Vplyv železničného tunela Milochov na okolité prírodné prostredie

Milochov
Zdroj: CAD-ECO a. s.

Príspevok sa venuje výsledkom geotechnického a hydrogeologického monitoringu počas projektovej prípravy a realizácie tunela Milochov. Je zameraný na technické riešenie zabezpečenia svahov východného portálu a ich interakciu s okolitým horninovým prostredím.

Okrem toho rozoberá problematiku portálovej stavebnej jamy hĺbenej v kvartérnych jemnozrnných zeminách a následnému vplyvu na okolité geologické prostredie a hydrologický režim podzemných vôd. Ďalej sa zameriava na samotnú realizáciu tunela Milochov a na výsledky a skúsenosti vyplývajúce z geotechnického monitoringu z prostredia razenia úbočného tunela v zosuvnom území.

Vplyv tunelovej konštrukcie a jej spolupôsobenie s okolitým horninovým prostredím sa sledovali viacerými prvkami geotechnického a hydrogeologického monitoringu v tuneli a jeho okolí, pričom časť výsledkov je sumarizovaná a interpretovaná v predkladanom článku.

Železničná trať Bratislava – Žilina – Košice je súčasťou paneurópskych dopravných koridorov, ktoré predstavujú hlavné dopravvné tepny naprieč Európskou úniou a spájajú štáty strednej a východnej Európy. Súčasťou dopravného koridoru Bratislava – Žilina je aj aktuálne modernizovaný úsek trate Púchov – Považská Teplá na prevádzkovú rýchlosť do 160 km/h s tunelom Milochov.

Schematický inžinierskogeologický profil trasy tunela Milochov s vyznačenými kvázihomogénnymi blokmi (1-krát prevýšený)
Schematický inžinierskogeologický profil trasy tunela Milochov s vyznačenými kvázihomogénnymi blokmi (1-krát prevýšený) | Zdroj: CAD-ECO a. s.

Stavba tunela je situovaná neďaleko okresného mesta Považská Bystrica, konkrétne v jeho mestských častiach Horný a Dolný Milochov. Tunel Milochov je jednorúrový dvojkoľajný železničný tunel, ktorý bude mať po dokončení dĺžku 1 861 m, pričom razená časť bude tvoriť 1 770 m.

Orientácia trasy tunela vedie v osi západ – východ, podľa toho sú označené aj portály tunela na západný (portál na začiatku tunela v smere staničenia železničnej trate) a východný (na konci tunela v smere staničenia železničnej trate).

Samotná trasa tunela prekonáva miestny horninový masív kóty Stavná s maximálnou výškou nadložia 110 m a s minimálnou výškou nadložia zhruba 4 m v mieste zarážania tunela od východného portálu. Na geologickej stavbe masívu kóty Stavná sa podieľajú horniny bradlového pásma so zastúpením flyšoidných súvrství ílovcov, slieňovcov, pieskovcov a zlepencov a tiež karbonatické horniny bradiel a ich obalu (vápence, slieňovce).

Geologická preskúmanosť trasy

Portálové oblasti a samotná trasa tunela Milochov sa z geologického hľadiska skúmali v troch etapách, a to v rokoch 2007, 2008 a 2010. Prvú etapu predstavoval orientačný inžinierskogeologický prieskum zameraný na celú modernizovanú trasu od železničnej stanice Púchov po železničnú stanicu Považská Teplá.

V oblasti samotnej trasy tunela sa realizovali nenáročné terénne práce vo forme kopaných sond, terénneho mapovania a v dostupných miestach portálov sa vyhotovili jadrové prieskumné vrty.

Podklady slúžili ako vstupné údaje pre druhú etapu podrobného inžinierskogeologického prieskumu, ktorý plošne overoval geologické, geotechnické a hydrogeologické pomery v trase tunela. Z terénnych technických prác sa realizovali predovšetkým štruktúrne jadrové vrty, geofyzikálne merania, poľné skúšky in-situ, laboratórne práce a meračské práce.

Obr. 2 Inštalácia inklino-piezometrického vrtu a osadený pevný bod pre niveláciu poklesovej kotliny
Obr. 2 Inštalácia inklino-piezometrického vrtu a osadený pevný bod pre niveláciu poklesovej kotliny | Zdroj: CAD-ECO a. s.

Po zohľadnení všetkých relevantných vstupných údajov bol okrem záverov a odporúčaní spracovaný schematický pozdĺžny inžinierskogeologický rez trasou tunela Milochov, ktorý rozdelil razenú časť do šiestich kvázihomogénnych blokov. Bloky s označením „0“ boli hodnotené ako veľmi zlé (kvalita horninového masívu RMR < 20 bodov), tvorené kvartérnymi zeminami. Bloky s označením „5“, tvorené zdravými pieskovcami, boli hodnotené ako dobré (RMR < 70 bodov).

Samotné závery podrobnej etapy prieskumu konštatovali, že z hľadiska geologickej stavby sú na území pomerne zložité úložné pomery a tektonické porušenie, ktoré sa prejavujú v heterogenite geotechnických vlastností kvartérnych zemín a predkvartérnych hornín.

Portálové oblasti boli hodnotené ako zosuvné, pričom najzraniteľnejšou bola oblasť východného portálu a úvodu razenej časti, v ktorej nebolo možné z dôvodu silne urbanizovaného prostredia realizovať rozsiahlejšie prieskumné práce a geotechnické skúšky in-situ.

Závery podrobnej etapy priniesli odporúčania na realizáciu prieskumnej štôlne, ktorá mala poskytnúť odpovede na nezodpovedané otázky o problematickom úseku východnej časti tunela a zároveň verifikovať všetky geotechnické vlastnosti a úložné pomery kvázihomogénnych blokov predpokladaných v trase tunela.

Tretia a zároveň posledná etapa v rámci projektovej prípravy sa niesla v duchu poskytnutia podkladov pre prieskumnú štôlňu, ktorej realizácia mala predchádzať samotnému razeniu tunela. Prieskum pozostával z terénnych prác vo forme štruktúrnych vrtov, z geofyzikálnych meraní, terénnych a laboratórnych skúšok a zo zabudovania prvkov geotechnického monitoringu.

Žiaľ, myšlienka prieskumnej štôlne sa z dôvodu optimalizácie investičných nákladov nepretavila do realizácie, a tak sa v roku 2017 pristúpilo k samotnej realizácii stavby s mnohými nezodpovedanými otázkami.

Obr. 3 Priečny rez portálovou stenou
Obr. 3 Priečny rez portálovou stenou | Zdroj: CAD-ECO a. s.

Realizácia monitorovacej siete a doplnenie geologickej preskúmanosti

Ako sme už v predchádzajúcej časti naznačili, v oblasti východného portálu sa nachádzala až do samotnej realizácie stavby pomerne hustá individuálna bytová zástavba, ktorá bránila plnohodnotnému rozvoju monitorovacej siete a rozsiahlejšej realizácii terénnych prieskumných prác.

Z čias projektovej prípravy boli v oblasti portálovej stavebnej jamy ponechané dva inklinometrické a tri hydrogeologické vrty, ktorých úlohou bol dlhodobý kontinuálny monitoring hladiny podzemných vôd a podpovrchových deformácií pred zahájením stavebných prác.

V rámci realizácie geotechnického monitoringu sa po asanácii rodinných domov doplnili ďalšie prvky monitorovacej siete vo forme inklinometrických, inklino-deformetrických a piezometrických vrtov. V oblasti predpokladanej poklesovej kotliny spôsobenej razenímím tunela sa vytýčil a osadil raster pevných bodov na realizáciu presnej nivelácie.

Takto pripravená monitorovacia sieť zabezpečila v dostatočnom predstihu zaznamenanie tzv. nultého stavu stability priľahlých svahov a hydrogeologických podmienok pred realizáciou hĺbenia portálového zárezu a razenia tunela. Okrem inštalácie prvkov monitoringu slúžili vrtné práce na potvrdenie a doplnenie informácií o geologických a geotechnických podmienkach, ktoré sa porovnávali so závermi predchádzajúcich etáp prieskumov.

Nové zistenia jasne potvrdili, že zárez portálovej stavebnej jamy sa bude v prevažnej miere realizovať v kvartérnych jemnozrnných zeminách charakteru štrkovitých ílov až ílov s vysokou plasticitou a predkvartérne podložie bude nastupovať pod úrovňou nivelety koľaje, čo v mieste zarážania tunela predstavovalo približne 20 m od úrovne terénu.

Náročnosť hydrogeologických podmienok vo forme vysokej hladiny podzemnej vody a jej rozptylu v závislosti od aktuálnych klimatických podmienok sa takisto potvrdila. Geologické vyhliadky v trase razeného tunela neboli iné ako v portálovej oblasti, predpoklad rozsiahlej mocnosti deluviálnych zemín sa potvrdil.

Doplnenými monitorovacími vrtmi (2 ks inklinometrických a 4 ks inklino-deformetrických vrtov) sa dokonca zistili relikty štrkovej terasy Váhu a polohy jemnozrnných až strednozrnných fluviálnych pieskov, ktoré sa neskôr objavili v razenom tuneli.

Celý komplex zvyšku terasy je zahrnutý do zosuvného delúvia. S hydrogeologickými podmienkami to nebolo odlišné, ustálená hladina podzemnej vody kolísala v úrovni projektovanej kaloty tunelového diela

Hĺbenie stavebnej jamy na východnom portáli

Východný portál tunela Milochov je situovaný do akumulačnej oblasti čela rozsiahleho plošného zosuvu, čomu sčasti zodpovedal aj návrh dočasných prvkov zabezpečenia zárezových svahov. Bočné portálové svahy a steny výkopov v smere razenia boli zabezpečené kotveným záporovým pažením a čelo portálovej steny bolo stabilizované vrstvou vystuženého striekaného betónu s kotevnými trámami a blokmi.

Postupné odťažovanie vrstiev kvartérnych zemín, inštalácie stabilizačných prvkov a umelé znižovanie hladiny podzemnej vody počas hĺbenia portálovej jamy sa postupne prejavili na okolitom geologickom prostredí. Prvým prejavom zásahu do prostredia bolo znovuobnovenie svahových deformácií.

Postupné odľahčovanie akumulačnej zóny zosuvu vyvolalo opätovne podpovrchové deformácie, ktoré sa prejavili v inklinometrickom vrte DM-17, kde v zóne 8,5 až 11 m nastal posun 24 mm v smere do portálového zárezu. Bezprostredná inštalácia kotevných trámov a dôsledná realizácia záporového paženia tento vývoj zastavili a k ďalším nežiaducim svahovým pohybom nad záporovou stenou už nedošlo.

Ďalší vplyv mala portálová stavebná jama na podzemné vody – nastala zmena ich prirodzeného prúdenia spôsobená portálovou konštrukciou, realizácia série odvodňovacích vrtov priniesla umelé zníženie hladiny a v neposlednom rade sa dostavil drenážny účinok samotného výkopu.

Všetky tieto zásahy boli pozorované v blízkom okolí stavebnej jamy prostredníctvom hydrogeologických monitorovacích vrtov a zníženou kvalitou miestnych studní. Kým v čase pred výstavbou bola hladina jedine a jednoznačne ovplyvnená klimatickými podmienkami a dennými úhrnmi zrážok, po realizácii portálovej steny sa tento jav úplne vytratil a v okolí došlo k prudkému poklesu hladiny podzemnej vody.

Obr. 4 Interpretácia geotechnických meraní počas razenia tunela Milochov
Obr. 4 Interpretácia geotechnických meraní počas razenia tunela Milochov. | Zdroj: CAD-ECO a. s.

Razenie tunela Milochov od východného portálu

Predpoklady z inžinierskogeologických prieskumov sa počas hĺbenia portálovej stavebnej jamy naplnili a v mieste zarážania tunela do horninového prostredia sa postupne objavovali vrstvy deluviálnych, proluviálnych a fluviálnych ílov a pieskov s lokálnymi úlomkami pieskovcov.

Náročnosť zastihnutých geologických podmienok, obava o stabilitu čela portálovej steny, nízka mocnosť nadložia, minimalizácia vzniku poklesovej kotliny a v neposlednom rade bezpečnosť pracovníkov si vyžiadali razenie kaloty s vertikálnym členením na dĺžku záberu 1 m.

Postupné zarážanie tunela a prvé vyrazené metre priniesli okamžite merateľné hodnoty na monitorovacích zariadeniach. Zmena napätosti v okolí výrubu sa bezodkladne prejavila ako deformácia na neďalekom inklinometrickom vrte DM-16 a na vývoji poklesovej kotliny v nadloží tunela. Dosiahnuté deformácie sa priblížili k hodnote 7 cm a vyznievali do 30 m od osi tunela.

Rovnaký trend deformácií bol pozorovaný aj v nasledujúcich 100 m razeného úseku, kde sa realizovalo vertikálne členenie výrubu. Od stého vyrazeného tunelmetra sa pristúpilo na štandardné horizontálne členenie výrubu, rozdeleného na kalotu, stupeň a dno. Celý úsek razený v zóne kvartérnych zemín dosiahol dĺžku približne 300 m, pričom bolo z dôvodu bezpečnosti a stability potrebné realizovať ochranný mikropilótový dáždnik.

Okrem zmeny napätosti v okolí výrubu mal razený tunel aj ďalší dosah na okolité prostredie, a to vo forme drenážneho prvku. Konštantné prítoky z čelieb v objeme 0,5 až 0,7 l/s sa prejavili v okolitých studniach poklesom hladiny podzemnej vody. Po prekonaní úvodných 300 m, kde začalo nadložie tunela výraznejšie nastupovať, boli dokumentované už len podložné horniny tvorené ílovcami, siltovcami a okrajovo pieskovcami nimnického a uhrovského súvrstvia, ktoré sa nepravidelne striedali vo forme zdravých a tektonicky porušených hornín.

Sprievodnými javmi pri prekonávaní tektonických línií boli zvýraznené prítoky podzemnej vody, ktoré lokálne dosahovali okolo 7 až 8 l/s, a nárasty deformácií primárneho ostenia, ktoré dosahovali v týchto zónach do 55 mm.

Počas razenia tunela sa osadilo 8 ks hlavných meracích profilov, ktoré pozostávali z 3 ks trojstupňových extenzometrov (3, 6, 9 m), 5 ks tlakových buniek na meranie kontaktných napätí medzi horninou a primárnym ostením a z 5 ks tenzometrov na meranie napätí v betóne primárneho ostenia. V miestach hlavných meracích profilov sa následne počas realizácie definitívneho ostenia osadili tenzometre na meranie napätí v sekundárnom ostení.

Záver

Každý zásah stavebnej konštrukcie menšieho alebo väčšieho rozsahu zanechá na okolitom geologickom prostredí svoje stopy. Tak je aj to v prípade tunelových stavieb. V prípade tunela Milochov a jeho východného portálu išlo v prvom rade o potrebu vysťahovať časť miestneho obyvateľstva a asanovať rodinné domy.

Samotná realizácia portálovej konštrukcie a razenie tunela mali zase najvýraznejší dosah na prirodzené hydrogeologické režimy v blízkom okolí, keďže sa znížili hladiny podzemných vôd. Sekundárny dosah spôsobilo hĺbenie a razenie podzemného diela – zmeny napätosti sa prejavili ako merateľné deformácie v nadloží tunela alebo ako čiastočné obnovenie podpovrchových deformácií na šmykových zónach.

Okrem niektorých negatívnych vplyvov, ktoré priniesla fáza samotnej realizácie tunela, však netreba zabúdať ani na jeho pozitívne prínosy počas prevádzky.

Zlepšenie kvality životného prostredia odklonom železničnej trate z intravilánu obce Horný Milochov, zníženie hluku a vibrácií, zvýšenie prevádzkovej rýchlosti, bezpečnosť, využitie starého telesa trate na cyklochodník a iné pozitíva, to všetko prinesie spustenie železničného tunela Milochov do prevádzky, ktoré je plánované koncom roka 2021.

Ing. Ladislav Stolárik
Autor je inžiniersky geológ a geotechnik v spoločnosti CAD-ECO a. s.

Článok bol publikovaný v časopise IS/4