Specifika tunelů Stavby 513 na Silničním okruhu kolem Prahy

Trasa Stavby 513 v úseku Vestec?Lahovice překračuje mostním objektem Vltavu a prudce stoupá směrem k Cholupicům. Výškové vedení trasy vyžaduje výstavbu dvou směrově rozdělených tunelových objektů. Blíže k Vltavě se nachází hloubený tunel prováděný v otevřené stavební jámě. Za tunelem je trasa krátce vedena v zářezu a opět přechází do tunelu raženého Novou rakouskou tunelovací metodou (NRTM) délky bezmála 2 km. Příportálové úseky jsou prováděny v otevřené stavební jámě. Oba tunely jsou řešeny jako směrově rozdělené o dvou tunelových troubách.

Geotechnické poměry

V případě hloubených úseků tunelů hrají geotechnické poměry roli pouze z hlediska návrhu zajištění stability svahů stavebních jam a založení objektů. U tunelů ražených pomocí NRTM představuje horninový masiv stavební materiál a prognóza chování masivu během ražby i po celé stoleté období životnosti tunelu výrazně ovlivňuje celkový návrh způsobu zajištění stability výrubu, technologický postup výstavby, a v neposlední řadě výši investičních nákladů. Rozsah i cíle geotechnického průzkumu musí odpovídat předpokládanému nasazení konkrétní tunelovací metody a výsledky musí být komplexně interpretovány s ohledem na prognózu doby stability dílčích výrubů, způsob rozpojování horninového masivu, použitelnost jednotlivých prvků zajištění stability výrubu, intenzitu přítoků podzemní vody apod.
V případě ražených úseků tunelů Stavby 513 byla v předstihu před zahájením soutěže na výběr zhotovitele stavby v celé délce jižního tunelu vyražena průzkumná štola, situovaná do středu kaloty (obr. 1). Termíny provádění průzkumné štoly, resp. vyhodnocení získaných výsledků a termín dokončení zadávací dokumentace, neumožnily zohlednit získané výsledky geotechnického průzkumu při návrhu zajištění tunelů. NRTM však patří do skupiny observačních metod, které dokáží operativně reagovat na skutečně zastižené geotechnické podmínky a způsob zajištění stability výrubu přizpůsobit chování horninového masivu během ražby. Proto patří ražba průzkumných štol v kombinaci s těmito metodami spíše k výjimkám. Prognóza geotechnických podmínek v trase obou tunelů uvedená v zadávací dokumentaci odpovídá spíše výsledkům vrtného a geofyzikálního průzkumu s tím, že zhotovitel obdržel před zahájením prací geotechnickou dokumentaci prováděnou při ražbě průzkumné štoly.
Horninový masiv v trase tunelu tvoří pevné horniny letenského souvrství charakteristického flyšovým vývojem. Souvrství jemně slídnatých jílovitých břidlic, drob, křemitých břidlic a křemenců je provrásněno a silně tektonicky porušeno. Hlavní systém diskontinuit tvoří vrstevní plochy, které v případě dovrchní ražby od Komořan směrem k Cholupicům zapadají do horninového masívu. To má pozitivní vliv na stabilitu čelby. Skalní horniny jsou ve větších hloubkách dokonale zpevněné, bez průlinové propustnosti. Pukliny jsou většinou těsně sepnuté nebo vyplněné. Pouze v mocnějších polohách drob či ordovických křemenců můžeme očekávat pohyb podzemní vody. Vlivem v předstihu prováděné průzkumné štoly došlo k částečnému odvodnění masivu a během výstavby nejsou očekávány významné přítoky podzemní vody do prostoru výrubu.

Hloubený tunel

Po překonání Vltavy přechází trasa do zářezu a prvního tunelového objektu Stavby 513. Vzhledem k velkým rozměrům tunelu a malé výšce nadloží se jedná o hloubený tunel prováděný v otevřené stavební jámě (obr. 2). Boky stavební jámy lze vzhledem k její relativně malé hloubce nepřesahující 15 m a dostatečné ploše záboru pozemků provádět v přirozeném sklonu, bez nutnosti použití speciálních pažicích konstrukcí. V době zpracování textu článku již byla stavební jáma z větší části vytěžena a skutečně zastižené geotechnické podmínky potvrdily optimistickou prognózu jak z hlediska stability svahů jámy, tak založení hloubeného objektu tunelu.
Konstrukčně je tunel tvořen dvěma tubusy se společnou střední stěnou a klenbovým zastropením. Třípruhovým tunelem prochází komunikace v šířkovém uspořádání dvou jízdních pruhů šířky 3,75 m, vodicího proužku 0,25 m, jednoho jízdního pruhu šířky 3,50 m, a po obou stranách s vodicími proužky 0,5 m. Celková šířka vozovky činí 12,25 m. U čtyřpruhového tunelu určují celkovou šířku vozovky 16 m dva jízdní pruhy šířky 3,75 m a dva jízdní pruhy šířky 3,5 m oddělené vodicím proužkem šířky 0,25 m. Po obou stranách je vozovka stejně jako ve třípruhovém tunelu ohraničena vodicími proužky šířky 0,5 m. Průjezd vozidel v obou tunelech limituje výška průjezdného průřezu 4,8 m. Spolu s revizními chodníky dosahuje světlá šířka třípruhového tunelu téměř 16 m, u čtyřpruhového tunelu dokonce 19 m. Jedná se o šířkové uspořádání, které lze akceptovat pouze u krátkých tunelů, kde z hlediska bezpečnosti a komfortu provozu nedochází ke zúžení oproti přilehlým úsekům trasy.
Vzhledem k úctyhodným rozměrům je monolitická nosná konstrukce hloubeného tunelu poměrně subtilní. Na svislé stěny tloušťky 1,0 m navazuje plochá klenbová konstrukce zastropení tunelu nepřesahující ve vrcholu klenby tloušťku 600 mm. Poloměr zakřivení kleneb obou tunelů je 18 m. Cenou za subtilnost konstrukce je poměrně vysoký stupeň vyztužení. Konstrukce hloubeného tunelu je založena na patkách. Provádění zpětných zásypů závisí nejen na požadovaném zhutnění zásypového materiálu, zejména podél boků konstrukce, ale i na statických účincích od nerovnoměrného provádění, které by mohly negativně ovlivnit dimenze i stupeň vyztužení. Proto projektová dokumentace přesně určuje technologický postup provádění zásypů. Proti průsakům chrání celou konstrukci izolační PE fólie tloušťky 3 mm. Jejímu poškození zabraňuje geotextilie a vrstva stříkaného betonu tloušťky 100 mm. V celé délce tunelu je navržena cementobetonová vozovka, což je v případě tunelů již pravidlem. Důvodem je omezení vzniku jedovatých zplodin v případě požáru.

Specifika použité tunelovací metody NRTM

Nová rakouská tunelovací metoda je v České republice spojena s pádem železné opony. Už sám název metody představoval pro minulý režim nepřípustnou propagaci západních technologií. Nedostupnost potřebné mechanizace, a zejména know-how, pak zcela vylučovaly její nasazení. Prvním tunelem raženým pomocí NRTM byl silniční tunel Hřebeč. Za více než 15 let používání díky nesporným výhodám u nás zdomácněla a stala se převažující metodou výstavby dopravních tunelů i kolektorů. Použití metody vyžaduje nejen vyspělou mechanizaci, ale zejména zcela odlišný přístup v chápání působení horninového masivu a jeho reakce na ražbu tunelu.
Zatímco klasické tunelovací metody používané před nástupem NRTM považovaly horninový masiv za nutné zlo, kterému je třeba čelit masivními konstrukcemi ostění, zavádí NRTM pojem samonosnosti horninového masivu, resp. pojem systému ostění ? hornina. Filozofie vychází ze snahy co nejšetrněji provést výrub tunelu a k zajištění jeho stability využít samonosnosti horninového masivu. To je podmíněno nasazením techniky, která umožňuje rychlé provedení výrubu a jeho zajištění primárním ostěním tvořeným stříkaným betonem s výztužnými sítěmi a nosnými příhradovými rámy. Vhodný technologický postup i použití techniky vede k podstatnému snížení dimenzí ostění.
Zatímco u klasicky ražených tunelů dosahovala tloušťka ostění v opěrách až 2 m a v klenbě 1 m, subtilní stříkaná ostění dosahují zpravidla tlouštěk od 150 mm do 300 mm. Větší část zatížení přenáší horninový masiv vyztužený systémovým kotvením, tj. ocelovými kotevními tyčemi o průměru cca 25 mm a standardní délce 4 až 6 m. Pouze v extrémně těžkých geotechnických podmínkách může délka kotev dosahovat až 12 m. Ražba tunelu probíhá vzhledem k velikosti profilu po částech ? dílčích výrubech. Primární ostění zajišťuje stabilitu tunelu po dobu výstavby, resp. před betonáží definitivního monolitického ostění. Konkrétní použití prvků zajištění stability výrubu, ke kterým patří kromě stříkaného betonu různé tloušťky i výztužné příhradové rámy (obr. 3), výztužné sítě, kotvy různých typů a délek, definuje technologická třída výrubu. Rozdělení tunelu na úseky zajišťované pomocí dané technologické třídy výrubu určuje projektová realizační dokumentace, která je zpracována na základě výsledků geotechnického průzkumu. Protože možnosti průzkumu jsou omezené a jen výjimečně vystihují skutečné geotechnické podmínky v trase tunelu, dochází během ražby k upřesnění projektu a nasazení pouze takových prvků zajištění stability výrubu a technologických postupů, které vyžadují konkrétní podmínky a požadavek zajištění bezpečné ražby a stability výrubu i objektů v nadloží. Tato vlastnost je jedním ze základních principů metody a umožňuje optimalizaci výše investičních nákladů. Pro rozhodování o chování horninového masivu a použití konkrétních prvků zajištění výrubu slouží geotechnický monitoring. Těžištěm monitoringu jsou měření deformací výrubu, resp. primárního ostění. Na základě vyhodnocení průběhu deformací v čase lze usuzovat na změny související s ražbou tunelu a prognózovat další chování horninového masivu.
Mezi primárním a definitivním ostěním je instalována mezilehlá fóliová izolace, která zamezuje průsakům podzemních vod definitivním ostěním do prostoru tunelu. Tloušťka ostění se zpravidla pohybuje od 300 mm do 400 mm a výjimkou nejsou případy, kdy ostění tvoří pouze prostý beton. Narozdíl od většiny staveb, kdy lze zatížení konstrukce exaktně definovat, nebo je dáno normovými hodnotami, bývá stanovení zatížení tunelových ostění velkou neznámou. Hodnoty horninového tlaku se liší v závislosti na geotechnických podmínkách i technologickém postupu ražby. Určení horninového tlaku na definitivní ostění je stanoveno metodami inverzní analýzy za použití matematických modelů. Na základě měření deformací primárního ostění a dalších geotechnických sledování během výstavby je matematický model horninového masivu naladěn tak, aby co nejvíce vystihoval skutečně zastižené podmínky. Výsledkem matematického modelování jsou vstupní hodnoty zatížení pro dimenzování definitivního ostění.

Vzorový příčný řez třípruhového raženého tunelu

Hloubené a ražené úseky dlouhého tunelu

Zatímco dříve uvedený hloubený tunel délky 70 m představuje z hlediska projektování i provádění rutinní záležitost, nelze totéž prohlásit o hloubených a ražených úsecích druhého tunelu Stavby 513. Jedná se o tunel délky téměř 2 km tvořený dvěma tunelovými troubami. Trasa tunelu stoupá od Vltavy ve sklonu 4 % a jižní tunelová trouba celkové délky 1937 m je proto navržena jako třípruhová, v šířkovém uspořádání 3,75 m + 2x 3,5 m s vodicími proužky po obou stranách šířky 0,5 m. Vzdálenost mezi obrubníky dosahuje 11,75 m a celková šířka výrubu tunelu přesahuje 15 m. Na Komořanském portálu navazuje ražený třípruhový tunel na hloubený čtyřpruhový tunel délky 173 m prováděný ve stavební jámě hloubky téměř 30 m pažené pomocí pilotových a záporových stěn. K zajímavosti tohoto typu zajištění stavební jámy patří skutečnost, že v celé hloubce nebylo na bocích jámy zastiženo skalní podloží a za rubem podzemních stěn se nacházejí kvartérní sedimenty. Pouze portálová stěna je v dolní části vetknuta do skalního podloží. Na Cholupickém portálu navazuje na třípruhový ražený tunel rovněž třípruhový hloubený tunel délky 84 m. Provádění ražené části tunelu délky 1680 m bude probíhat podle popsaných zásad NRTM.
Severní tunelová trouba celkové délky 1972 m je navržena jako dvoupruhová, v šířkovém uspořádání pruhu 1,0 m, odděleném od prvního jízdního pruhu šířky 3,75 m vodicím proužkem šířky 0,25 m. Následuje jízdní pruh šířky 3,5 m a vodicí proužek šířky 0,5 m. Celková šířka mezi obrubníky 9,0 m určuje podle ČSN 737507 kategorii tunelu. Na ražený úsek délky 1676 m navazují na portálech hloubené úseky tunelu délky 171 m (Komořany) a 125 m (Cholupice).
K úniku osob v případě havárie a požáru v tunelu slouží 8 tunelových propojek v celkové délce 180 m. Jedná se o nejefektivnější způsob záchrany osob ? samoevakuaci. V ústí každé propojky, jejíž poloha je kromě stále svítící značky odlišena i barvou ostění v tunelu, je umístěn hydrant a únikovou cestu chrání před účinky požáru protipožární dveře. Při úniku osob při požáru v jedné tunelové troubě je v propojce zajištěn přetlak vzduchu, aby do propojky nevnikal kouř. Pro usnadnění orientace unikajících osob slouží speciální značení s fotoluminiscenčním povrchem, které udává směr a vzdálenost k nejbližší únikové cestě, tj. k tunelové propojce nebo k portálu. Obdobně jsou značena místa požárních hydrantů nebo skříní SOS, které patří ke standardnímu vybavení obou tunelových trub.
Hydranty požárního vodovodu jsou umístěny ve výklencích, jejichž hrany jsou zkoseny ve směru jízdy. Toto opatření omezuje možnost přímého nárazu do hrany výklenku v situaci, kdy řidič vozidlo neovládá. Šikmá plocha výklenku odrazí vozidlo zpět na vozovku. Energie nárazu je tím snížena, stejně jako riziko zranění osádky vozu. Kromě ústí tunelových propojek jsou hydranty umístěny v blízkosti skříní SOS. Podél obou boků každé tunelové trouby vedou kabelové trasy umístěné do kabelovodů. Prostor kabelovodu je na povrchu upraven jako pochozí stezka a slouží jako úniková cesta. Veškeré kabely jsou v ostění vedeny v chráničkách. Vozovka v obou tunelových troubách je z požárně bezpečnostních důvodů betonová. Šíření požáru vlivem proudění hořící kapaliny na vozovce v tunelu zamezuje použití štěrbinových žlabů. Hořící kapalina stéká z povrchu vozovky a štěrbinovým žlabem odtéká směrem k portálu. Již samotný štěrbinový žlab omezuje přístup vzduchu k hořící kapalině a znesnadňuje hoření. Součástí trasy štěrbinového žlabu jsou samozhášecí kusy umístěné v rastru po 60 m. Jedná se o sifony naplněné vodou. Při průchodu hořící kapaliny sifonem dojde k uhašení plamene a požár se dále nešíří do dosud nezasažených úseků tunelu. Obdobnou funkci mají i protipožární ucpávky kabelovodů, které zabraňují šíření požáru chráničkami kabelů propojujícími jednotlivé požární úseky tunelu. Kromě stavebních úprav zajišťuje bezpečnost provozu a řidičů rozsáhlé technologické vybavení tunelů. Vzhledem k délce článku není možné se touto problematikou detailněji zabývat. Bezpečnost provozu však v souvislosti s požáry v zahraničních tunelech nabývá na významu, a i v případě tunelů Stavby 513 je prioritou č. 1. O dodržování zásad bezpečnosti se stará novelizovaná norma ČSN 737507, předpis TP98 Ministerstva dopravy a spojů a vrcholově směrnice Evropského parlamentu a rady 2004/54/ES.

Závěr

Výstavba tunelů na Stavbě 513 je na samém počátku. Ražba třípruhového jižního tunelu byla zahájena 2. 4. 2007 (obr. 4) a rozsah navrhovaných podzemních děl i navržená konstrukční řešení zcela jistě patří k výjimečným stavbám nejen pražského regionu. Každý tunel je díky variabilitě vlastností a parametrů horninového masivu originál a na začátku stavby je příliš brzy na provádění závěrů.
Článek popisuje hlavní parametry nově navrhovaných tunelových staveb silničního okruhu a informuje o počátcích stavebních prací. Teprve čas prověří kvalitu prováděných geotechnických průzkumů, nově zpracovávané realizační dokumentace i profesionalitu zhotovitelských firem. Složení všech členů realizačního týmu však dává dobré předpoklady pro úspěšné zvládnutí případných problémů, které ke geotechnice neodmyslitelně patří, avšak dokáže je pomocí moderní techniky a současného stavu poznání řešit. Podmínkou je respektování tunelářských zásad NRTM, určitá míra pokory, a stejně jako v mnoha dalších oborech i nezbytná dávka štěstí.

Základní údaje o stavbě
Stavba: Silniční okruh kolem Prahy ? Stavba 513 Vestec?Lahovice
Investor: Ředitelství silnic a dálnic ČR,  Na Pankráci 56, 145 05 Praha 4
Projektant tunelů: IKP Consulting Engineers, s.r.o.,  Jirsíkova 5, 186 00 Praha 8
Dodavatel: Sdružení Vestec?Lahovice, Skanska DS, a.s., Skanska BS, a.s., Alpine Mayreder, a.s. Bohunická 133/50, 619 00 Brno
Zahájení stavby: prosinec 2006
Dokončení stavby: červen 2010