Geomonitoring při stavbě tunelu Mlčechvosty, Modernizace trati Kralupy n.Vlt. - Vraňany, tunel v km 446,030 - 446,420

Doc. Ing. Alexander Rozsypal, Ing. Václav Veselý, SG-GEOTECHNIKA a.s.

Abstract

V rámci modernizace železničních koridorů na území České Republiky byl v úseku trati Kralupy nad Vltavou – Vraňany vyražen nový dvoukolejný tunel. Při jeho výstavbě byla poprvé na železnici využita Nová rakouská tunelovací metoda (NRTM).

Nedílnou součástí NRTM je soubor kontrolních geotechnických měření – geomonitoring. Při výstavbě tohoto tunelu byl monitoring efektivně uplatňován spolu s nezávislým geotechnickým dozorem.

Článek popisuje průběh a výsledky komplexního geomonitoringu při realizaci tunelu.

Princip NRTM

Principem Nové rakouské tunelovací metody je maximální zapojení samotného horninového masivu do přenášení zatížení, které působí na ostění tunelu po provedení výrubu. Toho se dosahuje povolením určitých přetvoření ostění a to tak, aby poměr zatížení přenášených ostění a zatížení přenášených vlastní horninou byl optimální. Jedná se tedy o observační metodu, založenou na měření. Pro její účinné uplatnění je proto důležité, aby byla prováděna erudovaným subjektem, zkušeným v oblasti měření, geotechniky a nezávislým na subjektu, který provádí vlastní ražbu tunelu.

Cíl geomonitoringu

Cílem geomonitoringu, jinak též kontrolního sledování, je:

• ověřit hypotézu o mechanickém chování systému hornina – ostění tunelu během jeho ražby,
• korigovat tuto hypotézu podle výsledků měření a používat ji pak pro předpověď deformační reakce horninového masivu na ražbu v dalších fázích výstavby tunelu,
• průběžně přizpůsobovat technologii ražby dosahovaným výsledkům měření tak, aby deformační reakce horninového masivu nevybočila z projektem daných mezí,
• kontrola bezpečnosti výstavby.

Lze též konstatovat, že geomonitoring zaručuje dosažení předepsaných kvalitativních parametrů stavby a je tudíž i nezbytnou součástí systému řízení jakosti.

Nedílnou součástí geomonitoringu prostřednictvím měřící techniky je i vizuální sledování ostění a čeleb spolu s podrobným geotechnickým hodnocením zastiženého horninového masivu na čelbách.

Použité metody měření

Pro sledování přetváření systému hornina-ostění tunelu se standardně používá měření konvergencí ostění výrubu. Deformace horninového masivu se obvykle sledují pomocí extenzometrů a inklinometrů ve vrtech. Dále se provádějí mikroseismická měření, měření tlaku horniny na primární ostění tlakovými poduškami a měření normálových tlaků v primárním ostění rovněž tlakovými poduškami. Geodeticky se sleduje stabilita portálových svahů. Extenzometry ve vrtech je možno instalovat jak z tunelu (vysoké nadloží), tak z povrchu terénu nad tunelem. Výhodnější je osazovat extenzometry v předstihu před ražbou do vrtů prováděných z povrchu terénu. Pouze tak je možno zachytit deformace, které se vyvíjí již v předstihu před čelbou. Mikroseismická měření se využívají u hlubokých tunelů pro zjištění rozsahu rozvolněné zóny v okolí výrubu, jejich využití u mělkých tunelů je řídké. S přihlédnutím k minimalizaci ovlivnění plynulosti ražby a zastiženým geologickým poměrům bylo při realizaci tunelu Mlčechvosty použito:

1. měření konvergencí výrubu
2. extenzometrické měření ve vrtech prováděné ve dvou příčných profilech z povrchu nad tunelem (staničení TM 70,00 a TM 150,00),
3. nivelace povrchu terénu nad tunelem (dva příčné a jeden podélný profil),
4. trigonometrické sledování svahů portálových jam a svahu nad stávající tratí.

Nedílnou součástí geomonitoringu bylo i nepřetržité sledování geologických a geotechnických podmínek na čelbě tunelu zkušeným geotechnikem. Přesný popis horninového masivu a stability čelby s ohledem na výsledky geotechnických měření umožnily správné zatřídění výrubu do technologických tříd NRTM.

Měření bylo zahájeno v prosinci 2000 při realizaci stavebních jam pro děčínský a pražský portál (kontrola stability portálů a svahů jam) a pokračovalo během vlastní ražby tunelu (konvergenční měření, nivelace na povrchu, extenzometry a sledování stability svahu nad stávající tratí). Systém a četnost měření se odvíjeli od technologie ražby tunelu. Profil tunelu byl členěn horizontálně na kalotu, jádro (levé a pravé) a dno.

Výsledky měření byly ihned nebo nejpozději do 6-ti hodin po změření a vyhodnocení předávány zhotoviteli a projektantovi. Investor (ČD DDC Praha) byl o výsledcích pravidelně informován na kontrolních dnech s podzhotovitelem. Ucelený přehled výsledků měření byl obsahem pravidelných měsíčních zpráv o geomonitoringu.

Měření deformací svahů stavebních jam

Děčínský a pražský portál

S postupem odtěžování a zajišťování svahů jámy byly osazovány body pro sledování stability svahů. Celkem bylo osazeno 13 měřičských bodů na každém portálu: 6 bodů ve spodních etážích portálových svahů, 6 bodů ve spodních etážích stěn při portálech a jeden bod na základu stožáru VN nad pražským portálem. Tato měření umožnila grafické znázornění časové závislosti přetváření svahů stavební jámy, resp. podélného nebo příčného posunu.

K výraznějšímu nárůstu deformace došlo při prohloubení jámy na úroveň dna kaloty a při zahájení ražby v kalotě. To se projevilo logickým sednutím bodu v rohu mezi portálem a stěnou o 12 mm, kde vždy dochází ke koncentraci napětí. K dalšímu poklesu došlo při zahájení ražby dna tunelu, kdy body v ose tunelu a v rohu portálu vykázaly nárůst sedání o 2-4 mm. Celkové hodnoty deformace dosáhly ve směru sedání 11 mm. Deformace ve směru kolmém k portálu dosahovaly minimálních hodnot (do 4 mm) a vždy se rychle ustálily (obecně po zanoření čelby 15 m do hory). V žádném okamžiku proto nedošlo k překročení stability a nebylo nutno přistoupit k dodatečnému zajištění svahů.

Měření deformace výrubu

Klasická konvergence je změna vzdálenosti protilehlých bodů osazených na ostění. Moderněji se určují absolutní polohové změny respektive vektory pohybu každého z měřených bodů. Vektory se pak rozkládají do vodorovných a svislých složek a do složky rovnoběžné s osou tunelu. Měření ve větších profilech se dnes zásadně provádí optickými přístroji.

V daném případě jsme použili automatickou totální stanici LEICA TCA 2003. Přesnost přístroje je 0,5^cc , tedy přesnost metody jako takové je 10^-3m v určení prostorové polohy bodu.

Vlastní měření bylo prováděno na profilech, které sestávají z 5 bodů. V kalotě jsou umístěny 3 body (1 x ve vrcholu a 2 x na boku), v jádře je na každém boku jeden bod. Při ražení profilu členěným výrubem byly v jednotlivých fázích výrubu osazovány měřičské body a postupně byly napojovány na předešlá měření. Měřičský bod byl osazen vždy v posledním záběru intervalu mezi měřičskými profily před provedením dalšího záběru.

Výsledkem měření je grafické znázornění časové závislosti deformací v jednotlivých bodech měřičských profilů. Každý bod profilu je v grafu označen svou křivkou, která ukazuje vývoj jeho deformací v čase. Současně je v grafu uveden časový postup ražby vzhledem ke staničení daného profilu (vzdálenost čelby jednotlivých výrubů od měřičského profilu).

V průběhu ražby bylo postupně osazeno 18 konvergenčních profilů. Po osazení bodů bezprostředně za čelbou kaloty docházelo k vývoji deformace, která se postupně ustálila do 5-ti dnů po osazení, tzn. po vzdálení čelby od profilu na 10-15 m (vzdálenost cca 2 výšky výrubu). Na všech profilech převažovaly svislé deformace (sedání). Ty po průchodu kaloty dosahovaly 8-10 mm. S průchodem čeleb jádra tunelu docházelo k dalšímu poklesu bodů o 2-4 mm (celkem 10-15 mm), aby po průchodu dna tunelu body poklesly o dalších 4-5 mm. Celkové deformace ve svislém směru (sedání) tedy dosáhly 18-22 mm. Deformace způsobené ražbou jádra a dna tunelu se ustalovaly podstatně rychleji (do 2 dnů), tzn. po vzdálení čeleb 5-10 m od profilu (vzdálenost cca. 1-1,5 výšky výrubu). Deformace výrubu ve vodorovném směru dosahovaly čtvrtinových hodnot jak ve směru konvergence, tak divergence a většinou nepřesáhly 5 mm. V připortálových úsecích byly vodorovné deformace větší a neměly směr konvergence, ale směřovaly ven ze svahu. Tento trend odpovídá rozdílu vodorovných tlaků vpravo od tunelu (v hoře) a vlevo od tunelu (štíhlý horninový pilíř mezi tunelem a lícem svahu). V žádném profilu však nepřesáhly 7 mm.

Výjimkou byl profil č.12 ve staničení TM 175,00 (třída výrubu NRTM IV.), kdy po průchodu kaloty došlo k nárůstu sedání až o 28 mm (viz. obr. 1 a 2). Deformace se však ustálila klasickým tempem (do 5-ti dnů, tzn. vzdálenost cca 2 výšky výrubu) a další vývoj při ražbě jádra a dna již byl totožný s ostatními profily, tzn. nárůst o 2 mm, resp. 4mm. Celková deformace (sedání) dosáhla 34 mm. Tato hodnota překročila limit stanovený projektantem (30 mm). Po pravidelném sledování ostění a konzultaci s projektantem (ILF CE,s r.o.) nebylo přistoupeno k zesílení primárního ostění. Průběh deformací ve vodorovném směru měl klasický vývoj a hodnoty nepřesáhly 5 mm.

Ražba v profilu	deformace – sedání [mm]		podíl na celk. deformaci [%]
	dílčí	celková
kaloty	10	19	52 %
jádra	4		21 %
dna	5		27 %

Tab.1: Vliv jednotlivých částí ražby na celkovou deformaci výrubu. V tabulce jsou uvedeny typické hodnoty deformací.

Extenzometrická měření

Extenzometr je zařízení, které umožňuje měřit deformace horninového masivu ve směru jeho podélné osy. Zpravidla se konstruují jako vícenásobné tyčové extenzometry osazované do vrtu.

Extenzometry (výroba SG-Geotechnika a.s.) jsou tvořeny laminátovými pruty (odolné vůči teplotním změnám) ukotvenými v daných úrovních a zhlavím pro odečet deformací. Jako vztažný bod je bráno zhlaví, které je při každém odečtu nivelováno.

V předstihu před ražbou tunelu bylo z povrchu nad tunelem odvrtáno 5 vrtů a do nich osazeno celkem 5 extenzometrů. Extenzometry byly situovány do dvou příčných profilů, tzn. ve staničení TM 70.00 a TM 150.00. Profil TM 70.00 sestává ze dvou extenzometrů: jeden v ose tunelu s kotvami v úrovni 8, 14 a 20 m pod terénem a druhý byl situován vedle profilu tunelu s kotvami v úrovni 8, 14, 20 a 27 m pod terénem. Profil TM 150.00 je tvořen třemi extenzometry: jeden v ose tunelu (úrovně 8, 14 a 19 m) a dva symetricky vedle tunelu (úrovně 8, 14, 19 a 25 m). Nejnižší kotevní úrovně byly voleny tak, aby u extenzometrů v ose tunelu končily do 1 m nad stropem kaloty a u extenzometrů vedle tunelu zasahovaly min. do poloviny výšky tunelu. Základní měření bylo provedeno v dostatečném předstihu před ražbou tunelu. Vyhodnocení probíhalo formou grafických výstupů, kde byly zobracovány jak celkové sedání všech úrovní, tak relativní sedání jednotlivých úrovní vůči terénu.

První sedání nad osou tunelu zaznamenaly extenzometry již v okamžiku, kdy se k nim čelba kaloty přiblížila na vzdálenost 15m. V momentě, kdy čelba kaloty byla v rovině extenzometrů, změřená sedání dosahovala pouze 30% ze své konečné hodnoty. Výraznější zpomalení nárůstu sedání nastalo po vzdálení čelby kaloty 15-20 m za profil (7 dnů, tzn. vzdálenost cca 3 výšky výrubu). Konečné hodnoty pak bylo dosaženo až po vyražení dalších 50 m. To si vyžádalo okolo 20 dnů. Podobně tomu bylo i během průchodu čeleb jádra a dna tunelu (tab. 2).

Extenzometry vedle profilu tunelu (04Ex2, 04Ex3 a 04Ex5) vykazovaly mnohem menší hodnoty sedání, než tomu bylo nad osou tunelu. To potvrzuje, že se nad tunelem prováděným v lavicovitě uložených horninách vytvářela poměrně úzká poklesová kotlina. Vývoj sedání měl obdobný průběh jako u extenzometrů nad osou tunelu, pouze celkové sedání dosahovalo třetinových hodnot.

V následující tabulce je uveden podíl jednotlivých částí výrubu na celkovém sedání horninového masivu nad tunelem.

Extenzometr	Úroveň pod terénem [m]	Dílčí sedání [mm]				Celk. sedání [mm]	% sedání
		před průchodem čelby	kalota	jádro	dno		před průchodem čelby	kalota	jádro	dno
v ose tunelu 04Ex4	terén	1	5	7	8	8	12 %	62 %	22 %	16 %
	8	2	9	11	12	12	17 %	78 %	14 %	8 %
	14	3	17	19	20	20	15 %	82 %	13 %	5 %
	19	10	26	30	31	31	33 %	86 %	12 %	2 %
vedle tunelu 04Ex3 04Ex5	terén	0	5	6	8	8	0 %	61 %	20 %	19 %
	8	1	6	8	9	9	11 %	72 %	14 %	14 %
	14	1	7	8	10	10	10 %	72 %	15 %	13 %
	19	1	6	7	9	9	11 %	69 %	16 %	15 %
	25	0	5	6	8	8	0 %	63 %	20 %	17 %

Obr.3: Princip fungování extenzometru

Nivelace povrchu a trigonometrické sledování svahu při stávající trati

Nivelace na povrchu

V návaznosti na měření extenzometrů probíhala klasická přesná nivelace stabilizovaných měřičských bodů na povrchu terénu. Toto měření sloužilo k ucelení dokumentace chování horninového masivu porušeného prováděním podzemního díla. Celkem bylo měřeno 17 nivelačních bodů (5x zhlaví extenzometrů a 12x body osazené na terénu). Nivelační body na povrchu terénu byly uspořádány do podélného nivelačního profilu v ose tunelu a do dvou příčných nivelačních profilů ve staničení TM 70,00 a TM 150,00. Průběh nárůstu sedání byl shodný s vývojem na extenzometrech. Hodnoty sedání dosahovaly maximálně 10 mm v ose tunelu. Ve vzdálenosti 20 m od osy tunelu dosahovalo sedání max. 3 mm. Šířka poklesové kotliny dosahovala do 30 m od osy tunelu. Rychlý úbytek sedání směrem od osy tunelu svědčil o příznivém vývoji příčné poklesové kotliny a o bezpečném chování celého horninového masivu nad tunelem.

Trigonometrické sledování svahu při stávající trati

Horninový pilíř oddělující výrub tunelu a povrch svahu nad stávající tratí dosahoval při portálech šířky pouze 6 m. V ostatních místech tunelu nepřesáhla mocnost 12 m. Vzhledem k tomu, že v tunelu bylo při ražbě používáno trhacích prací, bylo kvůli zajištění bezpečnosti provozu na stávající trati osazeno pod temenem svahu celkem 6 bodů pro trigonometrické sledování stability svahu. Body byly osazeny po celé délce tunelu. Byly sledovány po celou dobu ražby tunelu, tzn. měření bylo zahájeno v únoru 2001 a skončilo v červnu 2001.

Přestože se seismické účinky od trhacích prací šířily v lavicovitě uložených horninách do velkých vzdáleností a se silnými účinky, na deformacích svahu se projevily minimálně. Hodnoty svislých a vodorovných posuvů se pohybovaly jen do 6-9 mm. Oproti tomu zvýšené jarní srážky (březen – duben) vyvolaly pohyby ve svrchní vrstvě svahu (ve směru kolmém ke svahu došlo k nárůstu až na 65 mm). Po zmírnění srážek se deformace ustálily. Po důkladné obhlídce svahu bylo zjištěna řada zátrhů staršího data, která svědčila o tom, že svah byl už v historii (a zřejmě pravidelně) postihován podobnými suťovými sesuvy. Celková stabilita svahu ale narušena nebyla a nebyl proto důvod vydat podnět pro omezení provozu na stávající trati.

Závěr

Dvoukolejný železniční tunel Mlčechvosty na traťovém úseku Kralupy nad Vltavou – Vraňany je prvním tunelem v síti Českých drah ražený pomocí Nové rakouské tunelovací metody. Nedílnou součástí metody je soubor kontrolních měření, které přispívají k optimalizaci ražby a úspornému ale bezpečnému dimenzování ostění. Na základě výsledků měření konvergencí a jejich včasného předávání všem zúčastněným stranám byl operativně upravován způsob ražby a vystrojení v jednotlivých technologických třídách. Zpětná analýza výsledků měření konvergencí, extenzometrů a nivelace vedla k upřesnění modelu pro výpočet statického působení sekundárního ostění.

Ražba pomocí NRTM se již v minulosti osvědčila při výstavbě tunelů na německých klasických i vysokorychlostních tratí. V součinnosti s komplexním geomonitoringem, prováděným v rámci nezávislého geotechnického dozoru, byla nyní úspěšně aplikována i při modernizaci železničního koridoru Českých drah v naší republice.

zpět na seznam