Tunel Klimkovice 1.

Dne 6. května 2008 byl slavnostně uveden do provozu další úsek budované dálnice D47 Lipník nad Bečvou – Bohumín, označený jako stavba 4707. Na tomto úseku dlouhém necelých 10 km se nachází i tunel Klimkovice – jeden ze stěžejních inženýrských objektů této dálnice. Tunel samotný je dlouhý 1 080 m a nachází se na katastrálním území obce Klimkovice, ve vzdálenosti asi 1 km od objektu klimkovických sanatorií. Prochází pod terénní vyvýšeninou mezi obcemi Klimkovice a Hýlov. Pokud by tunel nebyl realizován, bylo by území nešetrně a poměrně drasticky rozděleno frekventovanou dálnicí a jejím provozem. Do budoucna umožní rozvoj tohoto území, které lze, vzhledem ke své poloze a charakteru, označit za rekreační a oddychovou zónu.

Základní technické údaje tunelu
Tunel je veden ve dvou samostatných tunelových rourách A a B a obě tunelové roury jsou dvoupruhové. Oba tunely mají stejné prostorové parametry jednosměrného dvou­pruhového tunelu kategorie T9,5 a stejné konstrukční uspořádání:

• šířka mezi obrubníky dopravního pásu (s jednostranným příčným sklonem) 9,50 m,
• výška průjezdného průřezu nad vozovkou 4,80 m,
• šířka oboustranných chodníků minimálně 1,10 m,
• světlá šířka tunelu 12,204 m,
• výrubová plocha tunelu včetně technologicky nutného nadvýkonu 120,17 m²,
• výrubová plocha nouzového zálivu včet­ně technologicky nutného nadvýkonu 156,48 m²,
• výrubová plocha spojky včetně technologicky nutného nadvýkonu 38 m².

Z důvodu vedení dálniční trasy v dané konfiguraci terénu a geologických podmínkách byly tunely v delších úsecích raženy ve skalním masivu. V kratších příportálových úsecích byly budovány jako hloubené v otevřených stavebních jamách s následným přesypáním. V hloubených úsecích jsou konstrukce tunelů jednoplášťové, s rubovou deštníkovou hydroizolací a s uložením jednotlivých klenbových pásů na průběžných podélných základových pásech. V ražených úsecích jsou konstrukce tunelů dvouplášťové, s uzavřenou mezilehlou hydroizolací.

Tunel A je na brněnské straně hloubený v délce 165,83 m a na ostravské straně 46,17 m, ražený úsek má délku 864,82 m. Tunel B je hloubený v délce 166,40 m na brněnské straně a 46,40 m na ostravské straně, ražený úsek má délku 875,28 m. V ražených úsecích jsou konstrukce tunelů dvouplášťové, s uzavřenou mezilehlou hydroizolací. Obě tunelové roury jsou propojeny celkem pěti tunelovými spojkami určenými pro bezpečný únik osob a pro technologické vybavení. Z důvodu očekávané zátěže dálnice kamionovou dopravou jsou oba tunelové tubusy uprostřed délky opatřeny nouzovým zálivem. V nezbytném počtu jsou rovněž opatřeny výklenky s SOS skříněmi, rovnoměrně umístěnými po délce tunelu. Větrání tunelů je řešeno jako podélné pomocí reverzních ventilátorů zavěšených ve vrchlíku klenby. Zdroj energie a požární vody pro tunel je zajištěn přes trafostanici, která je umístěna na povrchu terénu nad tunelem. Odtud jsou přípojné kabely a potrubí vedeny podzemním horizontálním kolektorem a svislou šachtou do střední tunelové spojky.

Geologické podmínky
Tunel Klimkovice je situován na rozhranní Nízkého Jeseníku a Oderské brány. Zájmové území se nachází na okraji českého masivu, na styku moravskoslezské oblasti s karpatskou předhlubní. Kvartérní pokryvné útvary jsou tvořeny vesměs deluviálními sedimenty (jílovitopísčité až jílovité hlíny, jíly s výskytem hlinitopísčitých štěrků) o mocnosti 1 až 7 metrů. V podloží pod nimi jsou zastiženy horniny neproduktivního karbonu – kulmu (jílovité břidlice) a místy se nad nimi ještě nacházejí miocénní jíly.

Ražba tunelu probíhala ve skalním podloží neproduktivního karbonu – kulmu. Typickým horninovým prostředím byla kombinace pelitických jílovců a prachovců s drobami a drobovými pískovci ve formě flyšových souvrství (obr. 3). Právě toto rytmické flyšové střídání jílovitých a pískovcových vrstev je pro Ostravsko typické a přináší geotechnické potíže a problémy. Sklon vrstev se v průběhu díla mírně mění (60 až 70°) a je protkán častými nespojitostmi, většinou kolmo k vrstevnatosti. Bylo indikováno pět poruchových pásem (A, B, C, D a E) procházejících většinou šikmo k ose tunelu. Podzemní voda je vázána především na pukliny a tektonické poruchy. Celkově je prostředí masivu charakterizováno jako méně propustné. Přítoky vody při ražbě většinou nepřesáhly 2 l/s.

Geologická dokumentace stavebních objektů
Geologické a geotechnické práce, uskutečňované na stavbě klimkovického tunelu v rámci monitoringu vlivů stavby, byly prováděny jak v jeho ražené části, tak i v příportálových oblastech v otevřených stavebních jámách. Dokumentační práce tak navazovaly na předchozí etapy inženýrskogeologických průzkumů, uskutečněných v rozmezí let 1997 až 2004. Průzkumné práce signalizovaly v obou hloubených úsecích velmi složité geologické poměry. Byly zde zaznamenány indicie výrazného hloubkového zvětrávání hornin, rozsáhlých poruchových pásem a nebezpečí sesuvných míst a nestability, které mohly negativně ovlivnit výstavbu tunelu. Proto byly geologické práce v obou příportálových oblastech provedeny v režimu podrobného inženýrskogeologického průzkumu. Byl realizován v období od října 2004 do zahájení vlastní ražby tunelu v dubnu 2005 a pokračoval i ve formě geo­logického sledu do doby jejich přesypání v říjnu 2007.

Geologický a geotechnický sled ražby tunelu byl uskutečňován se zahájením ražby kaloty z ostravského provizorního portálu počátkem dubna 2005 a v květnu 2005 pak z portálu brněnského. Dokumentace byla dále prováděna s odstupem při děleném těžení jádra. Sled byl ukončen dobírkou spodní klenby obou tunelových trub koncem května 2006.

Podrobný průzkum stavebních jam
Podle výsledků průzkumných prací byly obě stavební jámy hloubeny v kvartérních zeminách a kulmských horninách. Převažující zeminou byly sprašové hlíny (z hlediska ČSN 73 1001 třídy F6), lokálně jílové splachové sedimenty v terénních depresích, případně deluvia s relikty severských hornin. Níže položená eluvia kulmských hornin měla podle obsahu jílové a kamenité frakce charakter štěrků jílovitých (G5) a jílů štěrkovitých (F2), resp. byla obecně charakteru zemin (R6). Spodní partie stavebních jam tvořily kulmské poloskalní horniny, zastoupené pelity (jílovci) a aleurity (prachovci), s ohledem na jejich obtížnou makroskopickou rozeznatelnost sou­hrnně označované jako aleuropelity. Jedná se o jemnozrnné horniny tvořené zrnitostní frakcí do 0,05 mm, s odlučností nej­častěji v rozmezí tenkých desek až tenkých lavic. Jako zdravá hornina byly podle ČSN 73 1001 řazeny do třídy R3 jako horniny se střední pevností (podle zkoušek prosté tlakové pevnosti R = 18,2 až 25,5 MPa). Aleurity prostupovaly droby odlučné podle desek až hrubých lavic. Ve zdravém stavu byly řazeny do třídy R2 jako horniny s vysokou pevností (R = 57 až 87 MPa).

Aleuropelity a droby se vyskytovaly v samostatných polohách nebo ve formě hrubě či drobně rytmického flyše a byly různě postiženy procesy zvětrávání a porušení. Z hlediska těžitelnosti (ČSN 73 3050) bylo zejména v brněnské stavební jámě během její těžby upřesněno vyšší procentuální zastoupení zdravých aleuropelitů a lavic drob, řazených do třídy 5 a 6.

Měřením tektonických prvků byly na základě zpracování konturových diagramů vymezeny úseky s převládajícími směry a velikostmi úklonů ploch nespojitosti, ukazující na uložení vrstevních ploch a systém puklin. Identifikace těchto systémů přispěla k zajištění nestabilních úseků ve zvětralé zóně kulmských hornin doprovázené nadvýlomy, zejména pak vlivem nepříznivého uložení vrstev v pravém svahu brněnské stavební jámy. Část nestabilního úseku horninového masivu se směrem vrstev blízkým směru dálnice a se sklonem asi 30° do zářezu v km 141,160 až 141,272 byla předmětem dodatečného zajištění stavební jámy pomocí kotev Titan. Komplikované geologické poměry zde navíc doplňoval výskyt blízkého poruchového pásma ve stěně zářezu, jakož i prognózované nepříznivé hydrogeologické poměry.

V ostravské výkopové jámě průzkumné práce ověřily přítomnost poruchové zóny pravého zářezu zajišťovaného pilotovou stěnou, avšak skutečný stav horninového podloží dovolil plošné zakládání tunelových pasů v hloubeném úseku tunelu oproti původně navrhovanému založení na pilotách.

Geologický a geotechnický sled ražby tunelu
Při dokumentaci ražby tunelu byly zastiženy obdobné horninové typy flyšového charakteru jako ve stavebních jámách. Vrstvy se střídaly v laminách (mocnost do 20 mm) až hrubých lavicích (nad 2 000 mm). Vizuálně byly rozlišovány aleuropelity, droby, dále drobně a hrubě rytmický flyš jako rychlé střídání pelitů, aleuritů a drob s „drobnou“ či „hrubou“ odlučností.

Byly postiženy zvětráváním, které je však na základě podrobných petrografických analýz nutno chápat jako oslabení soudržnosti hornin v jejich tektonickém porušení.
Tektonická měření vyhodnocená formou konturových diagramů vyčlenila 3 systémy vrstevnatosti (V1: s průměrným směrem a sklonem spádnice 252°/17°, V2: 289°/74°, V3: 115°/58°) a 3 puklinové systémy (P1: 192°/72°, P2: strmé, severojižního směru, PL: subhorizontální, „ložní“). Horninový masiv byl postižen vrásovými ohyby i zlomovou tektonikou (obr. 3). Intenzivnější postižení bylo zaznamenáno zejména v první třetině trasy a ke konci ražené části tunelu. Ve střední části trasy převažovaly jen mírnější ohyby vrstev. Trasa tunelu míří šikmo vůči převažujícímu směru struktur.

Z porovnání grafických výstupů průzkumu s mapami sestavenými podle dokumentace ražby vyplývá, že geofyzikálně indikované zóny oslabení masivu předchozí etapou inženýrskogeologického průzkumem byly při ražbě tunelu v zásadě potvrzeny. S ohledem na použité metody geofyzikálního průzkumu se projevila především poruchová pásma, doprovázená výraznějším zvodněním. Méně přesný se ukázal předpoklad změny převažujících směrů geo­logických struktur ve staničení mezi 141,800 a 141,900 km a jejich navzájem odlišný průběh v brněnské a ostravské části. Tektonická stavba se ve skutečnosti ukázala jako složitější. V místech některých z geofyzikálně indikovaných poruchových zón byly uskutečněny horizontální předvrty do čelby, které měly za cíl zjistit charakter porušení hornin v předstihu před pokračující ražbou. Žádným z vrtů však nebyl zjištěn takový stupeň tektonického postižení, který by vyžadoval přijetí speciálních technických opatření nad rámec zatřídění podle NRTM, pouze byl zkracován krok záběru. Mohutnější tektonicky oslabená pásma jsou v trase tunelu rozšířena v horninách s převahou aleuropelitických vrstev, v drobách jsou vyvinuty příčné dislokace převážně bez doprovodu výraznějšího porušení.

Větší nadvýlomy podmíněné geologickou stavbou se vyskytovaly ve stropě kaloty a v počvě spodní klenby zejména za podmínek subhorizontálního uložení vrstev hornin, kde v litologickém složení převažovaly hrubé desky a lavice drob. Dále vznikaly ve strmě uložených vrstvách s rozpukáním subhorizontálními ložními puklinami a v místech mohutnějších pásem tektonizované rozrušené horniny. Nezanedbatelný vliv měla dále rozdílná pevnost flyšových hornin a do určité míry i použitá technologie, která nemusela být vždy optimální pro všechny složky horninového masivu v geometrii výrubu. Hydrogeologické poměry horninového masivu byly vzhledem k ražbě vcelku příznivé. Pouze výjimečně byl zaznamenán vliv na nestabilitu výrubu a vznik nadvýlomů v prostředí prachovců s průsaky vod podél ploch diskontinuit.

Provedený inženýrskogeologický průzkum v příportálových oblastech a závěry geologického a geotechnického sledu ražby tunelu potvrdily v zásadě dobrou shodu se závěry předchozích průzkumných etap co do hodnocení litologických typů, tak i jejich fyzikálních a mechanických vlastností. V detailu potvrdily předpoklady projektu stavby, doplnily potřebné údaje pro zajištění hloubených výkopů a přispěly k efektivitě a bezpečné ražbě tunelu.

Postup výstavby

Ražené úseky
Ražba tunelu byla prováděna novou rakouskou tunelovací metodou s uplatněním stříkaného betonu a ctila principy nové rakouské tunelovací metody (NRTM) s horizontálním členěním výrubu. V prvním fázi byla ražena kalota v plné šířce, o ploše výrubu asi 65 m2 a minimální výšce ve vrchlíku klenby 6,10 m. Dolní etáž profilu byla dále prostorově členěna na tři části – spodní lávka ve dvou krocích (pravá, levá) a dobírka počvy. Oproti původním předpokladům provádět ražbu frézováním a jen menší objem hornin rozpojovat trhacími pracemi byl z geologických i časových důvodů kompletní výlom realizován s použitím trhacích prací v plném profilu, a to jak u kaloty a jádra, tak ve formě nakypření u dobírky počvy.

Primární ostění zajišťující výrub je ze stříkaného betonu s výztužnými ocelovými sítěmi, příhradovými oblouky a svorníky. Konstrukční řešení ostění rozlišuje celkem 5 typů jištění podle charakteru horninového prostředí. Převládajícím typem jištění výrubu bylo primární ostění IIIA, pro které byl v daném geologickém prostředí předepsán střední krok záběru 1,60 m a stříkaný beton třídy C20/25 s výztuží rubovou a lícovou sítí, doplněné navíc ocelovými příhradovými oblouky, v potřebném rozsahu opatřené svorníky, přikotvením a jehlováním. Třída jištění výrubu vyplývala z posouzení a zatřídění geologem, který vyhodnocoval geologický sled na čelbě při každém kroku záběru a rovněž vyznačoval zóny nadvýlomů, které vznikly z důvodu nepříznivých geologických podmínek – tzv. nezaviněné nadvýlomy. V každém kroku ražby byl obrys výrubu geodeticky zaměřen a dokladován s následným vyhodnocením a vyčíslením nezaviněných nadvýlomů. Lze uvést, že v daném geologickém prostředí byly nezaviněné nadvýlomy v oblasti kaloty a obou stěn při dobírce jádra výrazně menší než nadvýlomy při dobírce počvy. Zde se muselo použít převážně strojní dolamování horniny, kdy u tvrdších vrstev z drob a prachovců nešlo zabránit uvolnění a vylámání často poměrně velkých a rozsáhlých lavic vrstevnaté horniny.

Geodetické vedení ražeb i zhotovení primárního ostění se rovněž sledovalo v každém kroku ražby a přesnost ražby i výstavby primárního ostění se pohybovala v limitní odchylce ±25 mm od předepsané polohy.

Stavební jámy
Po dobu výstavby byly v oblasti obou portálů vyhloubeny stavební jámy (Brno, Ostrava). Dělicím prvkem mezi raženou a hloubenou částí tunelu byly provizorní portály, na které navazovaly svahy stavební jámy. Provizorní portály i stěny stavebních jam byly jištěny kombinací dočasných technických opatření – železobetonovými převázkami, lanovými kotvami, tyčovými kotvami, hřebíky a stříkaným betonem vyztuženým ocelovými kari sítěmi.

V portálových stěnách byly po obvodu zarážky budoucích tunelů zhotoveny ochranné mikropilotové deštníky a ochranné železobetonové límce. Na ostravském hloubeném úseku byla část pravé stěny jámy z důvodu výskytu geologické poruchy zajištěna navíc kotvenou stěnou z velkoprůměrových pilot.

Ing. Jiří Pechman, Ing. Jan Stach, Ing. Ondřej Hort, Ing. David Pohlodek, prof. Ing. Josef Aldorf, DrSc.
Foto: archiv autorů

Jiří Pechman působí v společnosti Amberg Engineering, s. r. o., Brno jako projektant.
Jan Stach působí v společnosti Geotest, a. s., Brno jako geotechnik.
Ondřej Hort působí v společnosti SG – Geotechnika, a. s., Praha jako geotechnik.
David Pohlodek působí v společnosti Metrostav, a. s., Praha jako geotechnik.
Josef Aldorf působí na Vysoké škole báňské – Technické univerzitě Ostrava jako profesor.

Článek byl uveřejněn v časopisu Inžinierske stavby/Inženýrské stavby 3/2008.