Geotechnika a modernizace železničních koridorů

Výstavba inženýrského díla s sebou obvykle přináší větší rizika, než u jiných druhů staveb. Pro modernizaci železničních koridorů to platí obzvlášť. Železnice jsou těsně propojeny s horninovým prostředím, na kterém jsou budovány. Plocha propojení je u těchto staveb mnohonásobně větší, než je plocha základů, kterými jsou do podloží vetknuty objekty občanské výstavby nebo průmyslové objekty. Spolupůsobení horniny a stavební konstrukce má proto u železnic zásadní vliv na jejich bezproblémovou výstavbu i provoz. Železnice jsou také více ohroženy přírodními procesy, například sesuvy. A to bez ohledu na to, zda jsou samovolné nebo vyvolané neopatrnou činností člověka.

Zkušenost ukazuje, že důležitou úlohu sehrává trvalá asistence geotechnického konzultanta během všech fází přípravy a výstavby modernizace železničních koridorů. Geotechnický konzultant je odpovědný za to, že se v celém průběhu výstavby dostatečně zohlední podmiňující vliv horninového prostředí. Může se efektivně uplatnit ve všech fázích modernizace železničního koridoru. Prvním jeho vstupem je geotechnický a stavební průzkum. Dalším jeho úkolem je identifikace a kvantifikace geotechnických rizik. Poté geotechnický konsultant spolupracuje na přípravě projektové dokumentace. Jeho závěrečnou a nejdůležitější úlohou je geotechnický dozor v průběhu výstavby.

Hydrogeologické poměry. Zásadní je zjištění stavu odvodňovacích zařízení, velikostí přítoků vody z okolí, možné změny vodního režimu v důsledku modernizace a podmínky pro účinnější odvodnění.

Průzkum stávajícího založení umělých objektů. Zaměřuje se na možnost zvýšení únosnosti objektů i způsobu založení případných nových objektů. Součástí tohoto průzkumu geotechnického konzultanta jsou parametrické studie sedání pro návrh založení nových umělých objektů či případnou rekonstrukci stávajících základů umělých objektů.

Průzkum přilehlého území. Neopominutelnou součástí geotechnického průzkumu je zjištění inženýrskogeologických, hydrogeologických a geotechnických podmínek pro řešení stability stávajících svahů a pro volbu optimálních metod zajištění svahů (zářezů) nových. Stejně se postupuje při zakládání vysokých násypů i jejich konsolidaci. Zvlášť důležité jsou výpočty sedání přechodových zón mezi násypem a umělými objekty, zářezy a podobně.

Stanovení technicko-kvalitativních kritérií pro konstrukční materiál. Pro ekonomiku výstavby je klíčové zjištění stavu stávajícího kameniva v železničním spodku a možnosti jeho recyklace. Stejně tak je nutné posoudit kamenivo či zemní materiály z nových lomů. Je nutné stanovit kritéria pro zhutňování zemin v násypech, přechodových zónách, použití alternativních materiálů (druhotné suroviny, lehké kamenivo, popílek, liapor a podobně.).

Průzkum se provádí podle předpisu ČD S4 Železniční spodek. V případě koridorových tratí zpracovává geotechnický konzultant pro potřeby investora zadávací podmínky pro výběr zhotovitele geotechnického a stavebního průzkumu. Aby byl vyloučen konflikt interních zájmů, konzultant se již nezúčastňuje samotného výběrového řízení na provádění geotechnických průzkumů, ale dozoruje a kontroluje správnost závěrů a doporučení z nich vyplývajících.

Většinou se uplatňují obvyklé průzkumné metody. Typické je použití georadarových měření v trase ještě před provedením technických prací vlastního průzkumu (získání kontinuální informace o stavu železničního spodku pro určení kritických míst k podrobnému zkoušení) nebo polních zatěžovacích zkoušek, případně i penetračních zkoušek a vrtů v trase. Jejich cílem je rozdělit trasu na části se srovnatelnými vlastnostmi podle typu podloží, přiřadit jim charakteristické vlastnosti důležité pro projekt a zvolit vhodnou technologii.

Geotechnické riziko je definováno jako souběh pravděpodobnosti vzniku nežádoucí události a ekonomického důsledku této události pro stavbu. Možné nežádoucí události jsou všechny události v průběhu výstavby, které projekt nepředpokládal a které mají negativní vliv na výstavbu. Může jít například o výskyt podstatně horšího železničního spodku, nestability zářezů či podloží vysokých násypů, podstatně pomalejší průběh konsolidace jejího podloží, poddolování, přítomnost mimořádných porušených zón, stavbou vyvolaná aktivizace stabilizovaných sesuvů zářezů či násypů, nefunkční odvodňovací systém, větší přítoky vody, přítomnost zemin horší kvality, než předpokládal průzkum nebo zadávací podmínky.

Důsledkem neočekávaného vzniku takových nežádoucích událostí může být zdržení ve výstavbě, nutnost provedení víceprací či spotřeba dodatečných materiálů – všechny tyto faktory samozřejmě ovlivňují financování prací. Zjišťování podkladů pro rizikovou analýzu a řízení geotechnických rizik jsou dnes nedílnou součástí jakéhokoliv geotechnického průzkumu pro každé velké inženýrské dílo, tudíž i modernizace železničních koridorů. Analýza rizik se provádí ve všech fázích jejich přípravy i realizace a slouží investorovi, projektantovi i zhotoviteli při rozhodování o optimální variantě projektu i technologii výstavby modernizace.

Analýza geotechnických rizik je důležitá z několika hledisek:
• Jejím úkolem je vypracování podkladů pro posouzení různých variant úpravy železničního spodku, výběr výsledné varianty založení a technického řešení umělých objektů, stability zářezů násypů a podobně.
• Je základním podkladem pro ekonomickou volbu variant technologie rekonstrukce železničního spodku a podloží, rekonstrukce umělých objektů, ostění tunelů, portálů.
• Je neodmyslitelným podkladem pro návrh geotechnického monitoringu v místech, kde se rekonstrukcí zasahuje do původních zářezů nebo tam, kde stávající zářez jeví známky nestability. Navrhuje kritéria varovných stavů.
•  Je základem pro návrh variant detailů realizační dokumentace výstavby (zejména v případech geologických anomálií a nebezpečí vzniku mimořádných událostí).

Podklady pro analýzu geotechnických rizik jsou jedním z důležitých výstupů geotechnického průzkumu i při modernizacích železničních koridorů. Zahrnují zejména:
•  Vypracování pravděpodobných scénářů vzniku a průběhu nežádoucích jevů.
•  Odhad pravděpodobnosti, s jakou tyto nežádoucí události mohou nastat.
• Návrh opatření, jak dosáhnout snížení pravděpodobnosti vzniku takových jevů a jejich ekonomických důsledků (návrh způsobů, jak lze snižovat geotechnická rizika prostřednictvím změn projektové dokumentace, technologie výstavby atd.).

Geotechnický konzultant sehrává důležitou úlohu také při zpracovávání všech částí projektové dokumentace, která se zabývá řešením spolupůsobení podloží a stavební konstrukce či železničního svršku a spodku. Význam geotechnického konzultanta spočívá v tom, že disponuje velkou nahromaděnou zkušeností z řešení obdobných případů geotechnických konstrukcí. To však nelze od projektanta – dopravního inženýra obvykle očekávat.

Zpravidla se jedná o asistenci při řešení následujících problémů:
•    Volba vhodné varianty rekonstrukce železničního spodku (náhrada tzv. nevhodné zeminy za kamenivo, posouzení, zda je skutečně daná zemina nevhodná a za jakých podmínek by se jí mohla stát, posouzení účelnosti využití geosyntetik, posouzení možnosti aplikace zlepšení podloží pojivy (například vápněním).
•    Volba vhodné metody zvýšení stability zářezů a náspů. Posouzení efektivního využití moderních levných geotechnických konstrukcí a materiálu v porovnání s těžkými a drahými pilotovými stěnami.
•    Volba druhu podloží násypů a způsobu odvodnění. Navržení účinné a rychlé konsolidace, výpočty stability a sedání, definování kvalitativních podmínek pro provádění a pro monitoring (varovné stavy, co měřit, kde, jak, jak často, s jakou spolehlivostí).
•    Řešení přechodových zón mezi násypy a umělými stavbami. Vytváření podmínek pro minimální zábory půdy podél pat svahů a hornin hran zářezů (podmínky pro zvyšování sklonů za zachování dostatečné stability).

Zavedenou praxí při modernizaci českých koridorových tratí je, že pro odsouhlasení projektu stavby je nezbytný souhlas geotechnického konzultanta.

Technický dozor investora přesouvá na geotechnického konzultanta veškeré své odpovědnosti, které souvisí s dozorováním stavební činnosti dotýkající se spolupůsobení podloží a horniny se stavební konstrukcí. V případě exponovaných geotechnických konstrukcí, jako jsou tunely, sanace zářezů či výstavba kontaktů násypů s umělými objekty, může geotechnický konzultant převzít odpovědnost a kompetence technického dozoru investora i v plném rozsahu. Závisí to na okolnostech dané stavby.

Geotechnický konzultant vykonává dozor nad sanací zemní pláně, budováním konstrukčních vrstev železničního spodku i kvalitou kameniva kolejového lože. Přebírá základové spáry, kontroluje dodržování technicko-kvalitativních podmínek pro zemní práce při jejich provádění a ověřuje kontrolní zkoušky zhotovitele. Provádí nezávislé kontrolní zkoušky investora, vede a vyhodnocuje monitoring a je zodpovědný za případné posuzování odlišností podmínek staveniště (rozdíly mezi předpokladem projektu a zastiženou skutečností).

Zastupuje investora při projednávání změn projektu stavby, které se týkají geotechnické problematiky. Stanovuje zatřídění hornin, třídy těžitelnosti a kontroluje dosažení míry zhutnění zemní pláně. Spolupracuje při zpracování té části dokumentace skutečného provedení stavby, která se týká geologických a geotechnických informací. Jeho písemný souhlas je nutný při všech změnových řízeních týkajících se železničního spodku zemní pláně a jejího podloží i ostatních geotechnických konstrukcí.

Zkušenosti získané při modernizaci českých koridorových tratí v plném rozsahu potvrdily předpoklad, že činnost geotechnického konzultanta bude pro kvalitu i ekonomiku velkým přínosem. Pro zvýšení efektu jeho činnosti bylo třeba dodržet některé zásady. Jednou z nich je fakt, že konzultant svou činnost musí provádět důsledně od přípravy výstavby přes geotechnický a stavební průzkum až po projektovou přípravu. Táž fyzická osoba musí být přítomná při výstavbě jako geotechnický dozor. Je to důležité z hlediska shromažďování zkušeností s danou stavbou i z hlediska komunikace geotechnik – investor – projektant – zhotovitel stavby. Pokud na stavbě chybí souvislá, úzká a osobní pracovní komunikace a tvůrčí technická spolupráce mezi všemi odpovědnými pracovníky, dochází konfliktům a chybám. Zásadní podmínkou ovšem je, že geotechnický konzultant disponuje dostatečnými kompetencemi. To se týká například jeho účasti při schvalování projektové dokumentace nebo kontrole zemních prací. Musí být schopen je v případě potřeby okamžitě zastavit bez jakékoliv konzultace se stavebním dozorem. Využívání kompetencí vyžaduje vysokou profesionalitu a komplexnost, což se zakládá na dobrých geotechnických znalostech mechaniky zemin a hornin, laboratorního i polního zkušebnictví, geotechnického monitoringu, projektování geotechnických konstrukcí i matematického modelování geotechnických problémů. V žádném případě nesmí konzultant pracovat s najatými specialisty.

Další zásadou je, že konzultant za svá doporučení a rozhodnutí nese plnou zodpovědnost a je schopen nést důsledky případných škod vzniklých nesprávnými rozhodnutími. Za investora na sebe musí převzít zodpovědnost za případná geotechnická rizika (díky svému dostatečnému odbornému, materiálovému i finančnímu zázemí). Geotechnický konzultant musí být také plně nezávislý. To předpokládá vyloučení jeho finanční nebo majetkové propojenosti se zhotovitelskými nebo projekčními firmami, které se na modernizaci železničních koridorů podílejí. Proto není ani zhotovitelem geotechnických průzkumů. Omezuje se na vypracování jejich programů a zadávacích podmínek, podle kterých investor vhodného zhotovitele geotechnického průzkumu vybere ve veřejném výběrovém řízení. Poté ovšem provádí dozor nad těmito pracemi a jejich vyhodnocováním.

Investor by měl akceptovat metodiku řízení geotechnických rizik, která umožňuje optimalizovat vhodná projektová řešení, projednávat technologii a řadu otázek s geotechnickým konzultantem přímo na stavbě. Společnou strategií investora a geotechnického konzultanta musí být prevence problémů. Do tohoto způsobu práce musí být vtažen i zhotovitel stavby, který je v předstihu upozorňován na problém a spolu s ním se hledá optimální řešení pro všechny účastníky výstavby.

Investor – SŽDC (Správa železniční dopravní cesty) každoročně důsledně provádí hodnocení činnosti geotechnického konzultanta s kvantifikací jeho ekonomického i neekonomického přínosu. Roční zpracovávání hodnotících zpráv a jejich schválení je podmínkou pro pokračování, případně korekci činnosti geotechnického konzultanta v následujícím období.

Z technického hlediska lze přínosy geotechnického konzultanta v průběhu modernizace železničního koridoru shrnout do následujících oblastí:
• Vyloučení dodatečných projektových úprav a víceprací z důvodů operativního vypořádávání se s neočekávanými nežádoucími jevy v oblasti spolupůsobení železničního svršku a spodku a minimalizace nežádoucího prodlužování výstavby.
• Podstatné zvýšení kvality zemních prací, zhotovení pláně. Podstatné je průkazné dokladování kvality díla, perfektní podklady pro dokumentaci skutečného provedení stavby, co se týče geologie, podkladových vrstev a geotechnických konstrukcí.
• Úspora vlastních odborných pracovníků investora v týmu jeho technického dozoru.
• Jistota investora v jednáních se zhotovitelem, týkajících se zatřídění hornin z hlediska těžitelnosti, vrtatelnosti, kvality zemních prací ap.
• Podstatně modernější a odvážnější přístup projektanta při navrhování geotechnických konstrukcí. Minimalizace konzervativních, předimenzovaných či chybných projektových řešení.

Rozhodující finanční úspory vyplývající z činnosti geotechnického konzultanta mají svůj původ v důsledném omezování konzervativního přístupu k projektování a používání drahých a nevhodných technologií a materiálů. Bohužel, přesné vyjádření tohoto přínosu není možné. Projekt s progresivním řešením zpracovávaný od počátku s asistencí geotechnického konzultanta totiž nelze srovnávat s jeho konzervativní variantou, protože prostě nebyla navržena. Drahé materiály a nevhodné technologie byly z projektů včas vylučovány. Stejně tak je obtížné hodnotit finanční úspory plynoucí ze skutečnosti, že se preventivně v předstihu zabránilo nežádoucím jevům v průběhu výstavby, mimořádným událostem a haváriím. Takové úspory nelze dodatečně jednoznačně určit a srovnávat je s řešením bez účasti geotechnického konzultanta. Můžeme je jen zhruba odhadovat. Přitom lze vyjít z následujících faktů a údajů ze zahraniční literatury: „Stále rostoucí konkurence nutí zhotovitele jít ve svých nabídkách až na samou hranici přijatelné kvality a bezpečnosti. Pravidla výběrových řízení na zhotovitele takových staveb, ve kterých se dává přednost nabídkám za nejnižší ceny, aniž by se dostatečně zdůrazňovala kvalita a kontrola, tuto situaci ještě zhoršují.“

Taková finanční omezení projektu i způsobu výběru zhotovitele jsou poměrně běžná. Důsledkem je, že samotná výstavba je pak zatížena značnými riziky. Přirozeným důsledkem je, že ztráty a škody, vyplývající z poruch, havárií víceprací a nutných prodloužení výstavby inženýrských staveb, dosahují ve světě v průměru 10 % z původně rozpočtových nákladů na stavbu . Tyto náklady je nutné zcela zbytečně vynakládat navíc.

Za takových podmínek neočekávané geologické poměry a nepřipravenost na ně anebo neochota brát je včas v úvahu, jsou hlavní příčinou problémů při výstavbě. Skutečnou příčinou je neschopnost být na takové přirozené skutečnosti včas připraven a dostatečně rozhodně na ně v průběhu přípravy a výstavby reagovat. Tato neschopnost bývá obvykle způsobena tím, že stavby jsou připravovány, projektovány a prováděny bez pečlivého a odborného geotechnického sledování a dozoru. Brandl uvádí, že podle evropských statistik je 80 až 85 % všech ztrát ve stavebnictví prvotně způsobeno problémy, majícími svůj původ v podloží staveb, na které se v  průběhu výstavby nereaguje. Holandská federace dodavatelů zakládání staveb a pilot uvádí, že jen z tohoto důvodu jejich každoroční ztráty přesahují 100 milionů eur ročně (což činí 10 % z jejich ročního obratu).

Dosud se v ČR na koridorových stavbách od roku 1996 prostavělo cca 60 miliard korun. Pokud by se z  opatrnosti snížilo procento celkových úspor z 10% na pouhé 3 %, jak uvádí mezinárodní literatura, lze celkovou úsporu na českých železničních koridorech, která vznikla činností geotechnického konzultanta, odhadnout na 1,8 miliardy korun. Prokázané přímé finanční úspory, schválené a potvrzené investorem v ročních hodnotících zprávách, činí za toto období přes 500 milionů korun.

Není sporu o tom, že finanční zdroje, vložené do činnosti geotechnického konzultanta, se investorovi modernizace českých koridorových tratí mnohonásobně vrátily. Kromě toho se nepochybně zvyšuje kvalita stavebních prací, lepší schopnosti investora kontrolovat a prosazovat kvalitu prací u zhotovitelů. Průběh výstavby je plynulejší, protože se předchází případným sporům investora se zhotovitelem kvůli odlišným podmínkám na staveništi. Případné problémy v oblasti spolupůsobení železničního svršku s podložím a s prováděním ostatních geotechnických konstrukcí se řeší preventivně, operativně a ve většině případů dříve, než skutečně nastanou, a způsobí vícepráce, vícenáklady a zdržení. Trvalá přítomnost geotechnického konzultanta během všech fází přípravy, projektování i výstavby vytvořila optimální podmínky pro využití potenciálu geotechniky při modernizace železničních koridorů.