VELKOPROFILOVÉ TUNELY U A. S. METROSTAV

Ing. Miroslav Kolečkář
Ing. Václav Soukup
METROSTAV A.S. - DIVIZE 5

ÚVOD
Po ražbách více než stovky km tunelů pražského metra o kruhovém výrubním průřezu 5,5 m u traťových tunelů a 8,80 m u staničních profilů v minulých dvou desetiletích je u podniku Metrostav a. s. významný přechod na větší výrobní průřezy silničních tunelů. Cílem článku je:

Pro omezení rozsahu článku je v závěru příspěvku zařazen základní seznam literatury, kde lze o každé citované akci získat podrobnější informace.

REALIZOVANÉ AKCE A TUNEL MRÁZOVKA
Konec r. 1997 představoval ojedinělý svátek pro české tunelářství. V průběhu necelého měsíce byla uvedena do provozu tři významná dopravní díla. Byly to tunel Hřebeč dne 14. listopadu, tunel Brno-Pisárky dne 28. listopadu a Strahovský automobilový tunel dne 3. prosince. V průběhu roku 1997 bylo dokončeno definitivní ostění prvního raženého dvoukolejného tunelu metra a byla rovněž dokončena ražba průzkumné štoly v západní troubě tunelu Mrázovka.
Autoři článku se rozhodli, že podají základní informace formou schémat a tabulek, které mohou urychlit vzájemné srovnání akcí realizovaných Metrostavem a. s. (u Strahovského tunelu v součinnosti se svým subdodavatelem Vojenské stavby a. s.).
Při realizaci akcí byly zásadně použity dvě technologie a to prstencová metoda u Strahovského tunelu a nová rakouská tunelovací metoda (NRTM) u akcí ostatních. Různost geologických prostředí umožnila dodavateli, aby si ověřil vhodnost a efektivnost technologických postupů a nasazení mechanizace.
Rozsah akcí se samozřejmě výrazně lišil. Pokud bychom provedli porovnání kubatur výrubů v rostlém stavu a zahrnuli do tohoto srovnání i tunel Pisárky realizovaný Subterrou a. s., dostaneme celkovou hodnotu výrubů tunelů dokončených v r. 1977 545 800 m3. Z toho činí Strahovský tunel 72,73 %, Hřebeč 9,66 %, dvoukolejný tunel 7,55 %, Brno-Pisárky 10,06 % (dva dvoupruhové tunely o délkách 286 m a 295 m o výrubním průřezu 94,5 m2).
Hlavní parametry vybraných tunelů jsou uvedeny na přiložených obrázcích k tomuto článku včetně uvedení dílčích fází technologického postupu ražeb. Základním problémem realizace velkoprofilového tunelu je volba technologie (štít či razicí stroj, NRTM ap.). U dopravních tunelů lze ovlivnit polohu díla a geologické poměry jen nepatrně. Tím se problematika dopravních tunelů výrazně liší např. od kaveren přečerpávacích elektráren či úložišť medií nebo odpadů, kde můžeme vhodné geologické poměry, výšku nadloží i velikost příčného řezu díla vybírat, respektive výrazně ovlivnit.
S ohledem na délky tunelů v České republice není zatím reálné uvažovat s nákupem plnoprofilového razicího stroje, protože ceny takového zařízení dosahují hodnot 700 milionů Kč a více. Proto lze NRTM a její samostatně uplatňované prvky považovat za základní metodu českého tunelářství pro velkoprofilové výrubní průřezy.
Členění čelby výrubu v příčném a podélném směru je u NRTM jedním ze základních prvků návrhu technologického postupu a to jak pro projektanta, tak zejména pro dodavatele stavby. Toto členění musí vycházet z podmínek projektu (příčný řez, přípustné hodnoty deformací na povrchu), možností dodavatele (strojní vybavení, zkušenosti z obdobných akcí) a zejména geologických poměrů příslušné lokality.
Porovnání příčného členění realizovaných akcí a připravovaných ražeb tunelu Mrázovka (třípruhový tunel) je uvedeno v samostatné tabulce č. 1, ve které je porovnáno 5 fází dílčího výrubu a v % vyjádřeno k celkovému výrubnímu průřezu. Přitom lze konstatovat, že u Strahovského tunelu a tunelu Hřebeč bylo zvoleno svislé členění čelby, které je vhodné zejména pro horniny s nižšími pevnostními parametry pod patou klenby. U dvoukolejného tunelu bylo použito vodorovné členění, které je u silničních tunelů běžné a umožňuje uplatnění velké mechanizace.
U tunelu Mrázovka je v tabulce uvažováno vodorovné členění, hodnoty jsou vzaty z části trasy mimo prostor pod zástavbou,kde budou předem provedena zvláštní opatření. O této problematice je podrobnější informace v další části článku.
Základní tunelové mechanismy použité u již dokončených akcí nebo předpokládané pro výstavbu tunelu Mrázovka jsou uvedeny vždy v samostatné tabulce příslušného tunelu. Přitom jako dostatečný prostor pro uplatnění velké mechanizace v přístropí tunelu při vodorovném členění výrubu je nutno uvažovat výšku ve vrcholu klenby 5,5-6,0 m.
Konkrétní úplné strojní sestavy pro provádění tunelů Hřebeč a dvoukolejného tunelu novou rakouskou tunelovací metodou jsou:

STROJNÍ SESTAVA PRO TUNEL HŘEBEČ
Rozpojování bez použití trhací práce (70 % objemu)  
stroje JCB 3CX se sbíjecím kladivem 2 ks
s použitím trhací práce + kotvení
vrtací vůz SECOMA 1 ks
Nakládání stroje JCB 3CX a pásový nakladač CAT 962 1 ks
Odtěžení nákladní automobily TATRA 815 2 ks
Stříkaný beton (suchá cesta) stroje ALIVA 262 a ALIVA 285 3 ks
Výroba stříkaného betonu míchací centra MTS 2 ks
Výroba výztuže BRETEX, vlastní vývoj Metrostavu - divize 5
Betonáž definitivního ostění bednicí formy 4 ks
přestavba použitých vozů
zakoupených od firmy MARTI holding 1 ks



STROJNÍ SESTAVA PRO DVOUKOLEJNÝ TUNEL
Rozpojování bez použití trhavin (60 % objemu)
tunelbagr Liebherr R 912 1 ks
při použití trhací práce a kotvení
vrtací vůz ATLAS COPCO BOOMER 352 1 ks
Nakládání pásový nakladač CAT 953 B 2 ks
Odtěžení nákladní automobily TATRA 815 3 ks
Výroba stříkaného betonu míchací centrum ORU-MARTE 1 ks
Výroba výztuže BRETEX, vlastní vývoj Metrostavu - divize 5
Betonáž definitivního ostění bednicí vůz, vlastní vývoj - 70 % objemu 1 ks
posuvné bednění ALPI, vlastní návrh - 5 % objemu 1 ks
Stříkaný beton (mokrá cesta) čerpadlo na beton a manipulátor ALIVA - 25 % objemu 1 ks


TŘÍPRUHOVÝ SILNIČNÍ TUNEL HŘEBEČ - Silnice I/35
Provoz 14.11.1997
Délka tunelu celkem 354,5 m
raženo 275,0 m
Období výstavby 6.1994 - 11.1997
Období ražby 7.1994 - 7.1996
Výška nadloží 5 - 16.5 m
(z toho skalní) 0 - 13.0 m
Geologické poměry Pevnost v prostém tlaku [MPa]
sladkovodní cenoman - jílovce 2 - 5
mořský cenoman - pískovce 15 - 20
spodní turon - slínovce (opuky) 60 - 100
kvartér - deluviální hlíny  
Spád tunelu 6.3 %
Plocha výrubu 150 - 161 m2
Celkový obestavěný prostor 52 700 m3
Použitá tunelovací metoda Nová rakouská tunelovací metoda
Hlavní tunelovací mechanizmy nakladač JCB 3CX - 2x
pásový nakladač CATERPILAR 962
stříkací souprava ALIVA 285
kotevní plošina KTR - M2
Deformace povrchu 22 - 68 mm


DVOUKOLEJNÝ TUNEL METRA - TRASA IV.B
Mezi stanicemi Rajská zahrada - Hloubětín
Provoz 8.11.1998
Délka tunelu celkem 703 m
Období výstavby 6.1995 - 11.1998
Období ražby 7.1995 - 11.1996
Výška nadloží 6 - 26.0 m
Geologické poměry Pevnost v prostém tlaku [MPa]
Dobrotivské vrstvy (břidlice) 2 - 5
Libeňské vrstvy (břidlice) 15 - 20
Řevnické vrstvy (břidlice) 60 - 100
Spád tunelu 38 %
Plocha výrubu 58.7 m2
Celkový obestavěný prostor 41 200 m3
Použitá tunelovací metoda Nová rakouská tunelovací metoda
Hlavní tunelovací mechanizmy vrtací vůz ATLAS COPCO Boomer 352
pásový nakladač CAT 953
tunelbagr Liebher R 912
Deformace povrchu 10 - 55mm


STRAHOVSKÝ AUTOMOBILOVÝ TUNEL
Městský okruh Praha
Provoz 3.12.1997
Délka tunelu (ražená část) západní 1 566 m
východní 1 544 m
Období výstavby 1985 - 1997
Období ražby 1985 - 1992
Výška nadloží 12 - 79m
(z toho skalní) (9 - 76)
Geologické poměry Pevnost v prostém tlaku [MPa]
Bohdalecké vrstvy (břidlice) 6 - 10
Dobrotivské vrstvy (břidlice) 4 - 6
Vinické vrstvy (břidlice) 15 - 20
Skalecké vrstvy (křemence) 60 - 100
Spád tunelů 3,2 %
Plocha výrubu 125 m2
Celkový obestavěný prostor 397 000 m3
Použitá tunelovací metoda Prstencová a modifikovaná jádrová metoda
Hlavní tunelovací mechanizmy nakladač JCB 3CX - 2x
pološtít průměr 12,1 m, délky 7,2 m
rypadlo Broyt X21
nemachanizované štíty průměru 4,54 m typu Prievidza (ve štolách)
ukladače ostění
Deformace povrchu 18 - 81mm


TUNELY MRÁZOVKA
Městský okruh Praha
Provoz orientačně 2002 - 2003
Délka tunelu (ražená část) západní 1 007m
východní 838 m
Období výstavby 1998 - 2003
Období ražby 1998 - 2001
Výška nadloží 5 - 34 m
(z toho skalní) (3 - 30)
Geologické poměry Pevnost v prostém tlaku [MPa]
Libeňské vrstvy (břidlice) 5 - 15
Letenské vrstvy (břidlice) 30 - 50
Řevnické vrstvy (křemence) 150 - 220
Spád tunelů 0,75 - 4,25 %
Plocha výrubu třípruhový tunel 159 m2
dvoupruhový tunel 107 m2
Celkový obestavěný prostor 352 000 m3
Použitá tunelovací metoda Nová rakouská tunelovací metoda
sanace nadloží
Hlavní tunelovací mechanizmy vrtací vozy Atlas COPCO Boomer 352
pásový nakladač CAT 953
nakladač Liebher 641
tunelbagr Liebherr R 912
tunelbagr Liebherr R 932
Deformace povrchu předpoklad - 60 mm


PROBLÉMY VÝSTAVBY TUNELU MRÁZOVKA

Při výstavbě ražených stanic pražského metra v uplynulých dvou desetiletích byly podrobně sledovány a vyhodnocovány důsledky ražeb na deformace povrchu terénu. Ražené stanice byly převážně situovány mimo zástavbu vyšších pozemních objektů při minimálním skalním nadloží 10 m (stanice Můstek a stanice Staroměstská trasy A pražského metra) a minimálním celkovém nadloží až k povrchu terénu 23 m (stanice Staroměstská). Celková šířka výrubu třílodní stanice s pilíři mezi profily dosahovala 29,50 m, naměřené výsledné deformace na povrchu byly 20 až 120 mm při šířce poklesových zón 75 až 150 m. Tunely byly budovány prstencovou metodou s požadavkem na provedení okamžité výplňové a těsnicí ijektáže k aktivaci tunelového ostění.
Dopravní řešení městského okruhu v úseku RAST (Radlická-Strahovský tunel) přineslo složitý problém realizace dvou třípruhových tunelů pod zástavbou při malém tunelovém nadloží (viz obr. 1).


Obr. 1 Příčný řez tunely Mrázovka v prostoru Ostrovského ulice

Tunely o výrubních průřezech 159 m2 při šířkách výrubu 15,80 m a výšce 12,30 m podchází v prostoru Prahy 5 pod Ostrovského ulicí 90 let starou obytnou zástavbu tvořenou 4 až 5 podlažními cihelnými objekty. Mocnost zvětralého a rozloženého nadloží sestávajících z břidlic ordovického stáří (libeňské vrstvy) přitom dosahuje hodnoty u západního tunelu cca 9 m, u východního tunelu 10,4 m, celkové nadloží pod základy domů pak hodnot 12,3 m u západního a 11,9 m u východního tunelu. Horninový pilíř mezi oběma tunely je 16 m. V klenbě západního tunelu byla v roce 1997 vyražena průzkumná štola o výrubním průřezu 11,5 m2, jejímž vyhodnocením byly získány geotechnické parametry nutné pro návrh tunelů a údaje a zkušenosti pro technologii ražeb.
Dokončená pasportizace zástavby a vyprojektovaný návrh částečného zesílení domů před ražbami požaduje provést ražby tak, aby absolutní deformace nad tunelem nepřesáhla hodnotu 60 mm a sklon deformační vlny v podélném a příčném řezu byl maximálně v rozmezí 1 : 600 až 1 : 800. To odpovídá požadavkům ČSN 73 1001 Základová půda pod plošnými základy, dle článků 127, 128 a tabulce 19 - mezní hodnoty sednutí.
V českém i světovém tunelářství jde o mimořádný případ, který bude jistě předmětem řady článků a hodnocení. Projektantem tunelového řešení je firma SATRA (hlavní inženýr Ing. Dvořák, tunely Ing. Němeček), generálním projektantem a autorem dopravního řešení firma PÚDIS Praha (hlavní inženýr Ing. Krásný).
V r. 1997 až 1998 byly provedeny rozsáhlé srovnávací studie možných variant technologie výstavby tunelů a výpočty deformací včetně expertních posouzení. Při realizaci projektu bude uplatněna observační metoda včetně rozsáhlých měření v podzemí, uvnitř horninového masivu i na objektech povrchové zástavby a bude operativně prováděna jejich zpětná analýza s bezprostředními úpravami technologie provádění. V úseku pod zástavbou se počítá s řadou opatření směřujících k maximálnímu omezení deformací. Počítá se s předstihovými sanačními injektážemi horninového nadloží z průzkumné štoly. Vlastní štola bude před čelbou raženého tunelu vyztužena. Nadloží kaloty bude po obvodě v podélném směru v uvedeném úseku zpevňováno injektovanými ocelovými trubkami při členění výrubního průřezu tak, aby postupně získávaná tuhost primárního ostění ze systému stříkaného betonu a kotev umožňovala plně přenášet reálně narůstající zatížení na líci výrubu. S ohledem na záměr omezit deformace povrchu se zástavbou na maximum nebude tedy v tomto úseku využívána možnost NRTM řízenou deformací aktivovat nosnost horninové obálky. Navíc budou v prostoru Ostrovského ulice připraveny předem šachty a vrty pro uplatnění tzv. kompenzační injektáže podloží objektů, které by při stupňovaném tlakování injektovaným mediem měly zamezit či podstatně omezit proces sedání.

VÝHLED VÝSTAVBY SILNIČNÍCH TUNELŮ
Pro rozvoj tunelářských technologií, nákup specializovaných zařízení a dlouhodobou přípravu jsou podstatné údaje o záměrech investorů na výstavbu silničních tunelů. V tabulce č. 2 je zahrnut pravděpodobný rozsah výstavby silničních tunelů v Praze a na dálniční síti České republiky v časovém horizontu do roku 2010. Tabulka neuvádí rozlišení na dvou a třípruhové tunely, které není dosud jednoznačné. Délky tunelů představují hodnoty ražených úseků, období realizace je orientační a skutečnost bude záviset na ekonomických možnostech našeho státu a na úspěšnosti investorské přípravy.
Příprava výstavby silničních tunelů bývá zdržována uplatňováním majetkových práv a nutností respektování požadavků na ochranu životního prostředí. Součtové hodnoty pro 12 tunelů v Praze o délce 17 045 m a 14 tunelů na dálnicích a rychlostních komunikací o délce 8 525 m, dává celkovou hodnotu přes 25 km ražených dvou nebo třípruhových tunelů.

ZÁVĚR
Lze konstatovat, že dokončením tunelů v obci Hřebeč, Strahovského tunelu a dvoukolejného tunelu metra získal Metrostav a. s. - divize 5 dostatek zkušeností zejména s uplatněním nové rakouské tunelovací metody. V červenci 1998 navíc obdržel Metrostav a. s. certifikát systému jakosti dle ISO 9002 na provádění tunelářských prací touto metodou. Zmíněná metoda i její samostatně uplatňované prvky najdou jistě široké uplatnění u dalších ražených objektů v České republice, jejichž výstavba se do r. 2010 očekává.

Místo
Stavba
Délka [m]
Období realizace
Praha
 Mrázovka - západní tunel
Mrázovka - východní tunel
1 007
1998 - 2002
838
Špejchar - Pelc Tyrolka (Blanka)
2x1 970
2000 - 2005
Malovanka - Prašný most (Střešovice)
2x600
2005 - 2007
Slivenec - Lahovice (Višňovka)
2x1 250
2003 - 2006
Lahovice - Hodkovice (Cholupice)
2x2 080
2003 - 2006
Radlice
2x1 700
2004 - 2007
Dálnice D8 st.0805
 Lovosice - Řehlovice
160
1999 - 2002
(Prackovice)
140
Lovosice - Řehlovice
380
1999 - 2002
(Radejčín)
360
Dálnice D8 st.0807
 Trmice - státní hranice
440
2000 - 2003
(Libouchec)
330
Trmice - státní hranice
1 810
2000 - 2003
(Panenská)
1 795
Dálnice D5
 Jižní obchvat Plzně (Valík)
2x250
2000 - 2002
Dálnice D11
 Chlumec nad Cidlinou - Hradec Králové (Voleč)
2x225
2002 - 2004
R. kom. D47
 Ostrava - Studénka (Klimkovice)
2x1 080
2002 - 2005
CELKEM
 PRAHA
17 045
 
DÁLNICE
8 525
 
SOUČET
25 570
1998 - 2007


Akce Plocha výrubu
[m2] 		Dílčí výruby (fáze) m2 (%)
1 2 3
4
 5
Strahovský tunel 125 23
(18,5%) 		23
(18,5%) 		47
(37%) 		20
(16%) 		12
(10%)
Tunel Hřebeč 152 12
(16,5%) 		25
(16,5%) 		35
(23%) 		57
(37,5%) 		10
(6,5%)
Dvoukolejný tunel metra 59 14
(23%) 		6
(10%) 		6
(10%) 		25
(43%) 		8
(13%)
Tunel Mrázovka 159 11,5
(7,2%) 		29
(18,3%) 		25
(15,7%) 		67,5
(42,5%) 		26
(16,3%)


Třída betonu a série zkušebních těles Charakteristika [MPa]
Stáří betonu ve dnech
1
3
7
14
28
60
90
180
B50 - I Rbcu
13,5
22,7
36,4
43,0
50,2
50,7
51,2
51,5
Rbu
12,9
16,5
27,6
30,3
35,7
35,8
40,2
41,0
Rbtu
1,26
1,96
2,81
3,02
3,13
-
3,23
-
Rbu/Rbcu
0,995
0,726
0,760
0,705
0,711
0,707
0,776
0,806
Eb [10-3]
23,5
30,5
34,5
36,8
41,0
41,8
44,0
47,1
B50 - II Rbcu
37,6
49,7
58,1
64,1
74,3
75,2
75,4
75,7
Rbu
26,9
35,1
42,5
36,3
54,8
58,1
57,0
58,4
Rbtu
3,466
4,060
4,460
4,660
4,840
-
4,830
4,870
Rbu/Rbcu
0,716
0,706
0,730
0,727
0,738
0,773
0,756
0,771
Eb [10-3]
40,5
43,7
46,5
48,4
49,0
-
49,7
51,8
Porovnání fyzikálně mechanických vlastností I. a II série Rbcu,II/Rbcu,I
2,285
2,189
1,596
1,49
1,48
1,483
1,473
1,47
Rbu,II/Rbu,I
2,085
2,127
1,540
1,528
1,535
1,623
1,418
1,424
Rbtu,II/Rbtu,I
2,750
2,071
1,587
1,543
1,546
-
1,495
1,50
Eb,II/Eb,I
1,723
1,433
1,348
1,315
1,195
1,148
1,129
1,11


LITERATURA
[1]Kolečkář: Strahovský automobilový tunel (Sborník konference Podzemní stavby '94, str. 100).
[2]Silniční obzor 1997, č. 11 (monotematické číslo věnované Strahovskému tunelu).
[3]Silniční obzor 1997, č. 12 (str. 401 až 412), články investora, projektanta a zhotovitele k dokončenému tunelu Hřebeč.
[4]Salač: Silniční tunel Hřebeč po dvou letech výstavby (časopis Tunel č. 2/1996).
[5]Formánek, Romancov: První ražený dvoukolejný tunel na pražském metru (časopis Tunel č. 4/1994).
[6]Zelenka: Ražba dvoukolejného tunelu na trase IV B pražského metra (časopis Tunel č. 4/1995).
[7]Hudek: Průzkumná štola silničního tunelu Mrázovka v Praze (časopis Tunel č. 3/1997).
[8]Dvořák, Němeček, Gramblička: Projektová příprava tunelů Mrázovka (příloha sborníku sympozia Podzemní stavby '97).