Realizace tunelů menších profilů pro vodohospodářskou infrastrukturu

Úvod

Autor se výstavbou maloprofilových tunelů, respektive štol a protlaků, zabývá celý svůj profesní život. V článku prezentuje rozmanitost těchto bezvýkopových technologií a různé způsoby jejich uplatnění. Volba vhodné technologie je počátečním předpokladem pro úspěšný průběh realizace, a proto je výhodné mít obecné povědomí o možnostech, jakým způsobem řešit nejrůznější křížení inženýrských sítí s komunikacemi, eliminaci hlubokých výkopů nebo výstavbu nových sítí v místech, kde jsou již uloženy sítě stávající.

Obecně lze definovat tunelové stavby, které jsou předmětem tohoto článku, jako stavby, jejichž plocha výrubu je menší než 16 m², což odpovídá i báňským právním předpisům, které tato díla řadí do kategorie malých profilů. Z druhé strany jsou pak tato ražená díla ohraničena vnitřním průměrem menším než DN 1 400 mm, což je rozměr, který tvoří předěl mezi průchozím a průlezným profilem. U protlačování chrániček či potrubí o průměru menším než 1 400 mm se pak jedná o tzv. mikrotunelování.

Složitost realizace takových štol si příliš nezadá s velkými tunely a různorodá škála problémů je v takovém případě obdobná. Často je při jejich výstavbě třeba poradit si pouze s omezenými finančními prostředky ve spojení s nutnou dávkou improvizace. Nezřídka budí úsměv i používaná zastaralá mechanizace v podobě starých protláčecích stanic nebo razicích štítů s jednoduchou, až primitivní hydraulikou. Jenže pokud je nutno vyřešit nebo nabídnout kupříkladu jednoduchý 40 m dlouhý protlak o průměru 1,6 m, nelze si za tím účelem pronajmout či pořídit sofistikovaný plně mechanizovaný razicí stroj v hodnotě 15 mil. Kč a více, který se bude na stavbě čtrnáct dnů sestavovat a s nejistým výsledkem zkoušet. Jednotková cena, která by pak po započtení všech nákladů vyšla, by byla astronomická a pro investora nepřijatelná. Potom nezbývá než „vytáhnout z kopřiv“ starý osvědčený stroj a (po týdenní repasi v hodnotě výměny oleje a práce mechanika-důchodce) jej s úspěchem použít.

Je třeba zmínit ještě jednu záludnost související s realizací menších staveb. Stává se totiž, že u těchto projektů bývá inženýrsko-geologický průzkum zpracován pouze v omezeném rozsahu. V odstrašujících případech pak vůbec. Pak je nutné řešit mimořádné situace spojené se změnou geologických podmínek oproti předpokladům. Je vhodné mimo jiné věnovat pozornost místopisným údajům a např. při práci v lokalitě Podskalí nebo v ulici Podhorní předpokládat, že se ve štole narazí na skalní horniny; v ulici Rybníček naopak nesmí překvapit přítomnost rozbředlých jílů, stejně jako ve Vodní ulici vysoká hladina podzemních vod. Relativně spolehlivé informace lze též získat od místních starousedlíků.

Štola spodních výpustí na vodním díle Velký rybník

Předmětem stavby byla obnova levé spodní výpusti z roku 1923 na vodním díle Velký rybník poblíž Kutné Hory. Součástí stavby bylo rovněž vybudování nového kruhového věžového objektu spodních výpustí, který byl umístěn na návodní straně hráze. Spodní výpusť byla tvořena nátokovou částí s ponořeným vtokovým portálem, česlemi a přívodní štolou připojenou na věžový objekt a dále pak navazující odpadní štolou ukončenou vstupním portálem s kamenným obkladem.

Trasa nové odpadní štoly byla vedena částečně v trase stávající poškozené štoly. Její výrub byl nepravidelný o ploše cca 3 m². Profil nově ražené štoly byl podstatně větší a měl rozměry DN 2 670/2 780 mm (obr. 1). Ražba probíhala v relativně zdravém skalním masivu (ruly a svory tř. těžitelnosti 6, místy až 7) klasickým hornickým způsobem. K rozpojování hornin nebylo možné použít trhacích prací malého rozsahu, protože existovaly odůvodněné obavy, že by mohlo dojít k poškození stávajících konstrukcí hráze vlivem seismických účinků. Rozpojování bylo tedy nutno provádět mechanicky, s velkým podílem ruční práce. Nasazení větších strojních zařízení bylo vyloučeno jednak z prostorových důvodů a jednak i kvůli malému objemu prací, při kterém by se nevyplatilo dovážet složitější strojní zařízení. Kromě sbíjecích kladiv se po­užily hydraulické rozpínací klíny, tzv. „Darda“. Ty se plně osvědčily, naopak použití expanzních demoličních hmot umístěných do navrtaných otvorů se ukázalo jako neúčinné.

Ostění štoly bylo zajištěno důlní výztuží (rámy typu Heintzmann) a ocelovými pažnicemi. Do vyražené štoly pak byla za použití posuvného bednění vybetonována definitivní monolitická ŽB konstrukce o vnitřní šířce při dně 2,2 m a světlé výšce rovněž 2,2 m (obr. 2).

Práce na štole spodních výpustí proběhly velmi hladce a bez vážnějších komplikací. To se bohužel nedalo říci o realizaci stavební jímky pro vlastní objekt spodních výpustí na návodní straně hráze. V uvedeném případě se základová spára nacházela místy až 10 m pod hladinou vodní nádrže a založení stabilní jímky komplikoval odlišný průběh skalního podloží, než předpokládala projektová dokumentace. Skalní podloží bylo zastiženo v příkrém a nepravidelném spádu jak v podélném, tak i v příčném směru. To si vyžádalo podstatnou změnu návrhu konstrukce dočasné jímky a připravilo všem zúčastněným stranám řadu nepříjemností. Na druhou stranu stavba probíhala v krásném údolí říčky Vrchlice v bezprostřední blízkosti Vrchlických vodopádů (obr. 3), které při větším vodním průtoku svým vzhledem evokují krajinu Plitvický jezer a záběry z filmu Poklad na Stříbrném jezeře.

Drenážní štola na vodním díle Šance

Účelem stavby drenážní štoly bylo omezení přítoku podzemní vody do prostoru na levobřežní vzdušní straně VD Šance a snížení možného rizika poškození napojení těsnicího jádra hráze na injekční chodbu, a to vlivem jejich řízeného odvedení důmyslným systémem odvodnění.

Odvodňovací systém sestával z portálu ražené drenážní štoly délky 139 bm a z 20 bm dlouhé přístupové štoly (ražené ze stávající injekční štoly) ukončené kavernou. Kaverna a štola byla vertikálně spojena 27 m hlubokou drenážní šachtou.

Příčný profil drenážní štoly měl podkovovitý tvar (identicky s přístupovou štolou) o rozměrech DN 3 200/3 450 mm. Velikost profilu byla navržena tak, aby umožnila bezproblémové provedení odvodňovacích vrtů. Návrh ostění v co nejvyšší míře zohledňoval specifický požadavek na drenážní funkci štoly.

Úsek ražený v horninách zvětralých, až navětralých v délce 50 bm měl ostění ze stříkaného betonu tl. 300 mm (ve dně 450 mm) za použití příhradových rámů a dvou vrstev kompozitních sítí 8/100/100 mm (obr. 4). Jako nejkomplikovanější se ukázal počátek ražby, kdy bylo nutné projít nezpevněnými kamennými svahovými sutěmi. Ani ochranný deštník z mikropilot nezajistil úplnou stabilitu čelby, a tak bylo nutné nahradit příhradové nosníky klasickou důlní zvonkovou výztuží a stříkaný beton předráženými ocelovými pažnicemi UNION.

Úsek, který měl plnit vlastní drenážní funkci, byl ražen v hornině zdravé, až mírně zvětralé. Ostění tvořily pouze kompozitní sítě 8/100/100 mm. V klenbě štoly byly osazeny sklolaminátové svorníky délky 4 až 6 m s četností cca 3 ks/bm štoly (obr. 6).

V koncové části přístupové štoly, tj. v místě drenážní šachty, byla provedena kaverna profilu DN 5 000/4 900 mm a délky 6 m. Její rozměry byly navrženy tak, aby bylo možno v tomto místě situovat těžní zařízení pro následné hloubení drenážní šachty kruhového profilu o vnitřním průměru 2,2 m (obr. 5). Průměr byl navržen minimální, ale takový, aby z něj bylo možno realizovat horizontální odvodňovací vrty průměru do 76 mm a délky až 25 m. Vzhledem k požadované drénující funkci šachty bylo ostění z torkretu navrženo v minimálním rozsahu (ztužující prstenec na každém čtvrtém metru šachty) a bylo nahrazeno lokálním kotvením stěn výrubu za vy­užití sklolaminátových svorníků spolu se sklolaminátovými sítěmi 8/100/100 mm. Nakonec bylo použití torkretu v drenážní šachtě úplně zavrženo (snížená viditelnost a prašnost během aplikace) a bylo nahrazeno litým betonem. K tomuto účelu se využily s výhodou ocelové formy původně sloužící jako vnitřní bednění při realizaci spouštěných studen.

Ražby probíhaly v horninách karpatského flyše, typických pro Beskydy, tj. šlo o flyšovité střídání pískovců a jílovců (břidličnatých vložek) s převahou jemnozrnných pískovců s výraznou deskovitou, až lavicovitou odlučností. Tato vlastnost se projevila v tom, že i přes dodržování projektové dokumentace trhacích prací se často projevovaly zvýšené technologicky nezaviněné nadvýlomy. Oproti předpokládaným 100 mm činila průměrná hloubka nadvýlomu za teoretický obrys výrubu štoly 390 mm.

Hladina podzemní vody silně kolísala v závislosti na atmosférických srážkách a přítoky do štoly a šachty byly místy velmi intenzivní, což bylo v tomto případě žádoucí. Směr jejího proudění v relativně neporušeném horninovém masivu byl ovlivňován přítomností hojných břidličných poloh, které vykazovaly nižší propustnost než rozpukané pískovcové lavice a desky.

Obvyklým problémem při realizaci štol je zajištění jejich vodotěsnosti. V tomto případě tomu bylo naopak. Konstrukce štoly a materiály v ní použité měly speciální vlastnosti a byly přizpůsobeny ústřední funkci díla, která, jak již bylo zmíněno, spočívala v co nejvyšší míře řízeného odvodnění levobřežního svahu. Rozsah použití kompozitní, resp. sklolaminátové výztuže, jako daleko trvanlivější alternativy oproti klasickým kari sítím, může být příkladem pro současné složité období spojené s nedostatkem oceli a jejími neúměrně vysokými cenami. Kompozitním, resp. nekovovým materiálem je míněna výztuž ze skelných vláken s vinylesterovou pryskyřicí (základní požadované fyzikální vlastnosti: pevnost v tahu větší než 1 000 MPa a modul pružnosti 5 GPa). Tento materiál se v tuzemských podmínkách běžně nepoužívá a vykazuje větší tuhost (menší ohebnost) než běžné ocelové sítě. Kompozity tohoto typu jsou k nám dováženy z Číny pod hlavičkou německého výrobce a německé kvality. Na této stavbě se je však úspěšně podařilo nahradit tuzemským výrobcem. I když zpočátku bylo třeba tyto sítě sestavovat brigádníky přímo na stavbě, byla jejich cena podstatně výhodnější. Je dobré mít tento fakt častěji na paměti a nebát se, nebo snad výstižněji dát si práci s hledáním alternativní možnosti. Není ani třeba se zaštiťovat argumentací o snižování emisí CO2. Doprava tak jednoduchého výrobku, jako je kompozitní síť, z místa výroby do Šanghaje, následně do Hamburku a pak do Beskyd opravdu postrádá logiku.

Drenážní štola dostala i své jméno – Cecilka. To na počest paní, která po celá dlouhá léta žila v údolí řeky Ostravice v místě hráze. Jejího dokončení se však nedožila. Štola byla pokřtěna při příležitosti odhalení sošky svaté Barbory (patronky tunelářů) u jejího portálu. Jistě půjde o náhodu, ale od onoho okamžiku řada komplikací postupně odezněla a práce postupovaly svižným krokem tak, že se dokonce podařilo splnit i konečný termín výstavby.

Kanalizační štola na prodloužení sběrače „B“ v Ostravě-Radvanicích

Hlavním stavebním objektem na rozsáhlém vodohospodářském projektu dostavby kanalizace v místní části Radvanice v Ostravě byla více než 660 bm dlouhá štola (pojmenovaná Zuzana) pod vyvýšeninou poblíž Slezskoostravského hradu a říčky Lučiny. Štola byla ražena protisměrně ze dvou těžních šachet Š39 a Š44 o hloubkách cca 5,5 m, které byly realizovány pomocí zátažného pažení z pažnic Union a vodorovných rámů z válcovaných I profilů, což je běžný způsob realizace jednoduchých těžních šachet.

Realizace štoly probíhala konvenčním způsobem, kdy bylo primární ostění tvořeno příhradovou výztuží a stříkaným betonem s dvojitou výztužnou kari sítí. Profil štoly byl podkovovitého tvaru o rozměrech DN 2 660/2 800 mm. Ve zhoršených geologických podmínkách byla ve spodní části štoly zřízena protiklenba (obr. 8). Nadloží štoly se pohybovalo v rozmezí od 2,8 m do 25 m. Cca 80 m štoly bylo raženo ručně v prostředí jílovitých zemin s pevnou konzistencí. Pro zajištění stability nadloží byla prováděna v horní části štoly injektáž cementovou suspenzí s využitím injektážních zavrtávacích IBO tyčí o průměru 32 mm a délce 3 m, jež byly vrtány do předpolí stropu štoly a tvořily cyklicky se opakující injektážní deštník. Zbytek trasy byl ražen v rostlém pískovci pevnosti R2 až R3 s využitím trhacích prací malého rozsahu.

Podzemní voda se během výstavby vyskytla pouze v jediném případě, a to paradoxně až na samém konci razicích prací, kdy do prorážky, tj. spojení dvou štol ražených v protisměru, chybělo pouhých 12 m. V tom okamžiku byla zastižena poruchová oblast v rostlém pískovci tvořená rozbředlým a nestabilním jílem. Tato komplikace způsobila, že ke slavnostní události, kterou každá prorážka bezesporu je, nedošlo na Svátek práce, jak bylo původně plánováno, ale až 3. května 2020 (obr. 9). To nezabránilo menší oslavě, jež se konala v té době v povinných rouškách.

Sekundární ostění budované kanalizační štoly bylo celkem atypicky navrženo rovněž ze stříkaného betonu spolu s druhou vrstvou kari sítí. V průběhu výstavby se zvažovala možnost jeho záměny za monolitické ostění betonované do posuvné formy, což by bylo asi kvalitativně výhodnější, nicméně by to znamenalo zvýšení ceny, a tak tento návrh nakonec nebyl realizován, a to i vlivem koronavirových událostí.

Ve spodní části bylo ostění stoky navrženo z litého betonu spolu s čedičovou kynetou pro převedení obvyklých splaškových průtoků (obr. 7).

Zvláštností této stavby byla více než 27 m hluboká spadišťová šachta Š41, která byla realizována technologií tzv. spouštěné studny, jejíž vnitřní průměr činil 2,7 m (obr. 10). Studna byla spouštěna za pomoci speciálního ocelového břitu, který byl osazen v její spodní části. Ten byl průběžně podkopáván tak, aby studna klesala svou vlastní vahou. Výška jednotlivých postupů, kdy byla studna nadbetonována, činila 2 m. Rozpojování probíhalo v převážně písčitých hlínách, jílu a silně zvětralých pískovcích ručně s využitím sbíjecích kladiv. S nástupem zdravých a pevných hornin – pískovců musely přijít na řadu trhací práce malého rozsahu. Obecně lze konstatovat, že technologie monolitické spouštěné studny výborně funguje v prostředí s výskytem zemin třídy těžitelnosti 1–4 nebo v horninách třídy těžitelnosti 5, které lze ještě strojně nebo ručně rozpojovat. V okamžiku, kdy bylo nutno použít trhací práce malého rozsahu, se ukázalo jako problematické a obtížné směrové vedení spouštěné studny. Nadvýlomy nebo naopak kusy skalní horniny zasahující do profilu studny měly tendenci negativně ovlivňovat příslušný, tedy kolmý směr spouštění.

Ražba nemechanizovaným štítem na stavbě Brno-Loučky, oprava kanalizace

Oprava stávající kanalizace v této lokalitě musela být navržena bezvýkopovou technologií, protože v průběhu let se nad trasou kanalizace navršilo velké zemní těleso, jež tam patrně vzniklo při budování přilehlého sídliště. Toto dodatečné přitížení mělo zřejmě i vliv na poškození stávající betonové stoky, avšak na druhou stranu tvoří přirozenou protihlukovou bariéru mezi zástavbou a rychlostní komunikací.

Pro realizaci ražeb byla vybrána technologie štítování nemechanizovaným razicím štítem DN 2 000 mm, typ Ingstav. Start razicího štítu proběhl z šachty o rozměrech 4,0 × 5,0 m a hloubce 12,5 m, která měla být situována těsně vedle šachty stávající. V uvedeném případě vyvstal problém, protože se tato stávající šachta (resp. její poklop) nacházela, z dříve popsaných důvodů, cca 5-6 m pod terénem a její přesná poloha nebyla známa. Běžnými metodami se ji lokalizovat nepodařilo a nepomohl ani jindy úspěšný georadar. Nakonec se vše vyřešilo použitím čidla, které bývá umístěno ve vrtných hlavicích při řízeném horizontálním vrtání. S čidlem pronikli dva pracovníci stávající kanalizací do inkriminované šachty a její polohu bylo možné určit s postačující přesností pro zahájení výkopových prací. Šachta byla zapažena zátažným pažením z pažnic UNION rozepřených do ocelových profilů vodorovnými rámy z válcovaných I profilů.

Ostění štítované štoly se skládalo z železobetonových segmentů (tybinků, česky klenáků), které se osazují v razicím štítu pákovým ukladačem. Šest segmentů pak tvoří jeden věnec (obr. 12). Hydraulický pohon štítů tvoří soustava pístu po obvodu pláště razicího štítu, která se opírá o segmentové ostění (obr. 13). Po zatlačení razicího štítu do rostlé zeminy se písty stáhnou a opakuje se proces osazení segmentů dalšího věnce. Po ukončení ražby v délce 70 bm byl razicí štít vytažen z koncové šachty a uložen, aby mohl být opět za čas nasazen do akce. Do vyražené štoly o vnitřním průměru DN 1 680 mm bylo zataženo sklolaminátové potrubí DN 1 000 mm. Po zafixování potrubí a jeho zabezpečení proti vyplavení bylo mezikruží mezi segmentovým ostěním a potrubím vyplněno popílkocementovou směsí. V místě startovací a koncové šachty poté byly vybudovány nové revizní spadišťové šachty z monolitického betonu, jejichž kynety byly obloženy čedičem.

Protlačování železobetonového potrubí při výstavbě propojovacího vodovodního řadu Chrlice – Modřice

Součástí propojení vodovodních řadů mezi brněnskými městskými částmi Chrlice a Modřice bylo i křížení jedné z nejfrekventovanějších komunikací, tedy dálnice D2 poblíž obchodního centra Olympia.

Návrh podchodu byl koncipován jako průchozí kolektor průměru DN 1 600 mm, ve kterém bude uloženo vodovodní potrubí z tvárné litiny průměru DN 250 mm. Délka kolektoru činila 124 bm. Podchod byl rozčleněn na tři samostatně protlačované úseky. Nejdelší z nich (dl. 58 bm) byl pod vlastním tělesem dálnice D2. Zbývající dva byly, na požadavek Ředitelství silnic a dálnic ČR, protlačovány v koridoru budoucího rozšíření dálnice a v jejím ochranném pásmu. Protlaky byly realizovány osvědčenou kombinací metody protlačování a štítování upraveným nemechanizovaným štítem, umístěným v čele protlaku na místo tradičního předštítku.

K protlačování byly použity speciální atypické ŽB trouby TZQ-T DN 1 600 mm s požadovanou únosností Fn = 280 kN/m (obr. 11). Protlačování probíhalo ze startovacích šachet, kde byla osazena tlačná stolice. Pokud v průběhu protlačování docházelo k nárůstu tlaků, byl použít druhý hydraulický agregát pro razicí štít, kde se soustava pístů opřela do ŽB potrubí a zatlačila štít do rostlé zeminy. Následně byla kolona ŽB potrubí zatlačena ze startovací šachty směrem ke štítu a celý proces se poté opakoval. Pro snížení tření byla prováděna kluzná injektáž bentonitovou suspenzí za vnějším lícem potrubí.

Protlačování potrubí probíhalo v nevelkém protispádu (0,3 %) s relativně nízkým nadložím 3,2 až 3,6 m. Přes přítomnost podzemních vod (jejich hladina se nacházela cca 1,5 m nad niveletou protlaku) byla stabilita tuhých písčitých jílů relativně dobrá a protlačování ŽB potrubí DN 1 600 mm proběhlo bez vážnějších komplikací a bez jakéhokoliv omezení provozu na dálnici D2. Maximální pokles měřicích bodů umístěných na dálničním tělesu činil 3 mm, což lze pokládat za velmi dobrý výsledek.

Z hlediska hydrogeologických podmínek se ukázal jako mnohem obtížnější protlak pod nedalekou komunikací III/15282, který byl sice délky poloviční, avšak jeho realizace trvala déle než celý podchod dálnice. Částečně za to mohlo i podcenění přípravných prací a nedostatečné počty pracovníků.

Závěr

Snad lze doufat, že je z uvedených příkladů použití různých technologií na jednotlivých stavbách patrné, jak zajímavý a pestrý je obor podzemních staveb, a že obecně celá „stavařina“ je krásné povolání. Touto cestou by chtěl autor apelovat na čtenáře časopisu Stavebnictví, aby tuto důležitou pravdu, která v současném informačním prostoru zjevně chybí, rozšiřovali mezi mladou generaci nastupující do středních a vysokých škol. Začíná nás být totiž málo.

Foto: Ing. Petr Badin