Tunel Bikoš

Tunel Bikoš je razený dvojrúrový tunel. Svojou dĺžkou približne 1 144 m (ľavá tunelová rúra, ďalej iba LTR), resp. 1 153 m (pravá tunelová rúra, ďalej iba PTR) sa radí do kategórie stredne dlhých tunelov. Tunel je súčasťou severojužného dopravného prepojenia rýchlostnou cestou R4, konkrétne úseku R4 Prešov – severný obchvat, I. etapa. Po krátkom úvode do projektu sa článok zameriava na porovnanie predpokladov z fázy projektovej prípravy (razenie tunela, vystrojovacie triedy, deformácie ostenia, zatriedenie sekundárneho ostenia) a skutočných podmienok zastihnutých počas výstavby vrátane navrhnutých opatrení proti napúčaniu.

Všeobecné údaje

Koridor rýchlostnej cesty R4 v úseku tunela je situovaný v k. ú. Veľký Šariš, pričom trasa vedie v extraviláne pod úpätím vrchu Bikoš. Tunel je kategórie 2T – 7,5/100 s návrhovou rýchlosťou 100 km/h. Maximálny priečny sklon vozovky je –2,5 %, pozdĺžny sklon tunela je 1,5 %. Tunel tvorí pravá a ľavá tunelová rúra. Dĺžka razenej časti v LTR je 1 115 m, v PTR 1 125 m. Súčasťou tunela sú tri prechodné priečne prepojenia slúžiace ako chránené únikové cesty. V každej tunelovej rúre je navrhnutý jeden jednostranný núdzový záliv (ďalej NZ). V tuneli sa ďalej nachádzajú protipožiarne výklenky a výklenky SOS. Priečny rez tunelom je navrhnutý so základovými pásmi (obr. 1), ako aj s protiklenbou.

Geologické a geotechnické pomery

V zmysle inžinierskogeologickej rajonizácie Západných Karpát patrí územie do regiónu karpatského flyšu, oblasti flyšových vrchovín. Na geologickej stavbe sa podieľajú sedimenty vnútrokarpatského paleogénu, reprezentované hutianskym a zubereckým súvrstvím, neogénne molasové sedimenty prešovského a teriakovského súvrstvia.

Hutianske súvrstvie reprezentujú prevažne pelitické sedimenty zastúpené hrubým komplexom premenlivo vápnitých ílovcov a siltovcov, ktoré sú v prevahe nad tenkými lavicami pieskovcov. Zuberecké súvrstvie tvoria striedajúce sa vrstvy pieskovcov a ílovcov, prachovce a šošovky zlepencov.

Horninový masív je budovaný súvrstvím paleogénnych hornín, ktoré sú v južnej časti vo vývoji hutianskeho súvrstvia. Sú tu zastúpené najmä vrstvy ílovcov a ílovitých siltovcov, ojedinele pieskovcov. Ílovce sú prevažne laminované až veľmi tenko vrstevnaté, s doskovitým až tenkodoskovitým rozpadom, mimo zóny zvetrania a tektonického porušenia. Pieskovce sú prevažne jemnozrnné, stredne vrstevnaté, s laminárnym vývojom. Od km 2,6 po severný portál je masív budovaný paleogénnymi horninami zubereckého súvrstvia so striedaním ílovcov a pieskovcov. Ílovce sú laminované až veľmi tenko vrstevnaté. Pieskovce sú prevažne tenko až stredne vrstevnaté, jemnozrnné až strednozrnné.

V masíve dominuje vrstevnatá štruktúra s charakteristickou laminovanou až tenkodoskovitou vrstevnatosťou s generálnym subhorizontálnym uložením až miernym sklonom 10 – 30°, ojedinele so sklonom do 70°. Stav výrazne ovplyvnili etapy tektonického porušenia, najmä v systéme SV-JZ, za vzniku flexúr a tektonických brekcií so zbridličnatením a s výraznou klivážou.

Predpokladalo sa, že mimo tektonicky porušených zón bude v masíve prevládať mierne uklonená vrstevnatosť do 30 – 40°. V mladšej etape tektonického porušenia v systéme zlomov SZ-JV bol masív porušený zónami kakiritov (úlomkovité, rozvoľnené zóny). Horninový masív je najvýraznejšie porušený systémom SV-JZ, ktorý prechádza priečne cez celý masív. Zlomové systémy majú charakter širších tektonicky porušených zón s výraznou degradáciou prvkov vrstevnatosti.

Interpretovaný systém Z-V bol zvýraznený v etape zlomov SZ-JV a podnietil vznik poklesovej depresie južne od masívu Bikoš. Na základe vyhodnotenia inžinierskogeologického a hydrologického prieskumu (IGHP) je trasa tunela Bikoš v obidvoch rúrach rozdelená na jedenásť kvázi homogénnych blokov. Pre každý blok boli stanovené aj geotechnické parametre potrebné pre návrh razenia a sekundárneho ostenia.

Z hydrogeologického hľadiska ide o málo priepustné sedimenty, horninové prostredie je charakterizované puklinovou priepustnosťou. Postupné uzatváranie puklín do hĺbky vytvára podmienky obehu podzemnej vody bez významnejších kolektorov.
Na základe záverečnej správy z IGHP (náchylnosť na objemové zmeny, uvedené v inžinierskogeologickom pozdĺžnom profile) bolo potrebné uvažovať aj s možnosťou výskytu napúčavých hornín.

Pre tunel Bikoš však nebola spracovaná analýza horniny na obsah napúčavých minerálov a neboli stanovené ani možné tlaky od napúčania horniny. Preto v dokumentácii na ponuku (DP) bola stanovená požiadavka na vykonanie týchto analýz počas razenia a na dodatočné posúdenie konštrukcie sekundárneho ostenia na tieto účinky.

Vyhodnotenie razenia a deformácií

Razenie tunela Bikoš bolo navrhnuté ako cyklické, s horizontálnym členením výrubu podľa zásad pozorovacej metódy. Teoretická plocha výrubu profilu bez spodnej klenby bola približne 81 m2, resp. 98 m2 pri profile so spodnou klenbou. Pre razenie v normálnom profile bolo navrhnutých 9 typov vystrojovacích tried, pre núdzový záliv 4 typy.

Vyššie uvedené predpoklady z IGHP boli overené a porovnané v záverečnej správe z geotechnického monitoringu [4] so zistenými inžinierskogeologickými a geotechnickými pomermi počas razenia.

Počas razenia sa v zmysle navrhnutého GTM realizovali požadované skúšky (napr. tlaková pevnosť horniny, presiometrické skúšky…). Z porovnania inžinierskogeologických pomerov vyplynulo, že rozdiely oproti predpokladu sú minimálne, upravené boli dĺžky jednotlivých kvázi homogénnych blokov a ich počet (9 blokov). Tieto odlišnosti sa odrazili v použití a nasadzovaní vystrojovacích tried. Najviac používanou bola vystrojovacia trieda VT 5/2 (vrátane NZ VT 5) s približným zastúpením na úrovni 75 % z celkovej dĺžky razenia.

Na obr. 2 je zobrazená VT 5/2 v priečnom reze s vystrojovacími prvkami. Deformácie predpokladané pre túto vystrojovaciu triedu na základe výpočtov v projekte DP sa pohybovali v rozsahu 11 – 36 mm (v závislosti od druhu horninového masívu a zvolenej metódy výpočtu). Namerané deformácie boli v rozsahu 6 – 37 mm, čo bolo v zhode s vypočítanými hodnotami. Podľa predpokladov sa najväčšie hodnoty deformácií (do 86 mm) dosahovali vo vystrojovacej triede VT 7MP v blízkosti južného portálu s maximálnymi nameranými hodnotami 56, resp. 63 mm. Výsledky geotechnického monitoringu ukázali dobrý odhad geotechnických parametrov v IGHP, ako aj vhodne zvolené výpočtové metódy (analytické, numerické), materiálové modely a prvky vystrojenia v súťažnom projekte DP.

Sekundárne ostenie razeného tunela

Sekundárne ostenie je navrhnuté z monolitického betónu vystuženého oceľovými sieťami a prútovou výstužou. Navrhnutý profil na základových pásoch bol určený pre priaznivé geologické podmienky, profil so spodnou klenbou pre nepriaznivé podmienky.

Na posúdenie sekundárneho ostenia z vystuženého betónu bol zvolený výpočet (nelineárne kyvné prúty) s lineárne elastickými materiálovými charakteristikami pre betón. Zaťaženie od horninového tlaku sa počítalo na základe výsledkov spätnej analýzy primárneho ostenia. Sekundárne ostenie sa posúdilo aj na účinky požiaru. Podľa projektu požiarnej bezpečnosti tunela Bikoš bola stanovená trieda požiarnej odolnosti sekundárneho ostenia razenej aj hĺbenej časti R-90/D1. Posúdenie bolo spracované v zmysle STN EN 1992-1-2 s teplotným zaťažením pre namáhanie normovou krivkou ISO 834.

Celkovo boli navrhnuté tri typy vystuženia hornej klenby a dva typy vystuženia základových konštrukcií. V realizačnom projekte nebolo potrebné upravovať návrh zo súťažného projektu DP. Oproti projektu DP došlo v realizačnom projekte („dokumentácia na vykonanie prác“, ďalej DVP) k zmene dĺžky blokov z 10 na 12,5 m. Touto zmenou sa zredukoval počet blokov z pôvodných 112, resp. 113 ks na 92 blokov v každej rúre. Zatriedenie, určenie blokov a typov vystuženia sa realizovalo na základe poznatkov a podkladov z geotechnického monitoringu a vykonaného geologického prieskumu za účelom analýzy hornín na obsah minerálov spôsobujúcich objemové zmeny horniny. V tab. 1 a tab. 2 možno vidieť rozdiel v zatriedení a určení blokov a navrhnutých typov vystuženia v stupni DP a DSRS (dokumentácia skutočnej realizácie stavby), čo reflektuje nasadenie vystrojovacích tried na základe skutočnosti.

V rámci geotechnického monitoringu sa v období od decembra 2021 do apríla 2023 merali v osadených jednoduchých meracích profiloch deformácie sekundárneho ostenia. V normálnom profile, pri type vystuženia 1 na základových pásoch, boli zaznamenané hodnoty deformácie (sadania) do 3 mm, pri type vystuženia 3 so spodnou klenbou do 4 mm a v profile núdzového zálivu s typom vystuženia 1 na základových pásoch do 2 mm. Namerané pohyby predstavujú účinky od vlastnej tiaže konštrukcie. Na základe uvedeného teda možno konštatovať, že na sekundárne ostenie nezačal pôsobiť uvažovaný horninový tlak.

Napúčanie

Vzhľadom na absentujúce údaje ohľadom náchylnosti na napúčanie a odporúčané hodnoty tlakov z napúčania v IGHP sa počas razenia realizoval odber vzoriek s cieľom stanoviť tlaky z napúčania a s tým súvisiace riziko. Okrem toho bolo potrebné vyhodnotiť pevnosť horniny v tlaku (Point Load Test) a realizovať fyzikálno-mechanické skúšky na stanovenie hodnôt nasiakavosti a modul deformácie Edef pre jednotlivé úseky.

Na základe porovnania geologických pomerov a výsledkov analýz spracoval zhotoviteľ GTM mapu úsekov (spolu 7 úsekov) s vyhodnotením tlakov z napúčania, pomerného pretvorenia a únosnosti pláne. Maximálny prírastok tlaku sa pohyboval od 0,34 MPa do 1,296 MPa, maximálny tlak z napúčania od 1,9 MPa do 2,038 MPa a súčiniteľ lineárnej napúčavosti od 1,24 % do 4,25 %. Na základe týchto podkladov sme spracovali analýzu rizika napúčania [3] s návrhom opatrení.

V prvom kroku sme vyhodnotili potenciál napúčania v zmysle normy SIA 199, ktorý sa pohyboval v stupni nízky až stredný. Následne sme navrhli tri opatrenia. Pre tieto opatrenia bola spracovaná statická analýza (program ATENA Engineering 2D) s použitím nelineárneho materiálového modelu CC3DNonLinCementitious, ktorý kombinuje modely pre ťahové (lomová energia a ťahová pevnosť) a tlakové (plastické) správanie sa materiálu. Z výsledkov analýzy sme stanovili možnosti použitia takýchto opatrení:
• typ 0: bez opatrení,
• typ 1: profil tunela na základových pásoch s doskou z betónu s hrúbkou 40 cm – použitie pre nízke hodnoty návrhového tlaku do 60 kPa,
• typ 2: profil tunela na základových pásoch s klenbou (liaty betón v tvare profilu so spodnou klenbou) – použitie pre hodnoty návrhového tlaku do 150 kPa,
• typ 3: profil so spodnou klenbou s vystužením (spodná klenba s typom vystuženia 2) – použitie pre hodnoty návrhového tlaku do 300 kPa.

Návrhové hodnoty tlaku od napúčania boli stanovené vytvorením charakteristickej krivky masívu a odporu výstuže (tzv. Kennlinienverfahren). K jednotlivým úsekom boli potom priradené vyplývajúce opatrenia. Použité boli prevažne opatrenia typu 1 a 2, opatrenie typu 3 bolo použité iba v úseku 7. V úseku 1 nebolo vzhľadom na pomer pieskovcov k ílovcom (90 : 10 až 80 : 20) realizované žiadne opatrenie z titulu rizika napúčania, z dôvodu rizika nasiakavosti sa však realizovala výmena podložia v hrúbke približne 30 cm.

Pri realizácii výrubu dna a navrhnutých opatrení z dôvodu rizika napúčania bolo potrebné eliminovať styk horniny s podzemnou a technologickou vodou.

Záver

Razenie tunela sa začalo 19. mája 2020 zo severného portálu v ľavej tunelovej rúre. Prerazenie sa uskutočnilo v máji 2021 v ľavej tunelovej rúre, resp. v júni 2021 v pravej tunelovej rúre. Počas razenia sa nevyskytli žiadne problémy. Práce na tuneli realizovala firma TuCon, a. s. V septembri 2023 bol celý úsek rýchlostnej cesty vrátane tunela Bikoš uvedený do prevádzky.

Na záver sa chceme poďakovať všetkým zúčastneným na strane investora a stavebného dozoru za efektívnu spoluprácu, ako aj zhotoviteľovi, ktorý preukázal vysokú úroveň prác a technologickú disciplínu, bez ktorej by nebolo možné dosiahnuť takú zhodu medzi predpokladmi (projekt DP) a skutočnosťou zaznamenanej počas realizácie.

TEXT: Peter Bóna, Alexandra Jacková
FOTO A OBRÁZKY: Basler & Hofmann Slovakia, s. r. o.

Peter Bóna a Alexandra Jacková
pôsobia v spoločnosti Basler & Hofmann Slovakia, s. r. o.

Literatúra
1. Tunel Bikoš, DP, Basler & Hofmann Slovakia.
2. Tunel Bikoš, DVP, Basler & Hofmann Slovakia.
3. Analýza rizika napúčania, Basler & Hofmann Slovakia.
4. Záverečná správa z geotechnického monitoringu