ADAM SURMACZ∗, PAWEŁ POPIELSKI**

ANALIZA BEZWYKOPOWYCH METOD BUDOWY RUROCIĄGÓW I TUNELI

W WARUNKACH ZWARTEJ ZABUDOWY NA PRZYKŁADZIE ZREALIZOWANYCH OBIEKTÓW

ANALYSIS OF TRENCHLESS TECHNOLOGIES OF PIPELINES AND TUNNELS CONSTRUCTION IN CONDITION OF DENSE URBANIZED AREA

S t r e s z c z e n i e

W artykule przedstawiono przegląd stosowanych obecnie metod bezwykopowych, omówiono możliwości ich zastosowania i problemy, które mogą wystąpić w trakcie realizacji inwestycji. Przedstawiono wstępne wyniki analizy numerycznej wybranych bezwykopowych metod bu-dowy rurociągów i tuneli w warunkach zwartej zabudowy miejskiej. Słowa kluczowe: metody bezwykopowe, rurociągi, tunele, symulacja numeryczna

A b s t r a c t

Casework consist of overview of trenchless technologies, their purposes and problems, which may appear during construction. There are also ascendant results of numerical analysis of chosen no-dig methods of constructing pipelines and tunnels in condition of dense urbanized area. Keywords: no-dig/trenchless technologies, pipelines, tunnels, numerical simulation

∗Mgr inż. Adam Surmacz, Instytut Zaopatrzenia w Wodę i Budownictwa Wodnego, Wydział

Inżynierii Środowiska, Politechnika Warszawska (obecnie Farrans (Construction) Limited). **Dr inż. Paweł Popielski, Instytut Zaopatrzenia w Wodę i Budownictwa Wodnego, Wydział

Inżynierii Środowiska, Politechnika Warszawska.

142

1. Wstęp

Rozwojowi miast towarzyszy ciągła rozbudowa infrastruktury podziemnej. Każda inge-rencja za pomocą tradycyjnych technik w zewnętrzne sieci w warunkach zwartej zabudowy pociąga za sobą wiele niekorzystnych dla otoczenia zjawisk. Bardzo dużym udogod-nieniem jest zastosowanie bezwykopowych technologii do przeprowadzenia budowy nowe-go odcinka lub renowacji istniejącego rurociągu.

Każdy projekt realizowany za pomocą metod bezwykopowych jest w pewnym sensie doświadczeniem w skali naturalnej. Prowadzenie budowy takimi technologiami wywołuje wiele interakcji pomiędzy gruntem a instalowanymi przewodami. Mogą one powodować różne, wynikające z technologii budowy, zjawiska. Niepożądane są niekontrolowane piono-we przemieszczenia powierzchni terenu, różnego rodzaju uszkodzenia wprowadzanych rurociągów lub innych obiektów umieszczonych pod i na powierzchni terenu, a znajdu-jących się w zasięgu oddziaływania inwestycji.

2. Opis dostępnych bezwykopowych metod budowy rurociągów

Mimo, że w historii znano już wiele obiektów podziemnych wykonanych metodami bezwykopowymi, to dopiero druga połowa XX w. przyniosła dynamiczny rozwój w tej dziedzinie budownictwa. Duża różnorodność metod bezwykopowych spowodowała pow-stanie wielu ich klasyfikacji.

2.1. Przeciski pneumatyczne

Jest to jedna z najstarszych i najtańszych metod bezwykopowych. Głównym urządze-niem jest podłużny przebijak pneumatyczny, popularnie nazywany kretem. Przy użyciu tej metody instalowane są przewody ciśnieniowe, kable energetyczne, przyłącza wodociągowe i kanalizacyjne.

1 23 4

5

6 87

9

10

1112 14 13

15

Ryc. 1. Schemat przecisków pneumatycznych wykonanych kretem: 1 – przebijak

pneumatyczny, tzw. kret, 2 – głowica sterująca, 3 – laweta startowa, 4 – wcią-gany przewód, 5 – elementy rurociągu przed połączeniem, 6 – wykop począt-kowy, 7 – oś przecisku, 8 – wykop końcowy, 9 – olejacz, 10 – kompresor pneumatyczny, 11 – przewód sterujący, 12 – luneta celownicza, 13 – lokali-zator, 14 – kierunek wyznaczony przez lunetę, 15 – palik mierniczy [30]

Fig. 1. Schema of impact-moling: 1 – pneumatic mole, 2 – steering head, 3 – launching platform, 4 – installed pipe, 5 – elements of pipeline to be connected, 6 – launching excavation, 7 – centre line of pipeline, 8 – recep-tion excavation, 9 – lubricator, 10 – compressor, 11 – air line and torquer, 12 – refractor, 13 – hand-held receiver, 14 – direction of pipeline, 15 – stake [30]

143

2.2. Przeciski hydrauliczne

Cechą szczególną tej technologii jest wprowadzanie różnych przewodów (rury osło-nowe, przewody sieciowe, prefabrykowane konstrukcje żelbetowe [12]) za pomocą hydrau-licznych siłowników zainstalowanych w wykopie początkowym.

Rozmieszczenie i konstrukcja komór startowych i odbiorczych wynikają z trasy prze-wodu, parametrów zastosowanego sprzętu i warunków gruntowych. Do konstrukcji szybów stosuje się żelbetowe studnie zapuszczane, ścianki berlińskie lub grodzice stalowe.

b)

c)

1 2

345

7

6

8

9

10

1 2

3456

1 2

56

8 8

10

311

Ryc. 2. Schemat trójetapowego przecisku hydraulicznego: a) wiercenie pilotowe, b) roz-

wiercanie otworu z równoczesnym przeciskiem stalowych rur osłonowych, c) prze-cisk hydrauliczny rur przewodowych; 1 – komora startowa, 2 – komora odbiorcza, 3 – głowica wiercąca, 4 – żerdź wiertnicza, 5 – stacja pchająca, 6 – oś przecisku, 7 – obraz diodowej tarczy celowniczej, 8 – stalowa rura osłonowa, 9 – przenośnik ślimakowy, 10 – rura przewodowa, 11 – wiertło [30, 7]

Fig. 2. Schema of three stage pipe jacking: a) pilot bore, b) expanding of borehole and in-stalling sleeve pipes, c) pipe jacking of product pipe; 1 – launching excavation, 2 – reception excavation, 3 – drill head, 4 – drilling rods, 5 – main jacking station, 6 – centre line of pipeline, 7 – view from target disc, 8 – steel sleeve pipe, 9 – screw conveyor, 10 – product pipe, 11 – expander [30, 7]

144

2.3. Wiercenia kierunkowe HDD

Technologia wierceń kierunkowych wywodzi się z górnictwa naftowego i głębokich wierceń studziennych [15]. W budownictwie komunalnym HDD stosowana jest do budowy lub modernizacji sieci bądź do przekroczeń przeszkód terenowych. Służą do tego samo-jezdne lub stacjonarne wiertnice pracujące z powierzchni terenu, wykopu, na sucho lub w systemie płuczkowym.

5

67

9

3

8

410

1

911

2

5

3 410

1

2

5

3410

1

2

8

98 1113

10

12

a)

b)

c) 10

14

15

14

15

Ryc. 3. Schemat poziomego przewiertu sterowanego HDD: a) wiercenie pilotowe, b) roz-

wiercanie otworu, c) wciąganie przewodu; 1 – wiertnica, 2 – wykop początkowy, 3 – przeszkoda terenowa (rzeka), 4 – wykop końcowy, 5 – trajektoria przewiertu, 6 – głowica wiercąca, 7 – sonda nadawcza, 8 – żerdź wiertnicza, 9 – wyrobisko, 10 – płuczka z urobkiem, 11 – rozwiertak, 12 – krętlik, 13 – wciągany przewód, 14 – rury osłonowe (opcja), 15 – przekładka piasków, żwirów lub otoczaków [16]

Fig. 3. Schema of horizontal directional drilling: a) pilot bore, b) pull back of expander head, c) pull back of expander head with product pipe; 1 – drilling rig, 2 – launching excavation, 3 – obstruction (river), 4 – reception excavation, 5 – centre line of pipe-line, 6 – drill head, 7 – emitter, 8 – drilling rod, 9 – heading, 10 – drilling fluid with winning, 11 – expander, 12 – revolving joint, 13 – product pipe, 14 – sleeve pipes

(option), 15 – layer of sand, gravel or boulders [16] Specyfika przewiertów HDD wymaga stosowania przewodów wykonanych z giętkich

i sprężystych materiałów (PE, HDPE, spawana stal lub żeliwo łączone za pomocą kielichów umożliwiających odchylenia [1]), o średnicach od 50 mm [15] lub 63 mm do

a)

b)

c)

145

1200 mm [16], 1400 [22], 1500 mm [32; 24] lub nawet 2000 mm [28], przy długościach sięgających 2000 m.

Wiercenia kierunkowe mają liczne zalety, takie jak: niewielki wpływ na środowisko, możliwość skrócenia długości przewodu, bezpieczna lokalizacja przewodu pod przeszko-dami terenowymi na dowolnej głębokości, możliwość lokalizacji przewodu w gęstej zabu-dowie i krótki czas wykonania (od kilku godzin do kilkunastu dni). Ograniczenia tej metody wynikają z możliwości wyboczenia przewodów wiertniczych i instalowanego ruro-ciągu, długości przewiertu, liczby zmian kierunku, dokładności pomiarów w trakcie wier-cenia, parametrów sprzętu, stabilności ścian wykonanego otworu, efektywności czysz-czenia otworu ze zwiercin i tarcia przewodu w otworze o grunt [16, 28].

25

25

26

27

2 3 4 5

6

7

9

10

11

1213

8

1514

16

3

171

18

18

18

19

20

2121

22

23

23

24

Ryc. 4. Schemat systemu mikrotunelingu: 1 – człon główny głowicy, 2 – wciskany przewód,

3 – pośrednia stacja siłowników, 4 – dysza iniekująca lubrykant, 5 – przestrzeń po-między rurą a gruntem, wypełniona lubrykantem, 6 – okno startowe, 7 – konstrukcja komory, 8 – kamera rejestrująca światło lasera, 9 – pierścień pchający, 10 – siłow-niki główne, 11 – stacja pchająca, 12 – blok oporowy, 13 – teodolit laserowy, 14 – pompa lubrykantu, 15 – mieszadło lubrykantu, 16 – agregat i pompa hydrau-liczna siłowników głównych, 17 – człon pompowy głowicy, 18 – pompa płuczki, 19 – kontener sterówki, 20 – pulpit sterowniczy, 21 – hydrocyklony i sita wibra-cyjne, 22 – zbiornik płuczki, 23 – dysze wysokiego ciśnienia, tzw. jet, 24 – pompa zasilająca dysze wysokiego ciśnienia, 25 – przewody transportujące płuczkę, 26 – przewód lubrykantu, 27 – przewody hydrauliczne [17, 30]

Fig. 4. Schema of microtunnelling: 1 – articulated shield, 2 – product pipe, 3 – intermediate jacking station, 4 – lubricant jet, 5 – space between product pipe and firm ground filled with lubricant, 6 – tunnel eye, 7 – launching shaft, 8 – target camera, 9 – thrust ring, 10 – main jacks, 11 – main jacking station, 12 – reaction block, 13 – laser thedolite, 14 – lubricant pump, 15 – lubricant mixer, 16 – aggregate and hydraulic pump for main jacking station, 17 – machine can, 18 – bentonite pump, 19 – control container, 20 – control computer, 21 – bentonite recycling plant, 22 – bentonite tanks, 23 – jet, 24 – jet’s pump, 25 – bentonite pipelines, 26 – lubricant pipelines, 27 – hydraulic lines [17, 30]

146

2.4. Mikrotuneling

Mikrotuneling powstał w latach 70. XX w. jako rozwinięcie przecisków hydrau-licznych. Takie same pozostały główne i pośrednie stacje pchające, lubrykanty, rury prze-wodowe, komory i systemy sterowania. Różnice polegają na zwiększeniu mechanizacji i automatyzacji procesu instalacji. Służy do tego mechaniczna głowica z dobraną do warunków tarczą skrawającą.

Mikrotuneling jest używany do przebudowy i budowy nowych sieci miejskich, insta-lacji rur osłonowych, przekraczania przeszkód terenowych i budowania podmorskich odcinków przewodów zrzucających ścieki (tzw. Sea Outfall) [7]. Zaletami tej technologii są: duża dokładność, krótki czas realizacji, duże zagłębienie przewodu, trudne warunki wodno-gruntowe, duży stopień urbanizacji, brak potrzeby obniżania zwierciadła wód grun-towych i możliwość iniekcji zaczynów stabilizujących podłoże przez dysze do lubrykan- tu. Ten rodzaj przewiertów umożliwia instalację przewodów o średnicach 300–3000 mm [17, 19], 2000–4000 wg [2] lub 4200 mm [26], w odcinkach prostoliniowych lub po łukach o dużych promieniach. Długości odcinków technologicznych zależą od średnicy przewodu i możliwości sprzętu – rurociągi o średnicach do 600 mm osiągają około 150 m [27], ponad 2000 mm – do 500 m [16] lub 800 m [25].

Największą różnicą pomiędzy przeciskami a mikrotunelingiem jest sposób urabiania gruntu. Wnętrze wyrobiska nie ma żadnego kontaktu z wnętrzem rurociągu. Ośrodek jest drążony za pomocą obracającej się tarczy, przymocowanej do wychylnego członu sterują-cego. Tarcza, która odspaja i wstępnie rozdrabnia skały, jest dobrana do określonych wa-runków geologicznych.

3. Problemy występujące w trakcie realizacji

Instalacja przewodu może okazać się utrudniona ze względu na niedostateczne roz-poznanie ośrodka gruntowego lub zmiany jego właściwości i parametrów (wilgotność, konsystencja) w wyniku całego procesu instalacji przewodu [16].

3.1. Dobór odpowiedniego systemu do warunków terenowych

W przeciskach hydraulicznych zagrożenie stwarzają zróżnicowany grunt, który może spowodować utratę sterowności ostrza (ryc. 5a), soczewka z wodą pod ciśnieniem, pusta przestrzeń, przekładka luźnego gruntu, obciążenia dynamiczne od urządzeń lub górotwo- ru – mogą spowodować obsypanie się gruntu na przodku (ryc. 5b i c). Taka kawerna w gruntach niespoistych może sięgać nawet na powierzchnię terenu (ryc. 5d i e). Na-trafienie na znajdujące się na trasie przewodu głazy narzutowe i inne duże obiekty może spowodować niezamierzone zmiany kierunku (ryc. 5f).

Zagrożenie może stanowić przedostanie się wody gruntowej do drążonego tunelu. Jej ciśnienie jest równoważone za pomocą kesonu umieszczonego na przewodzie lub całej komorze. W niejednorodnych ośrodkach gruntowych istnieje niebezpieczeństwo przer-wania gruntu przez nadciśnienie na przodku. Powietrze może wtedy uciec przez szczeliny lub przewarstwienia innych formacji, powodujac zalanie wykonywanego przewodu. Zjawisko takie wystąpiło podczas drążenia tunelu pod Tamizą w Londynie w latach 50. XX w. [18].

147

grunt rozdrobniony

skała

a)

b)

c) f)

e)

d)

Ryc. 5. Potencjalne problemy występujące na przodku podczas przecisków hydraulicznych,

opis w tekście [16] Fig. 5. Potential problems on face of tunnel during pipe jacking, explained in text [16]

Tarczę tnącą i jej wyposażenie dobiera się na podstawie badań geologicznych gruntu.

Ryzyko stwarza niewystarczająca liczba dysz iniekujących lubrykant podczas wiercenia w gruntach pęczniejących pod wpływem wody. W wyniku zmiany wilgotności ośrodka może dojść do zaciśnięcia się gruntu na tarczy i przewodach. Dysze wysokiego ciśnienia (tzw. jet) zmiękczają zwarty spoisty ośrodek przed urobieniem i umożliwiają oczyszczanie oblepionej gruntem tarczy.

3.2. Awarie osprzętu

Z powodu dużej ilości przerabianego materiału szybko zużywają się linearne sita słu-żące do recyklingu płuczki. Ze względu na ciągłe wibracje często pękają ramy sit wibra-cyjnych. Przez permanentny kontakt z poruszającym się płynem wiertniczym bardzo nisz-czą się pompy wirnikowe płuczki. Transportowany urobek i płuczka wiertnicza przecierają korpusy, wirniki oraz armaturę (zasuwy) zainstalowaną na przewodach.

3.3. Dokładność wykonania rurociągu

Podczas projektowania nowego rurociągu uwzględniane są dopuszczalne odchyłki cha-rakterystyczne dla danej technologii. Ich zakres zmienia się zależnie od średnicy. Dla ru-rociągów grawitacyjnych wynosi od 20 mm na spadku i 25 mm w planie dla przewodów o średnicy do 600 mm, do 50 mm na spadku i 200 mm odchyłek w planie dla rurociągów o średnicy ponad 1400 mm.

Poza geozagrożeniami, przyczynami niedokładności mogą być dobór niewłaściwej do warunków technologii bezwykopowej oraz czynnik ludzki.

Ryzyko niekontrolowanej zmiany trasy przewiertu wzrasta przy realizacji długich od-cinków położonych płytko lub poniżej poziomu wody gruntowej. Podczas instalacji od-

148

wadniane są tylko studnie początkowe i końcowe. Parcie gruntu i wody oddziaływujące na pusty i lekki wciskany przewód może go wypchnąć w kierunku powierzchni.

Poza przyczynami wspomnianymi w rozdz. 3.1 negatywny wpływ na przebieg instalacji przewodu mogą mieć pozostałości cywilizacyjne (zasypane glinianki, doły, leje po bom-bach [4], fundamenty dawnych budynków [3], żeliwne rury i przedmioty codziennego użytku [29]).

Tego typu czynniki spowodowały zmiany harmonogramu budowy kolektora zrzuto-wego ścieków oczyszczonych z oczyszczalni „Południe” w Warszawie metodą mikro-tunelingu pod ulicą Czerniakowską w 2005 r. W okolicy skrzyżowania ulicy Czerniakow-skiej z Trasą Łazienkowską w XVII w. znajdował się port rzeczny, a przed II wojną światową była tam dzielnica mieszkaniowa. Głowica natrafiła na przebiegający ukośnie względem osi rurociągu fundament lub na nabrzeże portu. Kąt pomiędzy nimi był na tyle mały, że nie udało się skręcić tak, by zachować zaprojektowaną trajektorię kanału. W efek-cie głowica nie trafiła całą powierzchnią w światło gotowej komory odbiorczej. Zdecy-dowano się zatem na wydłużenie tego odcinka technologicznego do 545 m, aby osiągnąć kolejną komorę.

Specyfika przecisku hydraulicznego i mikrotunelingu polega na stosowaniu tarcz, o średnicach większych o 2,5–4,5 cm, jak instalowane rury. Mimo wypełnienia tej przestrzeni insektem i zwiercinami pojawia się wiele koniecznych do korygowania od-chyłek. Może to prowadzić do lokalnych zmian spadku przewodu. Po zakończeniu budowy następuje dopasowanie ośrodka gruntowego do przewodu. Według [2] wykonano rurociągi, których zaprojektowany spadek podłużny występuje jedynie na 30% długości. Gdy po za-kończeniu mikrotunelowania z różnych powodów (usunięcie wadliwych przewodów) rurociąg dalej będzie przesuwany, może dojść do powiększenia średnicy wyrobiska, a przez to do większego osiadania przewodów i gruntu. Podczas wykonywania kolektora zrzutowe-go z Oczyszczalni Ścieków „Południe” w Warszawie w ciągu ulicy Czerniakowskiej w cza-sie przerw w instalacji obserwowano, jak przewody poruszały się w wyniku przemiesz-czania się ludzi w środku. Można stwierdzić, że w fazie budowy rurociąg do pewnego stopnia „pływa” w mieszaninie rodzimego ośrodka i lubrykantu, utrudniając dokładne wykonanie projektu.

3.4. Przebicia hydrauliczne płynów wiertniczych

Gdy zostanie przekroczona wytrzymałość gruntu na rozciąganie, może dojść do eksha-lacji płuczki w głąb ośrodka lub nawet do jej przebicia na powierzchnię terenu. Zjawisko to określa się terminem blow out – erupcja płynu [2]. Ryzyko jego wystąpienia wzrasta w miejscach, gdzie ośrodek ma mniejszą wytrzymałość (np. niewłaściwie zagęszczone zasypane wykopy) lub mniejszą miąższość. Płyn wiertniczy może wypływać spod kra-wężników i słupków ogrodzeniowych. Przeciwdziałanie temu zjawisku polega na uszczel-nianiu gruntu za pomocą iniekcji wzdłuż trasy przewiertu.

W podobnych warunkach migrować na powierzchnię terenu może też bentonit służący do smarowania zewnętrznej powierzchni przewodów, co zostało zaobserwowane na budo-wach kanałów ogólnospławnych metodą mikrotunelingu na ulicy Połczyńskiej w War-szawie oraz w Katowicach przez firmę „BETA”. W pierwszym przypadku przebicie ben-tonitu do smarowania na powierzchnię terenu nastąpiło w miejscu zasypanej komory ratunkowej, gdzie przykrycie przewodu wynosiło około 2 m. Z kolei w Katowicach do nie-cki znajdującej się na trasie przewiertu, gdzie przykrycie przewodu wynosiło tylko 1,6 m,

149

wyemigrowało około 100 l lubrykantu. W obu przypadkach nie spowodowało to znaczą-cych szkód, ponieważ proces miał za małą skalę i trwał zbyt krótko.

3.5. Osiadanie gruntu w trakcie i po wykonaniu przewodu

Pionowe ruchy powierzchni gruntu po zainstalowaniu przewodu są spowodowane okresową lub trwałą zmianą struktury gruntu rodzimego znajdującego się w bezpośrednim sąsiedztwie rurociągu. Skala tego zjawiska zależy od zastosowanej technologii i rodzaju ośrodka. Osiadania są efektem różnic pomiędzy wymiarami tarczy i przewodów, drgań i iniektowania lubrykantów w przestrzeń pomiędzy caliznę a przewody (ryc. 6). Nie-korzystnie wpływają też długie przestoje technologiczne, podczas których grunt zaciska się wokół rurociągu. Ruszenie po przestoju wymaga długotrwałego tłoczenia lubrykantu pomiędzy rurociąg a grunt [29].

Ryc. 6. Przestrzeń pomiędzy gruntem a rurą wprowadzoną za pomocą przewiertu sterowanego HDD

(z lewej [2]) i mikrotunelingu (z prawej) wypełniona lubrykantem i urobkiem Fig. 6. Space between firm ground and pipeline installed with horizontal directional drilling

(left, [2]) and microtunneling (right) filled with lubricant and winning

Wysokie niebezpieczeństwo powstania zapadlisk pojawia się podczas wykonywania przewiertów pod drogami o dużym natężeniu ruchu oraz pod torami kolejowymi i tram-wajowymi, gdzie istnieją obciążenia dynamiczne. Zapobieganie powstaniu niecki osiadań polega na zsynchronizowaniu prędkości posuwu głowicy i ilości usuwanego urobku [29].

Rozpoczęcie instalacji przewodu metodami bezwykopowymi w gruntach o małej noś-ności może doprowadzić do zapadania się narzędzi wiercących. Jest to szczególnie ważne, gdy stosowane są ciężkie głowice mikrotunelowe w słabonośnych ośrodkach, terenach, gdzie występują szkody górnicze lub w sąsiedztwie istniejących sieci podziemnych. Przeciwdziałanie sprowadza się do ograniczenia zmiękczania gruntu dyszami wysokiego ciśnienia. Poruszanie się głowicy wiercącej może dodatkowo zagęścić grunt, co ograniczy w przyszłości osiadanie powierzchni terenu.

Zjawisko osiadania powierzchni trenu stwierdzono na budowie kolektora ogólno-spławnego DN 1400 w ulicy Połczyńskiej w Warszawie. Po upływie 10 miesięcy od wpro-wadzenia rurociągu w grunt w trakcie wizji lokalnej z dnia 03.06.2006 r. stwierdzono pojawienie się niecki osiadań nad osią rurociągu (ryc. 7). Jej głębokość, jak określono, wynosiła w różnych miejscach od 3 do 7 cm.

150

Ryc. 7. Zapadnięta powierzchnia terenu wzdłuż osi kanału za komorą startową (z lewej).

Zniszczona trawa w niecce nad kanałem (z prawej) Fig. 7. Subsided ground surface along centre line of sewer next to launching chamber (left).

Destroyed lawn in trough over sewer (right)

3.6. Wypiętrzenie gruntu w trakcie i po budowie przewodu

Podnoszenie się i wybrzuszenie powierzchni terenu jako skutek prowadzenia budowy metodami bezwykopowymi może powodować wiele różnych zagrożeń dla istniejącej infrastruktury nadziemnej i podziemnej [11]. Skala tego zjawiska zależy od zastosowanej technologii i warunków. Deformacje ośrodka mogą sięgać na odległość ok. 3 promieni przeciskanego przewodu [23]. Zazwyczaj przyczyną występowania takiego zjawiska jest wprowadzanie przewodów do średnicy 250 mm [11] bez (przeciski pneumatyczne i nie-które rodzaje przecisków hydraulicznych) lub z wybieraniem urobku (przewierty HDD, przeciski hydrauliczne, mikrotuneling). Wypiętrzenie gruntu może być wynikiem przykła-dania zbyt dużych sił podczas instalacji przewodu metodą mikrotunelingu przy niewielkim przykryciu. Efektem parcia biernego jest pojawienie się wysadzin przed nożem lub tarczą. Może to również wynikać z tłoczenia lubrykantu pod wyższym ciśnieniem niż ciężar nadkładu.

4. Przykłady obliczeniowe

Numeryczna analiza przemieszczeń gruntu, zachodzących w wyniku bezwykopowych instalacji rurociągów i tuneli, może być prowadzona za pomocą Metody Elementów Skoń-czonych, Metody Różnic Skończonych i sztucznych sieci neuronowych [15]. Przykłady obliczeniowe obrazują zjawiska związane z zastosowaniem metod bezwykopowych przy budowie różnych elementów infrastruktury. Obliczenia zostały zrealizowane za pomocą pakietu oprogramowania HYDRO-GEO stosującego MES.

151

Do modelowania numerycznego zostały wykorzystane dane z 2 inwestycji prowadzo-nych metodami bezwykopowymi ze względu na możliwość uzyskania dokumentacji tech-nicznej lub wyników pomiarów geodezyjnych. Dane, takie jak parametry gruntów, geo-metrie układów, obciążenia opracowano na podstawie [5, 9]. Wykonano modele oblicze-niowe analizujące: – zachowanie się ośrodka gruntowego w wyniku zamykania się przestrzeni pomiędzy

wyrobiskiem a wprowadzonym przewodem metodą mikrotunelingu, – wpływ budowy tunelu kolejowego metodami tradycyjnymi na obiekty znajdujące się na

powierzchni terenu.

4.1. Osiadanie gruntu po wprowadzeniu przewodu metodą mikrotunelingu

Budowę kolektora ogólnospławnego DN 1400 o długości 2175 m rozpoczęto na ulicy Połczyńskiej w Warszawie pomiędzy ulicami Powstańców Śląskich do Sochaczewskiej. Łączna długość kanału o średnicy DN 1400 mm wynosi 2175 m. Miał on zastąpić kilka mniejszych przewodów transportujących ścieki opadowe z jezdni do glinianek po obu stro-nach ulicy Połczyńskiej. Na podstawie badań geologicznych stwierdzono różne holoceńskie i plejstoceńskie osady (grunty morenowe, zastoiskowe i wodnolodowcowe w postaci skał spoistych i niespoistych występujące we frakcjach od ilastej do kamienistej). Przewód po-sadowiono w średniozagęszczonych piaskach wodnolodowcowych i zastoiskowych, a na krótkim odcinku – w zwartych i półzwartych glinach zwałowych. Większa część kanału znajduje się ponad zwierciadłem wody gruntowej.

4,05

2,35

1,85

1,050,650,550,35

-0,25

-0,55

-2,45

[m]

0,00

33,49

31,79

31,29

30,4930,0929,9929,79

29,19

28,89

26,99

[m n. "0" Wisły]

29,44

nN(H+P+c)

/P

Pd/P

Pd/P /

G /GzPd

Pd+ p

Pd

IIId

IIIa

IIIa

IIId

Ryc. 8. Przekrój geologiczny na podstawie otworu nr 21 [5]

Fig. 8. Section based on borehole No 21 [5]

Do budowy zastosowano mikrotuneling. Odcinki technologiczne o długości od 49,5 do 353 m umieszczono głównie w pasie zieleni oraz częściowo pod jezdniami.

Opracowany na podstawie otworu geologicznego nr 21 (ryc. 8) model numeryczny określa zachowanie się gruntu w wyniku prowadzenia prac mikrotunelowych. Starano się

152

określić nieckę osiadań powstającą po zamknięciu się szczeliny pomiędzy gruntem a wwierconym przewodem. Parametry materiałowe gruntu umieszczono w tablicy 1. Model zrealizowano, usuwając obszar o powierzchni wyrobiska stworzonego przez tarczę o śred-nicy 1765 mm. Na krawędziach analizowanego obszaru przyłożono standardowe warunki brzegowe. Aby odzwierciedlić proces dopasowywania się gruntu do rury, o średnicy ze-wnętrznej 1720 mm, węzłom znajdującym się na krawędzi wyrobiska przyłożono warunki brzegowe o zadanym przemieszczeniu. Założono, że przewód osiadł na spągu wyrobiska. Przyjęto również, że grunt przemieści się poziomo i pionowo. Wartości przemieszczeń określono na podstawie różnicy średnicy wyrobiska i wprowadzanych elementów – 45 mm.

T a b l i c a 1

Parametry materiałów z przekroju geologicznego nr 21 [5] γ c φ Eo ν

Nr materiału Warstwy [kN/m3] [kPa] [°] [kPa] [-]

1 nN (H + P + c) 18,0 8 20 30 000 0,25 2 Π / Pπ 21 31,5 18,3 25 250 0,29 3 Pd / Pπ 17,5 3 30,6 45 570 0,3 4 Pd / Pπ / Π 17,5 5 30,6 45 570 0,3 5 Π 21 31,5 18,3 25 250 0,29 6 Gπ / Gz 21 31,5 18,3 25 250 0,29 7 Pd 17,5 4 30,6 45 570 0,3 8 Pd + Πp 17,5 7 30,6 45 570 0,3 9 Pd 17,5 5 30,6 45 570 0,3

-1,40E-02

-1,20E-02

-1,00E-02

-8,00E-03

-6,00E-03

-4,00E-03

-2,00E-03

0,00E+00

2,00E-03

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

Odłegłość od osi kanału [m]

Prze

mie

szcz

enia

[m]

Mimo przemieszczeń maksymalnych, w rejonie zwornika kanału wynoszących 4,5 cm, największe osiadanie powierzchni terenu wynosi ponad 12 mm (ryc. 9). Modelowane zja-wisko wystąpiło w rzeczywistości na opisywanej budowie. Po upływie 10 miesięcy od za-instalowania przewodu stwierdzono w trakcie wizji lokalnej z dnia 03.06.2006 r., poja-

Ryc. 9. Powierzchnia terenu po wykonaniu obliczeń Fig. 9. Ground surface after carrying out calculations

Odległość od osi kanału [m]

153

wienie się niecki osiadań nad osią rurociągu (ryc. 7). Przemieszczenia obserwowane w terenie były większe niż uzyskane za pomocą obliczeń. Należy sądzić, że powstałe prze-mieszczenia nie są wyłącznie skutkiem samego dopakowywania się gruntu do powierzchni zewnętrznej rurociągu. W dalszych obliczeniach należy uwzględnić modyfikacje para-metrów gruntowych w rejonie oddziaływania lubrykantu lub zjawiska zachodzące przed tarczą urządzenia.

4.2. Określenie wpływu budowy tunelu metodami tradycyjnymi na obiekty znajdujące się na powierzchni terenu

Bardzo ciekawym etapem budowy linii kolejowej ICE z Kolonii do Frankfurtu nad Menem w Niemczech było przeprowadzenie tunelu przez Limburg. W latach 1997–2001 wykonano dwutorowy tunel o powierzchni przekroju poprzecznego wynoszącej 156 m2 i długości równej 2395 m [8]. Przebiega on m.in. pod zespołem zautomatyzowanych magazynów wysokiego składowania firmy Tetra Pak. Pale fundamentowe naroży hal nr III i IV znajdują się dokładnie nad podziemnym obiektem (ryc. 10).

Ze względu na charakter budynków podczas prowadzenia prac należało do minimum ograniczyć ich pionowe przemieszczenia. Problem nadmiernych osiadań rozwiązano za po-mocą kilku serii wzmacniania gruntu pod i wokół pali fundamentowych. Kolejne serie iniekcji zaczynu cementowego prowadzono w trakcie i po wykonaniu tunelu w celu pod-niesienia konstrukcji hali, aby zrównoważyć osiadania wywołane drążeniem (ryc. 10).

W rejonie inwestycji stwierdzono nasypy niebudowlane o miąższości 0,6–2 m, pod nimi czwartorzędowe osady w postaci glin, piasków i żwirów, a na głębokości do 6–12 m [9] stwierdzono trzeciorzędowe iły i łupki. Tunel posadowiono w dewońskich łupkach ilastych.

Prace prowadzono metodami górniczymi w czterech etapach. Po wzmocnieniu gruntu wokół planowanego wyrobiska kotew o długości 3–4 m wykonano 2 komory – po prawej i lewej stronie tunelu, o powierzchni przekroju poprzecznego około 36 m2. Ich ściany za-bezpieczono betonem natryskowym o grubości 20–35 cm. Kolejnym etapem było usunięcie gruntu z przestrzeni pomiędzy dwoma mniejszymi komorami. Obudowę wstępną również stanowił torkret (ryc. 11). W ostatnim etapie zamontowano żelbetową obudowę ostateczną o grubości 60 cm [30].

Ryc. 10. Południowy portal tunelu i ze-spół magazynów Tetra Pak w Limburgu [8]

Fig. 10. Tunnel’s southern portal and Te-tra Pak magazines in Limburg [8]

154

Zagadnienie opisanego tunelu kolejowego jest bardzo złożone, dlatego wykonano kilka

serii obliczeń różniących się sposobami przyłożenia obciążenia i geometrią układu: – schemat I – drążenie w terenie bez żadnej zabudowy znajdującej się na powierzchni, – schemat II – na tunel działa siła pochodząca od słupa konstrukcji hali umieszczonego

nad osią tunelu, – schemat III – na tunel działa siła pochodząca od słupa konstrukcji hali i piwnicy zlo-

kalizowanych nad osią tunelu.

Celem obliczeń było określenie osiadań powierzchni terenu i porównanie ich z zawar-tymi w opracowaniu [9]. Do obliczeń przyjęto obciążenia pochodzące od słupa hali nr IV znajdującego się na osi tunelu, który – według prowadzonego w trakcie budowy monito-ringu – osiadł o ok. 25 mm.

W obliczeniach analizowano wartość i sposób przyłożenia do modelu obciążenia po-chodzącego od konstrukcji hali. Z tego powodu zdecydowano się dokonać 4 serii obliczeń, różniących się rodzajami zastosowanych obciążeń: – wariant I – obciążenie równomiernie działające na górną krawędź żelbetowej płyty,

Ryc. 11. Schemat analizowanego obiektu [8]

Fig. 11. Scheme of analyzed object [8]

Ryc. 12. Kolejne etapy drążenia tu-nelu [8]

Fig. 12. Phases of tunnel drilling [8]

155

– wariant II – obciążenie ciągłe trójkątne o największej wartości na środku górnej kra-wędzi żelbetowej płyty,

– wariant III – siła skupiona umiejscowiona na górnej krawędzi żelbetowej płyty, – wariant IV – rozłożenie siły pochodzącej od słupa na całą powierzchnię wzmocnionego

iniekcjami gruntu współpracującego z palami.

T a b l i c a 2 Parametry materiałów zastosowanych do modelu trzeciego wariantu III zadania [9]

γ c φ Eo ν Nr materiału Warstwy

[kN/m3] [kPa] [°] [kPa] [–] 1 Osady czwartorzędowe (G, P, Ż) 19 10 27,5 15 000 0,33 2 Osady trzeciorzędowe (łupki, iły) 21 35 18 25 000 0,3 3 Osady trzeciorzędowe (łupki, iły) 11 35 18 25 000 0,3 4 Łupki ilaste 12 50 20 50 000 0,33 5 Beton B30 13 4236,2 58,46 34 000 000 0,167 6 Iniekt pod fundamenty 12 50 20 100 000 0,33 7 Iniekt pod pale 12 50 20 100 000 0,33 8 Grunt wzmocniony 14 100 20 120 000 0,33 9 Obudowa wstępna, beton B45 13 5065,8 57,72 34 000 000 0,167 10 Obudowa wstępna w środku, beton B45 13 5065,8 57,72 34 000 000 0,167 11 Obudowa ostateczna, beton B45 13 5065,8 57,72 34 000 000 0,167

Najbardziej złożony przykład obliczeniowy obrazuje tunel kolejowy obciążony kon-

strukcją hali i położoną pod jej częścią piwnicą. Piwnica była wykorzystana podczas budowy tunelu do prowadzenia iniekcji gruntu pod stopy i pale fundamentowe konstrukcji

Ryc. 13. Schemat wyjściowy trzeciego warian-tu III zadania [9]

Fig. 13. Basic scheme of third version of third infliction [9]

156

magazynu. Analizowany schemat ma za zadanie jak najwierniej odwzorować rzeczywiste warunki panujące podczas budowy tunelu kolejowego w Liburgu pod halami magazyno-wymi firmy Tetra Pak. Żelbetowa płyta stanowiąca podłogę piwnicy ma grubość 45 cm i została wykonana z betonu B30. Schemat całego układu przedstawiono na ryc. 13.

Z uwagi na objętość pracy omówiono tylko wybrane wyniki obliczeń. Porównanie wyników monitoringu, obliczeń i przeprowadzonej analizy wstecz oraz wnioski z zastoso-wanych rozwiązań będą stanowiły temat oddzielnej publikacji.

Zastosowano standardowe warunki brzegowe. Pracę modelu podzielono na 5 etapów. Schemat stref materiałowych w 4 etapie obliczeń zaprezentowano na ryc. 14.

-0,035

-0,03

-0,025

-0,02

-0,015

-0,01

-0,005

0

0,005

-30,00 -20,00 -10,00 0,00 10,00 20,00 30,00

Odległość od osi tunelu [m]

Prze

mie

szcz

enia

pio

now

e [m

]

obciążenie ciągłe

obciążenie trójkątne

siła skupiona

obciążenie powierzchniowe

pomiary

MES maksymalne

MES uśrednione

Ryc. 15. Osiadania powierzchni gruntu nad osią obiektu dla różnych sposobów przyłożenia obciążenia modelu tunelu obciążonego słupem hali

Fig. 15. Settlement of ground surface over object’s centre line for various methods of last application on under magazine column tunnel’s model

Niecki osiadań dla różnych modeli zostały przedstawione w postaci wykresu na ryc. 15.

Są one niesymetryczne z powodu ulokowania piwnicy z lewej strony tunelu. Poza niecką osiadań zaobserwowano również wyparcia o około 4 mm w miejscach odległych o co naj-mniej 22 m od osi obiektu. Na wykresie umieszczona została również niecka określona za

Rys. 14. Schemat stref materiałowych

w 4 etapie obliczeń Fig. 14. Scheme of material layers on

4th stage of calculations

157

pomocą interpolacji pomiarów terenowych, odniesionych do rozpatrywanego słupa. Liczba danych pomiarowych nie pozwoliła na określenie geometrii niecki na całej szerokości mo-delu. Stwierdzono, że wielkości osiadań rzeczywistych i wymodelowanych są porówny-walne. Mniejsza jest natomiast rozległość niecki określonej na podstawie pomiarów geo-dezyjnych. Dotyczy to również przemieszczeń określonych na etapie projektu ww. in-westycji za pomocą Metody Elementów Skończonych.

5. Wnioski

Przedstawiona wyżej analiza pozwoliła na sformułowanie następujących wniosków: – Dokładna i jednoznaczna klasyfikacja bezwykopowych metod budowy rurociągów jest

bardzo trudna. – Do modelowania zjawisk towarzyszących realizacji obiektów za pomocą technologii

bezwykopowych można skutecznie stosować MES. – Wyniki numerycznej analizy osiadania gruntu po wprowadzeniu przewodu za pomocą

mikrotunelingu potwierdzają, że istnieje obserwowalny wpływ tej metody na otoczenie. – Przeprowadzana analiza może mieć zastosowanie do określenia, czy nie zostaną prze-

kroczone graniczne przemieszczenia budynków zlokalizowanych w rejonie wykony-wanych inwestycji.

– Analizę przemieszczeń pionowych gruntu wynikających z różnic wymiarów pomiędzy tarczą a przewodem należy rozszerzyć, wprowadzając strefę gruntu o parametrach zmo-dyfikowanych przez płuczkę wiertniczą.

– Model etapowej budowy tunelu osiągnął dobrą zbieżność przemieszczeń pionowych z wynikami obliczeń wykonanych przed budową, potwierdzonymi pomiarami dokona-nymi w czasie realizacji inwestycji.

– Przedstawiony temat wymaga dalszych badań teoretycznych i numerycznych.

L i t e r a t u r a

[1] A b r a h a m ó w M., Ż u c h o w s k i D., Nowe wyzwanie w HDD, Inżynieria Bez-wykopowa, styczeń–marzec 2006.

[2] A r e n d s G., TT Research in The Netherlands, Materiały z IV Międzynarodowej Konferencji, Wystawy i Pokazów Technologii „Inżynieria 2006”, Niepołomice 7–9 czerwca 2006.

[3] C z a j k o w s k a M., Mikrotunel w Katowicach, Inżynieria Bezwykopowa, paździer-nik–grudzień 2005.

[4] C z a r n y - K r o p i w n i c k i R., W o j t a s z e k T., Projekt mikrotunelowy na miarę „Tytana 2005”, Inżynieria Bezwykopowa, lipiec–wrzesień 2005.

[5] Dokumentacja wykonawcza i geologiczno-inżynierska kolektora ogólnospławnego DN 1400 w ulicy Połczyńskiej w Warszawie wykonywanego metodą mikrotunelingu.

[6] G o t t s c h a l k S., M r o z i k M., Nowe zastosowanie technologii HDD z wykorzy-staniem płuczek beziłowych, Inżynieria Bezwykopowa, maj 2004.

[7] Herrenknecht, witryna internetowa, www.herrenknecht.com. [8] Hochtief Construction AG, witryna internetowa, www.hochtief-construction.de. [9] J o h n M., M a t t l e B., P i t s c h e i d e r W., Massnahmen bei der Unterfahrung von

Gebäuden für den Tunnel Limburg, Felsbau 16, 1998.

158

[10] K o l o n k o A., Klasyfikacja i przegląd bezwykopowych metod budowy rurociągów podziemnych, część I, Nowoczesne Techniki i Technologie Bezwykopowe 1/2000.

[11] K o l o n k o A., Perspektywy mikrotunelowania w budowie rurociągów podziemnych, Inżynieria Bezwykopowa, listopad 2003.

[12] K u l i c z k o w s k i A., M a d r y a s C., Tunele wieloprzewodowe, Politechnika Świę-tokrzyska, Kielce 1996.

[13] K u l i c z k o w s k i A., Rury kanalizacyjne, t. II, Projektowanie konstrukcji, Politech-nika Świętokrzyska, Kielce 2004.

[14] L u e k k e J.S., A r i a r a t n a m S.T., Numeryczna charakterystyka podnoszenia po-wierzchni, towarzyszącego wierceniom kierunkowym, Inżynieria Bezwykopowa, kwiecień–czerwiec 2005.

[15] L u k a s A., L o n e r g a n S., M a c d o n a l d D., Przewierty przyszłości, Inżynieria Bezwykopowa, lipiec–wrzesień 2005.

[16] M a d y r a s C., K o l o n k o A., W y s o c k i L., Konstrukcje przewodów kanaliza-cyjnych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2002.

[17] M a d r y a s C., R o l n i k A., Rury do mikrotunelowania, Inżynieria Bezwykopowa, listopad 2003.

[18] M a d r y a s C., K o l o n k o A., S z o t A., W y s o c k i L., Mikrotunelowanie, Dolno-śląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2006.

[19] M a k u c h M., Mikrotunel Wrocław, Inżynieria Bezwykopowa, listopad 2004. [20] N o w o t k a R., Z i a j a J., Budowa, zasada działania oraz dobór maszyn przecisko-

wych typu GRUNDORAM, Techniki i Technologie Bezwykopowe 2/2003. [21] O s i k o w i c z R., Szacowanie i optymalizacja parametrów wiertniczych w techno-

logii HDD, Materiały z IV Międzynarodowej Konferencji, Wystawy i Pokazów Tech-nologii „Inżynieria 2006”, Niepołomice 7–9 czerwca 2006.

[22] P e t r o w - G a n e w D., ABC mikrotunelingu, część I – Podstawy, Inżynieria Bez-wykopowa, styczeń–marzec 2005.

[23] P e t r o w - G a n e w D., ABC mikrotunelingu, część 2, Inżynieria Bezwykopowa, lipiec–wrzesień 2005.

[24] P i c h n i k P., B a l o w s k i T., Budowa kolektora „Centrum”, Inżynieria Bezwyko-powa, styczeń–marzec 2006.

[25] R o g e r s C., Wspomaganie Rozwoju Miejskiego – Sporządzanie map na potrzeby bezwykopowej instalacji kabli wysokiego napięcia, Materiały z IV Międzynarodowej Konferencji, Wystawy i Pokazów Technologii „Inżynieria 2006”, Niepołomice 7–9 czerwca 2006.

[26] S z c z y g i e l s k i A., Mikrotunelowanie pod Spodkiem, Inżynieria Bezwykopowa, sierpień 2003.

[27] T e c h n i s c h e U n i v e r s i t ä t D r e s d e n , Fakultät Bauingenieurwesen, Profes-sur Massivenbrückenbau, Gera-Limburg-Frankfurt 27.05.199-29.05.1999, Exkursion-bericht des Jahrgangs, 1995.

[28] Tracto-Technik, foldery reklamowe. [29] Z w i e r z c h o w s k a A., Optymalizacja doboru metod bezwykopowej budowy ruro-

ciągów podziemnych, Politechnika Świętokrzyska, Kielce 2003. [30] Z w i e r z c h o w s k a A., Bezwykopowa budowa sieci podziemnych, część I, Mikro-

tunelowanie i przeciski hydrauliczne, Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne, sty-czeń–luty 2006.