Ražba tunelů pod zastropením – metoda želva

V České republice nadloží nedosahuje takových výšek jako v případě alpských tunelů a zóna zvětrání mnohdy zasahuje až k profilu výrubu. V případě vhodných geotechnických podmínek probíhá výstavba tunelů konvenčním ražením nebo tunelovacími stroji. V případě geotechnických podmínek nevhodných pro ražení, zpravidla z důvodu nedostatečné výšky nadloží nebo kvality horninového masivu, je výstavba řešena hloubením tunelů v pažených, nebo svahovaných stavebních jamách. Ne vždy však ražení nebo hloubení jednoznačně vyhovuje daným okrajovým podmínkám. Pro tento případ existuje další metoda výstavby tunelů, která kombinuje metodu hloubení i ražení a která se obecně nazývá ražba pod zastropením. V České republice se pro tento postup výstavby ustálil název metoda želva. Článek si dává za cíl seznámit odbornou veřejnost s principy návrhu výstavby tunelů touto metodou a na praktických příkladech ukázat, k jakým účelům a v jakých případech ji lze efektivně využít. Pokud bychom měli metodu želva začlenit do správné „škatulky“ tunelovacích metod, pak se jedná o konvenční ražbu s cyklicky se opakujícími činnostmi, jako je tomu například u Nové rakouské tunelovací metody (NRTM), která je v České republice nejrozšířenější.

Princip metody želva

Při návrhu technologického postupu výstavby tunelů není neobvyklé, že se pod vrstvou pokryvů a zvětralých horních poloh skalního masivu již nachází pevná hornina, která pro rozpojování vyžaduje nasazení speciálních stavebních strojů, nebo dokonce použití trhacích prací. Výška nadloží i geotechnické vlastnosti masivu v nadloží tunelu nedovolují tunel razit bez nákladných opatření ke zlepšení horninového prostředí (např. injektáže nebo zmrazování), hloubení vlastního prostoru tunelu však již zasahuje do velmi pevných poloh skalního podloží. Použití hloubeného tunelu by znamenalo nejprve odtěžit méně kvalitní vrstvy pokryvů a následně vyhloubit ve skalním podloží dostatečně širokou stavební jámu, která by umožnila nasazení technologie provádění hloubeného tunelu, tj. montáž rubového bednění monolitického ostění tunelu i dostatečný prostor pro pohyb stavebních strojů při provádění hutněného zásypu konstrukce ostění. V případě dopravních tunelů stavební jáma nemá pravidelný půdorys, neboť do výkopu není umístěn jen standardní profil tunelu, ale i výklenky pro umístění technologického vybavení tunelu (výklenky kabin SOS, požárního hydrantu, šachet na čistění boční tunelové drenáže nebo v případě železničních tunelů i záchranné výklenky pro úkryt pracovníků údržby tunelu za povozu). Aby bylo možné ve stavební jámě konstrukci hloubeného tunelu provést, měla by její šířka za rub ostění přesahovat o cca 2 m, takže půdorysně její rozměr narůstá v úrovni dna o cca 4 m a s nárůstem šířky jámy narůstá i objem zemních prací spojený s hloubením a následným zásypem tunelu. Kromě nárůstu objemu zemních prací se tento způsob výstavby negativně projevuje ve statickém působení konstrukce tunelu, neboť rostlý materiál na bocích tunelu je nahrazen hutněným zásypem, jehož tuhost a tím i schopnost vzdorovat reakci ostění od zatížení násypem nad klenbou tunelu je výrazně nižší než v případě, kdy je ostění podepřeno horninovým masivem v rostlém stavu.

Obě negativa eliminuje svým konstrukčním uspořádáním metoda želva. V oblasti pro ražbu špatných geotechnických vlastností horninového masivu je vyhloubena stavební jáma pouze do úrovně kaloty tunelu, jejíž dno je upraveno do tvaru klenby. Jemné tvarování dna jámy probíhá zpravidla stříkaným, nebo výplňovým betonem nízkých pevnostních tříd. Na geometricky upravený povrch dna stavební jámy je položena tenká separační PE fólie a ochranná geotextilie, která chrání separační fólii před poškozením při provádění klenby želvy. Separační fólie slouží při ražbě tunelu ke snadnému oddělení stříkaného vyrovnávacího betonu, případně horninového masivu od vlastní konstrukce želvy. Metoda získala název podle charakteristického tvaru klenby, který připomíná právě krunýř želvy. Na geotextilii následně probíhají standardní práce spojené s výstavbou monolitické železobetonové konstrukce, tj. montáž výztuže a vlastní betonáž po blocích obvyklé délky 5–6 m. Spodní bednění tvoří upravené dno stavební jámy, rozsah bednění boků konstrukce odpovídá tvaru klenby a konzistenci použité betonové směsi. Po dosažení pevnosti betonu požadované statickým výpočtem je možné konstrukci zasypat a povrch území uvést do původního, respektive projektovou dokumentací požadovaného stavu. Mezi další výhody této metody proto patří podstatné zkrácení doby, kdy je povrch území zatížen negativními vlivy spojenými s výstavbou (hluk, prach, exhalace ze stavebních strojů, liniové rozdělení území s nutností objízdných nebo obchozích tras atd.).

Po provedení zásypu probíhá pod ochranou klenby standardní ražba tunelu s horizontálním členěním plochy výrubu a zajišťováním jeho stability podle geotechnických podmínek pod základovou spárou konstrukce želvy. Ražba kaloty probíhá z větší části pod ochranou konstrukce želvy a tomu je možné přizpůsobit délku záběru. Ta je zpravidla závislá pouze na kapacitních možnostech rozpojování a odtěžování rubaniny. Při ražbě jádra tunelu pod úrovní základové spáry patek klenby již délka záběru a způsob zajištění stability výrubu odpovídá zastiženým geotechnickými podmínkám. Jedná se zpravidla o zajištění líce výrubu primárním ostěním ze stříkaného betonu vyztuženého ocelovými sítěmi nebo z drátkobetonu. Pro zvýšení únosnosti horninového masivu dochází k jeho prokotvení tyčovými kotvami typu SN, nebo v případě velmi kvalitního horninového masivu hydraulicky upinatelnými svorníky. V případě, že kvalita horninového masivu pod základovou spárou klenby želvy nesplňuje statické požadavky na její založení, nebo ražba tunelu pod touto úrovní vyžaduje dodatečná opatření pro zajištění stability boků výrubu, jsou tato opatření prováděna ze dna stavební jámy pro želvu. Ve většině případů se jedná o vrtání svislých mikropilot, nebo při ražbě v nesoudržném horninovém masivu provádění sloupů tryskové injektáže. Pouze v extrémně složitých geotechnických poměrech či ve speciálních případech použití se provádí založení želvy a zpevnění boků výrubu pomocí podzemních stěn nebo velkoprůměrových pilot. Zastropení tunelu nemusí být jen klenbovou konstrukcí, klenbu lze nahradit deskou. Tato metoda se používá zvláště ve městech, kdy jsou tunely situovány mělce pod povrchem a pro vzepětí klenby není dostatek prostoru. Na rovné dno stavební jámy je proto vybetonována stropní deska, která se ve většině případů na bocích tunelu opírá o svislé podzemní stěny, nebo velkoprůměrové piloty. Na rozdíl od klenbové konstrukce želvy, která ve většině případů představuje pouze dočasnou konstrukci pro bezpečnou ražbu tunelu, tvoří rovná stropní deska v kombinaci se svislými podzemními stěnami po provedení dalších opatření a stavebních úprav v mnoha případech definitivní konstrukci tunelu.

Konstrukční typy a možnosti použití metody želva

Metoda želva může být nasazena k řešení celé řady situací, ve kterých by použití jiné metody bylo buď komplikované, nebo zcela nereálné. Další text uvádí příklady použití na konkrétních příkladech již realizovaných tunelů. V principu se však jedná o dva velké okruhy nasazení této metody. První okruh použití představuje řešení staveb tunelů v městské zástavbě, kdy prostorové poměry vázané na šířku komunikace mezi uliční zástavbou neumožňují provedení svahované stavební jámy a snahou investora je minimalizovat dobu omezení života města na povrchu. Druhým okruhem jsou případy výstavby tunelů v extravilánu se snahou minimalizovat hloubku stavebních jam, velikost záboru pozemků, objem zemních prací při hloubení i zasypávání tunelů a minimálně zasahovat do stabilitních poměrů v daném území.

Z konstrukčního hlediska se rozlišuje klasická ražba pod zastropením s použitím postupů konvenčního tunelování, tj. zajištění boků výrubu primárním ostěním a vyztužováním horninového masivu kotvením, nebo výstavba tunelů se zajištěním boků tunelu podzemními či pilotovými stěnami a přístropí chráněného klenbou nebo rovnou stropní deskou, kdy jsou tyto konstrukce součástí trvalého nosného systému tunelu. V takovém případě je nutno řešit celou řadu detailů, které se týkají jednak konstrukčního napojení svislých prvků stěn na stropní desku nebo klenbu, jednak zajištění vodonepropustnosti tunelu jako celku, tj. těsnění pracovních a dilatačních spár na všech úrovních.

Příklady použití metody na již realizovaných tunelech

Uvedené příklady praktického použití metody želva jsou voleny tak, aby co nejlépe ukázaly možnosti této metody pro řešení geotechnických úloh, zkrácení doby výstavby i zmenšení objemu zemních prací.

Celý článek naleznete v archivu čísel 06-07/2017.