Tunel Žilina – projektovanie, výstavba a geotechnický monitoring

Príspevok opisuje stavbu tunela Žilina, ktorý je súčasťou výstavby diaľnice D1 Hričovské Podhradie – Lietavská Lúčka. Tunel Žilina je navrhnutý podľa požiadaviek objednávateľa v kategórii 2T 8,0/100 v celkovej dĺžke 1 371 m (STR – 684 m, JTR – 687 m). Súčasťou tunela sú dve priechodné priečne prepojenia slúžiace ako chránené únikové cesty.

V tunelových rúrach sa plánuje jednosmerná premávka. V prípade uzatvorenia jednej tunelovej rúry bude viesť náhradná doprava po existujúcej obchádzkovej komunikácii na pôvodnej trase cesty I/18. Tunel Žilina je tunelom I. kategórie podľa TP 11/2011 Protipožiarna bezpečnosť cestných tunelov s povolením ADR. V jednotlivých častiach príspevku opisujeme základné všeobecné informácie o tuneli, jeho projektové riešenie, geotechnický monitoring, technológiu a postup výstavby vzhľadom na náročné geologické podmienky. Práve zastihnuté geologické podmienky si vyžadujú operatívny prístup zhotoviteľa, projektanta, geológa a geotechnika pre optimálne riešenie primárneho ostenia a zníženie rozvoľňovania horninového masívu.

Základné údaje

Diaľnica D1 v úseku Hričovské Podhradie – Lietavská Lúčka je súčasťou diaľnice D1 hranica ČR/SR a hranica SR/UR, ktorá je úsekom  medzinárodného ťahu E-50 (Paríž – Norimberg – Praha – Brno – Trenčín – Žilina – Košice – Užhorod). Z hľadiska vnútroštátneho významu je súčasťou diaľničnej siete, ktorá bude spolu s vymedzenými ťahmi z vybranej siete tvoriť základnú kostru na území SR. Predmetný úsek diaľnice sa nachádza na území VÚC Žilinského samosprávneho kraja v okrese Žilina. V súčasnosti sa celý dopravný objem cestnej premávky v predmetnom dopravnom úseku realizuje po cestách I/18 a I/64, pričom cesta I/18 vedená intravilánom obce Dolný Hričov a mestom Žilina patrí na tomto úseku už teraz k najzaťaženejším dopravným tepnám Slovenska. Účelom stavby je prepojiť úsek Vrtižer – Hričovské Podhradie a diaľnicu D3 s východnými okresmi Žilinského kraja a východným Slovenskom. Vybudovaním tohto úseku, ako aj celého diaľničného ťahu D1 sa skvalitnia podmienky pre medzinárodnú a vnútroštátnu dopravu, vytvorí sa kvalitnejšie dopravné spojenie do všetkých kútov Slovenska a prispeje sa k vytvoreniu lepších životných podmienok pre Dolný Hričov a hlavne Žilinu. Dôležitou a náročnou časťou tohto úseku je aj tunel Žilina.  

Obr. 1 Situácia tunela Žilina

Navrhovaný tunel Žilina (obr. 1) je podľa STN 73 7507 kategórie 2T – 8,0 s jednosmernou premávkou. Dĺžkovo je podľa normy STN 73 7507 kategorizovaný ako stredne dlhý tunel. Návrhová rýchlosť sa oproti zadávacej dokumentácii upravila podľa požiadaviek objednávateľa na 99,6 km/h. Smerové vedenie v tunelových rúrach sa upravilo prispôsobením a vložením nových polomerov a úpravou priečneho sklonu z hodnoty 4,0 % na hodnotu 4,96 %. Pri návrhu sa prihliadalo na zábery a na nadväznosti na iné časti stavieb. Súčasťou tunela sú dve priechodné priečne prepojenia, ktoré slúžia ako chránené únikové cesty. Geometria priečnych prepojení je daná priechodným prierezom v zmysle STN 73 7507. Územie pred portálmi, ako aj v trase tunela má charakter poľnohospodárskej pôdy, lesov a lúk. Nad tunelom ani v blízkosti portálov sa nenachádza žiadna povrchová zástavba. Stavebníkom a zároveň budúcim správcom tunela je Národná diaľničná spoločnosť, a. s. Zhotoviteľom stavby D1 Hričovské Podhradie – Lietavská Lúčka je Združenie Ovčiarsko s vedúcim členom Doprastav, a. s., Bratislava a členmi VÁHOSTAV – SK, a. s., Žilina, STRABAG, s. r. o., Bratislava a Metrostav, a. s., Praha. Priamym zhotoviteľom tunela Žilina je spoločnosť Doprastav, a. s., Bratislava a Metrostav, a. s., Praha. Stavebný dozor vykonávajú pracovníci NDS, a. s.

Geologické a geotechnické pomery

Geologická skladba masívu, tektonické pomery a svahové pohyby

Inžinierskogeologické pomery sú definované v geologických správach tunela Žilina spolu s geologickými profilmi, ktoré sú súčasťou inžinierskogeologického a hydrogeologického prieskumu (IGHP). Horninový masív je budovaný paleogénnym súvrstvím ílovcov a pieskovcov, s prevahou ílovcov v celom hodnotenom úseku. Od východného portálu (VP) je prekrytý formáciou kvartérnych pokryvných útvarov reprezentovaných terasovým a deluviálnym komplexom. Kvartér (terasový komplex) je zastúpený terasovými ílmi, resp. polygenetickým materiálom, štrkmi s polohami piesku. Medzi najvýznamnejšie geodynamické procesy vyvinuté v koridore tunela Žilina patria svahové pohyby, zvetrávanie, erózia, objemové zmeny, zemetrasenie a neotektonické pohyby. Svahové pohyby ukazujú, že ide o zosuvné územie. Zastúpenie zosuvného delúvia je vyvinuté v okolí západného portálu, ktoré však nezasahuje bezprostredne do portálovej časti tunela. V jeho východnej okrajovej časti sa bude v tejto súvislosti realizovať zárez. Zvetrávanie veľmi výrazne degradovalo poloskalné horniny paleogénneho komplexu na zeminy. Zóna zvetrania zasahuje do hĺbky viac ako 10 m od povrchu paleogénneho podložia.  Výraznejšie vplyvy zvetrávania sú najmä v masívoch porušených tektonikou, resp. so zastúpením ílovcov s výrazným obsahom nestabilných ílových minerálov.

Hydrogeologické pomery

Hladina podzemnej vody je v celej trase tunela nad projektovanou niveletou a má mierny vztlakový charakter. Jej úroveň na území bola zistená v hĺbke 2,4 m p. t. až 19,2 m p. t. a ustálila sa v hĺbke 0,73 m p. t. až 18,0 m p. t.  Odvodňovacie terasy v oblasti západného portálu sú skrytým prestupom podzemných vôd do svahových sedimentov a spôsobujú podmáčanie a aktivizáciu zosuvu v km 33,580 až 33,668. Toto podmáčanie je evidentné na úpätí svahu a výrazné v zosuvnom území, kde možno okrem zamokrenia v blízkosti vrtu J-48 a vo svahu pod projektovaným portálom pozorovať pramene.

Geotechnické hodnotenie a rozdelenie masívu do geotechnických typov

Oblasť západného portálu je poznačená blízkosťou potenciálneho prúdového zosuvu, ktorý je v súčasnosti stabilizovaný, ale intenzívne podmáčaný. Zosuvný materiál predstavuje íl so strednou až vysokou plasticitou, s totálnou nasýtenosťou a prevažne tuhou až tuho-mäkkou konzistenciou (F6/CI,F8/CH). Vysoké vztlaky a lokálny výskyt organických látok si vyžiadajú sanáciu predmetného úseku (predpokladaný násyp) formou realizácie systému subhorizontálnych odvodňovacích vrtov s nevyhnutnou výmenou a definitívnou úpravou podložia (štrkopieskové rebrá, resp. úprava kamennou rovnaninou). Podložie tvoria silne zvetrané až rozložené ílovce charakteru zemín, prevažne s extrémne nízkou pevnosťou R-6. V zóne zvetrania je zmenený ílovec na íl vysokej plasticity (F8/CH) tuhej až pevnej konzistencie. Na rozhraní kvartéru a podložných hornín paleogénu (zvetraných ílovcov) treba očakávať zvýšené prítoky podzemnej vody.

Oblasť východného portálu má v profile razenia obdobné geotechnické vlastnosti ako na západnom portáli, avšak výskyt nesúdržných terasových štrkov a pieskov v nadklenbovej časti vytvára ihneď od začiatku razenia podmienky nestability stropu. Nepriaznivý puklinový systém po svahu na kontakte s paleogénnym podložím hrozí výdatnými prítokmi vody. Horninový masív bol v celej dĺžke rozdelený na základné kvázihomogénne úseky s charakteristickými geotechnickými parametrami, ide o tzv. geotechnické typy G1, G2 a G3. Tektonicky porušené ílovce (výrazne milonitizované) majú úlomky veľké zväčša 1 až 2 cm, ojedinele do 8 cm. Intenzívne porušené ílovce sú prevrásnené, s vyhladenými plochami a málo výraznou tenkodoskovitou vrstevnatosťou.

Obr. 2 Pohľad na západný portál

Technické riešenie

Technické riešenie tunela je navrhnuté tak, aby zodpovedalo požiadavke na životnosť min. 100 rokov (sekundárne ostenie tunela). Zároveň je navrhnuté tak, aby tunelové rúry a únikové cesty zodpovedali z hľadiska bezpečnosti a riadenia prevádzky požiadavkám platných predpisov. Celý tunel je projektovaný pre diaľničnú dopravu, s dvomi prechodnými prepojeniami. Pri návrhu razenia tunela Žilina sa uvažovalo o nasadení dovrchného razenia zo západného portálu (obr. 2), ktoré prebieha v súčasnosti. Pred samotným začatím razenia sa vykonali potrebné opatrenia – ochranný mikropilótový dáždnik (MP) 114/6,3 s dĺžkou 20,0 m s razením v dĺžke 15 m na južnej tunelovej rúre (JTR) a korytnačka v dĺžke 12,5 m na severnej tunelovej rúre (STR) ako súčasť objektu 441-00 – západný portál. Po prejdení tohto úseku pokračovalo razenie pod ochranou jedného radu samozávrtných ihiel s dĺžkou 9 m. Ďalej pokračovalo vo vystrojovacej triede VT 7.2 na severnej tunelovej rúre. Na východnom portáli bude pred zarazením potrebné vybudovať ochranný dáždnik (MP) 114/6,3 s dĺžkou 20,0 m s razením v dĺžke 15 m. Postupy a členenie razenia sú znázornené v schémach razenia. Budovanie tunela sa realizuje cyklickým spôsobom razenia s horizontálnym členením výrubu na kalotu, stupeň a dno, resp. spodnú klenbu. S ohľadom na predpokladané inžiniersko­geologické pomery sa pritom uvažuje primárne s rozpojovaním hornín a razením pomocou tunelbagra. Pri razení v oboch portálových oblastiach je potrebné čo najskôr uzatvoriť ostenie (dokončiť spodnú klenbu), aby sa predišlo veľkým deformáciám nadložia.

Postup razenia tunela

Razenie prebieha dovrchným spôsobom od západného portálu. Minimálna vzdialenosť čelieb severnej (ľavej) a južnej (pravej) tunelovej rúry je stanovená projektantom na minimálne trojnásobok profilu tunela, t. j. na 40 m. Profil tunela sa horizontálne delí na kalotu, stupeň a dno, resp. spodnú klenbu. Každá z týchto častí sa vyrazí samostatne. Hneď po vyrazení každej jednotlivej časti záberu sa musí osadiť výstroj primárneho ostenia podľa navrhnutej triedy výrubu. Čelba po výrube sa nesmie nechať nevystrojená. Dodatočne sa s dostatočným odstupom od čelby budú raziť výklenky pre čistiace výklenky (CV), združené výklenky a zárodky priečnych prepojení. Minimálna vzdialenosť na ich razenie od uzavretého ostenia tunela je 25 m. Deformácie ostenia musia byť ustálené. Medzi jednotlivými cyklami, ktoré musia byť vždy kompletne ukončené, sa môžu vykonať doplňujúce činnosti, ako sú predĺženie prívodu elektrickej energie, tlakovej vody a vzduchu, ventilácia, odvodňovacie rigoly, rampy na transport rúbaniny a i. Dno sa vybuduje podľa výkresovej dokumentácie pre príslušnú triedu razenia. Spodná klenba zo striekaného betónu a oceľových výstužných sietí musí byť chránená pred poškodením dostatočnou vrstvou vhodného zásypového materiálu. Ako dočasný zásypový materiál sa môže použiť aj vhodný výrubový materiál.

Tab. 1 Prehľad VT podľa TP 06-1/2006

Triedy razenia a vystrojenie primárneho ostenia

Pri cyklickom razení sa horninový masív zatriedil do tried výrubu podľa TP 06-1/2006. Tento technický predpis zadáva spôsob určenia, ako aj zatriedenia a triedy razenia do prehľadnej matice. Na samotné určenie čísla triedy výrubu platia dve samostatné kritériá, ktoré sú charakteristické prvým a druhým určujúcim číslom. Prvé určujúce číslo zohľadňuje dĺžku záberu (výrubu) a horizontálne delenie razeného profilu. Druhé určujúce číslo je priamo závislé od množstva a druhu výstroja primárneho ostenia. Profil tunela sa horizontálne delí na kalotu, stupeň a dno, resp. spodnú klenbu. Jednotlivé triedy výrubu platia pre kalotu, stupeň a dno, resp. spodnú klenbu, pričom v prípade potreby sa môžu prispôsobiť meniacim sa podmienkam. Ľubovoľná kombinácia tried razenia je možná a závisí od skutočných inžinierskogeologických a geotechnických pomerov priamo na čelbe. Pred každým záberom sa po dohode medzi stavebným dozorom investora a stavbyvedúcim z dodávateľskej firmy určí trieda výrubu priamo na stavbe.

Obr. 3 Vzorový priečny rez primárneho ostenia

Prvky vystrojenia primárneho ostenia

Zaistenie výrubu a jeho vystrojenie (obr. 3) predstavuje prostriedok na zabezpečenie stability výrubu a vytvorenie odporu zaťaženiu horninovým tlakom priamo na hrane výrubu. Striekaný betón pre primárne ostenie je štandardne navrhnutý triedy C25/30-X0-Cl1,0-Dmax8 J2. Z dôvodu častých nepriaznivých geologických podmienok a prítokov vody treba v takýchto úsekoch používať z hľadiska nárastu pevnosti betón v triede J3. Z dôvodu hrúbky primárneho ostenia (podľa konkrétnej vystrojovacej triedy) 25 až 35 cm treba betón nanášať v dvoch vrstvách. Oceľová výstuž striekaného betónu je navrhnutá zo zváraných oceľových sietí 8 x 8/150 x 150 mm ocele triedy B500B. Siete sú uložené v jednej alebo dvoch vrstvách, vždy podľa príslušnej vystrojovacej triedy. K prútom sietí sa v radiálnom smere pripevňuje prídavná prútová výstuž  Ø 10 mm z betonárskej ocele B500B, podľa príslušnej vystrojovacej triedy. Pre primárne ostenie kaloty, stupňa a dna sú navrhnuté oblúkové oceľové nosníky z ocele triedy B500B podľa príslušnej vystrojovacej triedy. Nosníky v dne nemajú statickú funkciu, používajú sa z dôvodu dodržania tvaru protiklenby. V kalote sú nosníky osadené v každom zábere, v stupni v každom druhom zábere kaloty a v dne v každom štvrtom zábere kaloty. V bežnom profile tunela je pre vystrojovacie triedy navrhnuté systematické kotvenie horninovými kotvami podľa prí­slušných geologických podmienok a vystrojovacích tried. V miestach s mierne tektonicky narušenou skalnou horninou sú navrhnuté maltované kotvy s dĺžkou 4 m. Vzhľadom na geo­lógiu zastihnutú v súčasnosti sa používajú samozávrtné kotvy Ø 32 mm s dĺžkou 4 až 8 m.

Obr. 4 Realizácia IBO dáždnika

Na zabezpečenie čelby pred samotným výrubom ďalšieho záberu sa využíva predháňaná výstuž osadená v korune kaloty. Na cyklické razenie tunela je navrhnutý predháňaný výstroj tvorený oceľovými ihlami alebo samozávrtnými ihlami Ø 32 mm s dĺžkou 4 m alebo Ø 51 mm s dĺžkou 9 m. V terajších geo­logických podmienkach sa využívajú samozávrtné ihly Ø 51 mm s dĺžkou 9 m (obr. 4), ktoré sú vŕtané v každom druhom zábere kaloty. V prípade nestabilných geologických podmienok je navrhnuté kotvenie čela výrubu pomocou zväzku prútov z betonárskej ocele B500B 3x Ø 16 mm alebo 2x Ø 20 mm. Keďže v súčasne zastihnutej geológii nie je možné uvedený návrh využiť, realizuje sa zabezpečenie pomocou samozávrtných kotiev Ø 32 mm a maltovaných sklolaminátových kotiev s dĺžkou podľa zastihnutej geológie na úrovni 8 až 16 m (obr. 5). Na zainjektovanie kotiev a zlepšenie horninového prostredia sa používajú injektážne malty z cementu alebo špeciálne injektážne malty. Po zrealizovaní primárneho ostenia a dosiahnutí maximálnych rýchlostí nárastu deformácie možno pokračovať v profilácii primárneho ostenia tunela, budovaní hydroizolačného systému a realizácii sekundárneho ostenia tunela.

Obr. 5 Pohľad na masívne zakotvenie čelby

Sekundárne ostenie tunela

Sekundárne ostenie tunela (obr. 6) je navrhnuté ako železobetónové z betónu C30/37-XF4, XC3 (min. 150 m od portálov) a C25/30-XF2, XC3 (vnútorný úsek tunela) s hrúbkou ostenia min. 0,35 m, so spodnou klenbou, betónované v oceľovej posuvnej forme. Dĺžka blokov je navrhnutá na 12,5 m. O betonáži sa uvažuje v dvoch etapách – betonáž protiklenby a prehĺbenej protiklenby (vzhľadom na zastihnutú geológiu) a betonáž hornej klenby tunela. Realizáciou sekundárneho ostenia sa vytvorí jednotný, trvanlivý, odolný a hladký povrch, ktorý by mal byť nenáročný na údržbu, čistenie, vetranie tunela a osvetlenie. Typ vystuženia závisí od geotechnických parametrov jednotlivých geotechnických úsekov. Ostenie je vystužené oceľovými sieťami, prútovou výstužou a pomocnými priehradovými nosníkmi na realizáciu výstuže jednotlivých blokov sekundárneho ostenia. Na všetku výstuž sekundárneho ostenia je použitá oceľ triedy B 500 B. Minimálne krytie výstuže zo strany vnútra tunela je 50 mm. Sekundárne ostenie tunela možno realizovať až po ustálení konvergencií primárneho ostenia v zmysle TKP 26 Tunely.

Hydroizolácia tunela

Systém ostenia tunelovej rúry je navrhnutý ako sendvičová konštrukcia pozostávajúca z primárneho a sekundárneho ostenia. Medzi tieto dve ostenia je vložená drenážna a izolačná vrstva, ktorá pozostáva z geo­textílie s minimálnou gramážou 900 g/m² a z plošnej hydroizolácie s hrúbkou minimálne 2 mm. Tunel je navrhnutý s dáždnikovou izoláciou. Spodná klenba nie je zaizolovaná. Hydroizolácia, resp. jej drenážna vrstva odvádza horninovú vodu do postrannej drenáže DN 200 mm. Z čistiacich výklenkov je drenážna voda zvedená do kanalizačného zberača, ktorý sa nachádza v ľavom  jazdnom páse.

Obr. 6 Vzorový priečny rez sekundárneho ostenia

Chodníky a káblovody v tuneli

Riešenie chodníkov a káblovodov je v súlade so vzorovými listami VL 5 – Tunely, povrchová úprava núdzových chodníkov – asfaltový kryt (300.02). Na prevedenie napájacích a ovládacích káblov k technologickému vybaveniu tunela je vytvorený káblový žľab pod chodníkom. Vnútorné usporiadanie je riešené v technologickej časti tunela. Samotný chodník sa vytvorí položením prefabrikovaných železobetónových dosiek s dĺžkou 1,0 m v pozdĺžnom smere. ZB dosky sú uložené na prefabrikovaných obrubníkoch, resp. štrbinových žľaboch (nie sú súčasťou tejto časti stavby) a v ozube v sekundárnom ostení tunela. Na vrchu sa tieto dosky zalejú liatym asfaltom v hrúbke 2,0 cm. V chodníku sa podľa požiadaviek projektanta technologického vybavenia spresnia (v stupni DRS) polohy, kde sa budú do sekundárneho ostenia zaťahovať napájacie a ovládacie káble.

Monitoring

Vzhľadom na náročnosť predpovede geotechnického správania sa pri výstavbe stavebných jám, ako aj tunelových rúr použila pozorovacia metóda výstavby, pri ktorej je nevyhnutné vykonávanie geotechnického monitoringu (GTM). Geotechnický monitoring je nevyhnutnou súčasťou NRTM, ktorá je observačnou metódou výstavby tunelov. Metóda spočíva v priebežnom sledovaní priebehu výstavby, keď sa spôsob razenia a zabezpečenia výrubu, resp. hĺbenie portálových jám upravuje na základe skutočného správania sa interakcie horninový masív – primárne ostenie, resp. konštrukcie zaistenia svahov. Geotechnický monitoring zahŕňa inštaláciu meracích miest, vykonávanie meraní a sledovaní, zber nameraných dát a poznatkov, ich vyhodnotenie a následný rozhodovací proces vychádzajúci z definície varovných stavov a opatrení v technickej, technologickej a bezpečnostnej rovine.

Na účely zberu nameraných hodnôt, ich centrálnu evidenciu, archiváciu a na prípravu podkladov na vyhodnocovanie a tvorbu výstupných dát sa zriadila kancelária geomonitoringu. Všetky namerané dáta sa ukladajú do informačného databázového systému BARAB, ku ktorému majú prístup zástupcovia jednotlivých účastníkov výstavby. Analýza geotechnických rizík je základom návrhu programu monitoringu. Riziká v etape výstavby tunelových rúr a portálových objektov sa môžu predpokladať na základe prognózy geologicko-tektonickej stavby masívu, hydrogeologických pomerov, mineralogicko-litologického zloženia hornín  a prognózy geotechnických pomerov z vykonaných geologických prieskumov. Masív je na základe kritérií rozčlenený na kvázihomogénne úseky s vyčlenenými geotechnickými úsekmi.

Program geotechnického monitoringu je navrhnutý s cieľom:

• kontroly stability svahov stavebných jám,
• kontroly stability portálových objektov,
• kontroly stability výrubu,
• kontroly namáhania prvkov ostenia,
• zaistenia bezpečnosti pracovníkov a mechanizmov,
• rozpoznania ekonomických rezerv (hospodárnosti výstavby),
• stanovenia geometrických tolerancií na základe sledovania deformácií výrubu.

Program geotechnického monitoringu pozostáva z:

• geotechnickej dokumentácie,
• meracieho programu,
• interpretácie meraní a rozhodovania vyplývajúceho z posúdenia varovných stavov.

Záver

Priebeh prác zrealizovaných v čase vzniku tohto článku potvrdzuje a dokonca aj zvyšuje obavy z predpokladaných nepriaznivých geologických podmienok, ktoré sa už aj pri navrhovaní tunela  javili ako náročné. Doterajšie práce v zastihnutej geológii, ako aj geotechnické merania ukazujú, že ďalší úspešný a bezpečný postup prác si vyžaduje operatívny prístup zhotoviteľa, projektanta, geológa a geotechnika.

TEXT: Ing. Martin Valko, Michal Fučík,
Ing. Andrej Korba, Ing. Róbert Zwilling,
Ing. Ota Jandejsek
FOTO: Doprastav, a. s.

Martin Valko a Michal Fučík pracujú v spoločnosti Doprastav, a. s., závod Žilina.
Andrej Korba pôsobí v spoločnosti Metrostav, a. s. Róbert Zwilling v spoločnosti  Basler&Hofmann Slovakia, s. r. o., a Ota Jandejsek pôsobí v spoločnosti ­ARCADIS CZ, a. s.

Literatúra
1.    Projektová dokumentácia tunela Žilina. Basler & Hofmann Slovakia, s. r. o., DRS, 9/2014.
2.    Inžinierskogeologický prieskum tunela Žilina. Súťažné podklady, NDS, a. s.

Článok bol uverejnený v časopise Inžinierske stavby/Inženýrské stavby