Budowa pilotażowego projektu konstrukcji oporowej z gruntu zbrojonego na modernizowanej linii Rokycany – Plzeň

W ramach modernizacji linii kolejowej Rokycany – Plzeň, na odcinku Ejpovice–Doubravka zaprojektowano przekładkę Homolka w km 94,068 – 95,850. Nowe położenie osi w tym odcinku zakładało realizację trwałego zabezpieczenia obustronnych skarp wykopów na odcinku o długości 700 m, przy maksymalnej wysokości konstrukcji sięgającej 14 m. Zastosowanie technologii gruntu zbrojonego stanowi ekonomicznie korzystniejszą alternatywę dla rozwiązań konwencjonalnych w postaci monolitycznych lub prefabrykowanych konstrukcji z żelbetu bądź kamienia, które w danych warunkach brzegowych i geotechnicznych były trudne do wykonania. Ściany oporowe z gruntu zbrojonego wyznaczają tutaj obustronny wykop, przy czym lico podzielone jest na trzy niezależnie realizowane etapy. Budowa ścian rozpoczęła się w 2015 roku, a ze względu na swoje rozmiary zalicza się do jednej z największych realizacji na kolejowym korytarzu w Republice Czeskiej.

Schematyczny przekrój konstrukcji obustronnego wykopu

Budowa geologiczna obszaru budowy

W utworach czwartorzędowych dominującą rolę odgrywają grunty deluwialne lub fluwialne, w mniejszym stopniu występują również osady antropogeniczne. Całkowita miąższość pokrywy czwartorzędowej w trasie projektowanej przekładki linii kolejowej waha się w przedziale od ok. 1,7 m do maks. 6,0 m. Podłoże przedczwartorzędowe tworzą osady trzeciorzędowe, dolnopaleozoiczne (ordowickie) skały osadowe oraz górnoproterozoiczne skały osadowe i wulkaniczne. Osady w rejonie inwestycji reprezentowane są głównie przez osady gliniasto-piaszczyste do gliniasto-żwirowych o zróżnicowanej konsystencji; miejscami, w nieregularnych miąższościach, w wyniku prac badawczych stwierdzono również grunty ilaste z lokalnymi przewarstwieniami kaolinu. Skały osadowe tworzone są przez zwietrzałe łupki, w mniejszym stopniu również mułowce. Grunty w rejonie budowy, ze względu na zróżnicowaną budowę litologiczną, charakteryzują się różną jakością. W podłożu występuje płytki, oscylujący poziom wód gruntowych zależny od warunków klimatycznych oraz warstwy wodonośne o zróżnicowanej wydajności, wzajemnie oddzielone izolatorami ilastymi. Z tego względu w trakcie realizacji robót spodziewano się częstych wypływów wód gruntowych zasilanych z otaczającego środowiska; są to złożone warunki posadowienia, a konstrukcja została zakwalifikowana do 3. kategorii geotechnicznej.

Georadar obrazujący warstwy wodonośne w osadach neogeńskich – przekrój poziomy h = 3 do 6 m

Filozofia projektowania

Procedura obliczeniowa oraz projekt konstrukcji ścian oporowych, w tym rozwiązanie wszystkich detali konstrukcyjnych w tych trudnych warunkach, wynikających przede wszystkim z niekorzystnych warunków hydrogeologicznych lokalizacji, są efektem wieloletnich doświadczeń zdobytych na innych obiektach projektowanych przez nas, realizowanych w przeszłości z wykorzystaniem technologii gruntu zbrojonego. Na podstawie doświadczeń z projektowania i realizacji tych konstrukcji zdefiniowano stany obliczeniowe, dobrano odpowiednie metody i procedury obliczeniowe, jak również szereg zaleceń konstrukcyjnych i detali, które zostały uwzględnione w ramach rozwoju niezbędnej konstrukcji systemowej, względnie kształtu prefabrykatu betonowego lica, zapewniającego bezproblemową realizację konstrukcji nawet w tak wymagających warunkach. Mając na uwadze opisane okoliczności, głównym celem było zapewnienie prostego i technologicznie niewymagającego montażu prowadzącego do szybkiej realizacji konstrukcji, a tym samym do szybkiej i trwałej stabilizacji wykopu. Z tych obiektywnych powodów na licu konstrukcji zastosowano panele o pełnej wysokości, o maksymalnej wysokości prefabrykatu 4,2 m.

Dane wejściowe

Do obliczeń projektowych wprowadzane są właściwości materiału zasypowego w kontakcie z zbrojeniem, gruntu za blokiem zbrojonym oraz gruntu w podłożu. W strefie zasypu zastosowano wysokiej jakości materiał zasypowy typu żwir o minimalnym kącie tarcia 33°. Zgodnie z badaniami geotechnicznymi IG parametry geotechniczne gruntów lokalnych były znacznie zmienne ze względu na zróżnicowany skład gruntów na placu budowy. Nad konstrukcją, w obliczeniach statycznych, przyjęto równomierne obciążenie o intensywności 10 kN/m2, działające w pasie o szerokości 4,5 m. Obciążenie to określa się na podstawie fachowej oceny możliwego charakteru obciążeń technologicznych nad konstrukcją nośną, zwłaszcza w okresie budowy konstrukcji oraz po jej oddaniu do użytkowania.

Obliczenia

Projekt bloku gruntu zbrojonego został wykonany zgodnie z brytyjską metodyką projektową Tieback Wedge (BS 8006). Rozkład sztywności elementów zbrojących po wysokości konstrukcji według tej metodyki uwzględnia wymagania projektowe dotyczące zachowania deformacyjnego konstrukcji, przy czym zakłada się, że naprężenia w zbrojeniach wywołają ich względne odkształcenie podłużne maks. 0,5%. Tak zaprojektowany blok gruntowy został następnie sprawdzony pod względem globalnej stateczności konstrukcji zgodnie z zasadami EC7 (rys. 3). Dla całościowej predykcji przemieszczeń konstrukcji, określenia rzeczywistego zachowania deformacyjnego konstrukcji, a przede wszystkim w celu ustalenia początkowego pochylenia elementów licowych, konieczne było empiryczne skorygowanie obliczonych wartości odkształceń poziomych. W tym celu wykorzystano bogate doświadczenia oraz wyniki pomiarów z już zrealizowanych obiektów. Panele licowe montowano następnie z pochyleniem 80:1 – 40:1 w zależności od wysokości konstrukcji, wymiarów zbrojenia, położenia panelu w konstrukcji oraz rodzaju materiału zasypowego. Pochylenie i położenie paneli w kolejnych fazach budowy było na bieżąco kontrolowane na placu budowy w ramach monitoringu konstrukcji.

Schemat z modelu obliczeniowego

Rozwiązanie konstrukcyjne ścian oporowych

Koncepcyjne rozwiązanie zabezpieczenia skarp wykopów zakładało wykonanie ścian oporowych w technologii gruntu zbrojonego ze sztywnym licem wykonanym z prefabrykowanych elementów żelbetowych o modułowej szerokości 1,5 m i maksymalnej wysokości 4,2 m. Z punktu widzenia konstrukcyjnego i statycznego obiekt został podzielony kaskadowo po wysokości na trzy etapy. Stateczność konstrukcji gruntowej za elementami licowymi została zapewniona poprzez zastosowanie geosyntetycznych elementów zbrojących, które zostały zakotwione w korpusie nasypu na długość kotwienia określoną obliczeniami statycznymi, przy czym długość geomatek wzmacniających wynosiła 6,0 m. W konstrukcji zastosowano trzy klasy wytrzymałości geomatek wzmacniających, w zależności od wysokości, względnie etapu konstrukcji. W dolnym etapie zastosowano geomatki wzmacniające o krótkotrwałej wytrzymałości 110 kN/m, w etapie środkowym o wytrzymałości 80 kN/m, a w górnym etapie o wytrzymałości 55 kN/m. Ze względu na przewidywane odkształcenia ściany oporowe zostały podzielone wzdłuż długości konstrukcji na niezależne sekcje o maksymalnej długości 15 m. Oddzielenie poszczególnych sekcji oraz ich zakończenie rozwiązano za pomocą kosza gabionowego pełniącego funkcję okładziny na całą wysokość konstrukcji, który ze względów architektonicznych podziału powierzchni elewacyjnej został wysunięty przed lico sekcji ścian oporowych o 130 mm. Zabezpieczenie kosza gabionowego od strony tylnej paneli betonowych wykonano za pomocą termicznie powlekanej pręta stalowego.

Zakończenia poszczególnych sekcji oraz przejścia rozwiązano za pomocą okładziny gabionowej

Budowa

Tymczasowe zabezpieczenie skarpy wykopu

Z uwagi na konfigurację terenu oraz warunki geologiczne przed rozpoczęciem budowy ścian oporowych konieczne było wykonanie tymczasowej stabilizacji skarpy wykopu. Technologia zabezpieczenia skarpy gruntowej została zaprojektowana w postaci gwoździowania z natryskiem torkretowym oraz siatkami zbrojeniowymi typu kari w dwóch warstwach. Gwoździe zaprojektowano w siatce 1,25 × 1,25 m, o długości do 10,0 m.

Ściany oporowe z gruntu zbrojonego

Na przygotowanej powierzchni posadowienia, wykonanej w postaci poduszki żwirowej, w strefie przyszłego lica wykonano ławę fundamentową z betonu C25/30 XC3, XF3 o wymiarach 2,5 × 0,15 m. Służyła ona do osadzenia podstawowego rzędu paneli licowych, a jednocześnie do zakotwienia systemowego elementu stężającego. Betonowe panele licowe zostały od strony tylnej wyposażone w elementy umożliwiające podłączenie systemu stężającego, zastosowano elementy dystansowe do precyzyjnego wyznaczenia położenia prefabrykatu licowego oraz elementy zapewniające wzajemne powiązanie poszczególnych paneli. Kratowy system stężający został zwymiarowany i zaprojektowany w detalu połączenia z panelem licowym w taki sposób, aby umożliwić łatwe ustawienie panelu w początkowym pochyleniu i w tej konfiguracji spełniał swoją funkcję do momentu początkowej aktywacji elementów zbrojących, które były instalowane w trakcie zasypywania zasypu. Następnie funkcję stabilizacji panelu przejmują te zbrojenia.

Widok tylnej strony panelu oraz kratowego systemu stężającego

Budowa konstrukcji przebiegała etapami, w poszczególnych odcinkach roboczych według sekcji i poziomów. Odwodnienie ścian oporowych wykonano jako kombinację odwodnienia powierzchniowego. System odwodnienia jest determinowany przede wszystkim przez budowę geologiczną gruntów. Odwodnienie powierzchniowe zapewniono za pomocą rowów opaskowych oraz prefabrykowanych korytek pomiędzy torami kolejowymi a ścianami oporowymi. W obrębie samej konstrukcji odprowadzenie wód realizowane jest poprzez komin drenażowy z kruszywa łamanego frakcji 16/32 mm, wykonywany za tylną stroną prefabrykatów licowych na całej wysokości konstrukcji, o minimalnej grubości 300 mm. Połączenie geomatek zbrojących z panelami licowymi zapewniono za pomocą systemowego połączenia, wykonanego z termicznie powlekanej zawleczki, osadzanej przez oczka na tylnej stronie panelu. Oczka te są osadzane w panelu w postaci falistej tulei podczas jego betonowania. Wystająca część tego elementu, w celu zapewnienia wymaganej trwałości, również została poddana termicznemu powlekaniu.

Widok podłączonych geomatek zbrojących

Grubość spoiny pomiędzy panelami została zapewniona za pomocą dystansowych i łączących elementów systemowych, które wyznaczają dokładne położenie paneli względem sąsiednich elementów oraz ich konstrukcyjne wzajemne powiązanie. Każdy poszczególny poziom konstrukcyjny jest w górnej części zakończony systemową żelbetową koroną.

Widok konstrukcji – poszczególne etapy są zakończone systemową koroną

Podsumowanie

Przy projektowaniu konstrukcji z gruntu zbrojonego należy respektować szereg zasad konstrukcyjnych, ogólnych reguł, zaleceń oraz sprawdzonych procedur, które gwarantują prawidłowe funkcjonowanie konstrukcji przez cały zakładany okres użytkowania obiektu. Przede wszystkim jednak niezbędne jest odpowiednie doświadczenie w projektowaniu tego typu konstrukcji lub konstrukcji o podobnej skali, które najlepiej, aby zostały również zrealizowane i objęte monitoringiem. Kluczowym elementem udanej i bezproblemowej realizacji jest terminowe rozwiązanie wszystkich przewidywalnych detali konstrukcyjnych, najlepiej już na etapie opracowywania dokumentacji warsztatowej, a nie poprzez improwizację w trakcie samej realizacji danej konstrukcji.