V roce 2022 byla započata rekonstrukce dopravně nejvytíženějšího mostu v České republice. Po Barrandovském mostě projede denně více než 140 000 vozidel, je to nejvýznamnější dopravní tepna v ČR. Most je v provozu od roku 1983, kdy byla spuštěna jeho jižní část, v roce 1988 pak část severní. Za 40 let provozu mostu došlo samozřejmě k očekávanému opotřebení a vlivem extrémní dopravní zátěže i k poškození některých částí mostní konstrukce.
V roce 2018 bylo rozhodnuto o započetí přípravných projekčních a průzkumných prací, které finalizovaly dokončením zadávací dokumentace. Na jejím základě byl v roce 2022 vybrán generální dodavatel stavby. V roce 2022 byla dle schváleného harmonogramu provedena 1. etapa rekonstrukce, v letošním roce pak etapa druhá.
Rekonstrukce mostu
Samotná rekonstrukce mostu byla rozdělena do dvou základních částí. V první části, která byla realizována v období 2020–2021, byla provedena sanace mostních pilířů. Práce na rekonstrukci spodní stavby nevyvolaly žádná významná dopravní opatření.
V druhé části (rozdělené do čtyř etap – čtyř let postupné rekonstrukce) je pak prováděna rekonstrukce a oprava samotné nosné konstrukce mostu.
Předmět rekonstrukce
Rozdělení do etap bylo vyvoláno požadavkem na dostatečnou zbytkovou kapacitu komunikace při samotné stavbě. Opravuje se vždy polovina jednoho mostu, na zbývající ploše mostu a na druhé nosné konstrukci je provoz veden v režimu 3 + 3 jízdní pruhy.
Vlastní oprava nosné konstrukce mostu se týká zejména kompletní výměny mostního svršku a vybavení mostu. V první etapě dojde zároveň k demolici, a posléze výstavbě kompletně nové výstupní rampy z komunikace Strakonická.
Dodatečné předpětí
Samostatnou částí rekonstrukce nosné konstrukce je realizace jejího zesílení pomocí dodatečného volného předpětí vedeného uvnitř komor. Předpětí je do konstrukce doplněno s ohledem na výsledky provedeného diagnostického průzkumu, který detekoval relativně významné korozní oslabení původní předpínací výztuže. Nově navržené vnější předpětí je vedeno přes nově realizované deviátory, definující jeho trajektorii, a hlavně skrze masivní původní příčníky.
Povrchové vrstvy
Při realizaci 1. etapy rekonstrukce bylo zjištěno, že původní předpoklady o tloušťce vozovkového souvrství nebyly splněny. Na mnoha místech byla zastižena výrazně větší tloušťka konstrukce vozovky (místy až 350 mm). Dle v současnosti platných norem a předpisů není možné takovou tloušťku realizovat jen pomocí asfaltového souvrství. Při požadavku na zachování nivelety tak bylo nutné najít konstrukční řešení pro vyrovnávací vrstvu.
S ohledem na nastavený harmonogram stavby byla zvolena vyrovnávací vrstva z UHPC, která kromě požadavku na minimalizaci času pro její provádění, plnila roli ochrany a ztužení stávajícího horního povrchu nosné konstrukce mostu.
Vlastnosti UHPC
Návrh receptury
V době přípravy stavby nebyla ještě v platnosti dokumentace TP ČBS 07. Výroba UHPC značky TopCrete® byla tedy navržena dle kombinace norem ČSN EN 206+A2, ČSN P 73 2404 a podnikové normy TN TBG MTS 2019 UHPC.
Na UHPC používané pro nabetonávky mostovek jsou nad rámec běžných UHPC kladeny zejména následující požadavky:
- upravená tixotropie materiálu pro ukládku povrchu ve spádu;
- vysoký obsah drátků z důvodu omezení šířky trhlin (min. 3 %).
Základním požadavkem na recepturu UHPC v případě Barrandovského mostu byla možnost ukládky této vrstvy do výsledného spádu až 6 %. Běžný UHPC není možné kvůli vysokému obsahu superplastifikátoru uložit do takto velkého spádu. Úprava tixotropie a konzistence při zachování parametrů UHPC tak byla základním úkolem. Návrh vycházel z patentovaného řešení, které bylo výsledkem výzkumného projektu Ministerstva průmyslu a obchodu ČR (MPO ČR). Finálně navržená receptura byla testována na vzorových spádových klínech, kde byla potvrzena správnost návrhu a zároveň byl ověřen způsob ukládky směsi budoucím zhotovitelem.
Dalším zásadním parametrem je vysoký obsah mikrovláken. Při obsahu mikrovláken přes 3 % obj. je tloušťka většiny trhlin zanedbatelná, pro oko jsou neviditelné a pro vodu neprůchozí. To se týká trhlin od dlouhodobého smršťování, ne trhlin od plastického smršťování z důvodu nedostatečného ošetřování. Finálně tedy byla vyžadována receptura UHPC s minimálním obsahem drátků 3 % s pevností v tahu za ohybu fR1 dle ČSN EN 14651 minimálně 20 MPa. Ocelová mikrovlákna DM 12,5/0,175 dodávala firmě TBG Metrostav společnost KrampeHarex.
Pevnost v tlaku není pro sanační vrstvy tak důležitá, proto byla zvolena základní pevnostní třída C110 dle tabulky 12.2 normy ČSN P 73 2404. Pro tuto pevností třídu je určena minimální charakteristická válcová pevnost fck,cyl = 110 MPa, měřená na válcích výšky 200 mm, koncovaných broušením. Zkoušky na jiných tělesech (nejčastěji krychlích o hraně 100 mm) jsou prováděny pouze jako informativní a pro kontrolu shody nejsou relevantní. Vzhledem k tloušťkám vrstvy UHPC od 25 mm bylo zvoleno maximální zrno kameniva Dmax = 4 mm. Tato velikost maximálního zrna je vhodná i vzhledem k vysokému obsahu mikrodrátků.
Výroba a doprava UHPC
UHPC značky TopCrete byl vyráběn na betonárně TBG Metrostav v Praze Libni. Maximální objem jedné záměsi činil 1,25 m3, namíchání jedné záměsi trvalo po optimalizaci celého procesu 5 minut. Maximální kapacita betonárny tak byla 15 m3/hodinu, tato kapacita však nikdy nebyla využita naplno. Za den se dodávalo maximálně cca 30–40 m3 materiálu dle postupujících prací přímo na mostě.
UHPC byl na stavbu dodáván běžnými autodomíchávači. Běžně vezl autodomíchávač na staveniště dávku 3,75 m3. Maximální dovezené množství na stavbu jedním autodomíchávačem bylo 7,5 m3. Vzdálenost staveniště od betonárny je zhruba 13 km a za slabého provozu byla dopravní doba do 20 minut od namíchání. Zpracovatelnost UHPC byla běžně 3 hodiny od namíchání. Na stavbě byl vyčleněn prostor pro oplach autodomíchávačů, aby se minimalizovalo zatvrdnutí zbytků UHPC uvnitř mixu.
Výsledky zkoušek
UHPC TopCrete splnil veškeré specifikované parametry v průběhu výstavby. Pevnost v tlaku se kromě válců pro kontrolu shody orientačně kontrolovala i na krychlích o hraně 100 mm, ve stáří betonu 7, 28 a 90 dní. Výsledky zkoušek jsou uvedeny v tab. 1.
Z výsledků je patrný důvod, proč jsou pro kontrolu shody používány jen válce. Poměr mezi válcovou a krychelnou pevností je totiž variabilní a nelze stanovit jeho přesnou hodnotu. Nejvíce záleží na množství drátků – čím více drátků směs obsahuje, tím více se srovnává pevnost v tlaku naměřená na válci a krychli. Při obsahu drátků 3 % se již pevnosti téměř vyrovnávají. Válcová pevnost je zároveň ta pevnost, která se využívá pro statické výpočty. Proto bylo rozhodnuto (v rámci tvorby TP ČBS 07), že se bude pro specifikaci a kontrolu shody využívat pouze válcová pevnost. Průměrná pevnost v tahu za ohybu fR1 dle ČSN EN 14651 na trámcích délky 700 mm činila 22 MPa.
Ukládání vrstvy UHPC
Vrstva UHPC v tomto případě sloužila především jako vyrovnání horní plochy mostovky a zesílení horní desky komorového průřezu mostu (zejména zlepšení únosnosti v příčném směru konstrukce). Nebyla využita pro účely hydroizolace, čím byla ukládka zjednodušena, protože nebylo nutné řešit vodotěsnost pracovních spár a detailů v okolí dilatačních závěrů a odvodňovačů. Ukládání vrstvy UHPC však má svá specifika a jde o technologicky velmi náročnou činnost. V případě Barrandovského mostu šlo o první velkou aplikaci u nás, která navíc byla vynucena okolnostmi a nebylo ani dostatek času na podrobnou přípravu celé technologie. Využil se materiál UHPC, který byl vyvinut právě pro účely rekonstrukce mostních konstrukcí v rámci výzkumného projektu podporovaného MPO ČR.
Ukládání UHPC na povrch stávající konstrukce vyžaduje pečlivou přípravu podkladu. Podklad má být hrubý, čistý a drsný. Zrna hrubého kameniva mají být obnažena a pevně zakotvena v původním betonu. Právě zrna hrubého kameniva zajišťují účinné spolupůsobení původního betonu s dobetonovanou vrstvou UHPC. Nerovnosti by měly být v řádu minimálně 3–5 mm. Potřebné hrubosti povrchu původního betonu lze dosáhnout otryskáním tlakovou vodou. Tlak vody se stanoví na základě povrchové pevnosti původního betonu v rozmezí cca 2000–2500 barů. Vodní paprsky s větším tlakem vody mohou vést k nadměrné destrukci původního betonu. V případě Barrandovského mostu se vyskytovaly dva druhy povrchu původní konstrukce. V oblasti krajních konzol byl původní povrch obnažen po odstranění izolace. Velkoformátové frézování nebylo možné, protože zatížení frézou by konzola staticky neunesla. Kvalita horního povrchu nosné konstrukce po odstranění izolace byla v těchto místech značně proměnná. Části povrchu nebylo vůbec možné narušit definovaným tlakovým vodním paprskem, jiné části byly s nižší kvalitou, kdy vodní paprsek i při nižším tlaku silně narušoval strukturu betonu a vytvářel výrazné prohlubně. V oblasti jízdních pruhů byl povrch původní betonové konstrukce strojně ofrézován.
Před ukládkou UHPC musí být povrch původní konstrukce čistý, zbaven prachu a vlhký – nesmí na něm však stát voda. Kvalita povrchu se zkouší (prokazuje) odtrhovými zkouškami, které definují tahovou pevnost povrchové vrstvy původní konstrukce. Dle TP ČBS č. 7 [1] se doporučuje minimální tahová pevnost 1,5 MPa. Naměřené hodnoty na horním povrchu rekonstruované 1. a 2. etapy Barrandovského mostu dosahovaly v průměru 1,7 MPa, ale zkoušky vykazovaly značný statistický rozptyl. Ukázalo se, že výsledky jsou příliš závislé na kvalitě přípravy podkladu a že rozhodně nejsou ideálním kritériem pro posuzování kvality podkladu.
Tloušťka ukládané vrstvy UHPC byla značně proměnná. Vycházela z definice požadavků na vyrovnání původního horního povrchu nosné konstrukce. Pohybovala se v rozmezí 25 až 250 mm (lokálně dokonce 300 mm). Dle zkušenosti ze zahraničí a dle TP ČBS č. 7 byla navržena vrstva tlouštěk 25 až 40 mm bez prutové výztuže (nebylo by možné zajistit požadované krytí), tahová napětí byla přenášena pouze ocelovými vlákny. Větší tloušťky UHPC byly vyztuženy sítěmi.
Ukládání UHPC probíhalo v pásech o šířce 3 až 4,5 m přímo vypouštěním UHPC z autodomíchávače. Po uložení byl povrch srovnán latí a ihned opatřen nástřikem proti odpařování vody. Následně byl povrch zakryt PE fólií, která zajišťovala, aby odpařená voda na fólii zkondenzovala a zůstala na povrchu vrstvy z UHPC.
Při ukládce UHPC na kvalitní podklad není třeba používat žádné spřahovací prvky, protože soudržnost UHPC a původního betonu postačí na přenos smykových napětí vznikajících od objemových změn i od většiny zatížení. Stejně tak v žádné z betonovaných částí nevznikaly viditelné trhliny, což bylo důsledkem vysokého obsahu vláken. Malé trhliny byly pozorovatelné v pracovních spárách na kontaktu mezi jednotlivými betonážními takty. To není nijak překvapivé, protože skrze pracovní spáru neprocházela žádná průběžná vlákna.
Během realizace vyrovnávací vrstvy z UHPC v 1. etapě se bohužel ukázalo, že ne vždy byla kvalita podkladu (obnažený horní povrch původní nosné konstrukce) dostatečná. Většina vybetonovaných bloků přilnula spolehlivě k podkladu a nevznikaly žádné problémy. V oblasti konzol, kde se nepodařilo rovnoměrně otryskat povrch původního betonu, byly použity jednoduché kotvy po okrajích betonovaných částí. V místech jízdních pruhů došlo na okrajích některých bloků k delaminaci vrstvy UHPC od podkladu. Po podrobnějším zkoumání a pasportizaci se ukázalo, že odtržení od podkladu nastalo cca v 90 % v povrchové vrstvě původního betonu, a nikoli na kontaktu původního betonu a dobetonávky z UHPC. V druhé etapě tak byla věnována zvýšená pozornost přípravě horního povrchu původní konstrukce. Stejně tak bylo navrženo a realizováno systematické kotvení krajních hran vyrovnávací vrstvy. Projevy delaminace vyrovnávací vrstvy z UHPC byly v druhé etapě díky přijatým opatřením zcela vyloučeny.
Závěr
Průběh první a druhé etapy rekonstrukce Barrandovského mostu ukázal, že most je možné rekonstruovat po částech a že i dopad do dopravy byl přiměřený a změna dopravní zátěže v celém systému predikovatelná. Nebyly pozorovány žádné větší dopravní problémy než při běžném provozu, kdy je most otevřen v celém rozsahu a kapacitě.
Aplikace UHPC se ukázala i přes drobné nedostatky v první etapě jako velmi úspěšná. Zpevnil se povrch horní desky, což přispělo zejména ke zvýšení odolnosti při lokálním zatížení horní desky komor a konzol v příčném směru. Byly získány zkušenosti pro další aplikace na mostních konstrukcích. Jako zásadní se ukázal význam kvality betonu původní konstrukce a její přípravy před aplikací vrstvy z UHPC.
U dalších staveb se též předpokládá, že vrstva UHPC bude mít i funkci hydroizolační, což v případě Barrandovského mostu zatím využito nebylo, zejména z důvodu nedostatečných zkušeností s novou technologií. Stejně tak bude vrstva UHPC zásadněji využita pro zvýšení únosnosti konstrukce, nejen pro lokální účinky zatížení.
doc. Ing. Lukáš Vráblík, Ph.D., FEng.
Fakulta stavební ČVUT v Praze
Ing. Robert Coufal, Ph.D.
TBG Metrostav, s. r. o.
prof. Ing. Jan L. Vítek, CSc., FEng.
Fakulta stavební ČVUT v Praze
Ing. Tomáš Novotný
KrampeHarex CZ
foto: kolektiv autorů
