Ražba jednokolejných tunelů metra V. A 

Traťové tunely prodloužení trasy metra A v Praze ze stanice Dejvická do stanice Motol budou raženy technologií TBM-EPB. Tato zkratka je odvozena od anglického názvu Tunnel Boring Machine – Earth Pressure Balance a specifikuje typ použité technologie TBM, kdy tlaky během ražby jsou vyrovnávány za pomoci rozpojené zeminy.

Pro ražbu byly vyrobeny štíty s pořadovými čísly S-609 a S-610; tímto způsobem označuje výrobce, německá firma Herrenknecht, štíty s průměrem větším než 4,2 m. Razicí štíty jsou po částech dopravovány na staveniště BRE1, ležící východně od křižovatky Vypich asi 500 m před stanicí Petřiny. Jednotlivé díly se pak spouštějí na předem připravená lůžka ve dně montážní šachty z převrtávaných pilot průměru asi 21 m a hloubky 34 m, kde probíhá kompletace stroje. Celý razicí komplex se pak spojuje v jeden celek a dostrojuje v montážní komoře, což je dvoukolejný tunel metra navazující na montážní šachtu.

Celou trasu, kterou musejí stroje na ražbách do stanice Dejvická urazit, lze rozdělit na dva hlavní úseky. První začíná na zařízení staveniště BRE 1 a končí na staveništi E2, situovaném přibližně v polovině trasy. Druhý pokračuje z E2 a končí před stanicí Dejvická.

Ražby jednokolejných tunelů metodou TBM byly zahájeny na levé tunelové troubě (pohled ve směru ražby) pomocí stroje S-609. Montáž a zahájení ražeb druhým strojem, jehož označení je S-610, jsou plánovány s tříměsíčním odstupem.

Stanicí Petřiny, tj. stavebním oddílem SO 07 ST Petřiny + odstavy, budou oba štíty pouze protaženy předem vyraženými dílčími výruby jednolodní stanice. Ražba pak bude znovu zahájena v předem připravených zarážkách na konci stanice.

Sestavování prvního stroje na staveništi na pražském Vypichu

Za stanicí Petřiny pak bude ražba jednokolejných tunelů pokračovat v SO 06 TÚ Veleslavín–Petřiny bez přerušení v délce 1 066 m až do třílodní stanice Veleslavín. Třílodní stanicí Veleslavín se štíty protáhnou předem vyraženými bočními loděmi stanice. Poté zahájí krátkou ražbu v SO 04 TÚ Červený Vrch – Veleslavín délky asi 150 m až do otevřené stavební jámy na staveništi E2. Touto jámou budou protaženy a na jejím konci zahájí ražbu o délce asi 100 m. Když oba stroje projedou jámou E2, bude zahájen přesun kompletního technologického vybavení (systém pásových dopravníků, chlazení, míchací centrum a ostatní) ze zařízení staveniště BRE1 na zařízení staveniště E2, čímž se pro provádění definitivních ostění stanic uvolní první úsek včetně dvou stanic Petřiny a Veleslavín.

Jednolodní stanicí Červený Vrch (SO 03) budou oba štíty protaženy bez ražení. Za stanicí Červený vrch pak stroje zahájí nejdelší a nejsložitější úsek ražeb z pohledu předpokládaného geologického prostředí. Tento úsek o délce asi 1 760 m v SO 02 TÚ Dejvická – Červený Vrch končí ve stanici Dejvická SO 01, kde budou oba stroje demontovány a po částech přesunuty na povrch.

Celkově oba stroje TBM-EPB vyrazí jednokolejné tunely o délce asi 8 100 m (2 × 4 050 m).

TBM-EPB neboli zeminový štít
Tyto stroje s vyrovnáváním tlaků během ražby za pomoci rozpojené zeminy se vyznačují řadou technických detailů, které stojí za pozornost. Především se jedná o zeminový štít s průměrem řezné hlavy 6 080 mm; celková délka stroje přesahuje 100 metrů, hmotnost je téměř 900 tun. Řezná hlava je rozdělena do tří celků pro usnadnění její demontáže po ukončení ražeb. Osazena je 17 dvojitými valivými dláty a čtyřmi jednoduchými obrysovými dláty, které lze vysunout a zvětšit tak ražený průměr na 6 100 mm. Pro ražbu ze šachty Vypich byly dvojité disky nahrazeny řeznými noži.

Princip ražby stroji TBM-EPB je založen na rozpojování horniny na čelbě tunelu pomocí řezných nástrojů umístěných na rotující řezné hlavě. Rozpojená hornina pak prochází přes otvory v řezné hlavě do odtěžovací komory, kde se promíchává s již rozpojenou rubaninou. Tlaková síla z tlačných válců se poté přenáší do rozpojené rubaniny prostřednictvím tlakové přepážky. Tím zabraňuje nekontrolovanému pronikání rubaniny z čelby tunelu do tlakové komory.

Rovnovážného stavu je dosaženo, jakmile rozpojená rubanina v odtěžovací komoře brání samovolnému pronikání rubaniny do odtěžovací komory stroje. Toto pronikání je způsobeno horninovým a hydrostatickým tlakem zastiženým na čelbě tunelu. Horninový tlak na čelbě tunelu zhruba odpovídá tlaku ve zbytku odtěžovací komory. Jestliže pak roste tlak vyvolaný rozpojenou rubaninou v tlakové komoře stroje během vyrovnávání tlaků, rubanina v odtěžovací komoře a hornina na čelbě tunelu se dále konsoliduje, což může způsobit otřesy před štítem. Pokud je však tlak v komoře snižován, může rubanina před řeznou hlavou stroje pronikat do odtěžovací komory stroje a způsobovat sedání povrchu nad strojem TBM. Snahou je, aby výsledné ovlivnění zeminového prostředí v okolí stroje a povrchu nad strojem TBM bylo minimální.

Rozpojená rubanina je z odtěžovací komory dopravována šnekovým dopravníkem do tunelu na tunelový pás, kde je již atmosférický tlak. Řezná hlava, odtěžovací komora a pohon řezné hlavy je pak spojen v jeden kompaktní celek doplněný přetlakovou komorou, což je přetlaková komora sloužící k adaptaci pracovníků na zvýšený tlak. Tento kompaktní celek (štít) po obvodě doplňují dvojice tlačných hydraulických pístů, které se vysouvají a opírají o poslední zbudovaný prstenec segmentového ostění, a tím posouvají celý komplex stroje i se závěsem vpřed.

Pohled do startovací jámy a tunelů

O pohon řezné hlavy se stará šest hydraulických motorů s příkonem 1 200 kW. Šestnáct dvojic hydraulických pístů generuje maximální přítlak na čelbu o velikosti 39 000 kN. Aby se do hlavního ložiska nedostala rubanina nebo voda, je tento systém chráněn ztrátovým kanálkovým mazáním za použití maziva HBW.
Pro případ přerušení ražeb na delší dobu v nestabilním, případně zvodnělém prostředí je na stroji nachystán rozvod bentonitu, který lze načerpat jak do odtěžovací komory a před řeznou hlavu, tak i do prostoru mezi výrub a štít. S jeho pomocí je eliminováno rozvolňování výrubu a případné následné sedání povrchu.

Závěs stroje je s touto motorovou částí stroje spojen ocelovou konstrukcí podobnou mostu. Ten je zde proto, aby celá spodní část tunelu zůstala volná pro transport a budování segmentového ostění. K montáži ostění slouží vakuový erektor, dopravující jednotlivé segmenty ostění do správné pozice. Za mostem se nachází řídicí kabina a další nezbytné prvky, například pásový dopravník, který probíhá celým komplexem závěsu stroje. Závěs tvoří jednotlivá technologická centra, potřebná pro chod celého systému. Jedná se o sekci obsahující hydraulické pumpy, trafostanice, bubny s vlečnými kabely a potrubím, sekci pro prodlužování veškerých vedení v tunelu atd.

Logistika pro zajištění ražeb stroji TBM-EPB
Celá koncepce logistiky byla navržena na maximální možný postup zeminového štítu, a to 900 m/měsíc. Při 30 pracovních dnech v měsíci to je 30 m/den, tj. 20 prstenců denně na jedno EPBM. Při maximálním postupu obou štítů naráz je potřeba přivézt 40 prstenců na mezisklad tybinků a poté je distribuovat ke štítům. Z uvedeného vyplývá, že je nutno ke stroji dopravit minimálně jeden prstenec za hodinu. Při ražbě štíty vzniká v jednom cyklu přibližně 45 m³ rubaniny, kterou je potřeba dopravit od štítů na mezideponii umístěnou v prostoru zařízení staveniště na povrchu. Dále je nutné přivést ke stroji 4,6 m³ výplňové injektážní směsi pro zainjektování prostoru mezi výrubem a vnějším pláštěm prstence.

Při návrhu logistiky byly důležité především tyto skutečnosti:

• typ stroje (průměr štítu, výrobce, typ štítu),
• vedení ražených tunelů (délka, stoupání atd.),
• odhad skupenství rubaniny (s přihlédnutím ke geologii),
• geologie v trase ražeb,
• velikost a rozvržení zařízení stavenišť.

Na základě požadavku na maximální postupy štítů TBM-EPB bylo nutné vytvořit cyklogramy, které ověřily, zda navržený koncept logistiky bude dostatečně kapacitní k požadavkům postupu ražeb. Cyklogramy byly nastaveny na nejhorší možné podmínky. To znamená, že se například modelovaly nejdelší možné vzdálenosti mezi ZS E2 a Dejvicemi či možné míjení souprav, stejně jako nejnižší rychlosti souprav, respektive nejdelší možné časy manipulací materiálů a časy nutné pro pohyb zařízení při nakládce a vykládce a podobně.

Výsledky vyhodnocení cyklogramů a nákladových kalkulací potvrdily správnost výběru jednotlivých technologií.
Zajímavostí ve výběru technologií je použití speciální kolové platformy MSV (Multi Servise Vehicle). Jedná se o víceúčelová kolová vozidla, která byla zatím použita úspěšně jen na několika projektech, například v Soči a Istanbulu. Jejich výhodou je možnost dopravy přímo mezi podzemím a povrchem při zvládnutí 15procentního stoupání i s nákladem. Tento koncept logistiky zajistí plynulý chod obou štítů EPB a plánované měsíční postupy, a to i v případě komplikací. Použití těchto technologií v konečném důsledku přinese úspory energie, náhradních dílů a samozřejmě především nákladů.
Při použití strojů TBM je návrh logistiky pro konečný úspěch ražeb zcela zásadní.

Výplňová dvoukomponentní injektáž pro segmentové ostění jednokolejných tunelů metra V. A
Nedílnou součástí všech tunelových staveb, jejichž ostění je zhotovováno z prefabrikovaných segmentů, je nutnost vyplnit prostor nacházející se za vnějším lícem jednotlivých prstenců. Význam výplňové injektáže je v zásadě dvojí. Za prvé je nutno zmonolitnit prstenec, který je sám o sobě podle teorie stavební mechaniky konstrukcí staticky přeurčitou a díky zmonolitnění se z něj stane stabilní konstrukce staticky neurčitá. Velmi zásadní je i ta skutečnost, že vyplněním mezilehlého prostoru dojde ke spolupůsobení ostění s okolním horninovým masivem a k vyrovnání zatížení, které na ostění působí. Zároveň jsou minimalizovány deformace okolního horninového prostředí, které by se jinak projevily nežádoucím sedáním povrchu nad raženým dílem.
Při ražbě technologií TBM je průměr štítu větší než vnější průměr prstenců skládaného ostění. V případě ražení TBM na trase metra V. A jde o mezikruží o tloušťce asi 13 cm. Po vložení prstenců ostění vzniká tedy za ocasní částí štítu mezi ostěním a horninovým masivem nezanedbatelný dutý prostor, který je třeba co možná v nejkratší době vyplnit. Děje se tak na konci štítu injektážním zařízením. Výplňová malta je tlakově injektována kontinuálně spolu s postupující ražbou. Tím je zajištěno, že prostor za ostěním je neprodleně vyplněn.

Injektážní směs je připravována na povrchu v míchacím zařízení, v našem případě jde o mobilní míchací zařízení MCM 5500 firmy Häny, a pomocí potrubního vedení průměru 100 mm v tunelu je čerpána až do tanku o objemu 6 m3 k injektážnímu zařízení za obálkou štítu. Z potřeby využití potrubí pro dopravu v tunelu vyplývají požadavky na čerpatelnost a kontrolovatelný náběh tuhnutí výplňové malty, aby se neucpávalo potrubí. Doba stabilního stavu malty bez náběhu tuhnutí se vyžaduje zpravidla 72 hodin, neboť vzdálenosti, na které je nutno potrubím injektážní směs transportovat, mnohdy přesahují hranici jednoho i více kilometrů. Na druhé straně je nutné, aby výplňová malta za vnějším lícem ostění byla po zaplnění prostoru co nejdříve tuhá a aby se svojí pevností co nejdříve přiblížila hodnotám zajišťujícím zejména v obloucích stabilní polohu prefabrikovaného ostění ve vyraženém výrubu tunelu.

Tyto dva protichůdné požadavky byly vyřešeny použitím dvoukomponentní výplňové malty. Komponenta A se skládá z vody, cementu, bentonitu, plastifikační a stabilizační přísady. Míchá se v míchacím zařízení umístěném na staveništi v přesných hmotnostních poměrech podle zvolené a předem odzkoušené receptury. Odtud se potrubím dopravovuje do tanků na razicím štítu a tady je těsně před vyplněním prostoru za ostěním k ní v přesně stanoveném poměru přidávána komponenta B. Tou je urychlovací přísada vedená ke stroji z kontejneru samostatným potrubím.

Vyplňování prostoru tryskami za vnějším lícem ostění je tedy nanejvýš důležitou operací. Problémy týkající se právě injektážní výplňové malty by totiž mohly ovlinit rychlost, či dokonce zastavit postupy ražby, ohrozit správnou statickou funkci tunelového ostění či vyvolat nadměrné velikosti sedání povrchu terénu. Z těchto důvodů se procesu injektáže a hledání optimální receptury dvou­komponentní výplňové malty věnuje nemalé úsilí.

Ve čtvrtém listopadovém týdnu proběhly poloprovozní zkoušky různých receptur dvou­komponentních výplňových malt pro projekt Metro V. A – ražba TBM. K těmto účelům bylo firmou Herrenknecht zapůjčeno testovací zařízení, které má věrně simulovat podmínky směšování obou komponent tak, jak se to bude dít přímo na stroji TBM.

Zkoušky byly provedeny laboratoří firmy Zakládání staveb, a. s.; tato firma rovněž pro účel zkoušek zapůjčila svoji míchačku.

Segmentové ostění jednokolejných tunelů metra V. A
Ostění jednokolejných tunelů je navrženo jako železobetonové prefabrikované. Je tvořeno prstenci, které každý obsahuje 6 segmentů (tybinků), jež jsou tvarově rozdílné a označené jako dílce A1, A2, A3, B, C a K. Jejich vyskládáním se vytvoří ucelený prstenec s vnějším průměrem 5 800 mm a vnitřním průměrem 5 300 mm. Šířka prstence je 1 500 mm s konicitou 30 mm. Tloušť­ka segmentů je 250 mm, beton je třídy C 50/60 XA2, XC3-Cl 0,20 – Dmax 6 mm (podle ČSN EN 206-1), pro výztuž je použita betonářská výztuž B500 B.
Pro výrobu tybinků vzniklo sdružení Metro V. A segmenty TBM z firem Doprastav, a. s., a Metrostav, a. s., přičemž výroba prefabrikátů probíhá v závodě Prefa Senec. Jednotlivé segmenty prefabrikovaného betonového ostění vznikají ve výrobně prefabrikátů společnosti Doprastav ve stacionárních ocelových formách, jejichž dodavatelem je společnost Herrenknecht Formwork Technology GmbH. Každá forma se skládá ze čtyř ocelových rektifikovatelných základových desek kotvených do betonové podlahy výrobní haly. Formy jsou uchyceny k deskám pomocí tlumičů vibrací a vybaveny příložnými pneumatickými vibrátory s rozvodem stlačeného vzduchu a regulačním ventilem.

V současné době je v závodě v provozu devět bednicích forem pro výrobu tybinků. S výrobou se začalo 5. října 2010. Dnes jsou již v maximálním provozu všechny formy pro betonáž s denní produkcí 54 tybinků. Zhotoveno je již zhruba 1 500 tybinků. Při výrobě je třeba dodržovat velmi přísné maximální výrobní odchylky segmentů: ±0,5 mm v šířce, ±2,0 mm v tloušťce a ± 0,6 mm v délce po oblouku.

Výroba ocelových armokošů probíhá v armovací hale, kde jsou jednotlivé části vázány na základě výkresů výztuže pro jednotlivé segmenty. Následně je armokoš přepraven a umístěn do betonářské formy v betonářské hale. Beton je dopravován pomocí betonářských košů (bádií) ke každé bednicí formě z betonárny, která je součástí výrobní haly. Betonáž probíhá podle daného technologického postupu výroby a veškeré výrobní procesy jsou dokumentovány v kontrolních listech výroby.

Hlavním místem pro výrobu segmentů je výrobní hala, ve které jsou umístěny stacionární formy, a to tak, aby byla zabezpečena jejich obsluha, přísun vstupních materiálů oceli a betonu a potřebných médií. Ve výrobní hale jsou určena místa pro krátkodobé skladování hotových výrobků, jejich vysprávku a aplikaci gumového těsnění, roznášecích desek a vodicích tyčí. Pro manipulici se segmenty, tedy zejména pro vybírání tybinků z forem, se používá výlučně vakuové zdvihací zařízení rovněž od společnosti ­Herrenknecht.

Výsledná koncepce logistiky odtěžení rubaniny za pomoci systému pásových dopravníků (CBS): –    ZS BRE1 2x tunelový pás 650 mm, 1x pás v přístupové štole 800 mm, –    ZE E2 2x tunelový pás 650 mm; doprava tybinků na kolové platformě Multi Servise Vehicle (MSV): –    4x MSV 16 t, výkon 147 kW, –    2x Men-box na dopravu osob, –    1x jeřábová platforma s nosností 2 t; dvousložková injektážní směs, čerpání injektážní směsi na štít v potrubí: –    potrubí 2,5“, míchací zařízení na komponentu A v rámci ZS, –    komponenta A – směs cementu, bentonitu, vody, stabilizačních a plastifikačních a přísad, –    komponenta B – urychlovač – je uskladněna na štítu v nádrži o objemu 2 m3, doplňována z kontejnerů dopravovaných MSV; využití přístupové štoly, řešení ZS: –    vedení pásů umožňující přesyp mezi tunelovými pásy a pásem v přístupové štole, pohyb MSV mezi povrchem a podzemím, –    věžový jeřáb na povrchu, určený výhradně pro dopravu a manipulaci s tybinky; odbourání součinností: –    protiražba NRTM směrem ke stanici Motol nebude probíhat; nezávislost technologických tras: –    doprava hlavních komodit k razicím štítům je oddělená a každý stroj má svou vlastní nezávislou dopravní cestu.

David Cyroň, Štefan Ivor, Jan Prajer, Filip Schiffauer, Petr Hybský
FOTO: archiv autorů

David Cyroň je vedoucím projektu ražeb stroji TBM na „Prodloužení metra V. A (Dejvická – Motol)“.
Štefan Ivor je stavbyvedoucím projektu ražeb stroji TBM na „Prodloužení metra V. A (Dejvická – Motol)“.
Jan Prajer je přípravářem v projektu ražeb stroji TBM na „Prodloužení metra V. A (Dejvická – Motol)“.
Filip Schiffauer je přípravářem v projektu ražeb stroji TBM na „Prodloužení metra V. A (Dejvická – Motol)“.
Petr Hybský je přípravářem a  manažerem kvality v projektu ražeb stroji TBM na „Prodloužení metra V. A (Dejvická – Motol)“.

Článek byl uveřejněn v časopisu Inžinierske stavby/Inženýrské stavby.