Bázový tunel Gotthard od prvních představ k uvedení do provozu, 2. díl

Cílem článku je informovat českou odbornou veřejnost o tomto mimořádném technickém díle a je vypracován jako rešerše článků uvedených v seznamu literatury.

Geologické poměry a možnosti geotechnického průzkumu

Podzemní dílo délky a rozsahu Gotthardského bázového tunelu nemůže nikdy procházet a skutečně neprochází jednoduchými a monotónními geologickými poměry. Délka tunelu, výška nadloží a přístupnost povrchu území nad tunelem výrazně komplikují možnosti geotechnického průzkumu. Pro účely projektování železničního bázového tunelu prováděli již v roce 1962 nové geologické mapování zájmového území v měřítku 1 : 10 000 geologové J. Bianconi, W. Egli a B. Blanc.

Od severního portálu v Erstfeldu směrem k jižnímu portálu Bodio trasa tunelu nejprve prochází strmě uloženými sedimenty zóny Intschi a následně prostupuje několika geologicky odlišnými formacemi. Oblast Erstfeldu náleží k Aarskému masivu, který tvoří převážně ruly, granity, krystalické břidlice a amfibolity. Stejně jako v případě Gotthardského masivu se jedná o heterogenní geologickou „směs“ vzniklou jako konečný produkt srážky africké a euroasijské tektonické desky. Mezi Aarským a Gotthardským masivem se nachází Tavetschský mezimasiv, který je od Aarského masivu oddělen Clavanievskou zónou a od Gotthardského masivu zónou nazývanou Urseren-Garvera. Za Gotthardským masivem vstupuje trasa tunelu do Penninské rulové zóny, která sahá až k portálu Bodio. Od Gotthardského masivu ji odděluje nejjižnější klín sedimentárních hornin – výrazná tektonická porucha, označovaná jako Piora-Mulde, za kterou již následují jako součást rulové zóny desky Lucomagno a Leventina. Rozdělení trasy tunelu do jednotlivých geologických formací ukazuje podélný geologický řez na obr. 1.

I když předběžné výsledky průzkumu naznačovaly, že podíl sedimentárních hornin v trase tunelu tvoří necelých 15 % z celkové délky tunelů, mohla představovat jejich převážně nízká pevnost vážné stavebnětechnické problémy. Inženýrskogeologický průzkum se proto ve fázi získání podkladů pro projektování zaměřil na lokalizaci stavebně obtížných úseků tunelu, určení jejich rozsahu, složení hornin tvořících tyto úseky a stanovení jejich geomechanických vlastností. Geologové použili ke zjištění potřebných informací kromě geologického mapování hornin a poruchových zón pro určení pevnosti horniny ve smyku, zjištění propustnosti masivu, chemismu a teploty podzemní vody i laboratorní zkoušky. Veškeré výsledky musely být ze stavebnětechnického hlediska správně interpretovány, aby bylo možné optimálně naplánovat nasazení jednotlivých tunelovacích metod i doprovodných opatření k zajištění bezpečnosti ražby. Stavba horninového masivu je známa i z dříve provedených podzemních děl v této oblasti. Extrapolace znalostí získaných z převážně povrchového průzkumu do úrovně nivelety bázového tunelu v hloubce až 2500 m pod úrovní terénu je však velmi obtížná, protože mocnost jednotlivých vrstev i jejich složení se v horizontálním i vertikálním směru prudce mění a na pevnost horniny má velký vliv i výška nadloží a s ní spojená geostatická napjatost. Povrchové mapování v oblasti tektonických poruch na hranici Tavetschského mezimasivu znemožňovaly zóny povrchových sesuvů.

V průzkumu tak vznikla mezera, kterou se geologové rozhodli vyplnit na podzim roku 1992 vrtným průzkumem. Kvalita masivu byla ověřena šikmým vrtem délky 850 m, prováděným pod úhlem 45º. Spolu s geofyzikálními metodami poskytly výnosy jádra odpověď na hodnoty geotechnických parametrů, jako např. hodnoty smykové pevnosti, modulu pružnosti, chemismu podzemních vod atd. Z vrtu prováděného na severu Tavetschského masivu bylo nejprve vyneseno 378 m fylitů a břidlic. Následně až do délky 700 m byly zastiženy silně porušené horniny Clavanievské zóny a po 853 m byl vrt ukončen ve starých horninách krystalinika Aarského masivu. Horniny Tavetschského masivu byly jemně břidličnaté a protkané četnými trhlinami. Při přerušení vrtacích prací docházelo k deformacím stěny vrtu, což výrazně omezovalo možnosti vrtného průzkumu. Fotodokumentaci stěny vrtu ukazuje obr. 2. Při vrtném průzkumu nebyly vůbec zastiženy očekávané mezozoické sedimenty. Velikost deformací stěn vrtů předčila prognózu provedenou na základě zkoumání povrchu území a vrt prováděný na jižním okraji masivu musel být z tohoto důvodu v hloubce 543 m ukončen. Další vrt byl proveden v roce 1993 a výsledky vrtného průzkumu byly extrapolovány do trasy tunelu v hloubce cca 600 m pod úrovní povrchu.

Z dříve provedených geologických rozborů daného území již bylo známo, že se v předpokládané trase tunelu nachází tektonická porucha nazývaná Piora-Mulde. Hypotézami vzniku této tektonické linie se zabývali geologové Albert Heim (1919), R. Staub (1926), L. Bosard (1934) a W. K. Nabholz (1954). Pro potřeby projektování tunelu provedl rozsáhlou rešerši dosud získaných vědomostí o Piora-Mulde již v roce 1964 prof. Dr. E. Dal Vesco [3]. Tato rešerše, stejně jako celá řada dalších zajímavých dokumentů o geotechnickém průzkumu a historickém vývoji návrhu tunelu, je zájemcům volně k dispozici na webové stránce www.alptransit-portal.ch. Ražba tunelu v této poruše by vzhledem k výšce nadloží i očekávaným geotechnickým vlastnostem horninového masivu znamenala obrovské komplikace. Proto byl 4. října 1993 zahájen rozsáhlý geotechnický průzkum s cílem upřesnění polohy a rozsahu poruchové zóny i geotechnických vlastností hornin tvořících poruchu. Průzkum byl prováděn z průzkumné štoly ražené tunelovacím strojem, situované nad trasou budoucího tunelu (obr. 3). Ze štoly byly prováděny jádrové vrty s cílem ověřit hranice tektonické poruchy a vlastnosti horninového masivu, který poruchu tvoří (obr. 4). Výsledky vrtného průzkumu měly poskytnout informace pro geologicky nejvhodnější vedení trasy tunelu.

Dne 31. března 1996 byl objeven během průzkumných vrtů prováděných z čelby průzkumné štoly Piora v oblasti tektonické poruchy silně podrcený a vodou nasycený dolomit. Tím byl lokalizován začátek tektonické poruchy. Dne 30. ledna 1997 protnul první průzkumný vrt v úrovni průzkumné štoly tektonickou poruchu Piora-Mulde a na severu narazil na horninu Gotthardského masivu. V místě vrtu měla porucha šířku 250 m a v celé délce byla tvořena dolomitem rozdrceným na frakci jemného cukru nasyceného vodou pod vysokým tlakem odpovídajícím výšce nadloží 1000 m. Výnos vrtu s polohami zcela rozdrceného dolomitu ukazuje obr. 5. Za této situace měl podrcený dolomit prakticky nulovou soudržnost a vzhledem k nasycení vodou by zvodnělý materiál představoval v trase tunelu zásadní komplikaci jak pro konvenční způsob ražby, tak pro nasazení tunelovacího stroje. Z průzkumné štoly situované nad profilem budoucích železničních tunelů byly proto vrtány další ověřovací vrty. Třetím vrtem bylo definitivně prokázáno, že poruchovou zónu v místě tunelů tvoří pevný a suchý vápenec, který nepředstavuje pro ražbu vážné nebezpečí (obr. 6). I když se mocnost poruchy směrem do hloubky zmenšuje, ještě 50 m pod úrovní nivelety tunelů má šířku 124 m. Průzkumné práce v oblasti Piora-Mulde byly ukončeny až 8. května 1998. Demontáž tunelovacího stroje po ukončení ražby ukazuje obr. 7. Jejich výsledky bylo možné označit za optimistické a trasu tunelu nebylo nutné s ohledem na předpokládané geologické a geotechnické podmínky korigovat. Hornina v úrovni bázového tunelu byla označena jako pevná, kompaktní a suchá, umožňující ražbu tunelů jak pomocí TBM, tak konvenční tunelovací metodou s použitím trhacích prací.

Přístupový tunel a šachty pro ražbu multifunkční stanice Sedrun

Délka Gotthardského bázového tunelu, snaha o minimalizaci doby výstavby a optimalizaci prostředků vynaložených na jeho výstavbu vyžadovala stavební rozdělení trasy do několika úseků s možností nezávislého paralelního provádění. Kromě stavenišť na severním portále (Erstfeld) a jižním portále (Bodio) tak vznikly ražbou přístupových tunelů další místně označovaná pracoviště Amsteg a Faido, ze kterých mohl být tunel ražen vždy na obě strany. Přístupové tunely k těmto pracovištím, nazývané také „okenní“ tunely, byly raženy z přístupných oblastí na úpatí masivu jako okna budoucího tunelu a směřovaly do jeho osy. Zcela ojedinělou podzemní stavbou je třetí přístupové dílo, které tvoří 909 m dlouhý přístupový tunel a dvě šachty. Šachta Sedrun I má hloubku 850 m a šachta Sedrun II hloubku 820 m – obě jsou hloubeny do prostoru multifunkční stanice Sedrun. Tato stanice byla původně nazývána Porta Alpina a měla v trase tunelu sloužit jako stanice s možností výstupu cestujících rychlovýtahy do rekreační oblasti Sedrun. Později se tato představa ukázala jako neekonomická.

Celý článek naleznete v archivu čísel 09/2017.