Redukce deformací nadloží a ochrana povrchové zástavby při ražbě tunelů

Ztráta zeminy

Deformace, související se vznikem sekundární napjatosti při ražbě, se uvnitř díla projevují jednak radiálními deformacemi (konvergencemi) po obvodě výrubu, jednak podélnými deformacemi čelby (extruzemi). Tyto deformace, které vyplývají z objemu zeminy proniklé do teoretického výrobního profilu a zmenšující tím jeho velikost, jsou v průběhu ražby v podstatě opakovaně likvidovány, neboť je nutno zachovat požadovaný profil výrubu, v němž musí být prostor pro umístění projektovaného ostění. Důsledkem je, že se z výrubu těží více zeminy, než je teoreticky nutno, což se při nízkém nadloží projeví vznikem deformační zóny nad podzemním dílem a poklesovou kotlinou na povrchu území.

Drenážní efekt

Snížení hladiny podzemní vody má za následek ztrátu vztlaku na zemní částice, a tím zvětšení efektivního napětí v zemině. V důsledku tohoto přitížení dojde zákonitě k deformačnímu ovlivnění (sednutí) zemního masivu, které se obvykle netýká jen oblasti nad podzemním dílem, nýbrž zasahuje širší oblast, v níž došlo ke změně režimu podzemních vod. Toto sednutí není navíc rovnoměrné, jak vyplývá z obecného charakteru depresní křivky hladiny podzemní vody při jejím bodovém či liniovém snížení. U soudržných zemin je nutno vzít do úvahy negativní objemové změny vyplývající z procesu konsolidace, tj. časového průběhu sednutí těchto zemin, vyvolaného vytlačováním vody z pórů.Souvisejícími časově závislými projevy, které se dlouhodoběji podílejí na deformačním ovlivnění nadloží i povrchu území (a způsobují, že objem ?ztracené zeminy? ve výrubu není úplně totožný s objemem poklesové kotliny), jsou:

• objemové změny deformujícího se prostředí (nakypření nebo zhutnění), jejichž charakter je odvislý od původní ulehlosti deformujícího se prostředí;
• objemové změny způsobené sufozí, tj. vyplavováním jemných částic ze zemního prostředí v důsledku proudění podzemní vody do vyrubaného prostoru.

Nicméně ve většině případů se předpokládá, že objem ?ztracené zeminy? a objem poklesové kotliny jsou si rovny. V současné době je u ražených podzemních staveb liniového charakteru jasná a mnoha měřeními potvrzená představa o charakteru a deformaci nad výrubem.

Deformační zóna od ražby

Obr. 1 deformace při ražbě tunelu. Vysvětlivky: 1) deformační zóna; 2) příčná poklesová kotlina; 3) podélná poklesová kotlina; 4) rovina čelby.

Deformační zóna od ražby je v příčném směru vymezena hypotetickými smykovými rovinami, vycházejícími z krajních bodů počvy výrubu (obr. 1). S vodorovnou rovinou svírají tzv. hraniční (mezní) úhel μ, který je pro zemní prostředí interpretován hodnotou 45º + φ/2, odvozenou z vyšetřování mezní rovnováhy zemin za stavu jejich rozvolňování (expanze). V podélném směru je deformační zóna vymezena rovinou vycházející z průsečnice čelby tunelu s jeho počvou pod stejným mezním úhlem μ a s plynule zaobleným přechodem k rovinám vymezujícím deformační zónu v příčném směru.
Tvar příčné poklesové kotliny je možno aproximovat různými funkcemi obecného tvaru δ_v=δ_v (x); nejpoužívanější je Gaussova křivka normálního pravděpodobnostního rozdělení, jejíž průběh je dán rovnicí:

kde:
δ_v je svislá pořadnice bodu poklesové křivky ve vzdálenosti x od jejího středu;
δ_{v max} je maximální pořadnice ve středu poklesové kotliny;
i je vzdálenost inflexního bodu poklesové křivky od středu poklesové kotliny (je dána empiricky stanovenou funkcí poměru hloubky tunelu a jeho průměru).

Vlastností této křivky je, že objem V_G, uzavřený mezi poklesovou kotlinou a původním terénem, lze vyjádřit vztahem:

Rovnice umožňuje při znalosti polohy inflexního bodu výpočet objemu poklesové kotliny ve sledovaném délkovém úseku z hodnoty maximální poklesové pořadnice δ_{v max}, která je běžně v průběhu tunelování změřena. Tento objem je přibližně roven výše zmíněné ztrátě zeminy při tunelování V_Z (množství zeminy, které pronikne při tunelování za nezdeformovaný obrys výrubu ve stejném délkovém úseku):

V_G = V_Z

Jako ukazatel kvality tunelování je používán poměr objemu ?ztracené zeminy? k teoretické ploše tunelového výrubu

který lze pro kvalitní ražbu, zajišťující spolupůsobení ostění se zemním prostředím, předpokládat hodnotou mezi 1 až 2 %. V průběhu ražby se hodnota ukazatele q určuje na základě měření reálné poklesové kotliny nad probíhající ražbou. Pro mělké tunely pod zástavbou platí, že při hodnotě q menší než 1,0 % má ražba prakticky zanedbatelný vliv na povrchovou zástavbu.

Faktory ovlivňující velikost deformací při tunelování

Rozhodující faktory, které vyvolávají poklesové jevy, lze rozlišit v souvislosti s metodami ovlivňování horninového masivu a ochrany staveb před účinky tunelování na:

• faktory neovlivnitelné (vedení trasy, geologické poměry);
• faktory zakomponované do projektového řešení;
• faktory neočekávané (poruchy sítí, záplavy apod.).

Minimalizace deformací nadloží a povrchu území, kterými jsou ohrožovány jak zástavba, tak inženýrské sítě, je při provádění podzemních staveb ve městech jedním ze základních požadavků, které musí navrhované projektové řešení splňovat. Rozhodující a ovlivnitelné jsou faktory, které lze zahrnout do projektového řešení:

• tunelovací metoda včetně použitelných doplňujících opatření;
• lokální zlepšení zemního či horninového prostředí;
• zajištění základových konstrukcí dotčených objektů.

Tunelovací metody jsou v současnosti charakterizovány dvěma základními postupy:

• cyklickým způsobem, při němž se pravidelně opakují operace, které vždy v souhrnu jednoho cyklu umožní postup ražby o jeden pracovní záběr;
• plynulým způsobem, kdy se podzemní dílo plnoprofilově razí pomocí mechanizovaného tunelovacího stroje.

Cyklické tunelovací metody

Současné cyklické způsoby ražby, označované často jako konvenční metody, jsou realizovány výhradně prstencovým systémem ražení, jehož nejfrekventovanějším představitelem je Nová rakouská tunelovací metoda (NRTM). Velikost deformací nadloží a povrchu území při použití NRTM souvisí s následujícími aspekty ražby:

• s rychlostí zabudování primárního ostění do výrubu (technologická prodleva);
• s tuhostí zabudovaného primárního ostění;
• s členěním raženého profilu;
• s předstihovými opatřeními prováděnými před čelbou tunelu.

Nejpodstatněji lze deformace nadloží ovlivnit členěním příčného řezu tunelu při ražbě. Jedná se o typickou vlastnost NRTM, která nalezla odezvu i v označení poměrně rozšířeném v Kanadě a Spojených státech amerických - Sequential Excavation Method, tento název se stále častěji používá i v ČR - sekvenční metoda ražby.

Základními typy členění příčného řezu (obr. 2), které mají zásadní vliv na velikost deformací primárního ostění, nadloží a povrchu území, jsou horizontální a vertikální členění.

Obr. 2 základní členění příčného řezu při NRTM. Vysvětlivky: a) rozvinutí prací v podélném směru; b) rozvinutí prací v příčném směru; c) horizontální členění; d) vertikální členění.

Horizontální členění výrubu se používá v horninách kvalitnějších, u nichž otevření kaloty s velkým rozpětím nezpůsobuje stabilitní obtíže. Lze jim případně předejít ponecháním opěrného horninového klínu ve střední části kaloty. Ve velmi kvalitních horninách je často horizontální členění výrubu použito pouze z důvodů technologických, neboť omezený výškový dosah mechanizmů používaných při ražbě (impaktory, frézy, tunelové bagry, vrtací vozy, zdvihací mechanismy, manipulátory) neumožňuje jejich nasazení z počvy tunelu a provádění ražby plným profilem.

Vertikální členění výrubu se naopak používá v horninových masivech špatné kvality, v nichž by jinak ražba způsobovala problémy stabilitní i deformační. Výlom jádra, pokud je to prostorově možné, probíhá výhodně pod ochranou primárního ostění podepřeného vnitřními stěnami bočních výrubů.

Z hlediska deformací výrubu, nadloží a povrchu území je jednoznačně příznivější použití svislého členění profilu, z něhož rezultují poklesy povrchu území značně nižší (ztráta zeminy <1 %), než u členění horizontálního (ztráta zeminy >2 %).
Ještě lepších výsledků lze docílit při využití doplňujících opatření prováděných v předstihu před čelbou tunelu. Dále uvedená předstihová opatření používaná při NRTM mají příznivý vliv na stabilitu čelby i nadloží, ale jen některá účinněji snižují velikost deformací nadloží a povrchu území.
Přehled používaných typů předstihových opatření je následující (obr. 3):

• jehlování;
• ochranné klenby ze subhorizontálních sloupů tryskové injektáže;
• mikropilotové deštníky;
• zajištění čelby dlouhými zainjektovanými tyčovými prvky;
• zajištění čelby horizontálními ?zámkovými? sloupy z tryskové injektáže.

Obr. 3 základní typy předstihových stabilizačních opatření. Vysvětlivky: a) jehlování; b) trysková injektáž (TI); c) mikropilotové deštníky; 1) ocelové tyče ve vrtech; 2) subhorizontální sloupy z TI; 3) zainjektované mikropiloty; 4) primární ostění; 5) zámkové sloupy z TI; 6) zainjektované sklolaminátové výztužné prvky.

Všechny uvedené typy předstihových opatření lze charakterizovat jako opatření stabilizační. První tři opatření, která vytvářejí před čelbou kvaziklenbové konstrukce, stabilizují účinně blízkou nadložní zónu a klenbovým účinkem, který umožňuje částečný roznos zatížení do stran, zmenšují tlaky na předpolí výrubu a čelbu. Kontinuální klenba ze sloupů tryskové injektáže přispívá navíc nezanedbatelnou měrou i ke zmenšení deformací nadloží. Poslední dvě opatření pomocí horizontálních prvků upnutých do předpolí výrubu přispívají především ke zvýšení stability čelby, nicméně do určité míry přispívají i k redukci deformací nadloží a povrchu území.

Plynulé tunelovací metody

Kontinuální ražba plnoprofilovými tunelovacími stroji (TBM) umožňuje tunelování v nejrůznějších podmínkách, z nichž nejobtížnější jsou silně tlačivé a zvodnělé zeminy. V těchto prostředích se používají plně mechanizované štíty, které účinným způsobem stabilizují čelo výrubu, zabraňují vnikání vody do pracovního prostoru a výrazně snižují deformace nadloží jednak díky aktivní kontrole velikosti tlaku na horninu v čelbě tunelu, jednak použitím speciálního postupu umožňujícího okamžitou injektáž za rub ostění vystupujícího z pláště štítu.

Pneumatický štít (APB) se zavřeným čelem je většinou výhodně upraven tak, že vzduchotěsná přepážka je součástí břitové části štítu, takže pod přetlakem vzduchu je jen omezený prostor razicí hlavy před čelem výrubu, zatímco pracovní prostor obsluhy a výstavby ostění je v prostředí s normálním atmosférickým tlakem.

Bentonitový štít (SPB) má obdobné uspořádání jako pneumatický štít s tím rozdílem, že v čele štítu, kde je také tlakotěsnou přepážkou vytvořena přetlaková komora, je místo stlačeného vzduchu natlakována bentonitová suspenze. Bentonitová suspenze paží čelo výrubu tlakem, který musí být vyšší, než je součet zemního a vodního tlaku na čelbu. Bentonit s rozrušenou horninou se z čelby odčerpává, v odkalovacích nádržích rozpojená hornina sedimentuje a bentonit se regeneruje pro další použití.

Zeminový štít (EPB) se používá v nestabilních horninách bez masivní přítomnosti vody. Jeho princip tkví v tom, že přepážkou oddělená komora na čele štítu s razicí hlavou je trvale vyplněna rozpojenou zeminou (případně upravenou do kašovitého stavu pomocí speciálních lubrikantů), která svým tlakem vytváří reakci proti tlaku horninového masivu před čelbou. Z tlakové komory se zemina průběžně, ale v přesně řízeném množství odpovídajícím potřebnému tlaku, odebírá šnekovým dopravníkem (obr. 4). Tunelovací stroje s kontrolovanou velikostí tlaku na čelbu tunelu (tj. pneumatické, bentonitové a zeminové štíty) jsou v současné době nejdokonalejšími technologiemi, které dokážou výrazně minimalizovat ztrátu zeminy a tím i deformace nadloží. Zejména u zeminových štítů, kterých je v současné době na ražbu ve městech nasazena převážná většina, nepřekračuje ztráta zeminy 0,3 % a bylo již dosaženo i nulové ztráty zeminy.

Ve světě nejrozšířenější metoda výstavby tunelů pomocí plnoprofilových tunelovacích strojů v pevných skalních horninách ani v tlačivých, případně zvodněných, zeminách nenachází v současnosti v České republice žádné uplatnění. Významným příslibem změny v tomto smyslu je letošní zahájení přípravných průzkumných a projektových prací souvisejících s výstavbou mimořádně dlouhého železničního tunelu na III. tranzitním koridoru mezi Prahou a Berounem. U tunelu s délkou téměř 25 km je nepochybně velmi reálné zvažovat i využití plnoprofilového tunelovacího stroje.

Obr. 4 schéma tlakových poměrů na čelbě tunelovacího stroje. Vysvětlivky: Z - tlak zeminy, V - tlak vody, RZL - řízený tlak rozrušené lubrikované zeminy, h.p.v. - hladina podzemní vody.

Lokální zlepšení zemního či horninového prostředí

Technické zásahy do přirozeného geologického prostředí (ale též i do uměle vybudovaných zemních konstrukcí), jejichž účelem je změna fyzikálně-mechanických vlastností prostředí směřující ke zvýšení jejich únosnosti a zmenšení deformací, jsou souhrnně označovány jako zlepšování zemin či hornin. K základním metodám zlepšování geotechnického prostředí patří: výměna základové půdy, přitížení násypem, zhutňování, snižování vlhkosti, odvodňování, zmrazování, stabilizace pojivy, vyztužování a injektování.
Při provádění ražených podzemních staveb jsou obecně použitelné pouze metody odvodňování, zmrazování, vyztužování a injektování. V případě ražby v městské zástavbě s nízkým nadložím, kdy je prioritním požadavkem omezení deformací nadloží a povrchu území, se zmíněné postupy ještě dále redukují, většinou až na výhradní použití injektáží.

Injektáže

Obr. 5 možné typy injektáží při ražbě tunelů.
Vysvětlivky: a) injektáž z opěrových štol při NRTM; b) injektáž z povrchu a z paralelní tunelové trouby.

Injektáže jsou velmi rozšířenou technologií v praktických geotechnických disciplinách - zakládání staveb a podzemních stavbách, v obou případech se záměrem zpevnění geologického prostředí nebo jeho utěsnění, případně dosažení obojího efektu. Příznivým doprovodným efektem je i zlepšení deformačních vlastností zemního či horninového prostředí, což může mít, v případě dostatečně mocné proinjektované oblasti, příznivý důsledek ve snížení deformací nadloží a povrchu území při tunelování pod nízkým nadložím.
Konstrukční uspořádání injektáží u podzemních výrubů se navrhuje v závislosti na poloze raženého díla formou:

• injektáží z povrchu území při mělce uloženém tunelu;
• injektáží z podzemí při hluboko uloženém tunelu;
• kombinace předchozích typů.

Injektáž z povrchu lze provést vějířem vrtů u mělce uložené trasy tunelu, pokud nepřekáží zástavba nebo hustá síť inženýrských sítí, a to jak v případě ražby nového tunelu, tak při sanaci či rekonstrukci stávajícího díla.
Injektáže z podzemí se provádějí buď přímo z čelby raženého profilu nebo z předem vyražených štol. Ty mohou být realizovány formou speciálních injekčních štol, umístěných např. výhodně nad hladinou podzemní vody, či v budoucím profilu konečného díla, nebo se pro injektáž využijí předem vyražené štoly průzkumné, případně s mírným předstihem ražené dílčí záběry bočních štol vertikálně členěného výrubu prováděného pomocí NRTM (obr. 5).

Zajištění základových konstrukcí dotčených objektů

Způsoby zajišťování objektů před účinky deformací vzniklých při ražbě podzemního díla lze rozdělit do tří základních skupin:

• metody předem přesouvající základovou spáru resp. přenos zatížení z dotčeného objektu mimo oblast vlivu ražby (přímé podchycení základů);
• metody odsunující hranici poklesové zóny mimo oblast podzákladí objektu (předsunuté clony);
• metody aktivně a v průběhu ražby kompenzující deformace horninového masivu vyvolané ražbou (kompenzační injektáž).

Obr. 6 podchycení základů tryskovou injektáží. Vysvětlivky: 1) štěrkopísky; 2) břidlice; 3) horizontální sloupy TI; 4) přímé podchycení sloupy TI; 5) původní hranice deformační zóny; h.p.v. - hladina podzemní vody.

Podchycení základů tryskovou injektáží (obr. 6) je v současnosti nejfrekventovanější metoda přímého podchytávání základů. Využívá k přenosu zatížení do bezpečné hloubky vertikálních nebo subvertikálních sloupů vytvořených tryskovou injektáží. Vytryskané sloupy ?zeminobetonu?, jejichž pevnost v prostém tlaku se pohybuje od 4 do 12 MPa, lze velmi kvalitně zavázat do základové spáry stávajícího objektu, čímž je zajištěn dokonalý přenos zatížení. Z technického hlediska je nepříznivé, že v případě podchycení jen určité části objektu dojde k vytvoření nežádoucího stavu rozdílné tuhosti základů objektu. Z právního hlediska je přímé podchycení základů bezprostředním technickým zásahem do většinou soukromého objektu, s čímž majitel nemusí souhlasit a k přijetí tohoto řešení jej nelze donutit.
Předsazená clona vytvořená před zahájením ražeb z vertikálních nebo subvertikálních sloupů tryskové injektáže (obr. 7) výrazně usměrňuje rozvoj deformační zóny a poklesové kotliny mimo dosah základů povrchové zástavby. Předsazená clona omezuje svislé i vodorovné deformace podzákladí, z nichž vodorovné mohou být někdy z hlediska možného poškození přilehlých objektů i nebezpečnější.
Statické působení předsazené clony z tryskové injektáže lze přirovnat ke svisle orientovanému nosníku na pružném podkladě, přitíženém základy zajišťovaného objektu, při čemž tuhost jeho podepření se mění v závislosti na probíhající ražbě. Nalézá-li se pod vrstvou dobře injektovatelných zemin (např. štěrků) pevnější podloží (např. zvětralé břidlice), ve kterých není možné vytryskat sloup požadovaných rozměrů, je možno horní část sloupu z tryskové injektáže převrtat mikropilotou, která bude do pevnějšího podloží zavázána svojí kořenovou částí. Předsunutou clonu lze vytvořit i z vrtaných velkoprofilových pilot.
Kompenzační injektáž je zcela mimořádným sanačním opatřením, jehož realizace je techniky velmi náročnou záležitostí. Účelem tohoto opatření je kompenzovat vyvíjející se nadměrné deformace zástavby pomocí tlakové injektáže. Základní princip spočívá ve vnesení značných tlaků do vymezené vrstvy masivu, čímž dojde k vertikální expanzi masivu a řízenému zvednutí zástavby. Průběh injektáže je velmi pečlivě monitorován. V České republice byla kompenzační injektáž použita poprvé na tunelu Mrázovka, v současné době se její aplikace připravuje pro ražbu tunelu Dobrovského na VMO v Brně.

Obr. 7 předsazená clona z tryskové injektáže. Vysvětlivky: 1) štěrkopísky; 2) břidlice; 3) horizontální sloupy TI; 4) svislá clona ze sloupů TI; 5) původní hranice deformační zóny; 6) odsunutá hranice deformační zóny; 7) předvýkop.

Příspěvek vznikl za podpory výzkumného záměru Stavební fakulty ČVUT v Praze č. 1 MSM VZ 6840770001 - ?Spolehlivost, optimalizace a trvanlivost stavebních konstrukcí a materiálů?.