55. let Nové rakouské tunelovací metody, možnosti použití v ČR, 1. díl

Klasické tunelovací metody používané před érou NRTM zajišťovaly stabilitu výrubu masivním podepíráním vyrubaných prostor výdřevou a jejím postupným nahrazením kamennou obezdívkou. Horninový masiv byl uvažován pouze jako zdroj zatížení horninovým tlakem, kterému bylo třeba vzdorovat obezdívkami v tloušťkách v řádu decimetrů, až metrů. Ražba probíhala u větších profilů po dílčích výrubech a stav techniky nedovoloval provádění prací s dostatečnou rychlostí, a tím i šetrně s ohledem na porušení horninového masivu v okolí výrubu. S každým dílčím výrubem docházelo k degradaci masivu v jeho okolí, a tedy i ke zhoršování podmínek pro další ražbu. Vývoj techniky v první polovině 20. století umožnil rychlejší rozpojování rozpojování horniny i odtěžování rubaniny a především provádění systémového kotvení a podepírání výrubu stříkaným betonem. Rychlejší pracovní postupy a způsob stabilizace horninového masivu ve velmi krátké době po provedení záběru umožnily zásadní změnu v chápání úlohy horninového masivu. Z původní role „nepřítele“, který byl zdrojem mnohdy destruktivních tlaků na výdřevu i definitivní obezdívku, se hornina stala stavebním materiálem a „pomocníkem“, který svou schopností přenášet určitou část zatížení zcela změnil technologické postupy ražby i způsob zajištění stability výrubu. Masivní výdřevu nahradilo systémové kotvení a primární ostění ze stříkaného betonu.

I když pokusy s nasazením stříkaného betonu a kotvení horninového masivu započaly již koncem druhé světové války, první zmínky o úspěšném použití kotvení a stříkaného betonu jako systému pro zajištění stability výrubu pocházejí z let 1954 až 1956, kdy byly touto metodou prováděny hydrotechnické štoly projektů Prutz-Imst, Schwarzach a Kaunertal. Zkušenosti z výstavby těchto štol poskytly základ pro definování principů NRTM. Tuto metodu oficiálně představil prof. Rabcewicz na geomechanickém kolokviu v říjnu roku 1962 v Salzburgu.
■ Prvním silničním tunelem vyraženým podle principů NRTM je tunel Massenberg (1964 až 1965) na obchvatu města Leoben v Rakousku.
■ Prvním železničním tunelem vyraženým NRTM je tunel Schwaikheim (1965) v Německu.
Úspěšná ražba tunelu proběhla podle projektové dokumentace zpracované duchovním otcem NRTM prof. Ladislausem von Rabcewiczem a neméně významnou osobností průkopníků této metody prof. Franzem Pacherem.

Počátky NRTM jsou spojeny s ražbou tunelů ve skalních horninách. Že je možné principy NRTM použít i v nesoudržných zeminách, prokázala až ražba metra ve Frankfurtu nad Mohanem. Po definování základních principů se NRTM dále rozvíjela a byla nasazována na projekty alpských dálničních tunelů v Rakousku (např. tunely Tauern a Arlberg) nebo železničních tunelů na trati Hannover – Würzburg v SRN.

V České republice historie NRTM tak daleko nesahá. Poválečný politický vývoj způsobil mimo jiné i izolaci stavebních oborů od moderních technologií používaných v zemích za železnou oponou. Stejně tomu bylo i v oblasti tunelového stavitelství. Výstavba silničních i železničních tunelů se výrazně omezila. Zelenou dostala pouze výstavba metra v Praze spojená nejen s řešením dopravní situace v hlavním městě, ale i jako strategická stavba koncipovaná v období studené války pro účely civilní obrany. Traťové tunely i stanice metra byly navrhovány jako kryty před hrozbami jaderné války, součástí tras byly podzemní nemocnice, hygienické buňky i prostory pro těla zemřelých. Pro ražbu tunelů v tomto období byla typická prstencová tunelovací metoda s ražbou na plný profil a okamžitým uzavíráním líce výrubu prefabrikovaným litinovým, nebo později železobetonovým ostěním. Počet projektových kanceláří i stavebních firem zabývajících se výstavbou tunelů bylo možné spočítat na prstech jedné ruky.

Počátky úvah o změně tunelovací metody a využívání NRTM jsou spojeny s politickým vývojem po roce 1989. Otevření hranic bylo však jen podmínkou nutnou, nikoli postačující. Absence profesních kontaktů se západním světem i jazyková bariéra komplikovala v počátcích přístup k novým informacím. V České republice neexistovala odborná literatura, odpovídající technické normy ani předpisy. Na velmi nízké úrovni bylo vybavení výpočetní technikou i potřebnými programy. Hlad po informacích zprvu vedl k návštěvám staveb prováděných NRTM nedaleko od hranic republiky. Jednalo se především o tunely na vysokorychlostních tratích v SRN a stavbu metra ve Vídni. Infocentra zřízená pro styk stavby s veřejností a řada k tomu určených propagačních materiálů sloužila jako jedny z prvních informací o NRTM. Nová tunelovací metoda byla zpočátku obestřena tajemstvím a velkou dávkou alchymie. V počátku devadesátých let 20. století zpracoval tým Výzkumného ústavu inženýrských staveb Brno pod vedením prof. Jiřího Mencla státní výzkumný úkol Modernizace oboru podzemních staveb k dosažení vyspělé zahraniční úrovně, jehož dílčím úkolem bylo navrhování podzemních staveb s využitím samonosnosti horniny. Nestačilo však jen vybavit projektové kanceláře programy a počítači, zajistit projektantům přístup k informacím nebo modernizovat strojový park stavebních firem pro nasazení nové technologie. Bylo především třeba změnit myšlení lidí, kteří se dosud pohybovali ve světě masivních konstrukcí, mohutných staničních pilířů a průvlaků. Bylo nutné znovu získat „inženýrský cit“, pěstovaný po desetiletí ve zcela jiných podmínkách. Přijmout myšlenku, že horninový masiv není nepřítel, který chce tunel poškodit, ale mnohdy kvalitní stavební materiál, který při vlídném zacházení může převzít nosnou funkci a spolu s kotvami a primárním ostěním zajistit potřebnou stabilitu výrubu. Zatímco moderní vybavení projektových i stavebních firem bylo pouze otázkou investičních nákladů, změna myšlení znamenala dlouhou cestu s mnoha úskalími. Některá z nich přetrvávají dodnes a přístup k nim mohou odborníci z tunelářské praxe chápat odlišně. Jedná se zejména o tuto problematiku:
■ zohlednění prokotvené oblasti v matematických modelech;
■ stanovení zatížení primárního ostění;
■ zohlednění příhradových nosníků při dimenzování primárního ostění;
■ stanovení zatížení sekundárního ostění;
Nejdiskutovanější otázkou je však zřejmě životnost a dlouhodobá funkce primárního ostění.

Pro úspěšnou aplikaci NRTM je třeba splnit následující podmínky:
■ vytvoření právních a technických podmínek umožňujících ražbu tunelů pomocí NRTM;
■ dostatečný průzkum prostředí a vytvoření prognózy chování horninového masivu při ražbě v celé délce tunelu;
■ kvalitní projektová dokumentace, v níž je navrženo pro jednotlivé geotechnické typy horninového prostředí odpovídající způsob zajištění stability výrubu;
■ zadávací dokumentace postihující specifika NRTM, především možnost operativně měnit způsob zajištění stability výrubu s ohledem na skutečně zastižené geotechnické podmínky a transparentně stanovující podmínky pro provádění a proplácení provedených výkonů;
■ stavební firma s odpovídajícím technickým vybavením a zkušeným personálem pro vedení stavby a provádění jednotlivých prací při ražbě tunelu;
■ zkušený tým geotechniků na straně investora i zhotovitele, který na základě sledování geotechnických podmínek při výstavbě a interpretace výsledků geomonitoringu dokáže správně předvídat chování horninového masivu v každém záběru ražby;
■ technický dozor investora, který zajistí stálou kontrolu při provádění jednotlivých prací v podzemí, dosažení kvality požadované v zadávací dokumentaci a bude schopen posoudit oprávněnost prováděných činností s ohledem na konkrétní geotechnické podmínky;
■ smluvní podmínky umožňující optimalizaci technického řešení během výstavby s cílem vynaložení pouze nezbytně nutných investičních nákladů pro bezpečné provedení díla v požadované kvalitě a motivující zhotovitele k provádění těchto optimalizací.

I tyto faktory prošly v průběhu času vývojem a jejich dodržení i kvalita provádění dotváří celkový obraz o úrovni tunelového stavitelství v České republice.

Počátky NRTM v České republice

V České republice se o NRTM začíná hovořit ve druhé polovině osmdesátých let minulého století. I když v té době probíhala ražba III. vinohradského železničního tunelu pomocí prstencové metody a výstavba Strahovského automobilového tunelu pomocí pološtítu a také prstencové metody, začala si tunelářská veřejnost pomalu existenci NRTM uvědomovat. Na pražské konferenci Podzemní stavby 1988 se objevil příspěvek Ing. Šťastného z firmy VUES Brno s názvem Zaměření výzkumu a otázky zavádění NRTM na podzemních stavbách v ČSSR, který uváděl hlavní principy tunelovací metody a upozorňoval na disproporce mezi úrovní tunelového stavitelství v ČR a ve světě. Určité prvky NRTM se již v tomto období použily při výstavbě kaveren podzemní čistírny odpadních vod v Peci pod Sněžkou, přečerpávací vodní elektrárny Dlouhé Stráně a na stavbě pražských a brněnských kolektorů.

Traťový tunel pražského metra na trase IV.B-05
Prvním liniově raženým objektem pomocí NRTM byl traťový tunel pražského metra na trase IV.B-05 mezi stanicemi Kolbenova – Hloubětín. Jednalo se o část levého jednokolejného traťového tunelu o ploše výrubu 28 m² v délce 347 m. Před zahájením ražby tohoto tunelu byl pomocí prstencové metody paralelně vyražen pravý tunel v osové vzdálenosti cca 21 m, takže byly poměrně dobře známy geotechnické poměry. Ražba probíhala v prostředí prachovitých břidlic záhořanských vrstev. Úsek byl v projektu rozdělen do tří technologických tříd výrubu s tloušťkou primárního ostění pouze 30 mm, 80 mm a 100 mm. Sekundární ostění z vodostavebného betonu B30 o tloušťce 350 mm bylo betonováno do posuvného bednění po blocích betonáže délky 9 m. Spáry mezi bloky betonáže byly těsněny těsnicími pásy. Ražba tunelu byla součástí experimentu prováděného v rámci státního výzkumného úkolu Modernizace oboru podzemních staveb k dosažení světové úrovně a byla mu věnována mimořádná pozornost i z hlediska geotechnických měření. Z celkové délky traťových tunelů v tomto úseku 2 × 1410 m bylo pomocí NRTM následně vyraženo celkem 2120 m.

Tunel Hřebeč
První nasazení NRTM na silničním tunelu se uskutečnilo na tunelu Hřebeč na silnici I/35 spojující Svitavy a Moravskou Třebovou. Že se nejednalo o jednoduchou úlohu, napovídají základní parametry tunelu. Tunel byl navržen jako třípruhový s šířkou jízdního pruhu 3,65 m. Při ploše výrubu 150 m² až 160 m² se výška nadloží pohybovala od 5 m do 18 m. Východní portál tunelu byl navíc situován do dlouhodobě nestabilního sesuvného území. O historii svahových pohybů svědčilo i zakřivení kmenů stromů východního svahu.

Z geologického hlediska tvořily horninový masiv kvartérní sedimenty, opuky, slínovce a v nejnižších polohách jílovce. Z celkové délky tunelu 354 m bylo pomocí NRTM vyraženo 270 m. Vzhledem k podélnému sklonu tunelu 6,3 % byla ražba zahájena dovrchně od východního portálu s vertikálním členěním plochy výrubu. Kalota severní boční štoly byla v profilu tunelu vyražena jako průzkumná v délce cca 50 m s dvouletým předstihem před zahájením ražby tunelu. Ta byla zahájena až v červnu 1994. Po zaražení jižní boční štoly byl v oblasti portálu ponechán mezilehlý horninový pilíř, v hoře byly propojeny oba boční výruby a vyražen byl tak plný profil kaloty. Ražba pak probíhala s horizontálním členěním jak západním, tak východním směrem. Primární ostění tunelu tvořil stříkaný beton tloušťky 200 mm až 500 mm podle technologické třídy výrubu, výztužné příhradové rámy a ocelové sítě. Kotvení bylo prováděno hydraulicky upínatelnými kotvami.

V roce 1995 došlo na východním portále ke skalnímu zřícení, které bylo iniciováno kolapsem pilíře mezi vertikálně raženými bočními štolami. Nejprve došlo k nárůstu deformací na vnitřním boku severní štoly, její počva byla na nižší úrovni než následně vyražené jižní boční štoly. Po prolomení primárního ostění a natlačení horniny pilíře do prostoru boční štoly následovalo skalní řícení bloků opuky nad profilem tunelu a destrukce ostění obou bočních štol. V prostoru kaloty zůstala uvězněna tunelovací technika, osádka stačila před havárií tunel opustit. Aby bylo možné zjistit rozsah poškození uvnitř tunelu, byla z povrchu území vyhloubena šachta a následně přístupová štola do prostoru kaloty tunelu. Po místním šetření bylo zjištěno, že primární ostění kaloty zůstalo neporušeno a je schopno i nadále zajistit stabilitu výrubu. Stroje v prostoru kaloty zůstaly nepoškozené. Směrem k východnímu portálu byl tunel zavalen skalními bloky opuky. Klenba kaloty v prostoru tunelu byla před odtěžováním závalu podepřena rovnaninou ze železničních pražců. Následně byla zajištěna stabilita východního portálu systémem kotev a postupným odtěžováním závalu. Nad tunelem byly vytvořeny železobetonové prahy rozepřené ocelovými troubami a vytvořeno „falešné“ primární ostění. Současně probíhala úpadní ražba vertikálním členěním od západního portálu s minimálním nadložím cca 5 m zeminy.

Situaci komplikoval i nedaleko stojící kostelík, jehož konstrukce byla již před výstavbou tunelu značně zchátralá. Stavební jáma západního portálu byla zajištěna kotveným záporovým pažením, nad profilem kaloty byl vytvořen ochranný mikropilotový deštník. Úpadní ražba probíhala bez větších komplikací a tunel byl v celé délce úspěšně vyražen. Po instalaci mezilehlé izolace probíhala betonáž sekundárního ostění tloušťky 500 mm. Vzhledem k vedení trasy ve složeném směrovém oblouku 250 m a 500 m byla použita délka bloku betonáže jen 5 m. Dokončením tunelu v listopadu 1997 jeho smolná historie neskončila. V jarních měsících roku 1999 došlo na západním svahu v oblasti portálu k proudovému sesuvu půdy. Sesuv postihl jižní bok tunelu a způsobil nesymetrické zatížení ostění hloubené části tunelu, na které konstrukce tloušťky 600 mm nebyla dimenzována. V ostění vznikly trhliny a výztuž na vnitřní straně byla na mnoha místech přerušena. Trhliny bylo nutné sanovat injektáží a ostění na vnitřním líci zesílit pomocí uhlíkových lamel. Další mohutný sesuv doprovázený skalním řícením vrstev opuky postihl východní portál v dubnu 2006. Materiál tentokrát severního boku tunelu zavalil silnici před portálem téměř v celé šířce a znemožnil provozování tunelu. Sesuv neměl na konstrukci ostění negativní vliv, bylo však nutné materiál odtěžit a stabilizovat svah konstrukcí z vyztužené zeminy.

Tunel Vepřek
Prvním tunelem v síti Českých drah raženým NRTM byl tunel Vepřek na I. tranzitním koridoru v úseku Praha – Děčín – Drážďany. Je pojmenován podle obce ležící na břehu Vltavy cca 40 km severně od Prahy. Stávající trať v místě původně vedla podél řeky a směrové poměry nedovolily dosažení požadované traťové rychlosti 160 km/h. V počátečních fázích projektování tunelu se počítalo s jeho prováděním v hluboké stavební jámě. Dokumentace pro územní rozhodnutí ještě sledovala čtyři varianty jeho hloubení. Ražená varianta byla bez podrobnějšího posouzení vyloučena jako neekonomická. Ke změně přístupu došlo až před zpracováním projektu pro stavební povolení. Po podrobnějším prostudování inženýrsko-geologických poměrů, s ohledem na výšku nadloží, která dosahovala až 20 m, dále vzhledem k vysokému objemu výkopů (340 000 m³) i zásypů (240 000 m³) byla k variantám hloubeným navržena i varianta tunelu raženého pomocí NRTM. Na základě podrobného technicko-ekonomického posouzení variant byla pro další projektování zvolena varianta ražená pomocí NRTM. V rámci projektu byl proveden podrobný geotechnický průzkum.

V dané lokalitě se pod vrstvou sprašových hlín nacházely slínovce se zónou silného zvětrání až do hloubky cca 13 m. Pod touto úrovní se již nacházely slabě zvětralé slínovce s velkou hustotou diskontinuit cca 150 mm až 250 mm. Délka úseků prováděných v otevřené stavební jámě byla 58 m v oblasti pražského portálu a 60 m v místě děčínského portálu. Stabilita stavební jámy hluboké až 30 m byla po dobu výstavby zajištěna svahováním, stříkaným betonem se sítěmi a kotvami SN délky 4 až 6 m osazovanými do vrtů vyplněných cementovou zálivkou. Ostění hloubených tunelů bylo navrženo jako monolitické se spodní klenbou. Rozhraní mezi hloubeným a raženým úsekem tunelu bylo situováno do míst, kde mocnost nadloží neklesala pod 6 m, přičemž kritickým místem nebyl vrchol tunelu, ale jeho bok přivrácený k řece Vltavě.

Ostění raženého tunelu bylo navrženo jako dvouplášťové s mezilehlou, deštníkovou izolací v oblasti horní klenby a boků. Spodní klenba tunelu nebyla izolována. Ražená část tunelu délky 272 m byla rozdělena na základě prognózy do tří technologických tříd výrubu. Primární ostění tvořil stříkaný beton se sítí, kotvami SN a příhradovými ramenáty. Zpočátku byla používána suchá směs a beton byl stříkán „z ruky“. Později zhotovitel nasadil zkušebně manipulátor na mokrou směs. V oblasti ohrožené nestabilitou přístropí se stabilita výrubu zajišťovala předráženými ocelovými jehlami. Po instalaci polyetylenové hydroizolační fólie probíhala betonáž monolitického, sekundárního ostění v blocích betonáže délky 10 m. V každém druhém bloku betonáže byl situován záchranný výklenek sloužící jako úkryt pro personál provádějící údržbu v tunelu. Výpočet primárního ostění byl proveden metodou konečných prvků jako 2D model se zohledněním jednotlivých fází výstavby při členění výrubu na kalotu, jádro a počvu.

Výstavba byla zahájena na podzim roku 2000 prováděním přístupových komunikací a odtěžováním stavebních jam na obou portálech. Vzhledem k reliéfu terénu se jednalo o náročné práce vyžadující přesné dodržování projektem předepsaných postupů. Ražba kaloty tunelu byla zahájena začátkem roku 2001. Původně předpokládané rozpojování horniny tunelovým bagrem nahradily postupně trhací práce. Hornina byla pevná, ale silně rozpukaná, což vedlo k tvorbě nadvýlomů. Přítoky do čelby byly minimální a neovlivňovaly její stabilitu. Délka záběru se pohybovala od 1,0 m do 1,7 m, naměřené deformace výrubu při ploše výrubu více než 100 m² nepřesáhly 30 mm. Velmi dobře probíhala úprava prvků zajištění stability výrubu podle skutečně zastižených geotechnických podmínek. Na základě výsledků geomonitoringu a posouzení stability tunelu došlo v některých úsecích ke zkrácení délky kotev, vypuštění vnitřní vrstvy sítí, nebo výztužných rámů v ostění jádra tunelu. Z dnešního pohledu nebyl tunel po technické stránce ničím výjimečný. Jeho jedinečnost spočívala v prvním nasazení NRTM na železničním tunelu v České republice.

Celý článek naleznete v archivu čísel 04/2017.