Zmrazování zemin v praxi

V dánské Kodani vyřešili zajištění ražby podchodu v komplikovaných geotechnických a stavebních podmínkách zmrazováním zemin. Článek popisuje důvody tohoto řešení a problematiku výstavby podchodu v zeminách zajištěných zmrazováním, včetně nutných monitorovacích prací.

Zmrazování zemin je jednou z technologií, která může být i v naší republice variantním řešením při překonávání nepříznivých základových poměrů při výstavbě podzemních děl, zejména zvodnělých zemin. Podívejme se, jak se s touto náročnou technologií vyrovnali při výstavbě podchodu rušné ulice v centru hlavního města Dánska Kodani, spojujícího hlavní železniční trať nádraží Norreport s blízkou stanicí nově budovaného metra.

Každý den přivážejí vlaky na nádraží Norreport v průměru 70 000 cestujících. Po otevření budovaného přestupu (na podzim 2000) sjedou cestující z nástupiště dvojicí eskalátorů do podchodu, kterým nejkratší cestou dojdou na stanici metra. Ale zajištění této dvouminutové procházky si vyžádalo dočasné zajišťovací práce za 7,5 mil. liber ještě dřív, než mohla být stavba tunelu vůbec zahájena. Celkové náklady na výstavbu tohoto 50 m dlouhého podchodu pak činily zhruba 15 mil. liber, tj. asi 850 mil. korun.

Ručně ražený tunel podchodu o výšce 5 m podchází základovou desku sto let starého nádraží a vede nad dvěma tunely metra v prostředí zcela nasycených písků a štěrků. Výrub tunelu byl zajištěn počítačem řízeným režimem zmrazování zemin, který sestával z 200 svislých, vodorovných a šikmých zmrazovacích trubek.

Podchod, který je součástí nové, 8,3 km dlouhé trasy metra se šesti hloubenými i raženými stanicemi celkem za 600 mil. liber (asi 35 miliard korun), tvoří sice jeho nevýznamnou část, ale komplikovanost jeho výstavby z něj učinila nejsložitější technický oříšek celé výstavby nové trati.

Jednoduchou záležitostí však nebylo ani hloubení stanic metra pod hlavními ulicemi. Většina stavebních jam je situována ve výkopu zabezpečeném až 25 m hlubokými podzemními stěnami z převrtávaných pilot, které byly často hloubeny pouhý metr od nejkrásnějších, 200 let starých, obytných a administrativních budov hlavního dánského města. Povolené sedání těchto historických domů bylo nulové, a proto dodavatel prací musel provádět nepřetržitý monitoring pohybů jejich podloží.

Nesrovnatelně podrobnější monitoring se ale musel provádět při budování zmíněného hlavního přestupu mezi metrem a hlavní železniční tratí. Projektanti podchodu byli postaveni před řadu nepříznivých geotechnických a stavebních okolností: základovou půdu tvořily neúnosné aluviální zeminy, hladina podzemní vody ležela mělce pod povrchem, základová deska i celá konstrukce sto let starého nádraží byla značně křehká a v blízkosti již probíhala ražba tunelů metra. Jako nejlepší řešení proto zvolili rozsáhlé zmrazování zemin, které mělo zajistit výkopové práce v suché stavební jámě a zároveň minimalizovat sedání okolí. Museli se ale vyrovnat i s požadavkem, že během prací na podchodu nesmělo dojít k žádnému přerušení provozu nádraží nebo zdržení vlaků.

Způsob zajištění výkopů pro eskalátorovou šachtu, podepření kolejišť a zajištění boků podchodu je znázorněn na obrázku. Projektanti se rozhodli umístit dvě eskalátorové šachty centrálního nástupiště do přístupové komory, na kterou z obou stran navazují šachty o rozměru 5 x 5 m, vytvořené asi z 30 mrazicích trubek o délce 12 m. Devět metrů hluboké zmrazené šachty musely být ručně vytěženy a z nich bylo odvrtáno tucet horizontálních zmrazovacích vrtů podpírajících kolejiště na každé straně budoucího podchodu. Vyhloubení 15 m dlouhých vrtů pro vodorovné zmrazovací trubky v prostředí kyprých zvodnělých písků vyžadovalo použití speciálních preventrů s manometry na každém vrtu, které umožnily kontrolovat hydrostatický tlak a zabránit vnikání zeminy do vrtů. Svislé a šikmé vrty pro zmrazovací trubky byly hloubeny z nástupiště často v místech, kde byl přístup pro vrtné soupravy Puntel 541 a Soilmec 610, kterými byly vrty prováděny, značně omezen blízkostí kolejí.

Ani poté, kdy bylo zmrazování na –24°C zahájeno, si technici nemohli odpočinout, protože povolené sedání jedné z nejcitlivějších částí nádraží, jeho ploché betonové střechy, bylo stanoveno na pouhých 5 mm. Zmrazováním samozřejmě dochází ke zvětšení objemu zeminy, a tak nejprve došlo k jejímu nadzvednutí. Proto musela být střecha oddilatovaná od oblastí postižených vzniklými pohyby. Sloupy podpírající střední část střechy nádraží nad zmrazovanou zónou musely být odříznuty a jejich funkci dočasně plnily ocelové podpěry, umístěné na lisy, které umožňovaly rektifikovat pohyby podloží.

Celá stavba byla trvale sledována počítačem ovládáným monitoringem se šesti připojenými theodolity. Ty automaticky vyhledávaly, odečítaly a vyhodnocovaly více než 200 záměrných bodů v okolí stanice, na sloupech, nástupištích a na střeše nádraží. Každou půlhodinu se tento systém za půl milionu liber (30 mil. korun) automaticky resetoval podle zadaných fixních bodů a vyhledával záměrné body, které byly až 100 m vzdálené. Čtení ihned zpracoval přenosný počítač, který mohl být umístěn prakticky kdekoliv a který byl přístupný i po telefonu. Pokud relativní odchylka překročila 3 mm, systém aktivoval pager, který ihned zalarmoval odpovědného technika.

Vlastní ražba podchodu, která byla rozdělena do více postupných kroků, probíhala po provedení tolika opatření s minimem problémů. Nejprve se vytvořil strop tunelu, který byl rozepřen proti základové desce nádraží. Dále se ručně vyrazily dvě čtvercové pilotní štoly v horních rozích vně podchodu, které byly ihned zabetonovány a vytvořily tak podpěrné trámy pod základovou deskou nádraží. Zároveň mohly sloužit jako vodítka pro výkop podchodu. Mezi těmito dvěma zabetonovanými bočními štolami byla z konce tunelu otevřena sedm metrů široká nejvrchnější část podchodu, a to dvěma 2 m vysokými, ručně raženými štolami. Boční stěny podchodu tvoří dvě 50 m dlouhé souvislé řady betonových 8 m dlouhých mikropilot zarážených dolů z obou stran vrchního výkopu. Nakonec se postupně odtěžuje střední část 5 m hlubokého podchodu ve dvou stejně silných lavicích, přičemž se zároveň odhalují boční mikropilotové stěny. Obě čelby tunelu jsou během těžby trvale vodotěsně uzavřeny.

 

Podle článku "Big price tag for small subway" z časopisu European foundations, Winter 2000 zpracoval RNDr. Ivan Beneš, Zakládání staveb, a. s.


English summary

The excavation of a pedestrian subway at complicated geotechnical and structural conditions in the Danish capital Copenhagen was protected by ground freezing. The paper describes reasons of this solution and construction problems of a subway within soils secured by ground freezing essential monitoring works including.