Technická řešení dlouhých železničních tunelů z pohledu investora a projektanta, část I.

obr. 1

1. ÚVOD
Železniční doprava byla v uplynulých dvou stoletích jedním z důležitých faktorů
technického a hospodářského rozvoje mnoha českých regionů. V 19. století a v první
polovině 20. století na našem území vznikaly železniční tratě, jejichž trasování
a parametry odpovídaly tehdejším potřebám a hospodářským zájmům. Velký vliv
na výběr trasy železnice má potřeba dodržení malého stoupání a limitní velikost
směrového oblouku, které podstatně ovlivňují traťovou rychlost.
Něco z minulosti
S největšími problémy při trasování se setkávali stavitelé alpských železnic
v 19. století. Obtížné trasovací podmínky přiměly často naše dávné předky, aby se
v kopcovitém či hornatém terénu rozhodli překážku provrtat a vést trať raději tunelem.
Jedním z prvních byla stavba trati přes horský průsmyk Semmering v letech 1848 -
1854. O její obtížnosti svědčí fakt, že na trati o délce 41,7 km pracovalo téměř 20 000
dělníků, je na ní kromě 129 mostů i 16 viaduktů a 14 tunelů. Nejkratší tunel je pouze
čtrnáctimetrový a nejdelší má 1431 m. Na stavbě při nejrůznějších nehodách zahynulo
89 lidí.
Dalšími náročnými alpskými železničními trasami bylo překonání Svatogotthardského
a Simplonského průsmyku ve Švýcarských Alpách. Svatogotthardský tunel má délku
15 km, byl dokončen po desetiletém budování v roce 1882 a stavitelé se museli potýkat
s velmi složitými geologickými podmínkami. Mladší, západněji situovaný tunel
Simplonský o délce 7,3 km byl stavěn v letech 1895 – 1906.
Současnost
Železniční doprava prožívá v současné době určitou renesanci. Její udržení a rozvoj je
mimo jiné také podporován dopravní politikou Evropské unie. Pro velké přepravní
proudy cestujících mezi nejdůležitějšími evropskými centry a aglomeracemi nejlépe
vyhovují koridorové konvenční a vysokorychlostní železniční spoje, které jsou
konkurenceschopné automobilové i letecké dopravě. V ČR byly trati určené
k modernizaci označeny jako I. – IV. tranzitní železniční koridor. Cílem modernizace je
umožnění vyšší přepravní rychlosti a zajištění vyšší bezpečnosti. Dosažení lepších
traťových parametrů bylo v mnohých úsecích umožněno zvětšením či odstraněním
oblouků a vedením trati v nové stopě.
Nové návrhové parametry vyvolaly nutnost vybudování mnoho nových inženýrských
objektů. Od roku 2000 byla na našich tratích postupně realizována výstavba tunelů
Vepřek, Krasíkovský, Tatenický, Třebovický, Malá Huba, Hněvkovský I, Hněvkovský II,
Březenský, Vítkovský jižní a Vítkovský severní. Řada dalších tunelů je v projektové
nebo předprojektové přípravě.
SŽDC, s.o. v rámci své investiční činnosti připravuje další nové tunelové stavby. Mezi
nejnáročnější, které vyžadují individuální přístup k bezpečnostnímu řešení, patří dlouhé
tunelové objekty:
− Modernizace trati Rokycany – Plzeň, tunel Ejpovice, dva jednokolejné tunely, délka
2 x 4 150 m,− Ústí nad O. – Choceň, nová trať, tunely Choceňské, 2 x dva jednokolejné tunely,
délky 5 027 m a 5000 m, 1 171 m a 1 185 m,
− Praha – Beroun, nové železniční spojení, tunel Barrandov, dva jednokolejné tunely,
délka 2 x 24 760m.2. VÝVOJ ZPŮSOBU RAŽBY
Nedílnou součástí vznikající železniční sítě byly od samého počátku i tunelové stavby.
Objevy nitroglycerinu a bezpečnějšího dynamitu (1876 – Alfred Nobel) ve spojení
s objevem pneumatického vrtání, znamenaly podstatnou racionalizaci prací. Provizorní
vyztužení výrubu obvykle tvořila výdřeva, ražba byla prováděna po jednotlivých
tunelových pasech ze směrové štoly až po definitivní vystrojení tunelu obezdívkou.
Rozvoj moderních tunelářských technologií v 2. polovině 20. století umožnilo zavedení
milisekundových odstřelů a řízených výlomů. To znamenalo zvýšení přesnosti trhacích
prací a současně snížení seismických účinků na povrchu. V poloskalních horninách
a v zeminách doznalo v období 60. a 70. let 20. století značného úspěchu
nemechanizované štítování při výstavbě tunelů metra v Praze.
Dnešní způsob ražení pomocí Nové rakouské tunelovací metody, která vědomě
a cíleně využívá nosných vlastností horninového masivu, se začal v ČR používat
začátkem 90. let 20. století. Velké a takřka výhradní zaujetí Novou rakouskou
tunelovací metodou (NRTM) přetrvává v České republice i v současnosti. NRTM je
v našich poměrech, charakteristických relativně krátkými tunely, oprávněně
preferována.
Poslední projekty dlouhých železničních tunelů v České republice již počítají s ražbou
pomocí plnoprofilových tunelovacích strojů (TBM) a měly by tak přinést potřebné
oživení vývoje. Ve světě je nejrozšířenější metoda výstavby dlouhých tunelů právě
ražba pomocí TBM. Vedou k tomu různé důvody, z nichž některé uvádíme:
− rychlejší postup ražby oproti konvenční metodě, kratší doba výstavby,− po velkém počtu ve světě strojem ražených tunelů jsou stroje TBM stále
dokonalejší, jsou schopné si poradit s proměnlivými geologickými podmínkami,
− stroj TBM zajišťuje vyšší bezpečnost a kulturu práce; pracovníci nejsou v přímém
kontaktu s horninou, nemohou být zasaženi závalem,
− stroj TBM má stálou kontrolu objemu odtěženého materiálu a nenarušuje okolí
výrubu trhacími pracemi; nedochází tedy ke vzniku volných prostor za ostěním
v důsledku nekontrolovaného odtěžení rozvolněné horniny; poklesy na povrchu
jsou pak minimální, což je výhodné zejména při podcházení zastavěným územím,
− kruhový profil tunelu je staticky nejvýhodnější a tedy nejbezpečnější
při přiměřených nákladech.
3. PŘÍČNÝ ŘEZ TUNELU A DEFINITIVNÍ OSTĚNÍ
Velikost příčného řezu tunelu má zásadní vliv na cenu. Rozměr vychází z tunelového
průjezdného průřezu dle ČSN 73 7508 Železniční tunely. Pod tunelovým průjezdným
průřezem je prostor pro konstrukční uspořádání koleje, nutné kolejové lože a tunelovou
stoku a nahoře je nutný prostor pro trakční vedení.
Nové železniční tunely, realizované u nás na koridorových tratích, jsou všechny
dvoukolejné. Je to vhodné řešení pro krátké tunely (délka cca do 1 km). Dvoukolejná
železniční trať je jimi vedena v nezměněné vzdálenosti kolejí 4,0 m. Plocha
teoretického výrubu je cca 95,0 m2. Konstrukce se vyznačuje dvojím ostěním
(primárním i sekundárním). Zpravidla deštníková izolace s bočními drenážemi
za patkami opěr znamená, že ostění není zatíženo tlakem podzemní vody a není
na něj dimenzováno. Odvodnění tunelu je umožněno jednotným sklonem trati
v krátkém úseku tunelu. U tunelů délky do 1 km také není třeba budovat únikové štoly.
Jiná situace je u dlouhých železničních tunelů. V souladu s evropskými zkušenostmi
a zvyklostmi jsou dlouhé železniční tunely u nás navrženy jako dvojice
jednokolejných tunelů. Při nehodě v jedné tunelové troubě slouží druhá tunelová
trouba jako bezpečný prostor pro únik osob, současně je vyloučeno potkávání
protisměrných vlaků.
Základní příčný řez pro ražbu tunelovacími stroji je kruhový. Plocha teoretického
výrubu je cca 2x 70,0 m2. Velikost profilu obdobných tunelů ve světě a v Evropě se
velmi různí v závislosti na individuálních okolnostech (návrhová rychlost, navržené
vybavení tunelu, aerodynamické řešení tunelu, použité vlakové soupravy, atd.).
Velikost profilu potvrzuje aerodynamická studie.
Tunely ražené tunelovacími stroji budou zajištěny jednoplášťovým ostěním
ze železobetonových dílců / segmentů. To znamená, že tunelovaní stroj se bude
při posunu opírat o zabudované ostění. Tohoto řešení se využívá při procházení úseků
s horninami relativně malé tvrdosti, kdy je nutno použít typ stroje bez bočních
přítlačných desek (rozpěr). Jednoplášťové ostění není provázeno drenáží. Ostění musí
být nepropustné po celém obvodu – typ „ponorka“ a musí odolávat tlaku vody.
Vzhledem k výšce nadloží do 100 m v našich morfologických podmínkách je to řešení
staticky reálné.
Jednoplášťové ostění je obecně optimální řešení pro ražbu tunelovacími stroji
(u dvouplášťového ostění je celková tloušťka betonových vrstev větší než
u jednoplášťového ostění). Jednoplášťové ostění znamená rychlejší výstavbu a nižší
náklady.

obr. 1 Situace dlouhých tunelů na koridorových tratích