Tunely na úseku Nemanice I – Ševětín

Úvod

Úsek Nemanice I – Ševětín je dlouhý cca 17 km a kromě mnoha dalších staveb obsahuje dva významné tunelové objekty: Chotýčanský tunel délky 4 806 m a Hosínský tunel délky 3 120 m. Pro tuto stavbu byla v roce 2011 zpracována dokumentace pro územní rozhodnutí a po dlouhém řízení zahrnujícím odvolání i soudní spory se v roce 2019 podařilo pro tuto stavbu získat územní rozhodnutí.

Koncepce DÚR a změny řešení v rámci DSP

V rámci dokumentace DÚR byla zpracována studie porovnávající několik variant obou tunelů. Porovnávala variantu dvojice jednokolejných tunelů s jedním tunelem dvoukolejným. Dále se zabývala koncepcí únikových cest a porovnávala varianty vertikálních úniků šachtami s horizontální paralelní štolou a jejich kombinaci. Z tohoto porovnání vyšly jako investičně nejvýhodnější dva sousedící dvoukolejné tunely s odlišným řešením únikových cest. Chotýčanský tunel je navržen se čtyřmi vertikálními únikovými cestami pomocí únikových šachet. Oproti tomu Hosínský tunel má únikové cesty řešeny paralelními únikovými štolami (severní a jižní), které nejsou ve střední části tunelu vzájemně propojeny.

Projektant se v rámci zpracování dokumentace DSP snažil reagovat na vývoj v tunelovém stavitelství, např. použitím u nás již prověřené ražby tunelovacím strojem, změnou koncepce na dva jednokolejné tunely z důvodu zjednodušení údržby, sjednocením řešení únikových cest obou tunelů na paralelní únikové štoly a propojením únikových štol tunelu Hosín. Nicméně tyto návrhy narazily na procesní překážky, z čehož vyplynul logický požadavek všech zúčastněných na minimalizaci jakýchkoli změn původního řešení s ohledem na zajištění souladu dokumentace DSP s platným ÚR.

Technické řešení DSP

Traťové tunely jsou navrženy jako dvoukolejné, s osovou vzdáleností kolejí 4,2 m pro návrhovou rychlost 200 km/h s pevnou jízdní dráhou. Trasa obou tunelových staveb je navržena v obousměrných obloucích s přechodnicemi a mezilehlými přímými úseky. Výškově obě tunelová díla stoupají ve směru staničení (od Českých Budějovic).

Průjezdný průřez tunelů
Pro oba tunely byl navržen jednotný průjezdný průřez, který vychází ze vzorového listu pro rychlosti od 161 do 230 km/h, pevnou jízdní dráhu a převýšení od 0 do 160 mm. Vnitřní rozměry jsou dány klenbou tunelového ostění, která se skládá z oblouků o vnitřním poloměru 6,2 a 5,8 m, světlá výška tunelu je 7,75 m nad temenem koleje (TK) a světlá šířka v nejširším bodě 12,21 m. Tento profil je navržen tak, že osa tunelu odpovídá ose os kolejí (nedochází k odsazení osy tunelu).

V průběhu koordinace se zpracovateli technologických souborů byly výrazně rozšířeny chodníky, protože do kabelových tras pod chodníkem je nutné uložit nejen slaboproudá kabelová vedení pro sdělovací a zabezpečovací techniku, řízení a monitoring tunelu, ale také optické kabely s velkým minimálním poloměrem ohybu, suchovod a především silnoproudé kabely 6 kV pro napájení tunelové technologie a 25 kV pro trakční vedení. Silnoproudá kabelová vedení musejí být navíc od slaboproudých oddělena betonovou stínicí stěnou tloušťky minimálně 300 mm, aby se zabránilo rušení. Výsledkem je rozšíření obou chodníků na šířku 1 975 mm na úkor prostoru pro pevnou jízdní dráhu, který má šířku 7 670 mm. Tento prostor je dostatečný pro parametry dosud použitých systémů pevné jízdní dráhy v ČR, viz obr. 2.

Záchranné výklenky
Standardním prvkem v železničních tunelech jsou záchranné výklenky umisťované vždy ve dvojicích vstřícně na obou stranách tunelové trouby ve vzájemných vzdálenostech maximálně 25 m. Tyto výklenky slouží jako záchranný prostor pro pracovníky pohybující se v tunelu během jeho údržby při průjezdu vlaku. Vzhledem k tomu, že předpisy správce tunelu neumožňují provádět údržbu při rychlostech 200 km/h (jedná se o vysoce rizikovou činnost), údržba bude probíhat vždy za výluky provozu v tunelu (jednokolejná, nickolejná, omezení rychlosti průjezdu na max. 60 km/h). V kombinaci s šířkou volného prostoru v tunelu na chodnících byly v tunelech Hosín a Chotýčany tyto výklenky na základě projednání se stavebníkem vypuštěny. Toto rozhodnutí přinese výraznou úsporu investičních nákladů a zjednodušení realizace díla. Výklenky jsou v tunelu částečně zachovány vzhledem k nutnosti umístění šachet pro čištění drenáže, které jsou v tunelu rozmístěny ve výklencích po max. 50 m. Tyto výklenky budou široké 2 000 mm podle požadavku normy na rozměry záchranného výklenku.

Sekundární ostění a izolace
Sekundární ostění traťových tunelů je navrženo minimální tloušťky 450 mm z vyztuženého monolitického železobetonu. Profil tunelu je podle zastižených geologických podmínek navržen jak na pasech, tak se spodní klenbou. Obě tunelová díla jsou opatřena deštníkovým systémem izolace doplněným bočními drenážemi, které jsou každých 50 m osazeny čisticí šachtou a příčným svodem napojeným do středové stoky tunelu.

Část raženého Chotýčanského tunelu od vjezdového portálu nacházející se v navětralých až plně zvětralých rulách je navržena s celoplášťovou izolací pro omezení trvalého drenážního účinku tunelu. Stejně tak bude izolován hloubený tunel na výjezdovém portálu Hosínského tunelu, aby drenážní systém tunelu neodváděl vodu s potenciálními výluhy z uhlonosných poloh neogenního souvrství.

Chotýčanský tunel

Chotýčanský tunel má celkovou délku 4 806 m. Z toho hloubený tunel vjezdového portálu je dlouhý 60 m, ražený tunel 4 464 m a hloubený tunel výjezdového portálu 282 m.

Pro únik osob z tunelu při mimořádné události jsou navrženy čtyři únikové cesty ve vzájemných vzdálenostech do 1 000 m. Únikovou cestu vždy tvoří technologická komora, kde jsou soustředěny technologické místnosti (2× místnost trafostanice, místnost pro sdělovací zařízení a slaboproudá rozvodna), propojovací chodba a šachta. Jednotlivé šachty mají výšky 77 m, 44 m, 27 m a 26 m, jejich umístění na terénu pak ovlivňuje délku propojovací chodby a směr úniku z tunelu, kdy šachty č. 1 až 3 jsou umístěny vpravo ve směru staničení a šachta č. 4 vlevo, viz obr. 3.

Šachty Chotýčanského tunelu jsou navrženy s únikovým schodištěm a evakuačním výtahem, který bude mít prioritu při využití jednotkami HZS pro vedení požárního zásahu. Výtah byl podle doporučení HZS doplněn také do šachet č. 3 a 4, přestože nejsou hlubší než 30 m a podle normy v nich výtah být nemusí. Všechny šachty tak mají stejné dispoziční řešení.

Na tunelových portálech a rovněž u výstupu ze všech záchranných šachet jsou navrženy záchranné a nástupní plochy pro složky IZS o velikosti 500 m² v souladu s evropským předpisem TSI pro bezpečnost v železničních tunelech.

V rámci zpracování analýzy rizik bylo provedeno modelování samoevakuace osob z hořící vlakové soupravy v tunelu. Při modelování evakuace na základě původního řešení únikových cest se osoby hromadily v únikové cestě a tím i přímo v tunelové troubě u vstupu do záchranné cesty, viz obr. 5. Osoby, které by takto zůstaly v nechráněném prostoru, by byly ohroženy na životě, takže posuzované bezpečnostní scénáře byly hodnoceny jako společensky nepřijatelné. Na základě těchto výsledků byly propojovací chodby do šachet č. 1 a 4 situačně upraveny, čímž došlo k jejich prodloužení a zvýšení kapacity pro nahromaděné osoby v průběhu evakuace.

Geologické podmínky
Trasa tunelu prochází metamorfovanými horninami moldanubika, hlubinnými vyvřelými horninami ševětínského granodioritu. Při výjezdovém portálu mohou být v hloubené části tunelu zastiženy i svrchnokřídové sedimenty a horniny klikovského souvrství. Silné tektonické porušení horninového masivu se značným hloubkovým dosahem velmi nepříznivě ovlivňuje budoucí realizaci tunelu. Velmi ztížené podmínky panují v prvním kilometru tunelu, jsou vázány na pararulový horninový základ. Hloubkový dosah zvětrání dosahuje v blízkosti tektonických poruch až 40 m a lokálně zasahuje až do úrovně projektovaného tunelu. V magmatických horninách ševětínského granodioritu jsou podmínky ražby příznivější, nicméně směrem k výjezdovému portálu hluboké zvětralinové zóny zasahují do úrovně tunelu, v portálové oblasti pak i hluboko pod počvu.

Veškeré geologické podklady pro Chotýčanský tunel byly zpracovány do 3D geologického modelu s využitím softwaru Sequent Ltd., Leapfrog, viz obr. 6a a 6b, a databáze účelově sestavené z dostupných inženýrskogeologických vrtů. Výsledný 2D podélný řez viz obr. 4.

Ražba tunelu
V rámci ražeb je vzhledem k poměrně pestrým geologickým podmínkám navrženo široké portfolio horizontálně členěných technologických tříd výrubu od TTV 2, 3 a 4 pro horninové prostřední rul a granodioritů po technologické třídy 5a, 5b, 5c pro silně, až zcela zvětralé horniny a třídu 6, která předpokládá plné předstihové vytryskání profilu raženého tunelu v nejhorších geologických podmínkách. Maximální plocha čelby raženého tunelu v TTV 5c je 159,8 m² při šířce výrubu 15,44 m a výšce 13,13 m. V blízkosti hloubeného tunelu výjezdového portálu dochází ke křížení ražené části tunelu s povrchovým vedením velmi vysokého napětí (2 × 110 kV a 2 × 400 kV), jehož sloupy zasahují do predikované poklesové kotliny vyvolané ražbou tunelu. Vzhledem k tomu, že se jedná o páteřní vedení a není možné ho vypnout a přeložit, bude před ražbou nutné realizovat opatření proti pohybu ohrožených sloupů VVN a zajistit jejich kontinuální monitoring během výstavby.

Křížení s dálnicí D3
V blízkosti výjezdového portálu tunelu Chotýčany trasa křižuje stávající dálnici D3, úsek Ševětín – Borek, zprovozněnou v prosinci 2019. V rámci DÚR tunelu Chotýčany se počítalo s předstihovým objektem vybudovaným při výstavbě dálnice, který by umožnil následnou výstavbu železničního tunelu pod provozovanou dálnicí. Bohužel k návrhu a výstavbě tohoto objektu nedošlo a v rámci dokumetnace DSP je nyní nutné se s tímto stavem vypořádat. Křížení tras je ve velmi ostrém úhlu, navíc je dálnice v místě křížení vedena v zářezu, takže tam jsou výškově velmi stísněné podmínky. Z tohoto důvodu je část hloubeného tunelu výjezdového portálu tunelu Chotýčany v délce 138 m navržena v obdélníkovém profilu, kde se v rámci návrhu hledal každý milimetr. Nakonec se podařilo průjezdný profil do minimálního prostoru dostat za využití výjimky pro prostor na upevnění trak­čního vedení a snížení tloušťky stropní konstrukce tunelu v rámci statického návrhu. Výškově také musí být upravena stávající středová kanalizace dálnice, aby výškově nadešla tubus železničního tunelu. Vzhledem k minimálnímu nadloží bude tunel realizován v hloubené stavební jámě, a to postupně ve čtyřech základních fázích, během kterých bude docházet vždy k částečnému omezení dopravy dálnice D3 v různých režimech. Během těchto fází bude postupně probíhat hloubení stavební jámy a její pažení, výstavba jednotlivých bloků hloubeného tunelu, zásyp dokončených bloků a výstavba provizorních vrstev vozovky, na které bude následně doprava převedena. Až po kompletním dokončení tunelového díla budou definitivně obnoveny konstrukční vrstvy vozovky včetně podélného vyztužení armovanou zeminou a bude obnoven provoz v plném profilu dálnice. Vybudování celého křížení bude navíc časově omezeno do jedné stavební sezony, aby omezení dopravy na dálnici nezasahovalo do zimních měsíců.

Hosínský tunel

Hosínský tunel má celkovou délku 3 120 m. Z toho je hloubený tunel vjezdového portálu dlouhý 144 m, ražený tunel 2 808 m a hloubený tunel výjezdového portálu 168 m.

Únikové štoly tunelu Hosín jsou v souladu s řešením DÚR navrženy jako dvě samostatné paralelní štoly ústící na příslušný portál tunelu, jižní délky 1 364 m a severní délky 1 347 m. Únikové štoly jsou propojeny s traťovým tunelem celkem šesti tunelovými propojkami ve vzájemných vzdálenostech 432–456 m, do kterých jsou stejně jako u Chotýčanského tunelu umístěny technologické místnosti v tunelu (sdělovací místnost, slaboproudá rozvodna a v propojce č. 2 a 5 také místnosti trafostanice). Profil únikových štol byl oproti DÚR navýšen, aby umožnil vjezd současné techniky IZS (průjezdný profil 3,5 × 3,5 m pro standardní vozidla HZS). V místě propojek jsou na únikových štolách navrženy výhybny a na konci štol (propojky č. 3 a 4) koncepční řešení umožňuje otočení vozidla IZS.

Vzhledem k tomu, že portály tunelové trouby a únikové štoly ústí vždy do jedné portálové oblasti, která se navíc nachází v obou případech v zářezu, hrozilo by v případě zakouření nasátí znečištěného vzduchu do únikových cest. Z tohoto důvodu byly pro účely požárního větrání obě štoly doplněny sacími objekty osazenými na terénu, které budou sloužit pro sání čerstvého vzduchu mimo portálové oblasti tunelu, viz obr. 7. Na portálech tunelu jsou navrženy záchranné a nástupní plochy IZS o velikosti 500 m² v souladu s evropským předpisem TSI.

Geologické podmínky
Tunel prochází metamorfovanými horninami jednotvárné série moldanubika proterozoického stáří. Převládajícím typem hornin jsou částečně migmatitizované, biotitické a sillimanit-biotitické pararuly až migmatity, které nepravidelně obsahují vložky ortorul, aplitů. Pararuly jsou šedé, jemnozrnné, bíle páskované, s proměnlivým sklonem foliace převážně cca 30–50° směrem k severovýchodu až východu. Horniny jsou proměnlivě prokřemenělé. Ortoruly jsou šedé až bělavé, místy narůžovělé, středně až hrubě zrnité, silně prokřemenělé. Horniny jsou velmi pevné a křehké. Intenzita rozpukání a stupeň zvětrání je menší než u pararul.

Směrem od vjezdového portálu až do jedné třetiny tunelu jsou tyto horniny překryty subhorizontálně uloženými křídovými uloženinami. Jedná se převážně o kaolinické pískovce, pestré prachovce a jílovce. Pískovce jsou převážně bělošedé až narůžovělé, hrubozrnné až drobně štěrčíkovité, křemité, s nedokonale opracovanými zrny. Jejich tmel (výplň) je převážně kaolinický. Jílovce jsou pestré (bělavé, šedé, cihlově červené, zelenkavé), velmi tence vrstevnaté, celistvé, pouze ojediněle s kostkovitým rozpadem. Ověřená mocnost křídových hornin v trase tunelu je u jižního vjezdového portálu až 22,0 m. Ve směru staničení mocnost poměrně výrazně klesá a uloženiny postupně vykliňují směrem k povrchu.

V úseku hloubeného tunelu u výjezdového portálu jsou metamorfované horniny proterozoika překryty terciérními zeminami, zastoupenými uloženinami spodní části mydlovarského souvrství neogenního stáří. Jedná se o subhorizontálně uložené a nezpevněné zeminy, převážně o jemnozrnné jílovité uloženiny s podružnými vložkami písčitých či štěrkovitých zemin. Převažují rezavě hnědé, šedé a zelenkavé jílovité zeminy, ojediněle s příměsí písku. Toto souvrství také obsahuje až 8 m mocné polohy mladého uhlí – lignitu a polohy diatomitů (křemeliny).

V rámci ražeb jsou navrženy technologické třídy výrubu horizontálního členění výrubu od TTV 2, 3 a 4 pro prostřední navětralých až zdravých pararul a ortorul a technologické třídy 5a, 5b do silně až zcela zvětralých pararul.

Geologická rizika na výjezdovém portálu a nutná úprava řešení
V celém úseku hloubeného tunelu výjezdového portálu a přilehlé otevřené jámy pro přístupovou komunikaci k portálu tunelu jsou předpokládány velmi nepříznivé inženýrskogeologické podmínky. Na komplikovanosti lokality z geotechnického hlediska se podílí zejména přítomnost nezpevněných terciérních uloženin s velmi vysokou a extrémně vysokou plasticitou, výskyt mocných poloh s velmi vysokou organickou příměsí, střídání poloh izolátorů v kombinaci s napjatou hladinou podzemní vody v propustnějších polohách.

Geologický profil je od povrchu tvořen proměnlivou mocností (0–4 m) kvartérních deluviálních hlín charakteru jílů a písčitých jílů, které překrývají terciérní uloženiny neogenního stáří. Horní souvrství terciérních uloženin mocnosti 8–11 m jsou tvořeny hlínami s velmi vysokou až extrémně vysokou plasticitou, ve kterých se nacházejí značně proměnlivé mocnosti diatomitů (až 2 m). Porézní polohy diatomitů (křemeliny) obsahují velká množství křemičitých schránek rozsivek, jež výrazně zvyšují propustnost a významně snižují objemovou hmotnost zemin (saturovaná objemová hmotnost je cca 14,0 kN/m³). Diatomické hlíny jsou také extrémně citlivé na vodní režim, kdy se jejich slušně kohezní charakter (ϕ_p’ = 28°, c_p‘ = 24 kPa) se zvyšující vlhkostí rychle mění do extrémně rozbřídavé konzistence.

Diatomické hlíny překrývají starší sedimenty s vyšším obsahem organické složky, přecházející v lignit. Souvrství mocné 6–8 m nabývající charakteru uhelných tuhých a pevných jílů obsahuje významné a značně proměnlivé prouhelněné polohy (mocnosti až první jednotky metrů), místy přecházející v dobře zachovalé dřevité zbytky neogenní flóry. Z hlediska geotechniky by bylo možné tomuto souvrství přiřadit mechanické parametry odvozené z kompaktních jílovitých poloh (ϕ_p’ = 17°, c_p‘ = 13 kPa), ale na polohy s významnější lignitovou nebo dřevitou složkou nelze vůbec aplikovat mechaniku zemin založenou na nestlačitelnosti skeletu. Poloha organických zemin byla sice zastižena pod klenbou portálu hloubeného tunelu v přibližně subhorizontální poloze, ale vrtným průzkumem bylo zjištěno, že směrem k okraji pánve (proti směru staničení) dochází k vyvlečení lignitů (tektonicky nebo sedimentačně) i do profilu tunelu.

Problematičnost lignitového horizontu navyšuje přítomnost napjaté zvodně s výtlačnou úrovní až k povrchu terénu (místy až 10 m), která je pravděpodobně dotována z puklinového prostředí výše vyklenutého krystalinika spojeného s lignitovým horizontem na tektonickém zlomu. Napjatá hladina podzemní vody v lignitové zvodni tak představuje zvýšené riziko protržení dna při plánovaném hloubení jámy a souvisejícím významném oslabení nadložního jílovitého izolátoru.

Lignitové souvrství nasedá na sedimentačně starší souvrství hlín nebo jílů s vysokou až extrémně vysokou plasticitou tuhé až pevné konzistence a je v určitých hloubkách proloženo proměnlivými vrstvami nebo čočkami pevných až tuhých písčitých hlín a jílů, případně i ulehlých hlinitých a jílovitých písků. Skalní podloží krystalinika bylo v oblasti portálu raženého tunelu ověřeno vrtnými pracemi v hloubce cca 30 m pod terénem, ale v oblasti portálu hloubeného tunelu jej lze předpokládat z důvodu přítomných tektonických zlomů a uklonění dna pánve až cca 45 m pod terénem.

Založení konstrukcí v oblasti výjezdového portálu je tak značně komplikované. Hloubený tunel bude realizován v rozpírané stavební jámě se značnou hloubkou založení, aby se dosáhlo do únosného skalního podloží. Jáma bude provedena společně pro traťový tunel a únikovou štolu, jež bude namísto původního návrhu ražené štoly hloubená. Podélné stěny jámy budou doplněny příčnými stěnami pod úrovní stavební jámy, které budou částečně zahloubeny do skalního podloží k zajištění stability spodní desky. Stejně tak portálová stěna, technologický objekt a železniční spodek pod pevnou jízdní dráhou před tunelem budou založeny hlubině. Zároveň bude nutné zajistit dostatečné odvodnění vrstvy lignitů, aby se neprolamovalo dno zpevněných ploch před portálem tunelu.

Závěr

Dvoukolejné železniční tunely obdobné délky nebyly prozatím v ČR realizovány, proto ani řešení jednotlivých problémů není standardní. Tunel Chotýčany bude navíc svou délkou nejdelším železničním tunelem v ČR. Příprava projektové dokumentace tunelů Hosín a Chotýčany je tedy vzhledem k jejich délce, době uplynulé od vzniku DÚR a rozmanité geologické situaci velmi zajímavá a stává se tak velkou výzvou pro všechny zúčastněné.