Stavba tunelu

Úvod do stavby tunelů zahrnuje pochopení účelu, historie a základů stavby tunelu.

Tunel je podzemní chodba, která je vyhloubena půdou, skálou nebo obojím. Tunely se používají pro dopravu, dopravu vody, odpadních vod a inženýrských sítí. Mají dlouhou historii používání, sahající až do starověkých civilizací, a v moderní společnosti se stávají stále důležitějšími pro rozvoj dopravy a infrastruktury.

Základy výstavby tunelu zahrnují řadu kroků, které zahrnují průzkum a průzkum místa, návrh tunelu, ražbu a stavbu a závěrečné dokončovací práce. Tyto kroky musí být pečlivě naplánovány a provedeny, aby byla zajištěna bezpečnost a trvanlivost tunelu a aby se minimalizoval dopad na okolní prostředí.

Stavba tunelu také zahrnuje použití specializovaného vybavení a techniky, jako jsou stroje na vrtání tunelů, výbušniny a podpůrné systémy, které vyžadují kvalifikované pracovníky a inženýry. Stavební proces musí také vzít v úvahu potenciální nebezpečí, jako je podzemní voda, nestabilita půdy a riziko zřícení.

Celkově je stavba tunelu složitý a náročný proces, který vyžaduje pečlivé plánování, provádění a monitorování, aby bylo zajištěno úspěšné dokončení projektu.

Účel a typy tunelů

Tunely jsou podzemní chodby vybudované přes různé horninové nebo půdní materiály. Účel tunelů se liší a mohou být použity pro dopravu, zásobování vodou, odpadní vody, vodní elektrárny, těžbu a další účely.

Tunely lze obecně rozdělit do následujících kategorií na základě jejich účelu:

1. Dopravní tunely: Tyto tunely jsou konstruovány pro automobilovou dopravu, železniční dopravu a použití pro pěší. Příklady zahrnují silniční tunely, železniční tunely a chodníky pro chodce.
2. Inženýrské tunely: Tyto tunely se používají k vedení potrubí, kabelů a dalších inženýrských sítí, jako je voda, plyn, elektřina a telekomunikace.
3. Důlní tunely: Tyto tunely jsou stavěny v důlních provozech pro těžbu minerály a rudy.
4. Tunely pro vodní elektrárny: Tyto tunely se používají k dopravě vody do vodních elektráren, kde se síla vody využívá k výrobě elektřiny.
5. Kanalizační tunely: Tyto tunely se používají k přepravě odpadních vod z jednoho místa na druhé, obvykle z čistírny odpadních vod do vypouštěcího místa.

Typ tunelu zvolený pro konkrétní projekt bude záviset na jeho zamýšleném účelu a také na geologických a environmentálních podmínkách lokality.

Historické pozadí výstavby tunelů

Historie výstavby tunelů sahá tisíce let zpět, s prvními příklady tunelů používaných pro zavlažování, těžbu a přepravu. Staří Řekové a Římané byli známí pro své tunelové inženýrství, s tunely používanými pro akvadukty, kanalizační systémy a dopravu. Ve středověku se tunely stavěly k obranným účelům, jako byly tajné únikové cesty nebo k provádění překvapivých útoků na nepřátelské pevnosti.

V moderní době výstavba tunelů výrazně pokročila se zavedením vrtných a trhacích technik v 1800. století. Vývoj tunelového vrtacího stroje (TBM) v polovině 1900. století dále způsobil revoluci v konstrukci tunelů tím, že umožnil rychlejší a efektivnější ražbu. Dnes se tunely staví pro širokou škálu účelů, včetně dopravy (jako jsou silnice, železnice a metro), přepravy vody, těžby a skladování.

Průzkum místa a geologické úvahy

Průzkum místa a geologická hlediska jsou kritickými aspekty projektů výstavby tunelů. Důkladný průzkum místa je nezbytný pro zjištění geologických a geotechnických podmínek v místě navrhovaného tunelu a také pro identifikaci případných geologických rizik, která mohou ovlivnit stavbu a provoz tunelu. Geologické podmínky v místě mohou mít významný vliv na návrh tunelu, stavební metody a celkové náklady na projekt.

Průzkum lokality obvykle zahrnuje kombinaci geologického mapování, geofyzikálních průzkumů a vrtání za účelem získání vzorků půdy a hornin pro laboratorní testování. Geologické mapování zahrnuje studium povrchových skalních útvarů a jejich charakteristik, včetně jejich orientace, síly a propustnosti. Geofyzikální průzkumy využívají neinvazivní techniky ke zkoumání podpovrchových skalních útvarů a odhalují jakékoli anomálie, které mohou naznačovat přítomnost geologických rizik, jako je např. závady, zlomy a podzemní vody. Vrtání poskytuje podrobnější pochopení podpovrchových podmínek získáním vzorků půdy a hornin pro laboratorní testování.

Geologická hlediska při stavbě tunelu zahrnují typ a sílu horniny nebo zeminy, kterou je tunel ražen, přítomnost podzemní vody a její proudové charakteristiky, možnost seismické aktivity a potenciál geologických rizik, jako je např. sesuvy půdy a skály. Geologické podmínky mohou také ovlivnit volbu metody ražení tunelu, jako je použití ražby tunelů versus metody vrtání a odstřelu.

Celkově je pro bezpečnou a úspěšnou výstavbu tunelu zásadní důkladné prozkoumání místa a pochopení geologických podmínek v místě tunelu.

Význam průzkumu lokality

Průzkum místa je důležitým aspektem výstavby tunelu, protože pomáhá identifikovat potenciální geologická nebezpečí a další faktory, které by mohly ovlivnit proces výstavby. Důkladný průzkum místa může pomoci určit vlastnosti půdy a horniny, přítomnost podzemní vody a potenciál pro seismickou aktivitu. Tyto informace lze použít k vytvoření vhodného návrhu tunelu a také k identifikaci případných rizik nebo problémů, které může být nutné řešit během procesu výstavby. Kromě toho může průzkum místa pomoci identifikovat jakékoli potenciální environmentální nebo sociální dopady projektu, které lze řešit pomocí vhodných zmírňujících opatření. Celkově je průzkum místa kritickým krokem v procesu výstavby tunelu, protože poskytuje důležité informace pro návrh a výstavbu bezpečného a efektivního tunelu.

Metody průzkumu lokality

Existuje několik metod, které lze použít pro průzkum místa pro výstavbu tunelu. Některé z běžných metod jsou:

1. Psací stůl: Stolní studie zahrnuje přehled existující literatury, geologické mapya zprávy a jakékoli další relevantní informace o webu.
2. Geofyzikální průzkum: To zahrnuje použití různých geofyzikálních technik k získání informací o podpovrchu, jako jsou seismické průzkumy, pozemní radary, průzkumy odporu a elektromagnetické průzkumy.
3. Vrty: Do země se vrtají vrty, aby se získaly vzorky zeminy a horniny pro laboratorní testování. Mohou být také použity k získání in-situ měření tlaku a propustnosti podzemní vody.
4. Zkušební jámy: Zkušební jámy jsou výkopy, které umožňují vizuální kontrolu podpovrchu a lze je použít k získání vzorků půdy pro laboratorní testování.
5. Mapování pole: Terénní mapování zahrnuje mapování povrchové geologie, geologických struktur a jakýchkoli povrchových prvků, které by mohly ovlivnit stavbu tunelu.
6. Instrumentace: Pro měření výkonnosti terénu během výstavby tunelu lze nainstalovat různé přístroje. Tyto přístroje mohou zahrnovat sklonoměry, piezometry a tenzometry.

Metody použité pro průzkum lokality budou záviset na konkrétních podmínkách lokality a požadavcích projektu.

Geologické faktory ovlivňující výstavbu tunelů

Geologické faktory hrají významnou roli v proveditelnosti a návrhu projektu výstavby tunelu. Některé z důležitých geologických faktorů, které ovlivňují výstavbu tunelu, zahrnují:

1. Typ horniny nebo půdy: Typ horniny nebo zeminy, přes kterou je tunel postaven, významně ovlivní jeho design, stabilitu a způsob výstavby.
2. Kvalita rockové masy: Kvalita horninového masivu, včetně jeho pevnosti, stability a deformačních charakteristik, může ovlivnit návrh tunelu, způsob ražby a požadavky na podporu.
3. Geologické struktury: Geologické struktury, jako jsou zlomy, spáry, podložní plochy a záhyby může významně ovlivnit návrh tunelu, způsob ražby a požadavky na podporu.
4. Podzemní voda: Přítomnost a proudění podzemní vody může ovlivnit výstavbu tunelu zvýšením rizika průniku vody a způsobit nestabilitu okolní horniny nebo půdy.
5. Seismicita: Tunely postavené v seismicky aktivních oblastech musí být navrženy tak, aby vydržely namáhání a deformace způsobené tím zemětřesení.
6. Stabilita svahu: Stabilita okolních svahů a svahů může ovlivnit výstavbu tunelu a bezpečnost.
7. Environmentální aspekty: Tunely postavené v ekologicky citlivých oblastech musí být navrženy tak, aby byl minimalizován jejich dopad na okolní ekosystém.

Celkově je podrobné prozkoumání místa zásadní pro pochopení geologických faktorů, které mohou ovlivnit výstavbu tunelu, a pro vypracování vhodného návrhu tunelu a plánu výstavby.

Systémy klasifikace horninových masivů

Systémy klasifikace horninových masivů se používají k hodnocení kvality horninových masivů a posouzení jejich vhodnosti pro výstavbu tunelů. Tyto systémy berou v úvahu různé faktory, včetně pevnosti horniny, diskontinuit, rozteče spár, zvětrávánía podmínky podzemních vod.

Jeden běžně používaný systém klasifikace horninového masivu je systém Rock Mass Rating (RMR), který vyvinul Bieniawski v roce 1973. RMR přiřazuje číselné hodnoty různým parametrům, jako je jednoosá pevnost v tlaku, rozteč diskontinuit a podmínky podzemní vody. Hodnoty jsou pak kombinovány, aby se získalo celkové hodnocení horninového masivu, které lze použít k předpovědi obtížnosti ražení skály.

Dalším běžně používaným systémem klasifikace horninového masivu je systém Q, který vyvinuli Barton et al. v roce 1974. Systém Q používá podobné parametry jako systém RMR, ale klade větší důraz na orientaci a přetrvávání diskontinuit.

Další systémy klasifikace horninových masivů zahrnují systém Geological Strength Index (GSI), který vyvinul Hoek v roce 1994, a systém Tunneling Quality Index (TQI), který vyvinuli Grimstad a Barton v roce 1993.

Design tunelu

Návrh tunelu je proces určování nejúčinnějších a nejefektivnějších způsobů ražby tunelu na základě geologických podmínek a zamýšleného využití tunelu. Proces návrhu obecně zahrnuje následující kroky:

1. Stanovte účel tunelu: Účel tunelu by měl být jasně definován, aby se určila vhodná velikost, tvar a zarovnání tunelu.
2. Geologický a geotechnický průzkum: Tento krok zahrnuje sběr dat o geologických a geotechnických charakteristikách lokality, jako je typ horniny, síla a stabilita, podmínky podzemní vody a přítomnost jakýchkoli poruch nebo jiných geologických prvků, které by mohly ovlivnit návrh a konstrukci tunelu.
3. Zarovnání tunelu: Zarovnání tunelu je založeno na faktorech, jako je zamýšlené využití tunelu, geologické a topografické podmínky místa a jakákoliv hlediska životního prostředí. Mezi faktory, které ovlivňují orientaci tunelu, patří přítomnost zlomů nebo jiných geologických prvků, umístění povrchových struktur a potřeba minimalizovat dopady na životní prostředí.
4. Průřez tunelem: Průřez tunelu je určen účelem tunelu, předpokládaným dopravním nebo jiným zatížením a geologickými podmínkami. Průřez může být kruhový, elipsovitý, podkovovitý nebo jiných tvarů v závislosti na podmínkách staveniště.
5. Podpůrný systém: Podpěrný systém je navržen tak, aby stabilizoval tunel během ražby a po ní. Nosný systém může zahrnovat skalní svorníky, stříkaný beton, ocelová žebra a/nebo betonové obložení.
6. Větrání a odvodnění: Ventilační a odvodňovací systémy jsou navrženy tak, aby zajistily bezpečný a efektivní provoz tunelu. Ventilační systémy se používají k odstranění výfukových plynů a zajištění čerstvého vzduchu pro pracovníky a cestující, zatímco drenážní systémy se používají k odstranění vody z tunelu a zabránění zaplavení.
7. Stavební metody: Pro ražbu tunelů lze použít různé stavební metody, včetně vrtání a odstřelu, stroje na ražení tunelů (TBM) a metody sekvenční ražby (SEM). Výběr vhodné stavební metody závisí na geologických podmínkách, zamýšleném využití tunelu a dostupném vybavení a zdrojích.
8. Přibližná cena: Posledním krokem v procesu navrhování tunelu je odhad nákladů na stavbu na základě specifikací návrhu, zvolené stavební metody a předpokládaných podmínek na místě.

Celkově je projektování tunelů složitý proces, který vyžaduje odborné znalosti geologů, inženýrů a dalších specialistů k zajištění bezpečné a efektivní výstavby tunelů, které splňují zamýšlený účel.

Konstrukční parametry a úvahy

Konstrukce tunelu závisí na řadě faktorů, včetně:

1. Účel tunelu: Konstrukce tunelu bude záviset na jeho zamýšleném použití. Například dálniční tunel bude mít jiné konstrukční požadavky než tunel používaný pro vodní dopravu.
2. Podmínky webu: Geologie a topografie lokality ovlivní návrh tunelu. Je třeba vzít v úvahu faktory, jako je pevnost horniny, přítok vody a požadavky na podporu země.
3. Rozměry tunelu: Průměr tunelu, jeho délka a jeho orientace budou muset být určeny na základě podmínek na místě a účelu tunelu.
4. Výkopová metoda: Metoda použitá k ražbě tunelu také ovlivní návrh. Metody, jako je vrtání a tryskání, stroje na vrtání tunelů (TBM) a řezání a krytí, budou mít různé požadavky.
5. Větrání: Návrh tunelu bude muset zahrnovat opatření pro ventilaci, aby byla zajištěna bezpečnost pracovníků a uživatelů tunelu.
6. Kanalizace: Návrh tunelu bude také muset zahrnovat opatření pro odvodnění, aby se řídil přítok podzemní vody a zabránilo se záplavám.
7. Požární ochrana: Do návrhu tunelu bude nutné začlenit protipožární opatření, aby byla zajištěna bezpečnost uživatelů.
8. Dopravní a bezpečnostní systémy: Do návrhu bude nutné zahrnout také dopravní a bezpečnostní systémy, jako je osvětlení, značení a nouzové telefony.
9. Environmentální aspekty: Návrh tunelu bude muset vzít v úvahu potenciální dopad výstavby a provozu na životní prostředí a přijmout opatření k minimalizaci těchto dopadů.

Typy tunelových ostění a opěrných systémů

Existuje několik typů tunelových ostění a podpůrných systémů používaných při stavbě tunelů a výběr, který z nich použít, závisí na řadě faktorů včetně geologických podmínek, účelu tunelu, způsobu výstavby a rozpočtu. Některé z nejběžnějších typů tunelových ostění a nosných systémů zahrnují:

1. Podšívka ze stříkaného betonu: Jedná se o betonovou vrstvu nastříkanou na skálu nebo půdu, která poskytuje podporu a zabraňuje zhroucení. Často se používá v tunelech s měkkým povrchem a lze jej rychle aplikovat.
2. Podpěra ocelových žeber: K podepření stěn tunelu a střechy se používají ocelová žebra. Ocelová žebra mohou být předem vyrobena a rychle instalována, díky čemuž jsou oblíbenou volbou v tunelech z tvrdé skály.
3. Ostění z litého betonu: Jedná se o nalití betonu do dutiny tunelu, aby se vytvořilo trvalé ostění. Často se používá ve větších tunelech s vysokou intenzitou dopravy.
4. Tunelové vrtací stroje (TBM): TBM lze použít k ražbě tunelů a současně poskytovat podporu. Jak TBM postupuje, jsou za ním instalovány betonové segmenty, které tvoří ostění.
5. Zmrazování země: Tato metoda zahrnuje zmrazení okolní půdy, aby se vytvořil dočasný podpůrný systém. Často se používá v tunelech, které procházejí vodonosnou půdou nebo skálou.
6. Skalní šrouby a pletivo: Tato metoda zahrnuje vyvrtání děr do skály a instalaci ocelových šroubů pro zajištění podpory. Drátěné pletivo se také používá, aby pomohlo stabilizovat skálu a zabránilo pádu trosek do tunelu.
7. Stříkaný beton vyztužený vlákny: Je podobný obložení ze stříkaného betonu, ale s přidáním vyztužení vlákny pro zvýšení pevnosti a odolnosti.

Volba ostění a nosného systému je často kompromisem mezi cenou, rychlostí výstavby a specifickými geologickými podmínkami, se kterými se během ražby setkáváme.

Tunelové odvodňovací systémy

Tunelové drenážní systémy jsou nezbytné pro odstranění vody, která se může dostat do tunelu během výstavby a provozu. Existují různé typy odvodňovacích systémů tunelů, včetně:

1. Odvodňovací studny: Jsou instalovány v blízkosti tunelu, aby zachytily a shromáždily podzemní vodu před tím, než vstoupí do tunelu. Odvodňovací studny mohou být trvalé nebo dočasné.
2. Odvodňovací štoly: Jedná se o drenážní systémy zabudované do ostění tunelu, které shromažďují vodu a odvádějí ji do jímky nebo čerpací stanice.
3. jímky: Jedná se o komory postavené na nízkých místech v tunelu, kde se voda může shromažďovat a odčerpávat.
4. Čerpadla: Čerpadla slouží k odčerpávání vody z tunelových jímek a odvodňovacích štol a jejímu vypouštění na povrch nebo do úpravny vody.

Typ použitého odvodňovacího systému závisí na geologii a hydrologii oblasti, stejně jako na způsobu výstavby a vedení tunelu. Správný návrh a instalace odvodňovacích systémů tunelu jsou důležité pro zajištění bezpečnosti a dlouhodobé životnosti tunelu.

Větrání a osvětlení

Větrání a osvětlení jsou důležitými aspekty výstavby tunelu pro zajištění bezpečnosti, udržení správné kvality vzduchu a zajištění viditelnosti pro pracovníky a uživatele. Ventilační systémy jsou navrženy tak, aby zajišťovaly stálý proud čerstvého vzduchu do tunelu a zároveň odstraňovaly zatuchlý vzduch, prach a škodlivé plyny. Ventilační systém se obvykle skládá ze sítě ventilačních kanálů, ventilátorů a systémů monitorování kvality vzduchu.

Osvětlení je také základním aspektem výstavby tunelu, zejména pro bezpečnost a viditelnost. Osvětlovací systémy jsou obvykle navrženy tak, aby poskytovaly dostatečné osvětlení pro řidiče, chodce a pracovníky v tunelu. Osvětlovací soustava může být složena z různých typů svítidel, jako jsou zářivky, LED, žárovky, v závislosti na konkrétních požadavcích a podmínkách tunelu. Návrh osvětlovací soustavy by měl rovněž zohledňovat energetickou účinnost a dopad na životní prostředí.

Ražba tunelů a způsoby výstavby

Ražba tunelu a metody výstavby se liší v závislosti na geologických podmínkách, délce a průměru tunelu a dalších faktorech. Zde jsou některé z nejběžnějších způsobů ražby tunelů a stavebních metod:

1. Metoda vrtání a tryskání: Tato metoda zahrnuje vrtání vrtů do skalní stěny a následné odstřelení skály pomocí výbušnin. Výsledné úlomky jsou odstraněny nakládacím a odtahovým zařízením.
2. Metoda vyvrtávání tunelů (TBM).: Tato metoda využívá stroj, který razí tunel při současné instalaci ostění tunelu. TBM lze použít jak pro tunely s tvrdou horninou, tak pro tunely s měkkým povrchem.
3. Nová rakouská tunelovací metoda (NATM): Tato metoda zahrnuje ražbu tunelu po malých úsecích a následné podepření ražené části dočasnou výstelkou, jako je stříkaný beton nebo skalní svorníky, než se přejde k další části.
4. Metoda řezu a krytu: Tato metoda se používá pro mělké tunely a zahrnuje hloubení příkopu, výstavbu tunelu a následné zasypání příkopu.
5. Metoda sekvenční ražby (SEM): Tato metoda zahrnuje ražbu tunelu v malých úsecích s použitím opatření pro podporu země a vyztužení pro kontrolu deformace a stabilizaci tunelu.
6. Tunelování štítu: Tato metoda využívá štít nebo podobné specializované zařízení k současnému hloubení a podpoře tunelu.

Výběr metody ražby závisí na různých faktorech, jako je délka tunelu, průměr, geologie, podmínky podzemní vody, dostupné zdroje a hlediska životního prostředí.

Metoda vrtání a tryskání

Metoda vrtání a odstřelu je tradiční technika používaná pro hloubení tunelů a zahrnuje vrtání děr do skály nebo půdy, plnění děr výbušninami a následné odpálení výbušnin, aby se hornina nebo půda roztříštila. Roztříštěná hornina nebo zemina se poté odstraní pomocí strojů nebo ruční práce.

Při metodě vrtání a odstřelu se do skály nebo půdy vyvrtá řada děr pomocí specializovaného vybavení, jako jsou vrtačky nebo stroje na vrtání tunelů. Otvory jsou typicky rozmístěny v pravidelných intervalech a uspořádány do vzoru navrženého pro dosažení požadovaného profilu výkopu. Jakmile jsou otvory vyvrtány, jsou nabity výbušninami, které jsou následně odpáleny pomocí dálkové spouště.

Po výbuchu se roztříštěná hornina nebo zemina odstraní pomocí bagrů nebo nakladačů a tunel se stabilizuje pomocí opěrného systému. Nosný systém může zahrnovat skalní svorníky, ocelové oblouky nebo betonové obložení v závislosti na povaze horniny nebo půdy a požadavcích projektu.

Metoda vrtání a odstřelu může být vysoce účinná pro hloubení tunelů v tvrdé hornině, ale může být také časově náročná a nákladná, zejména v hustě obydlených oblastech, kde může být hluk a vibrace z odstřelování problémem.

Metoda vyvrtávání tunelů (TBM).

Metoda Tunnel Boring Machine (TBM) je oblíbená technika používaná pro ražbu tunelů v různých geologických podmínkách. TBM je velký válcový stroj, který dokáže hloubit různé druhy zeminy a horniny pomocí rotující frézy s kotoučovými frézami, které mohou hloubit čelo tunelu a současně instalovat ostění tunelu.

Metoda TBM je obecně preferována pro tunely, které jsou dlouhé a rovné, protože je méně náročná na práci a může pracovat mnohem rychleji než jiné metody tunelování. Metoda TBM je také preferována v městských oblastech, kde je potřeba minimalizovat dopad na okolní komunitu, protože produkuje méně hluku, vibrací a prachu než jiné metody.

Metoda TBM obvykle zahrnuje následující kroky:

1. Výkop startovací šachty: Ve výchozím bodě tunelu, kde se bude TBM montovat, je vyhloubena velká jáma.
2. Montáž a spuštění TBM: TBM je smontován ve spodní části odpalovací šachty a poté spuštěn do tunelu.
3. Výkop TBM: TBM hloubí zeminu nebo horninu před sebou a současně instaluje prefabrikované betonové segmenty nebo jiné materiály pro ostění tunelů.
4. Odstraňování bahna: Vytěžený materiál neboli „bahno“ je přepravováno z tunelu pomocí dopravního pásu nebo kalového potrubí.
5. Montáž obložení tunelů: Jakmile TBM vyrazí určitou délku tunelu, nainstalují se za TBM prefabrikované betonové segmenty nebo jiné materiály pro ostění tunelu.
6. Vyzvedávání TBM: Když TBM dosáhne konce tunelu, je demontován a vyzvednut z tunelu pomocí stejné vypouštěcí šachty.

Metoda cut-and-cover

Metoda cut-and-cover je technika používaná pro výstavbu mělkých tunelů nebo podzemních staveb. Při této metodě se v zemi vykope příkop a uvnitř se postaví konstrukce. Výkop se následně zakryje vykopaným materiálem nebo prefabrikovanou betonovou deskou.

Tato metoda je vhodná pro výstavbu tunelů v městských oblastech nebo oblastech, kde je problémem povrchová doprava. Je to také účinná technika pro výstavbu podzemních železničních stanic, chodníků pro pěší a tunelů pro odvod dešťové vody. Metoda má však některá omezení, jako jsou vysoké náklady na stavbu, narušení povrchové dopravy během ražby a omezení hloubky ražby.

Nová rakouská tunelovací metoda (NATM)

Nová rakouská tunelovací metoda (NATM) je metoda výstavby tunelů, která byla vyvinuta v 1960. letech 3. století v Rakousku. Je také známá jako metoda sekvenčního výkopu (SEM). NRTM zahrnuje ražbu tunelu v malých úsecích nebo „závěsech“, obvykle o délce kolem 4-XNUMX metrů, a následné okamžité vyztužení ražené části vrstvou stříkaného betonu a skalních svorníků nebo ocelových žeber. Okolní kámen nebo půda poskytuje další podporu. Tato metoda umožňuje flexibilitu při přizpůsobování se geologickým podmínkám vyskytujícím se během ražby a je zvláště vhodná pro měkký nebo nestabilní podklad. NATM má také výhodu v tom, že je relativně rychlý a ekonomický, protože nevyžaduje rozsáhlé použití těžké techniky. Vyžaduje však vysokou úroveň dovedností a odborných znalostí stavebního týmu, aby byl efektivní.

Podpůrné systémy tunelů

Tunelové opěrné systémy se používají ke stabilizaci země a zabránění zřícení během ražby tunelu. Výběr nosného systému závisí na řadě faktorů, včetně geologie terénu, typu budovaného tunelu a použité metody ražby. Některé běžné typy systémů podpory tunelů zahrnují:

1. Skalní šrouby: Jedná se o dlouhé ocelové tyče, které se vkládají do vrtů a zalévají na místo. Zajišťují zpevnění a stabilizaci horninového masivu přenášením zatížení mezi skalními bloky.
2. Stříkaný beton: Jedná se o stříkanou betonovou směs, která se nanáší na odkrytý povrch horniny a vytváří tenkou skořápku, která slouží jako dočasná podpora do doby, než se zhotoví finální ostění.
3. Ocelové oblouky: Jedná se o prefabrikované nebo zakázkově vyrobené ocelové oblouky, které se používají k podpoře střechy a stěn tunelu.
4. Železobeton: Jedná se o běžný obkladový materiál pro tunely. Železobeton je odléván na místě nebo prefabrikován mimo staveniště a poté instalován v tunelu.
5. Ocelová žebra a obložení: Jedná se o způsob podepření tunelu, při kterém se instalují ocelová žebra a mezi ně se poté umístí dřevěné obložení. Lakování pomáhá držet zeminu na místě, dokud není zkonstruována finální podšívka.
6. Přízemní zmrazování: Jedná se o způsob podpory používaný v měkkých půdních podmínkách, kde je půda zmražena pomocí kapalného dusíku nebo jiných chladiv. Kolem tunelu tak vznikne ledová stěna, která poskytuje dočasnou oporu do doby, než bude instalováno definitivní ostění.

Volba opěrného systému závisí na geologických podmínkách, způsobu ražby a provedení tunelu. Podpěrný systém musí poskytovat dočasnou podporu během ražby a výstavby a také dlouhodobou podporu pro udržení stability tunelu po celou dobu jeho životnosti.

Skalní šroubování a torkretování

Skalní šroubování a stříkané betonování jsou dvě běžné techniky používané pro podporu tunelů v podzemních stavbách.

Skalní šroubování zahrnuje vrtání děr do skalního čela a vkládání ocelových šroubů do děr, které jsou poté injektovány na místě. Šrouby pomáhají podpírat skálu a zabraňují jejímu zřícení.

Stříkané betonování na druhé straně zahrnuje nástřik vrstvy betonu na skalní stěnu pomocí vysokotlaké hadice. Beton poskytuje dodatečnou podporu a pomáhá předcházet pádům kamení.

Obě techniky lze použít ve spojení s jinými podpůrnými systémy, jako jsou ocelová žebra nebo pletivo, k zajištění dodatečného vyztužení stěn tunelu a střechy. Konkrétní použitý nosný systém bude záviset na geologii tunelu a požadavcích na projekt.

Ocelové oblouky a žebra

Ocelové oblouky a žebra se běžně používají při stavbě tunelů, aby poskytly další podporu ostění tunelu. Obvykle jsou vyrobeny z oceli nebo z kombinace oceli a betonu a jsou instalovány podél stěn tunelu, aby zajistily dodatečnou pevnost a stabilitu horninového masivu.

Ocelové oblouky se obecně používají pro mělké tunely s rozpětím menším než 10 metrů, zatímco ocelová žebra se používají pro větší tunely s rozpětím větším než 10 metrů. Ocelové oblouky nebo žebra jsou obvykle instalovány v předem určeném vzoru a jsou drženy na místě pomocí skalních šroubů, což jsou dlouhé ocelové tyče, které jsou ukotveny do skály obklopující tunel.

Použití ocelových oblouků a žeber je užitečné zejména u nestabilních skalních útvarů, kde má horninový masiv tendenci se deformovat nebo zřítit. Oblouky nebo žebra mohou pomoci přerozdělit zatížení a poskytnout dodatečnou podporu ostění tunelu, což pomáhá zajistit stabilitu a bezpečnost tunelu.

Železobetonové obklady

Železobetonové obklady se běžně používají pro stavbu tunelů, protože poskytují trvanlivou a pevnou konstrukční podporu. Železobetonové výstelky se typicky používají v tunelech s velkým průměrem a vyššími požadavky na stabilitu. Výstelka poskytuje odolnost vůči vnějšímu zatížení, podporuje zatížení nadložního terénu a chrání tunel před vnikáním vody a korozí.

Proces výstavby železobetonového obložení zahrnuje následující kroky:

1. Montáž bednění: Bednění, které je dočasnou stavbou, se staví do tvaru a velikosti průřezu tunelu.
2. Uložení betonářské oceli: Betonová ocel se umístí do bednění podle požadavků na provedení.
3. Lití betonu: Jakmile je armovací ocel na místě, beton se nalije do bednění. Konstrukce betonové směsi je obvykle navržena pro dosažení vysoké pevnosti a trvanlivosti.
4. Vytvrzování: Poté, co je beton nalit, musí být vytvrzen po určitou dobu, aby se dosáhlo jeho návrhové pevnosti. Vytvrzování lze provádět za mokra nebo aplikací vytvrzovacích směsí na povrch betonu.
5. Odbednění: Jakmile beton dosáhne dostatečné pevnosti, bednění se odstraní, čímž se odhalí ztvrdlé betonové ostění.

Železobetonová ostění mohou být navržena v různých tvarech a velikostech v závislosti na zaměření tunelu a geologických podmínkách. V některých případech se používají prefabrikované betonové segmenty, které se vyrábějí mimo staveniště a montují se uvnitř tunelu pomocí specializovaného zařízení.

Výzvy a řešení výstavby tunelů

Stavba tunelu může představovat mnoho výzev, které je třeba vyřešit, aby bylo zajištěno úspěšné dokončení projektu. Některé z běžných problémů při stavbě tunelů zahrnují:

1. Geotechnické podmínky: Geologické podmínky místa mohou značně ovlivnit proces výstavby, což ztěžuje ražbu tunelu. Například tunely budované přes tvrdé skalní útvary se razí snadněji než tunely budované přes měkkou půdu.
2. Podzemní voda: Podzemní voda může představovat problém během výstavby tunelu, protože může oslabit nosné systémy tunelu a způsobit nestabilitu. Aby se zabránilo zaplavení a poškození tunelu, musí být instalovány odpovídající odvodňovací a odvodňovací systémy.
3. Větrání: Větrání je při stavbě tunelu zásadní pro zajištění čerstvého vzduchu a odstranění prachu, výparů a plynů, které se mohou hromadit v tunelu. Správné větrání je nezbytné pro bezpečnost pracovníků a efektivní provoz zařízení.
4. Omezený prostor: Omezený prostor v tunelu může ztížit manévrování s těžkým zařízením a materiály, což může zpomalit proces výstavby. Inovativní řešení, jako jsou dálkově ovládaná zařízení a robotické systémy, mohou pomoci tento problém zmírnit.
5. Bezpečnost: Stavba tunelu může být nebezpečná kvůli riziku zřícení, pádu kamenů, záplav, požárů a výbuchů. Na ochranu pracovníků a veřejnosti musí být zavedena přísná bezpečnostní opatření.

K řešení těchto problémů vyžadují projekty výstavby tunelů pečlivé plánování a provádění. Moderní technologie, jako je počítačově podporovaný návrh, simulační modely a monitorování v reálném čase, mohou pomoci při plánování a provádění projektů výstavby tunelů. Navíc zkušení odborníci na tunelování, kteří rozumí geologii a inženýrství tunelů, mohou pomoci identifikovat potenciální problémy a vyvinout účinná řešení.

Přítoky a odvodňování vody

Při stavbě tunelu je jedním z hlavních problémů řešení přítoků vody. Voda může do tunelu prosakovat z okolních skalních útvarů nebo z podzemních vod. To může vést k problémům, jako jsou záplavy, nestabilita ražby a eroze ostění tunelu.

Pro řízení přítoků vody se často používá odvodňovací systém. To zahrnuje instalaci čerpadel a drenážních systémů k odstranění vody z tunelu při jeho ražbě. Odvodňovací systém může být navržen tak, aby řídil přítoky podzemních i povrchových vod.

V některých případech může být injektáž také použita ke snížení přítoku vody vyplněním dutin a puklin v okolním horninovém masivu. Navíc může být instalována vodotěsná membrána nebo obložení, aby se zabránilo vniknutí vody do tunelu.

Mezi další výzvy při stavbě tunelu může patřit řešení obtížných geologických podmínek, jako je např chyba zóny nebo vysoce rozbité horniny. Tyto problémy lze řešit pečlivým průzkumem místa, vhodnými metodami výkopu a účinnými podpůrnými systémy.

Je důležité si uvědomit, že každý projekt výstavby tunelu je jedinečný a může představovat svůj vlastní soubor výzev, které vyžadují přizpůsobená řešení k jejich překonání.

Geologická a geotechnická nebezpečí

Geologická a geotechnická nebezpečí jsou běžnými výzvami, se kterými se setkáváme při stavbě tunelu. Tato nebezpečí mohou zahrnovat otřesy hornin, sevření půdy, zlomové zóny, velké přítoky vody, emise plynů a další nepříznivé geologické a geotechnické podmínky.

K prasknutí horniny dochází, když napětí v horninovém masivu překročí pevnost horniny, což způsobí náhlé a prudké selhání. Stlačování půdy nastává, když se horninový masiv deformuje pod vysokými omezujícími tlaky, což vede ke konvergenci stěn tunelu. Poruchové zóny mohou být problematické, protože mohou obsahovat volné a slabé materiály, které mohou vyžadovat další podpůrná opatření.

Vysoké přítoky vody mohou také představovat problémy během výstavby tunelu. Mohou být nezbytné odvodňovací metody pro kontrolu vnikání vody do tunelu. Emise plynů, jako je metan, mohou být také nebezpečné a vyžadují pečlivé sledování.

Řešení těchto výzev zahrnují pečlivé prozkoumání a plánování místa k identifikaci potenciálních nebezpečí, použití vhodných podpůrných systémů tunelů a implementaci účinných odvodňovacích a ventilačních systémů. Kromě toho může použití pokročilých technologií, jako je 3D modelování a počítačové simulace, pomoci identifikovat potenciální nebezpečí a optimalizovat návrh nosného systému tunelu. Pravidelné monitorování během výstavby může také pomoci odhalit a řešit potenciální nebezpečí dříve, než se stanou vážným problémem.

Vlivy na životní prostředí a opatření ke zmírnění

Stavba tunelu může mít řadu dopadů na životní prostředí, včetně:

1. Ničení a fragmentace biotopů: Výstavba tunelů může způsobit fragmentaci a ztrátu biotopu pro různé druhy rostlin a živočichů.
2. Půdní eroze a sedimentace: Výkopové a stavební činnosti mohou vést k půdní erozi a sedimentaci, což může poškodit vodní ekosystémy.
3. Znečištění vody: Stavba tunelu může vést k uvolňování znečišťujících látek do blízkých vodních zdrojů, které mohou poškodit vodní organismy.
4. Znečištění ovzduší: Stavba tunelu může uvolňovat do ovzduší prach, výfukové plyny a další znečišťující látky, které mohou poškodit lidské zdraví a životní prostředí.
5. Hlukové znečištění: Výstavba tunelů může generovat vysoké úrovně hluku, který může rušit okolní obyvatele a divokou zvěř.

Ke zmírnění těchto dopadů lze přijmout řadu opatření, včetně:

1. Obnova biotopu: Je možné vyvinout úsilí k obnově biotopu v oblastech, které byly ovlivněny výstavbou tunelů.
2. Kontrola eroze a sedimentů: K zabránění eroze půdy a sedimentace lze použít opatření, jako jsou bahnité ploty a sedimentační nádrže.
3. Úprava vody: Voda může být před vypuštěním upravena, aby se odstranily znečišťující látky.
4. Kontrola znečištění ovzduší: Ke snížení znečištění ovzduší lze použít opatření, jako je potlačení prašnosti a používání vozidel a zařízení s nízkými emisemi.
5. Protihlukové bariéry a izolace: Bariéry a izolace lze použít ke snížení množství hluku, který se dostane k okolním obyvatelům a volně žijícím zvířatům.
6. Monitorování a dodržování předpisů: Pravidelné monitorování lze provádět, aby bylo zajištěno, že jsou dodržovány environmentální normy, a jakékoli problémy, které se objeví, lze okamžitě řešit.

Údržba a sanace tunelů

Údržba a sanace tunelů jsou důležitými aspekty správy tunelů pro zajištění jejich bezpečného a efektivního provozu po dobu jejich projektované životnosti. Některé z klíčových činností spojených s údržbou a sanací tunelů jsou:

1. Rutinní inspekce a monitorování: Pravidelná inspekce a monitorování tunelových konstrukcí, ostění a podpůrných systémů je nezbytná pro zjištění jakýchkoli známek zhoršení nebo poškození.
2. Čištění a odstraňování nečistot: Pravidelné čištění tunelu a odstraňování nečistot, sedimentů a dalších překážek z odvodňovacích systémů, přístupových tunelů a ventilačních systémů je důležité pro zajištění hladkého a bezpečného provozu.
3. Opravy a údržba: Opravy a údržbářské činnosti, jako je injektáž, vyplňování trhlin a výměna poškozených nebo zkorodovaných součástí, jsou nezbytné pro zachování integrity konstrukce tunelu.
4. Modernizace a modernizace: Ke zlepšení bezpečnosti a účinnosti může být zapotřebí modernizace a modernizace tunelových systémů, jako je osvětlení, ventilace a komunikační systémy.
5. Rehabilitace a zpevnění: Rehabilitace a zpevnění tunelových konstrukcí může být nezbytné z důvodu zhoršení nebo změn ve využívání tunelu.
6. Řízení rizik a havarijní připravenost: Řízení rizik a plány havarijní připravenosti jsou důležité pro zajištění bezpečnosti uživatelů tunelu a pro minimalizaci dopadu jakýchkoliv incidentů nebo nehod.

Celkově činnosti údržby a obnovy tunelů vyžadují pečlivé plánování a provádění, aby byla zajištěna jejich účinnost a minimalizováno narušení uživatelů tunelu.

Monitoring a údržba tunelů

Monitorování a údržba tunelů jsou zásadní pro zajištění bezpečnosti a dlouhé životnosti konstrukce tunelu. Pravidelné sledování může pomoci identifikovat známky zhoršení nebo poškození, které lze řešit dříve, než se stanou vážnými problémy. Některé běžné metody monitorování tunelů zahrnují vizuální kontroly, přístrojové vybavení a nedestruktivní testování.

Vizuální kontroly zahrnují fyzickou kontrolu tunelu, zda nevykazuje známky opotřebení, jako jsou praskliny, netěsnosti a poškození obložení nebo podpůrných systémů. Přístrojové vybavení zahrnuje instalaci senzorů pro měření různých parametrů, jako je teplota, vlhkost, tlak vody a pohyb půdy. K posouzení integrity konstrukce tunelu lze také použít nedestruktivní testovací techniky, jako je radar pronikající do země, ultrazvukové testování a kontrola magnetických částic.

Činnosti údržby mohou zahrnovat čištění tunelu, opravu poškození nebo netěsností a výměnu opotřebovaných nebo poškozených součástí, jako jsou osvětlení, ventilační systémy a podpůrné systémy. Rehabilitace může být nezbytná k řešení významnějších poškození nebo zhoršení a může zahrnovat techniky, jako je injektáž, stříkaný beton nebo aplikace nového obložení.

Celkově je pravidelné monitorování a údržba zásadní pro zajištění dlouhodobé bezpečnosti a funkčnosti tunelů a může pomoci předejít nákladným opravám nebo dokonce katastrofickým poruchám.

Případové studie projektů výstavby tunelů

Existuje mnoho příkladů významných projektů výstavby tunelů po celém světě. Zde je několik pozoruhodných:

1. Tunel pod Lamanšským průlivem: Také známý jako „Chunnel“, tento tunel spojuje Spojené království a Francii pod Lamanšským průlivem. Je 31.4 mil dlouhý, což z něj dělá nejdelší podvodní tunel na světě. Tunel se skládá ze dvou paralelních železničních tunelů a servisního tunelu.
2. Gotthardský základní tunel: Tento tunel, který se nachází ve Švýcarsku, je v současnosti nejdelším železničním tunelem na světě, měří na délku 35.5 mil. Je klíčovou součástí Nové železniční spojky přes Alpy, která spojuje Curych a Milán.
3. Náhradní tunel Alaskan Way Viaduct: Tento tunel, který se nachází v Seattlu ve státě Washington, nahradil stárnoucí vyvýšenou dálnici, která byla zranitelná zemětřesením. Tunel je dvě míle dlouhý a vede State Route 99 pod centrem Seattlu.
4. Crossrail: Toto je hlavní nová železniční trať, která se v současné době staví v Londýně v Anglii. Zahrnuje 13 mil dlouhý tunel s dvojitým vrtáním, který povede pod městem a spojí 40 stanic.
5. Most Hong Kong-Zhuhai-Macau: Tento projekt mostu a tunelu spojuje města Hong Kong, Zhuhai a Macao v Číně. Zahrnuje 4.2 míle dlouhý tunel, který vede pod Jihočínským mořem.

Všechny tyto projekty představovaly jedinečné výzvy z hlediska geologie, podmínek na místě a stavebních metod. Jsou dobrými příklady důležitosti pečlivého plánování, průzkumu místa a návrhu pro úspěšnou výstavbu tunelů.

Poučení z neúspěšných projektů výstavby tunelů

Poučení z neúspěšných projektů výstavby tunelů může inženýrům a stavebním odborníkům pomoci vyhnout se podobným chybám v budoucnu. Některé běžné příčiny poruch výstavby tunelů zahrnují špatné průzkumy místa, neadekvátní návrh a plánování, nedostatečné podpůrné systémy a nepředvídané geologické nebo geotechnické podmínky.

Například zřícení tunelu budovaného pro projekt dálnice Big Dig v Bostonu v Massachusetts v roce 2006 bylo způsobeno kombinací faktorů, včetně nedostatečného průzkumu místa, chybného návrhu a špatných stavebních postupů. V důsledku toho musel stavební tým provést rozsáhlé sanační práce, aby problémy vyřešil, což vedlo ke značným zpožděním a překročení nákladů.

Podobně byla zpožděna výstavba projektu Crossrail v Londýně a kvůli neočekávaným geologickým a geotechnickým podmínkám čelila překročení nákladů. Projekt se setkal s náročnými půdními podmínkami, včetně pískových, štěrkových a jílových vrstev, což vyžadovalo další podpůrná a vyztužovací opatření.

Ponaučení z takových incidentů může zahrnovat potřebu přísného průzkumu a testování staveniště, lepší komunikaci mezi projektanty a stavebními týmy, implementaci robustnějších bezpečnostních protokolů a použití pokročilých technologií a vybavení pro monitorování a řízení stavebních činností.

Reference

1. Bell, FG (2007). Inženýrská geologie a stavebnictví. Spon Stiskněte.
2. Hoek, E., & Bray, J. (2014). Inženýrství skalních svahů: civilní a důlní. CRC Press.
3. Krampe, J., Müller, J., & Neumann, F. (2017). Podzemní inženýrství: Plánování, projektování, výstavba a provoz podzemního prostoru. Springer.
4. Národní asociace podzemních vod. (2019). Podzemní voda a studny. CRC Press.
5. Novakowski, KS a Wilkin, RT (2011). Sanace podzemních vod a půdy: návrh procesu a odhad nákladů osvědčených technologií. John Wiley & Sons.
6. Robery, PC (2013). Úvod do tunelování. CRC Press.
7. Rojek, J. (2015). Tunelování a mechanika tunelů: racionální přístup k tunelování. CRC Press.
8. Terzaghi, K., Peck, RB, & Mesri, G. (1996). Mechanika zemin ve strojírenské praxi. John Wiley & Sons.
9. Williams, DJ (2013). Geotechnické inženýrství násypových hrází. CRC Press.
10. Yilmaz, I. (2010). Analýza seismických dat: zpracování, inverze a interpretace seismických dat. Společnost průzkumných geofyziků.