Rekonstrukce železničního tunelu Jablunkovský II.

Konstrukce oceněného technického řešení jsou úzce spjaty s postupem ražby a definitivní obezdívky tunelu, takže v průběhu prací byly buď odstraněny, nebo trvale zakryty. Striktní báňské předpisy rovněž neumožnily ?nahlédnout pod ruce tunelářů?, takže zvídavý návštěvník lokality v podstatě neměl a nemá možnost se s těmito konstrukcemi blíže seznámit na vlastní oči. Tento příspěvek má za cíl čtenářům poskytnout alespoň základní informace o řešeném problému.

Problémy při rekonstrukci tunelu Jablunkovský II.

Modernizace železničních tratí v ČR probíhající v minulém desetiletí se dotkla i bývalé Košicko-bohumínské dráhy, jejíž historie začala v roce 1864. Součástí stavby Optimalizace trati státní hranice SR - Mosty u Jablunkova - Bystřice nad Olší se stala i rekonstrukce původních souběžných jednokolejných tunelů Jablunkovský I. (Kalchberg I. z roku 1869-1870, délka 606 m) a Jablunkovský II. (Kalchberg II. z roku 1914-1917, délka 608 m). Rekonstrukce spočívala v přestavbě tunelu Jablunkovský II. na dvoukolejný, při dočasném převedení obousměrného železničního provozu do jednokolejného tunelu Jablunkovský I. Přestavbu tunelu Jablunkovský II. na dvoukolejný řešila projektová dokumentace jako jednostranné rozšíření, s horizontálním členěním výrubu (na kalotu a dobírku dolní lávky) - viz obr. 1 a 2. Po dokončení přestavby a převedení dopravy do tunelu Jablunkovský II. byl tunel Jablunkovský I. přestavěn na únikovou štolu.



Stavební práce započaly v roce 2007 převedením železniční dopravy do jednokolejného tunelu Jablunkovský I. a na podzim téhož roku se u tunelu Jablunkovský II. přikročilo k zemním a bouracím pracím při úpravách portálových oblastí a následně ražbě kaloty ze strany portálu od státní hranice se SR. Hydrogeologické podmínky v úvodním úseku ražbě nepřály. Došlo k velkým poklesům na jedné straně v patě kalotové klenby a přes uplatněná technická opatření se tyto poklesy nedařilo radikálně stabilizovat. V květnu roku 2008 na místě v čelbě vznikl první tunelový zával, s vytvořením charakteristického kráteru na povrchu - viz obr. 3 a 4.



Vysvětlení příčin deformací a pravděpodobného důvodu vzniku havárie přinesla až o několik let později ražba plného tunelového profilu. Přesně v místě závalu byla nalezena neznámá, pravděpodobně průzkumná nebo odvodňovací štola, související s původními ražbami tunelů. Štola byla sice řádně vypleněna od výdřevy a vyplněna kamennou zakládkou, avšak již postrádala funkční odvádění vody. Vytvářela podzemní kapsu zcela zaplněnou vodou - viz obr. 5 a 6. Rozbředlá hornina v okolí této kapsy nemohla poskytnout dostatečnou oporu pro tunelové ostění i technická opatření, realizovaná v průběhu ražby kaloty.



Raziči kaloty tento zával úspěšně překonali, avšak za cenu nezanedbatelného časového zdržení celé stavby. Při dalším postupu již příroda poskytla příznivější geologické podmínky a ražba kaloty v celé délce tunelu proběhla bez problémů. Pro částečnou eliminaci časové ztráty se upravil technologický postup prací a dobírka dolní poloviny tunelového výrubu i následná vestavba sekundárního ostění tunelu probíhaly v opačném směru, tj. z portálu ze strany od Mostů u Jablunkova.



Dne 15. listopadu 2009 však došlo k dalšímu závalu v TM 94/96. K dokončení ražby plného profilu tunelu chybělo jen 71,5 m délky. Příroda naštěstí poskytla razičům krátkou časovou možnost včas rozpoznat příznaky blížící se havárie - viz obr. 7, takže mohla být přijata a realizována opatření k vyklizení podzemních pracovišť a zajištění bezpečnosti na povrchu i k zastavení železniční dopravy v sousedním tunelu Jablunkovský I.



Od svého ohniska v tunelovém metru TM 94/96 se zával šířil dominovým efektem na obě strany tunelu. Dynamika zvýšených horninových tlaků závažným způsobem poškodila primární ostění tak, že toto poškození zasahovalo i do nezavaleného prostoru. Rozsah havárie nejlépe znázorňují obr. 8, 9 a 10.

K dalšímu prolomení poškozeného ostění došlo 17. listopadu 2009 a sekundární zával prodloužil délku havárie. Konečným výsledkem bylo zavalení, poškození nebo znepřístupnění celkem 117 m délky vyražených podzemních prostor tunelu.

• Primární destrukce vznikla v TM 96. Zával z 15. listopadu 2009 zasáhl výrub od TM 70 do TM 156 a 17. listopadu 2009 se rozšířil do TM 179.

• Zával zablokoval ražený tunelový úsek ve staničení od TM 70 do TM 187. Ve vyražené kalotě bylo čelo závalu v TM 70 stabilizováno stříkaným betonem, v plném tunelovém výrubu postupně budovaným pažením a několika přepážkami, končícími masivní betonovou přepážkou s podepřením klenby v TM 187.

V novodobé historii tunelových staveb v ČR lze tomuto závalu z hlediska rozsahu havárie přiřadit negativní prvenství. Zával deformoval i ostění sousedního tunelu Jablunkovský I. Zátrhy na povrchu i prognóza smykových ploch prokazovaly dosah degradace území až nad tento provozovaný tunel. Monitoring deformací v tomto tunelu vykazoval skokový posun ostění o velikosti 25 až 40 mm směrem k závalu. Vznikly vážné obavy, zda lze v takto ovlivněném tunelu zajistit bezpečný provoz. Monitoring i nadále, až do letních měsíců roku 2010, signalizoval stále probíhající deformace, naštěstí s vývojem k uklidnění a ustálení. To umožnilo obnovit železniční provoz. Po celé následující období zmáhání závalu až do doby převedení dopravy do nového tunelu Jablunkovský II. byl tento tunel provozován ve zvláštním režimu, s důrazem na sledování technického stavu, deformací a stability ostění.
Událost měla téměř okamžitý ohlas v regionálních i celostátních sdělovacích prostředcích trvale lačnících zahltit veřejnost jakýmikoliv senzacemi. Tato honba zpravodajských médií za senzacemi tenkrát skončila za cca tři dny; je smutné, že dokončení této stavby již takovou senzaci nepředstavovalo, takže informaci o úspěšném dokončení stavby a jejím uvedení do provozu poskytlo pouze regionální zpravodajství.

Pohnutá historie tunelů

Původní výstavbu a užívání obou tunelů doprovází poměrně pohnutá historie. Již samotné geologické prostředí lokality Jablunkovského průsmyku neposkytuje pro výstavbu tunelů přívětivé podmínky.

Stavba tunelu Jablunkovský I. (Kalchberg I.) započala v roce 1869 a skončila v roce 1870. I když výrubová plocha tunelu byla proti současnosti relativně malá, tehdejší úsilí stavitelů muselo být obrovské, když v průběhu dvou roků byla tato stavba zrealizována a dána do provozu. Výstavbu tunelu přitom doprovázely velké problémy. V historických pramenech se uvádí, že v průběhu ražby tunelu docházelo vlivem nepříznivých geologických podmínek k závalům v tak velkém rozsahu, že se muselo obnovit nebo znovu vyrazit celkem čtyřicet tunelových pasů, což je přibližně polovina celkové délky tunelu! Rovněž se uvádí, že konstrukce mnoha tunelových pasů musely být dodatečně výrazně zesíleny, popřípadě doplněny o protiklenbu.



Tunel Jablunkovský II. (Kalchberg II.) se budoval v letech 1914 až 1917. Ve srovnání doby výstavby s tunelem Kalchberg I. lze odhadovat, že se na něm ekonomicky i pracovně pravděpodobně podepsala I. světová válka. I v tomto případě však historické prameny popisují závažné problémy při ražbě. Jsou uváděny velké problémy s výskytem vody a s nestabilitou horniny při ražbě. Patrně z tohoto období pochází zastižená neznámá štola plná vody.



V dramatickém roce 1938, v době ?porcování? Československa, si Polsko násilně zabralo území Těšínska - včetně dráhy a obou tunelů. V následujícím roce 1939 nabyla dráha a oba tunely vojensko-strategický význam. V předvečer II. světové války byla německá vojska dislokována v Čadci, připravena obsadit neporušenou Košicko-bohumínskou dráhu a vyvíjela k tomu i veškerou záškodnickou činnost. Polská armáda tuto činnost odrazila a se zahájením II. světové války oba tunely zničila. Došlo k destrukci pasů č. 39 až 50 a č. 82 až 86 v tunelu I. a v tunelu II. k destrukci pasů č. 42 až 50 a č. 79 až 82. I když destrukce byla technicky závažná, z vojensko-strategického hlediska ji lze považovat za nepovedenou: ve velmi krátké době - koncem ledna roku 1940 - již byly oba tunely opraveny a železniční provoz byl obnoven.

Novodobou historii tunelů po II. světové válce lze popsat jako narůstání problémů s postupnou ztrátou technických a užitných vlastností.

• Elektrizace tratí si vyžadovala výrazné zvětšení tunelového profilu, především výšky.

• Narůstání dopravní zátěže přinášelo problémy s konstrukcemi, stabilitou a únosností železničního svršku.

• Vliv dynamických účinků dopravy spolu s horninovými tlaky a průniky vody urychlovaly degradaci kamenného zdiva tunelového ostění.

• V zimním období průniky vody vytvářely na ostění ledopády a velké rampouchy, což ohrožovalo bezpečnost dopravy a zvýšovalo nároky na údržbu.

Geologie lokality a příčiny vzniku závalu

Lokalitou tunelů je Jablunkovský průsmyk, který odděluje Moravskoslezské a Slezské Beskydy. Morfologické, geologické ani klimatické podmínky této lokality nejsou příznivé. Sníženina Jablunkovského průsmyku vznikla v tektonickém zlomu na styku istebňanských vrstev slezské jednotky křídového stáří na severozápadní straně a krosněnských vrstev z jihovýchodní strany. V předkvartérních vrstvách v místě dochází ke flyšovému střídání vrstev pískovců a jílovců. Oba tunely jsou situovány téměř souběžně ve zlomovém pásmu, v prostředí paleocenních hornin, tvořených převážně jílovci se sporadickými vrstvami prachovců a proplástky pískovců. Do sedla průsmyku se z okolních svahů stahuje veškerá podzemní i povrchová voda, jejímž vydatným zdrojem je časté střídání drsných klimatických poměrů v této lokalitě. Pokryvné vrstvy o mocnosti několika metrů v sedle průsmyku jsou tvořeny různě promísenými horninami svahových sedimentů, nestabilními a náchylnými k sesuvům. Geofyzikálními metodami bylo až dodatečně prověřeno a následně i inklinometrickými měřeními potvrzeno, že smykové plochy starých svahových sesuvů se nacházejí v hloubkách 12 m a 18 m pod povrchem. Čela těchto sesuvů se zastavila v nejnižších místech průsmyku, tj. právě v prostoru nynějších tunelů.



Dodatečný geologický průzkum lokality ohniska závalu vykázal mnohonásobné (až desetkrát i více) zhoršení geotechnických parametrů horniny tunelového prostředí, ve srovnání s parametry podle původních průzkumů. Provedené expertízy a posudky se v podstatě shodly na tom, že hlavní příčinou vzniku závalu byly lokální změny vlastností hornin tunelového prostředí, vyvolané klimatickými podmínkami. Z vyhodnocení klimatických záznamů vyplývalo, že období před listopadovou havarií byla suchá. To vedlo ke snížení hladiny podzemních vod a vysychání jílovitých hornin flyšové geneze i pokryvných vrstev. Výsledkem toho sice tyto horniny ztvrdly a zpevnily se, avšak také se smrštily s rozevřením trhlin, spár i smykových ploch starých svahových sesuvů. Začátkem listopadu, přibližně čtrnáct dní před havárií, lokalitu Jablunkovského průsmyku zasypala velmi vydatná sněhová vrstva o tloušťce cca 500 mm. Sníh velmi rychle odtával, avšak bránil povrchovému odtoku vody. Všechna voda se vsákla do suchého, nepromrzlého a snadno propustného povrchu a odtud již jako tlaková pronikala rozevřeným trhlinovým systémem v horninách do nejnižšího místa průsmyku - k tunelům. V ohnisku havárie pak došlo k rychlému a prudkému nasycení hornin vodou, se všemi negativními dopady na jejich objemové, pevnostní i deformační parametry. Tato změna vlastností vyvolala nepředvídatelné přetížení primárního ostění. Změny v horninovém prostředí proběhly tak rychle, že je nezaznamenal monitoring deformací i dalších sledovaných veličin, indukovaných ražbou tunelu. Spouštěcím impulzem havárie se stalo odtěžování dolní lávky tunelového výrubu v TM 94/96 při noční směně ze 14. na 15. listopadu 2009. Přibližně o půlnoci byl zaznamenán vznik a vývoj trhliny na ostění, končící cca v 6.00 hod. ráno závalem s dominovým efektem. O jak velké zemní tlaky a dynamiku procesu se jednalo, snad nejlépe naznačí obr. 11 a 12, odkrývající poškozené ostění (zatlačení a prolomení) paty klenby a protiklenby kaloty - jejich posuny jsou proti původní poloze větší než 1,0 m.



Obr. 11 a 12. Deformace havarovaného primárního ostění původní kaloty

Kromě vypracovaných expertiz i výsledek šetření Českého báňského úřadu potvrdil jako příčinu havárie nenadálé a nepředvídatelné změny přírodních podmínek. Vznik závalu vyvolal i vyšetřování orgánů státní správy a policie pro podezření z veřejného ohrožení. Vyšetřování probíhalo po celou dobu zmáhání závalu. Kontrolovaly se vytěžené zbytky zhrouceného primárního ostění, aby se ověřilo, zda toto ostění bylo skutečně realizováno v souladu s návrhem a v předepsané kvalitě. Jakékoliv zavinění nebo opominutí zainteresovaných stran a jejich pracovníků nebylo prokázáno a vyšetřování bylo ke konci stavby ukončeno.

Zmáhání závalu

Z předložených návrhů pro zmáhání závalu si zhotovitel stavby spolu s investorem vybrali k realizaci návrh, který řešil překonání zavaleného tunelového úseku ražbou s horizontálně-vertikálním členěním výrubu, a to rozdělením tunelového profilu na šest dílčích, samostatně ražených výrubů. Ražbám předcházela stabilizace tunelového prostředí, prováděná z povrchu celého devastovaného území.



V první etapě bylo prostředí závalu sanováno výplňovou injektáží na bázi cementových směsí z povrchu území tak, aby byly vytvořeny dostatečné podmínky pro bezpečnou ražbu. Cíl sanace představovala homogenizace a zpevnění rozvolněného masivu, vyplnění kaveren a vytlačení podzemní vody. Technický problém spočíval v tom, že sanace masivu se musela provést i v těsné blízkosti provozovaného tunelu Jablunkovský I., který nesměl být v žádném případě ovlivněn deformacemi od injekčních tlaků nebo průnikem injekčních hmot. Pro jednotlivé injekční vrty návrh definoval jejich polohu v půdorysném rastru 3,25 x 3,30 m i jejich hloubky. Při realizaci vrtů se sledoval zastižený geologický profil i spotřeby injekčních hmot - viz obr. 13.



Při realizaci těchto injektáží se úspěšně uplatnila gravitační injektáž technologií tryskové injektáže se snížením tlaků injekčního média na 15 MPa. Tato technologie se osvědčila. Požadovaným výsledkem sanační injektáže bylo dosažení nehomogenního geokompozitu s pevností v tlaku 3,3 MPa (po 28 dnech odpovídá pevnosti horniny třídy R5), jenž se skládal ze zbytků havarovaného ostění, přemístěných úlomků původní horniny, zásypových materiálů a injekční cementové směsi. Takto bylo vytvořeno stabilizované horninové prostředí s vhodnými vlastnostmi pro realizaci tunelové ražby přes zával. Druhá etapa prací spočívala ve vlastní tunelové ražbě, prováděné na principech NRTM (Nová rakouská tunelovací metoda). Profil tunelu byl pro maximální zajištění bezpečné stability čeleb rozdělen do šesti dílčích výrubů - viz obr. 14, označených následovně:

• A, B - horní štoly (opěrné - v oblasti kaloty);

• C, D - spodní štoly (opěrné - v oblasti dolní lávky);

• E - střední část kaloty;

• F - jádro, spodní klenba.

Jedná se o způsob ražby úspěšně aplikovaný při ražbě Královopolského tunelu v Brně, kde byl uplatněn a ověřen v prostředí neogenních jílů.

Při ražbě tunelu přes zával probíhal monitoring horninového prostředí před čelbami - průzkumné předvrty a geotechnický monitoring čeleb dílčích výrubů. Za ?průzkumné dílo? pro zmáhání závalu lze považovat prakticky i obě předstihové štoly A, B členěného výrubu. Počítalo se s tím, že v případě zjištění nepříznivých geotechnických poměrů na čelbách těchto štol, neodpovídajícím výše uvedeným předpokladům, mohou být provedena další mimořádná opatření pro dosažení kýženého stavu horninového prostředí.



Primární ostění při novoražbě se vyztužilo ocelovými svařovanými rámy HBX 200 á 1,0 m s rubovou a lícovou sítí Ø 6/100/100 mm a stříkaným betonem SB 25/typ II/J2 o celkové tloušťce 350 mm. Vnitřní dočasná žebra měla tloušťku 300 mm a byla vyztužena v horní části příhradovými svařovanými nosníky pro snadnější následnou demontáž.

Při přestrojování kaloty v TM 12 až TM 70 stávající příhradovou výztuž doplnily výztužné rámy HBX v rozestupu 2,0 m. Při dobírce spodní části výrubu byly navazovány jak příhradové oblouky, tak prvky HBX. Vnitřní dočasná žebra byla tvořena pouze prvky HBX nebo srovnatelnými profily.



V celé délce ražby přes zával byly navrženy systematické mikropilotové deštníky nad kalotou. Zvyšovaly bezpečnost a stabilitu dílčího výrubového prostoru E v každém kroku ražby po celou dobu těžení výrubu a během instalace primárního ostění. Mikropilotový deštník byl tvořen vějířem ze čtrnácti mikropilot z ocelových trubek TR 114 x 10 mm o délkách 17,0 m, vrtaných z čelby ve vzdálenosti 600 mm od ideálního obrysu výrubu, v osových roztečích vrtů 400 mm a dovrchním úhlu odklonu od ostění 7,0°. Krok zhotovení jednotlivých deštníků byl 8,0 m. Jednotlivé mikropiloty se vrtaly ze standardního profilu tunelu, přičemž ztracená délka mikropilot činila 4,7 m. V celé délce zmáhání závalu bylo zhotoveno celkem patnáct řad mikropilotových deštníků.



V reakci na aktuální výsledky geotechnického monitoringu (zejména konvergenčního měření) se v několika úsecích přistoupilo k vylepšení horninového prostředí injektáží. Injektáž cementovou směsí do podzákladí štol A a B i do bezprostředního okolí výrubu byla nejprve úspěšně použita pro zastavení nadměrného sedání ve dvacetimetrovém úseku na počátku zmáhaného úseku. Proto byla následně injektáž předepsána i v oblasti iniciace původního závalu (obr. 15), kde inklinometrické měření signalizovalo existenci smykových ploch - viz obr. 16. Postup realizace ražby a zhotovení primárního ostění až do plného profilu tunelového výrubu snad nejlépe dokumentují fotografie - viz obr. 17, 18, 19.



Po ukončení epizody zmáhání závalu stavební proces rekonstrukce tunelu Jablunkovský II. pokračoval vnitřní vestavbou mezilehlé hydroizolace, betonáží sekundárního železobetonového ostění a konstrukcemi železničního svršku i potřebného technologického vybavení.

Závěr

Překonání závalu rozestavěného tunelu výše popsaným způsobem umožnilo dokončit stavbu tunelu kompletací sekundárního ostění podle původního projektu, bez změny konstrukčního systému a s hladkou návazností na okolní úseky nedotčené závalem.



Nezanedbatelným přínosem tohoto řešení zmáhání závalu byla nejen ekonomická stránka návrhu, ale i vlastní technické, technologické a konstrukční řešení, z hlediska stavebních prací šetrné k zásahům do celé lokality. Rovněž zachování železniční dopravy v sousedním tunelu Jablunkovský I. při výběru tohoto řešení hrálo významnou roli.

Po vzniku závalu 15. a 17. listopadu 2009 byly bezodkladně zahájeny práce spojené se stabilizací čeleb a zajištěním proti rozšiřování závalu v podzemí i se stabilizací povrchu nad tunely. V zimním období roku 2009/2010 byl realizován zásyp povrchových kráterů důlní hlušinou a průběžně s touto činností probíhal i podrobný geologický průzkum lokality závalu. Následný proces v průběhu celého roku 2010 nebyl jednoduchý - vyvíjely se projektové a přípravné práce k řešení vzniklé situace. Výsledkem této usilovné činnosti, včetně rozhodovacího a výběrového řízení, byl výběr konečného návrhu a vypracování dokumentace zmáhání závalu. Ražby na zmáhání závalu byly zahájeny 6. června 2011 a úspěšně ukončeny 30. září 2012. Následná vestavba sekundárního ostění a konstrukcí veškerého technického a technologického vybavení tunelu byla ukončena tak, že 1. června 2013 mohl být tunel uveden do jednokolejného provozu a 2. července 2013 byl v tunelu zahájen provoz po obou kolejích.



Základní údaje o stavbě
Investor: SŽDC, s.o.
Návrh zmáhání závalu: AMBERG Engineering Brno, a.s.
Generální dodavatel: Sdružení SRB zastoupené OHL ŽS, a.s., SUBTERRA a.s., TCHAS, spol. s r.o. (nyní Eiffage Construction Česká republika, s.r.o.)
Zhotovitel ražeb: SUBTERRA a.s.
Zhotovitel sanačních injektáží: Zakládání staveb, a.s.
Zhotovitel monitoringu: ARCADIS CZ a.s.
Doba realizace: 03/2011-05/2013