Geologický průzkum severního portálu tramvajového tunelu v Brně - Žabovřeskách

Po vybudování mimoúrovňové křižovatky Hlinky a zejména po nedávném zprovoznění Královopolského tunelu (tunelu Dobrovského) zůstalo v severozápadní části brněnského velkého městského okruhu poslední úzké hrdlo. To se nachází na levém břehu Svratky mezi Pisárkami a Žabovřeskami, kde má komunikace Velkého městského okruhu pouze dva jízdní pruhy, s nimiž souběžně vede tramvajová trať.

Geologický průzkum severního portálu tramvajového tunelu v Brně - Žabovřeskách

Aby bylo i v tomto úseku možné tuto komunikaci zkapacitnit rozšířením na 4 směrově oddělené jízdní pruhy, je třeba k tomuto účelu využít stávající tramvajové těleso a tramvajovou trať přesunout do souběžně vedeného tunelu. Projektovaný tramvajový tunel má mít délku 501 m, z větší části bude ražen v masivu skalních hornin a v severní části bude navazovat přesypaný úsek v délce 165 m.

Historie projektu
První průzkumné práce pro tramvajový tunel proběhly již v 70. letech minulého století s poněkud odlišným návrhem vedení trasy. V roce 2008 byl realizován podrobný průzkum, kterým byly zjišťovány geologické poměry a geotechnické vlastnosti zejména v prostoru jižního – Pisáreckého portálu. V letošním roce na tuto etapu navázal doplňkový průzkum v prostoru severního – Žabovřeského portálu. Zatímco první etapa průzkumu z roku 2008 byla zaměřena zejména na optimalizaci samotné trasy tunelu, poznatky zjištěné doplňkovým průzkumem prokázaly možnost realizace tunelu a současně poskytly detailní údaje pro finální projekční návrh a samotnou realizaci ražby.

Obsah průzkumu
Přípravné práce
Před zahájením vlastních průzkumných prací bylo třeba zemními pracemi upravit terén lokality. Skalní stěna byla v prostoru předpokládaného tunelového portálu, kde byly projektovány technické průzkumné práce, překryta suťovým kuželem. Pomocí těžké techniky byla skála očištěna, suťový kužel odtěžen a byla vytvořena pracovní plošina s nájezdem. Následně proběhlo ruční dočištění s nasazením horolezecké techniky. V místě smykových zkoušek pak byla ubourána zvětralá hornina a v patě byla vybetonována plocha pro instalaci konstrukce pro smykovou zkoušku.

Vrty
Aktuální etapa průzkumu sestávala ze třech 40 m dlouhých subhorizontálních vrtů vedených od portálu směrem do raženého úseku a čtyř svislých vrtů v přesypaném úseku. Subhorizon­tální vrty vycházely přibližně z jednoho místa v ose tunelu z úrovně kaloty a vějířovitě se rozbíhaly, přičemž dva byly provedeny v minimálním sklonu 4°, zatímco třetí vrt měl sklon 8°, což znamenalo, že na konci se dostal do úrovně počvy. Všechny vrty byly provedeny jako jádrové. Jádra vrtů o průměru 61 mm byla následně využita pro laboratorní stanovení geotechnických vlastností zastižených hornin.

Geofyzika
V přesypané části byly vrtané sondy doplněny souborem geofyzikálních měření, která probíhala v několika krocích. Podle projektu se nejprve měřilo pomocí metody georadar (GPR) a MEU (multielektrodové uspořádání). Následně byl průzkum doplněn o metody VES (vertikální elektrické sondování) a MRS (mělká refrakční seismika). Měření definovalo povrch skalního podloží v přesypané části a pozice odporových anomálií indikujících zásadní dislokace v horninovém masivu a fyzikální změny vlastností masívu.

Komplex karotážních metod realizovaných v subhorizontálních vrtech měl vést k upřesnění litologického profilu vrtů, objasnění tektoniky (míst porušení hornin) a stanovení geomechanických charakteristik hornin in situ. Pro splnění zadaného úkolu byly v měřeném vrtu použity různé karotážní metody: gama karotáž, neutron-neutron karotáž, karotáž magnetické susceptibility, hustotní karotáž, elektrická odporová karotáž, digitální akustická karotáž se záznamem plného vlnového obrazu, seismokarotáž, orientovaný akustický skener stěny vrtu a termometrie. Karotážní měření probíhalo v plastové výstroji PE 51,4/63 mm. Plastová výstroj byla továrně hustě perforovaná, tudíž neomezila použití navrženého komplexu karotážních metod. Pro měření akustického skeneru stěny vrtu byla použita sonda schopná měření přes plastovou výstroj. Kromě karotážních měření byly pomocí speciální kamery všechny vrty prohlédnuty a z této prohlídky byl pořízen záznam.

Polní smykové zkoušky
V předchozí etapě průzkumu byly provedeny polní zkoušky mechaniky hornin na jižním portálu. Obdobně byly stejné zkoušky realizovány i v oblasti portálu severního. Těmito smykovými zkouškami se stanovují parametry smykové pevnosti horninového masivu – vrcholová pevnost, reziduální pevnost a mez kluzu. Zkoušky umožnily i určení deformačních parametrů, především modulu přetvárnosti.

Polní smykové zkoušky se uskutečnily v prostoru severního portálu na 4 blocích rozměrů 500 × 500 × 300 mm namáhaných různou kombinací normálných a tangenciálních sil až do usmyknutí v předem určené rovině. Bloky byly připravené vytvořením obvodových rýh postupným obvrtáváním, odstraněním okolní horniny a opatřením ochrannými ocelovými rámy. Pro vnesení normálných sil na povrch bloků bylo třeba připravit 5 tyčových kotev s volnými délkami 1500 mm vyčnívajícími ze skalní stěny, na něž se při zkouškách připevnil nosník sestavený ze dvou U-profilů spojených přivařenými příložkami.
Síly byly při zkouškách vyvozovány hydraulickými zvedáky uloženými na lešení připraveném pro tento účel. Normálná síla se na bloky přenášela přes válečkové ložisko umožňující kolmý pohyb bloku při jeho smýkání. Nedílnou součástí zatěžovací kolony byl kulový kloub pro vyloučení excentricity zatížení v zatěžovací koloně. Kolona, která dále sestávala z dynamometru, prodlužovacích trubních nástavců a podkladních desek, se opírala o nosník připevněný na tyčové kotvy.
Kolona tangenciální síly s opěrnou plochou v základně lomu, sestávala rovněž z hydraulického zvedáku, dynamometru, prodlužovacích nástavců a podkladních desek, místo válečkového ložiska byla síla na blok přenášena přes klín, jehož účelem bylo vyloučení klopného momentu, tzn. umožňujícím odklon tangenciální síly tak, aby se paprsky normálné a tangenciální síly protínaly v předurčené ploše porušení v základně bloku.

Laboratorní zkoušky
Na sadách vzorků jader vytěžených z průzkumných vrtů byl v laboratoři mechaniky hornin a. s. GEOtest proveden komplex laboratorních zkoušek. Na vzorcích byly stanoveny indexové parametry, jako jsou objemová hmotnost, hustota, nasákavost, výpočtem byly stanoveny pórovitost a hutnost. Z mechanických zkoušek byly stanoveny pevnost v prostém tlaku, v prostorovém tlaku, v příčném tahu, v tahu za ohybu a ve střihu, vždy po nasycení vodou a v případě dostatečného množství zkušebního materiálu též po vysušení a zmrazování (z nich výpočtem stanoveny součinitele změknutí a odvozené parametry smykové pevnosti). Dále byly realizovány deformační zkoušky za účelem stanovení modulů přetvárnosti a pružnosti a Poissonova čísla.

Geologické terénní práce
Vrtné jádro bylo v průběhu vrtání geologicky dokumentováno a popsáno. Pro upřesnění geologické stavby a složení zastižených hornin byly v Ústavu geologických věd Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity na vybraných vzorcích provedeny petrografické rozbory.

Rovněž odkryté výchozy skalních stěn v prostoru obou portálů byly geo­logicky zdokumentovány. Makroskopicky zde bylo posouzeno petrografické složení masivu, stav jeho narušení zvětrávacími procesy a zejména byly sledovány diskontinuity v horninovém masivu – jejich typ, průběžnost, tvar, habitus styčných ploch, rozevření a charakter eventuální výplně a změřena jejich orientace, tj. směr sklonu (azimut) a sklon. Hlavní směry diskontinuit byly vyhodnoceny v tektonogramech.
Kromě toho byl při dokumentaci stěny v prostoru severního portálu použit laserový scanner umožňující vytvořit 3D model skalní stěny v prostoru budoucího portálu a po zpracování dat příslušným softwarem i stanovit orientaci diskontinuit v místech běžně nepřístupných, resp. přístupných pouze s horolezeckou technikou.

Stabilitní analýzy
Na terénní dokumentaci a výsledky zkoušek navazovaly stabilitní analýzy, které řešily stabilitu stěny nad provizorním portálem a stěny bočního odřezu v prostoru přesypané části tunelu. Pro stabilitu v geologických podmínkách prostoru tunelu Žabovřeská jsou rozhodující diskontinuity prostupu­jící horninový masiv, které představují zóny oslabení masivu se sníženou smykovou pevností. V nich dochází při vyčerpání stability k destrukčnímu pohybu. Pevnost vlastní horniny v případě skalních těles tvořených pevnými horninami není rozhodující.

Proto se při stabilitních řešeních vycházelo ze znalosti charakteru odlučných ploch a jejich orientace vzhledem k budoucím stěnám obnažujících horninový masiv. Smykový odpor ve spárách masivu byl zadáván podle jejich charakteru – podle jejich rovného či nerovného průběhu, hladkosti či drsnosti styčných ploch, jejich rozevření a vlastností jejich eventuální výplně. Hodnoty smykového odporu charakterizovaného úhlem tření byly stanoveny v minulosti zkouškami na lokalitách s obdobnými geologickými poměry.

Zjištěné poznatky
Oblast severního (Žabovřeského) portálu tramvajového tunelu se nachází v prostoru bývalého lomu, v němž se těžil převážně křemenný diorit, který je rovněž nejvíce zastoupen v masivu budoucího tunelu. Horninový masiv je prostoupen odlučnými spárami – diskontinuitami charakteru puklin, trhlin a poruch, resp. poruchových pásem představujících zóny oslabení, v nichž původně pevná hornina snižuje svoji pevnost. Dřívější těžba do jisté míry ovlivnila vlastnosti masivu do určité vzdálenosti od líců bývalých lomových stěn.

Výsledky zkoušek ukazují křemenné diority jako velmi pevnou horninu a pokud je nenarušena zvětrávacími pochody nebo jinou mechanickou činností (odstřely v jejich masivu), je možné ji řadit do třídy R2. Horninový masiv je však prostoupen odlučnými spárami – diskontinuitami charakteru puklin, trhlin a poruch, resp. poruchových pásem představující zóny oslabení, v nichž původně pevná hornina snižuje svoji pevnost.

Do třídy R3 náleží kromě křemenného dioritu narušeného zvětráváním nebo dřívějšími trhacími pracemi i zbývající zkoumané typy hornin – metabazit (gabro, amfibolit), metamikrodiorit a mylonit (tedy mylonitizované vyvřeliny druhotně zpevněné). Horninu z výrazně kataklazovaných a mylonitizovaných oblastí pak řadíme do třídy R4, což potvrdily i výsledky zkoušek na vzorcích z vrtného jádra, jež se podařilo realizovat. Narušení horniny drobnými diskontinuitami způsobuje výrazné snížení pevnosti, zejména za stavu nasycení vodou. Právě podél drobných diskontinuit dochází ke střižnému pohybu i při relativně malých normálných napětích a tím i k výraznému snížení pevnosti.

Pro stabilitu výrubu tunelu a skalních stěn v oblasti provizorního portálu je nutná zejména znalost jejich orientace vůči směru tunelu a skalních stěn. Z tektonogramů vyplynulo, že nejčetnější diskontinuity se uklánějí k jihozápadu pod poměrně strmými úhly, tj. přibližně ve směru sklonu stěny bočního omezení v přesýpané části, a určují tak její bezpečný sklon na 45°. Navíc v této stěně zůstávají nestabilní horninové bloky uložené v úžlabí tvořeném plochami sklánějícími se k líci a hrozící vyjetím ze stěny. Bezpečný sklon stěny nad provizorním portálem je strmější, činí 51°, což je dáno poněkud příznivějšími orientacemi odlučných ploch.

Závěr
Uskutečněné průzkumné práce ukázaly, že horninový masiv budují pevné horniny, jejichž vlastnosti jsou příznivé pro ražbu tunelového díla. V úsecích hloubených tras byly popsány základní rysy geologické stavby a určeny podmínky založení tunelového tubusu.

Současné vedení trasy je dle inženýrsko-geologického i geotechnického pohledu mnohem příznivější než původní vedení uvažované v 70. letech minulého století. Na základě poznatků získaných aktuálním průzkumem tak lze dopracovat projekt tunelu do finální fáze s následnou, doufejme bezodkladnou, realizací samotného tunelového díla.

SEZNAM LITERATURY
Polák, M. & Pavlík, J. & Pavlík, I. 2015: Silnice I/42 Brno – VMO Žabovřeská I. Doplňkový geologický průzkum v příportálové oblasti. Závěrečná zpráva. GEOtest, a.s.

Ing. Marek Polák - e-mail: polak@geotest.cz
Ing. Jiří Pavlík, CSc.,
Ing. Ivo Pavlík

GEOtest, a. s.
Šmahova 1244/112, 627 00 Brno
tel.: 548 125 111, fax: 545 217 979
e-mail: info@geotest.cz, www.geotest.cz

Vyhledávač stavebních pojmů

Nechte si zasílat měsíční newsletter

Na facebooku

NAŠI PARTNEŘI Další partneři