Tunele zatapiane.pdf

budownictwo podziemne

Tunele zatapiane

Tunel zatapiany jest szczególnym rodzajem tunelu podwodnego. Po zbudowaniu, funkcjonalnie niczym nie

różni się od innych tuneli. Jednakże sposób jego budowy jest zupełnie inny. Niniejszy artykuł wyjaśnia

niektóre zagadnienia związane z budową tuneli zatapianych.

tapianiu gotowych segmentów tunelu w przewidzianym

miejscu jego przebiegu. Segment tunelu jest budowany

w suchym doku. Następnie jego końce uszczelnia się tymczaso-

wo poprzez montaż przegród i zostaje on przetransportowany –

spławiany na miejsce zatapiania. Tam opuszczany jest do rowu,

wcześniej wykopanego w dnie rzeki. Elementy tunelu zatapia

się kolejno tak, że zatapiany element dostawia się do wcześniej

umiejscowionego. Rów wypełnia się następnie materiałem za-

sypowym przykrywając tunel. Dojazdy do tunelu wykonuje się

wcześniej lub w trakcie budowy części zatapianej tunelu.

Rys. 1. Zalety tunelu zatapianego

Główne różnice między tunelem zatapianym

a drążonym

Tunele zatapiane stanowią alternatywę dla tuneli drążonych

przy porównywalnej cenie wykonania. Główną zaletą tuneli za-

tapianych jest to, że nie muszą one mieć przekroju okrągłego.

Można projektować praktycznie dowolny kształt przekroju, co

czyni tunele zatapiane atrakcyjnym rozwiązaniem dla autostrad.

Tunele zatapiane umieszcza się bezpośrednio pod dnem

drogi wodnej, podczas gdy tunel drążony jest stabilny, jeśli jest

zagłębiony w gruncie przynajmniej na głębokość równą swo-

jej własnej średnicy. W rezultacie tunele zatapiane są krótsze,

mają krótsze dojazdy i mniejsze spadki, co powoduje, że są

korzystniejsze dla dróg samochodowych i kolejowych. Daje im

to również przewagę nad mostami. W przypadku rzek inten-

sywnie wykorzystywanych do transportu należy zapewnić od-

powiedni prześwit między rzeką i mostem, co wydłuża znacz-

nie dojazdy lub wymusza ich komplikacje (budowa ślimaków

itp.). Dodatkową przewagę tunelom zatapianym nad drążony-

mi daje mała ilość połączeń, co ma swoje znaczenie dla wo-

doszczelności tunelu i ilości ewentualnych przecieków. Jednak

wykonanie tunelu zatapianego ma też swoje wady – podczas

operacji zatapiania wszelki ruch na drodze wodnej musi zostać

wstrzymany.

Rys. 2. Przykładowy przekrój poprzeczny tunelu stalowego

Rys. 3. Przykładowy przekrój poprzeczny tunelu żelbetowego

Główne rodzaje tuneli zatapianych

Występują dwa podstawowe rodzaje tuneli zatapianych: o bu-

dowie stalowej i żelbetowej.

W przypadku tuneli stalowych elementy są budowane z jed-

nej lub kilku połączonych w układ tub, zazwyczaj o okrągłym

przekroju.

W przypadku tuneli żelbetowych główna konstrukcja jest naj-

częściej prostokątna w przekroju, podzielona na kilka oddziel-

nych komór.

Procedura spławiania i zatapiania segmentów jest podobna

dla tuneli stalowych i żelbetowych.

Rys. 4. Opuszczanie elementu tunelu

Budowa tunelu zatapianego

Elementy tunelu o długości od 90 do 125 m wykonuje się

w suchym doku, najczęściej w pobliżu brzegu rzeki, pozostawia-

jąc pomiędzy dokiem a rzeką groblę. Zaletą takiej prefabrykacji

konstrukcji tunelu na brzegu, przy dziennym świetle jest budowa

w kontrolowanych warunkach. Kiedy element jest ukończony,

Rys. 5. Działanie parcia wody podczas łączenia elementów

24 Geoinżynieria i Tunelowanie 03/2004 (03)

budownictwo podziemne

T echnologia wykonania tunelu zatapianego polega na za-

budownictwo podziemne

oba końce zamyka się tymczasowymi przegrodami stalowymi,

po to, aby element był szczelny i unosił się na wodzie. Następnie

groblę pomiędzy dokiem, a drogą wodną przerywa się, aby dok

wypełnił się wodą i element zaczął się unosić. Element zostaje

odholowany barkami na miejsce zatapiania.

Przed operacją holowania elementu, w dnie rzeki zostaje wy-

kopany rów przy pomocy maszyn pogłębiających. Urobek jest

ładowany na barki i wywożony. Rów musi być odpowiednio

przygotowany, jego brzegi powinny mieć nachylenie uniemożli-

wiające osuwanie się gruntu. Proces zatapiania należy przepro-

wadzać możliwie szybko po wykonaniu rowu, aby nie nagroma-

dził się w nim osad rzeczny.

Element opuszcza się w miejscu zatapiania. Wewnętrzne zbior-

niki balastowe służą do kontrolowania pływalności i zatopienia

elementu poprzez napełnienie ich wodą. Pozycjonowanie ele-

mentu jest zapewnione przez system nawigacji satelitarnej GPS.

Wieże nawigacyjne zbudowane na elementach odbierają sygnał

GPS z satelitów oraz, w celu zapewnienia większej dokładności,

ze stacji naziemnych o dokładnie znanych współrzędnych.

Element opuszczany do rowu umieszcza się na tymczasowych

podporach. Tymczasowe podpory to z jednej strony stopy fun-

damentowe z zamontowanymi podnośnikami hydraulicznymi,

które dają możliwość regulacji wysokości i uzyskania właściwej

pozycji. Z drugiej strony element jest opierany na wspornikach

segmentu wcześniej zatopionego.

Podparcie to jest tylko tymczasowe i służy do osiągnięcia właści-

wej pozycji. Kiedy kontakt między dwoma elementami zostaje osią-

gnięty, nowo zatopiony element jest dociągany siłownikami hy-

draulicznymi. Po złączeniu dwóch elementów wypompowuje się

wodę z komory powstałej między tymczasowymi przegrodami obu

elementów. Parcie wody powoduje skompresowanie elementów

ze sobą, dociśnięcie uszczelek i uzyskanie szczelnego połączenia.

Znajdujące się na segmencie tunelu wieże nawigacyjne po-

siadają szyby umożliwiające dostęp do środka oraz do komór

pomiędzy przegrodami dwóch złączonych segmentów.

W następnym etapie budowy, pomiędzy podstawę tunelu,

a dno rowu, poprzez otwory w dnie segmentu tunelu, zosta-

je wstrzyknięta warstwa piasku. Piasek jest dostarczany z barki

poprzez system rur biegnących w szybie wieży nawigacyjnej.

Stopień zagęszczenia piasku można skontrolować po bokach tu-

nelu. W ten sposób tunel uzyskuje sprężyste podparcie na całej

powierzchni dna.

Kolejnym krokiem jest obudowanie połączeń płytami stalowy-

mi dla dodatkowego zapewnienia wodoszczelności. Ostatecz-

ne połączenie między elementami wykonuje się poprzez uło-

żenie w złączu prętów zbrojeniowych zapewniających ciągłość

konstrukcji i zalanie złącza betonem. Wtedy pozostaje jedynie

usunąć tymczasowe stalowe przegrody pomiędzy elementami

i wykonać warstwę betonu balastowego, usuwając tymczasowe

zbiorniki z wodą.

Rys. 6. Wstrzykiwanie piasku pod element tunelu

Rys. 7. Zasypywanie rowu

Następnie rów w dnie rzeki zasypuje się. Przed zasypaniem

układa się na tunelu rodzaj membrany, która stanowi dodatkową

ochronę dla górnej powierzchni tunelu.

Oprócz części zatapianej tunelu wykonuje się część lądową

w wykopach na brzegach rzeki. Część lądowa stanowi dojazdy

do zatopionego tunelu i w zależności od ukształtowania tere-

nu na brzegach rzeki może mieć przekrój zamknięty, bądź ryn-

nowy. Ta część tunelu jest wykonywana metodą odkrywkową.

Należy dążyć do projektowania jak najkrótszych części tunelu

o przekroju zamkniętym ze względów na koszty budowy oraz

zapewnienie bezpieczeństwa.

Jednym ze sposobów połączenia części zatapianej z dojazdem

jest zamknięcie przegrodą części lądowej i wykonanie drugiego

wału ochronnego ze ścianek szczelnych za istniejącym wałem

ochronnym rzeki, w głąb lądu. Pierwotnie istniejący wał rozko-

puje się, przygotowuje się rów dla elementu zatapianego, który

połączy część podwodną z częścią lądową.

Projektowanie tunelu zatapianego

Przy projektowaniu przekroju elementu tunelu żelbetowego

podstawowym kryterium w doborze grubości ścian jest zapew-

nienie pływalności elementu tunelu. W obliczeniach należy

Rys. 8. Dołączanie części podwodnej do dojazdu

Rys. 9. Lokalizacja tunelu Liefkenshoek

(Hydronamic)

Geoinżynieria i Tunelowanie 03/2004 (03)

budownictwo podziemne

Fot. 1. Spławianie elementu na miejsce zata-

piania – tunel Liefkenshoek (Hydronamic)

Fot. 2. Zatapianie elementu dołączanego do części

lądowej – tunel Liefkenshoek (Hydronamic)

Fot. 3. Tunel Kennedy w Antwerpii – widok

z lotu ptaka (Besix)

wziąć pod uwagę dwie fazy budowy tunelu: fazę spławiania

elementu i fazę końcową, kiedy element musi leżeć stabilnie

na dnie. W fazie spławiania element wystaje ponad powierzch-

nię wody zazwyczaj kilka do kilkunastu cm. Jeśli wysokość

elementu wynosi około 8 m, znaczy to, że ciężar elementu jest

mniejszy od wyporu wody o około 1 %.

Gdy element jest nad miejscem, w którym ma być posa-

dowiony, zatapia się go, przy użyciu tymczasowego bala-

stu – zbiorników z wodą. Tymczasowy balast jest później

zastąpiony warstwą betonu niezbrojonego, który wylewa

się wewnątrz elementu. Element musi wtedy uzyskać ciężar

dostatecznie przewyższający wypór wody, aby uzyskać od-

powiednią stabilność. By spełnić ten wymóg przyjmuje się,

że w końcowej fazie ciężar tunelu powinien przewyższać

wypór wody o 7,5 %. Należy zatem przewidzieć odpowied-

nią grubość warstwy betonu balastowego. Margines bezpie-

czeństwa później jeszcze wzrośnie, ponieważ rów, w którym

spoczywa tunel zostanie z powrotem zasypany, jednakże za-

leżnie od procesu erozji dna rzeki, ten czynnik może z cza-

sem zaniknąć.

Tunele o konstrukcji stalowej są wodoszczelne z racji jakości

wielu spawów na powłoce wykonywanych na placu budowy,

z racji połączeń, ewentualnie połączeń elastycznych.

Wodoszczelność tuneli żelbetowych zależy od jakości połą-

czeń, zabezpieczenia wodoodpornego oraz od nieobecności

rys o pełnej głębokości. Tunele żelbetowe o przekroju skrzyn-

kowym mają zawsze strefy w płytach górnej i dolnej narażone

na rozciąganie. Dlatego element tunelu projektuje się tak, aby

powstałe rysy mogły wnikać w ograniczonym stopniu, pozosta-

wiając warstwę betonu w strefie ściskanej wystarczająco grubą

dla uniknięcia przecieku. Z kolei podczas budowania elementu,

rysy pojawiają się w ścianach pionowych. Przyczyną ich powsta-

wania jest skurcz betonu oraz duża ilość wydzielanego przez

dojrzewający beton ciepła hydratacji (zarówno płyty dolna i gór-

na jak i ściany elementu mają znaczną grubość – ok. 1 m).

Aby zapobiec przeciekaniu wody do tunelu przez przekrój

betonowy, stosuje się membrany oraz zapobiega się tworzeniu

się rys podczas budowy elementu.

Membrany stosuje się na zewnętrznych powierzchniach tune-

lu zatapianego. Aby membrana dobrze spełniała swoje zadanie,

musi być niezawodna: musi być odporna na działanie środowi-

ska wodnego, musi wytrzymać zewnętrzne obciążenia mecha-

niczne (parcie wody i piasku) oraz musi być elastyczna, aby po-

kryć rysy, które mogą się pojawić. Czasami musi też dodatkowo

zabezpieczać beton konstrukcyjny przed działaniem agresyw-

nych środków chemicznych. Membrana powinna przylegać całą

powierzchnią to tunelu, aby wyeliminować możliwość wnikania

wody pomiędzy tunel i membranę w przypadku jej przebicia.

Występuje wiele odmian membran: stalowe, bitumiczne, poli-

merowe, płynne do pokrywania tunelu.

Podczas dojrzewania betonu w ścianach temperatura wzra-

sta z powodu hydratacji cementu. Kiedy ściany się ochładza-

ją, kurczą się. Kurczenie to jest ograniczone przez wykonaną

wcześniej płytę dolną, co powoduje naprężenia rozciągające

w ścianach. Gdy ich wartość przekroczy wytrzymałość betonu,

pojawiają się rysy.

Aby zapobiec niekontrolowanemu rozwojowi rys, stosuje się

podziały ścian na odcinki o długości ok. 20 m, tworząc w ten

sposób miejsca wystąpienia dozwolonych rys. Dla zapewnie-

nia wodoszczelności takiej przerwy, w przekroju umieszcza się

taśmę gumową, która dzięki swojej elastyczności uszczelnia

rozwijającą się szczelinę, tworząc w ten sposób tzw. połącze-

nie ekspansywne. Dodatkowo na powierzchni zewnętrznej ele-

mentu w miejscu takiej przerwy należy zastosować elastyczną

uszczelkę.

Aby uniknąć ekstremalnego wzrostu temperatury, który po-

woduje powstawanie rys, należy stosować cement o niskim cie-

ple hydratacji, np. wielkopiecowy. Ponadto stosuje się chłodze-

Wodoszczelność

Wodoszczelność jest jednym z podstawowych celów projektu

każdego tunelu zatapianego.

Rys. 10. Przekrój poprzeczny tunelu Liefkenshoek

Rys. 11. Przekrój podłużny tunelu Liefkenshoek

26 Geoinżynieria i Tunelowanie 03/2004 (03)

budownictwo podziemne

budownictwo podziemne

nie ścian i płyty stropowej poprzez pompowanie zimnej wody

przez system zabetonowanych metalowych rur. Koszt takiego

chłodzenia jest niski, a chłodzenie dodatkowo skraca czas wią-

zania betonu. Chłodzenie można stosować jednocześnie z połą-

czeniami ekspansywnymi.

Przykład tunelu zatapianego:

tunel Kennedy w Antwerpii

Tunel Kennedy to tunel zatapiany pod rzeką Skaldą stanowią-

cy część południowej obwodnicy Antwerpii. Tunel ten został

ukończony w 1969 roku. Całkowita jego długość wynosi 690 m.

Część zatapianą stanowi 5 elementów żelbetowych, każdy po-

nad 100 m długości. Wymiary zewnętrzne elementów: szerokość

47,85 m, wysokość 10 m. Przekrój poprzeczny zawiera 2 komo-

ry drogowe, 1 komorę kolejową, 1 komorę przeznaczoną dla

pieszych i 1 komorę techniczną.

Fot. 4. Tunel Kennedy w Antwerpii – wjazd do tunelu – strona południowa

Przykład tunelu zatapianego: tunel Liefkenshoek

Tunel Liefkenshoek to tunel zatapiany pod rzeką Skaldą, po-

łożony na północ od Antwerpii.

Całkowita długość tunelu wynosi 1373,5 m, podczas gdy

długość części zatapianej wynosi 1136 m. Przekrój tunelu skła-

da się z dwóch 2 – pasmowych jezdni oraz dwóch komór

technicznych przeznaczonych na wentylację i wyposażenie

techniczne. Całkowita szerokość wynosi 31,25 m, a wysokość

9,60 m. Przekrój podłużny tunelu składa się z konstrukcji por-

talu z budynkiem obsługi na lewym brzegu, ośmiu zatapia-

nych elementów długości 142 m każdy oraz, na prawym brze-

gu, z konstrukcji portalu wraz z budynkiem obsługi i 180 m

odcinka tunelu, wykonanego metodą odkrywkową. Dok,

w którym zastały wykonane elementy tunelu, wykopano na

lewym brzegu rzeki.

Po ukończeniu elementów dok zalano i otwarto na rzekę po-

przez przerwanie wału. Elementy zatapiano obciążając je przez

wypełnianie zbiorników balastowych wodą. Zatopione umiesz-

czono na tymczasowych podporach składających się ze wspor-

ników od strony łączenia z uprzednio zatopionym elementem

i hydraulicznych podstaw z drugiej strony, zbudowanych na

wcześniej przygotowanych stopach fundamentowych. Prze-

strzeń między dnem rowu, a powierzchnią dolną tunelu została

wypełniona piaskiem. Podstawy hydrauliczne zostały opuszczo-

ne i tunel osiadł na warstwie piasku.

Posadowienie elementu zrealizowano w ciągu 72 godzin

po zatopieniu, aby zminimalizować ryzyko zamulenia warstwy

wprowadzanego pod element piasku.

Fot. 5. Tunel Kennedy w Antwerpii – wnętrze tunelu

Fot. 6. Tunel Kennedy w Antwerpii – strona północna – widok z samochodu

Artykuł stanowi fragment części teoretycznej pracy magister-

skiej autora.

LITERATURA

[1] Karol Szechy: The Art Of Tunneling, Akademiai Kiado, Budapest

1973

[2] Motorway Tunnels Built By The Immersed Tube Method, Govern-

ment Publishing O ce - The Hague 1976

[3] Immersed tunnel techniques, Thomas Telford, London

[4] Tunnels & Tunneling International June 1998, September 1998,

January 1999, June 1999, January 2000

[5] Tunnelling and Underground Space Technology. Elsevier Science

Ltd. Vol.12 No.1 1997, Vol.12 No.2 1997

autor

mgr inż. Artur Dziadynak

Fot. 7. Gotowe elementy tunelu Liefkenshoek (Hydronamic)

Geoinżynieria i Tunelowanie 03/2004 (03)

budownictwo podziemne

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: