Prvních 20 m se razilo pod ochranným deštníkem z mikropilot 114/6,3. Následně ražba pokračovala pod zajištěním přístropí tunelu z deštníků IBO R51. To znamená, že v každém 4. nebo 5. záběru v kalotě se v přístropí navrtalo 34 ks svorníků IBO R51 délky 9 m, které se následně zainjektovaly cementovou směsí. Projekt předpokládal, že přibližně po 30 m se geologie zlepší natolik, aby bylo možné budovat primární ostění ve vystrojovacích třídách, kde už nebude nutné instalovat ochranné IBO deštníky. Skutečně zastižená geologie však ani koncem roku 2014, tj. po vyražení 190 m v kalotě (160 m v opěří a 155 m ve dně), nedovolovala bezpečnou ražbu bez těchto deštníků.

Nutnost jejich provádění měla bohužel za následek výrazné zpomalení ražeb a odchýlení se od původního harmonogramu. Špatné geologické podmínky rovněž neumožňovaly výraznější odstup kaloty od opěří a spodní klenby, což v důsledku opět zpomalilo postup ražeb. Naopak, ostění bylo potřebné co nejdřív uzavírat (dokončit spodní klenbu), aby se předešlo velkým deformacím nadloží a výrubu. Aby byly časové ztráty v daných podmínkách pokud možno co nejmenší, bylo a je neustále zapotřebí optimalizovat pracovní postupy. Do budoucna se proto například uvažuje i s ražbou z východního portálu.

TEXT: Ing. Vladimír Ďurša st.
a Ing. Vladimír Ďurša ml.
FOTO: Doprastav, a. s.

Vladimír Ďurša st. a Vladimír Ďurša ml. působí ve společnosti Doprastav, a. s.

Literatura

1. ZWILLING, Róbert. 2014. Technická správa SO 203-07 Razený tunel – PTR, časť 01. Primárne ostenie. Basler & Hofmann Slovakia, 04/2014, 17 s.
2. ZWILLING, Róbert. 2014. Technická správa SO 203-01 Západný portál pre razenie tunela, časť 01. Hrubé terénne úpravy. Basler & Hofmann Slovakia, 01/2014, 10 s.
3. ZWILLING, Róbert. 2014. Technická správa SO 203-02 Východný portál pre razenie tunela, časť 01. Hrubé terénne úpravy. Basler & Hofmann Slovakia, 06/2014, 11 s.
4. Diaľnica D3 Svrčinovec – Skalité, Národná diaľničná spoločnosť. Súťažné podklady.

Článek byl uveřejněn v časopisu Inžinierske stavby/Inženýrské stavby.