Cime 2 kvartál 2024

Zkušenosti AFRY se sanací tunelů unikátní alpské železnice

Peter Kirchhofer, AFRY Switzerland, Eliška Pilařová, AFRY CZ, Fsv ČVUT v Praze

Hlavní obr. 1 Vlak na viaduktu Landwasser na trati Albula

Srdce Švýcarských Alp je protkáno jedinečnou úzkorozchodnou železniční tratí, tzv. Rhétskou dráhou. Překonává 617 mostů a 115 tunelů. Experti pro oblast geotechniky a projektování podzemních staveb mezinárodní projekčně-inženýrské společnosti AFRY v článku představují nejen tuto výjimečnou železnici, ale i vývoj standardu způsobu renovace tunelů a výsledky z první aplikace tohoto standardu v různých tunelech. Velká část tunelů je totiž více než 100 let stará a vyžaduje modernizaci průjezdných průřezů, bezpečnostního vybavení, provozu a údržby, stejně jako konstrukčního řešení. Ta už v některých úsecích dráhy probíhá. V následujících 25 až 35 letech bude renovaci vyžadovat přibližně 50 % všech tunelů.

Většina tunelů Rhétské dráhy, postavených mezi lety 1901 a 1914, má jednokolejnou trať, kamennou obezdívku a některé z nich jsou bez ostění. Jejich pravidelné kontrolní obhlídky odhalily, že 67 % tunelů je v závadovém (3. třída) a nevyhovujícím stavu (4. třída), což vyžaduje sanační zásahy v horizontu 25–35 let pro 3. třídu a 5–10 let pro 4. třídu.

Všechny tunely dráhy, postavené stejnou technologií a v jednom časovém období, vykazují podobné defekty. Typicky se setkáváme s poškozením obezdívky způsobeným průsaky vody a promrzáním, s poruchami opěr vlivem degradace zdiva a nadměrného vodorovného zatížení, a u mnohých tunelů s chybějícím či nefunkčním odvodněním. Hlavním původcem těchto poruch je průsak vody. Přesto je spolehlivost těchto konstrukcí ve většině případů pouze snížena, což by mohlo umožnit prodloužení časového horizontu na sanaci tunelů ve 3. třídě (zhruba 75 tunelů o celkové délce cca 26 km) až na 50 let.

Rhétské tunely nicméně také nesplňují aktuální švýcarské normy pro vnitřní rozměry tunelů, protože byly navrženy pro parní lokomotivy. Lidé tak při evakuaci nemají dostatečný prostor pro bezpečný únik. Kromě toho tunelům chybějí moderní bezpečnostní systémy.

Počátky vývoje standardu

S cílem dosáhnout opakovatelnosti při plánovaných sanačních zásazích, a tím zjednodušit plánování a snížit náklady, si společnost Rhétská dráha (RhB), která železnici provozuje, stanovila za úkol vypracovat standardizovanou metodiku s jasně definovanými postupy. Vzhledem k tomu, že tunely jsou pod ochranou UNESCO, je metodika navržena tak, aby respektovala jejich estetický a historický charakter.

Na základě zjištěných poškození v tunelech trati Albula v kantonu Graubünden vypracovala společnost první profil standardu, jehož klíčovými komponenty jsou prefabrikované díly pro rekonstrukci ostění a opěr, stejně jako konkrétní stavební postupy. Tento standard byl poprvé vyzkoušen v praxi v roce 2013 v podzemním testovacím centru Hagerbach, kde proběhly montážní testy v měřítku 1:1. Mezi hlavní cíle testů patřilo ověření, zda lze zvýšit stavební postup na 500 m ročně a také potvrdit reálné náklady.

Pilotní projekt v tunelu Glatscheras

V rámci úvah o možném snížení nivelety s ohledem na sousední kolejové úseky se vybrala varianta projektu, která respektovala původní niveletu (viz obr. 2). Rozhodnutí zachovat původní niveletu koleje vedlo k nutnosti proražení existující klenby obezdívky a nahrazení originální kamenné obezdívky prefabrikovanou sestavou segmentů. Paralelně byl navržen mírně rozšířený průjezdný profil, což vyžadovalo revizi dokumentace k prefabrikovaným segmentům.

S ohledem na zachování provozu během rozšíření tunelové kaloty bylo nutné zajistit ochranná opatření proti pádu horninových úlomků a částí obezdívky. Vznikla proto studie, ve které navrhla použití mobilního ochranného štítu pro využití při ražbě. Paralelně se prověřovala možnost nahrazení trakčního vedení, které muselo být na staveništi snadno demontovatelné.

Po čtyřech letech vývoje a testování byly položeny základy pro aplikaci nového stavebního standardu v pilotním projektu, jímž se stal tunel Glatscheras. Zkušenosti získané z tohoto tunelu umožnily další vylepšení a optimalizaci standardu. Přesto s každým novým tunelem narůstají nároky na projektovou přípravu, což zdůraznila zejména sanace tunelu Mistail, na který bezprostředně navazuje most.

Obr. 2 Porovnání projektového řešení a skutečného provedení

Tunel Mistail


Tunel Mistail, umístěný na trati Albula spojující Chur a Sv. Mořic, se nachází zhruba 2,2 km od stanice Tiefencastel. Byl vybudován v roce 1903, měří v celkové délce 300 m a má podélný sklon 6,94 ‰. Jeho příčný řez ve tvaru podkovy dosahuje výšky 4,70 m a šířky 4,04 m, což odpovídá vnitřní ploše 17,9 m2. Výrub tunelu je opatřen obezdívkou vyrobenou z přírodního kamene. Geologicky se tunel nachází v oblasti břidličnatých vápenců, filitů a písčitých vápenců, což zde představuje riziko v podobě pádů skalních bloků, odlučování horninových vrstev a vytváření horninových klínů.

Obr. 3 Původní portál (strana Solis)

Po dokončení rekonstrukce má Mistail o 37 % větší vnitřní profil a odpovídá novostavbě. Rozšíření profilu tak odpovídá potřebnému průjezdnému průřezu včetně prostoru pro pochozí stezky a únikové cesty. Tunel je navíc z hlediska bezpečnosti po obou stranách vybaven zábradlím s integrovaným LED osvětlením. Vzhledem ke krátké délce tunelu vede úniková cesta rovnou k jeho portálům.

Obr. 4 Nový a původní příčný řez

Příčný řez ve tvaru podkovy

Původní tunelový průřez byl ve tvaru podkovy s nakloněnými opěrami, nový průřez si podkovovitý tvar zachovává. Nové ostění je složeno z prefabrikovaných betonových segmentů o délce 1,5 m. Dno tunelu tvoří centrální prefabrikovaný segment o šířce 2,8 m, na který z obou stran navazuje monolitický beton. Na tomto centrálním díle byly umístěny dočasné koleje, které v době rekonstrukce během dne umožňovaly průjezd vlaků. V noci během výluky pak probíhala ražba a montáž dalších segmentů.

Ostění se skládá z pěti dílců: dvou opěr, dvou bočních kalotových segmentů a klenákového segmentu. Opěry spočívají na prefabrikované patce. Tloušťka segmentů se mění v rozmezí od 30 cm až po 65 cm u opěr v nejširším místě. Pro rekonstrukci byl zvolen beton typu C30/37 (XC4, XD3X, XF2) s vysokou odolností vůči korozním vlivům.

Portály s historickým charakterem

Přestože byl tunel uvnitř kompletně sanován, portály si musely v kontextu památkové ochrany UNESCO zachovat původní charakter. Vzhledem k tomu, že je nový tunel větší než původní, musely tak být větší i rozměry portálu při zachování původních poměrů mezi zdícími kameny.

Tvar kamenných bloků i rozložení spár je stejné jako u původní stavby. Kde to bylo možné, byly bloky stávajících portálů znovu použity do portálů nových.

Obr. 5 Původní a nově vyzděný portál (strana Tiefencastel)

20denní výluka pro stavební práce

Stavba byla rozdělena na dvě fáze pro přípravné a hlavní práce. V první fázi se vybouralo stávající dno tunelu a prohloubilo se na hloubku 1,20 m od temene kolejnice. Prováděla se demontáž koleje, odstranění štěrkového lože, snížení základové úrovně a položení prefabrikátů spodní desky s montáží provizorních kolejí. Pro realizaci těchto prací byla potřebná úplná 20denní výluka trati (24 hodin denně 7 dní v týdnu).

Druhá fáze sestávala z demolice stávající obezdívky, rozšíření a zajištění příčného profilu tunelu, montáže prefabrikátů, demolice a přestavby portálů a montáže elektromechanických systémů. Provádění hlavních prací probíhalo během noční výluky. Během dne jezdily vlaky v místech stavby sníženou rychlostí. V zimních měsících stavební činnost neprobíhala.

Obr. 6 Původní a rozšířený tunel

Instalace ochranného tubusu při ražbě

Rozšiřování tunelu se odehrávalo tradiční metodou s využitím trhacích prací. Pro primární zajištění výrubu byl v závislosti na geologických podmínkách používán stříkaný drátkobeton, výztužné sítě a horninové svorníky. Klíčovým prvkem během rekonstrukčních prací bylo zajištění bezpečného provozu vlaků.

Nejrizikovější částí byla oblast blízko čelby mezi již upravenou částí tunelu a částí, kde stále zůstávala původní obezdívka. Aby se zajistila maximální bezpečnost pro projíždějící vlaky, byl v této části před každým znovuotevřením pro železniční dopravu instalován speciálně navržený „ochranný tubus“. Ten se v části tunelu raženého v noci instaloval před každodenním znovuotevřením pro železniční dopravu.

Obr. 7 Ochranný tubus

Ochrana pracoviště

Ochranný tubus v délce 8 metrů se skládal z pevných kovových prvků. Jeho vnitřní rozměry byly o něco menší než vnitřní profil stávajícího tunelu. Tubus se posunoval po kolejnicích bočně upevněných k prefabrikované spodní desce. Část ochranného tubusu zajišťující původní obezdívku před čelbou byla vybavena nafukovacími poduškami, které lépe přilnuly ke zděnému ostění, a zamezovaly pádu zdiva a úlomků hornin.

Aby bylo možné dosáhnout požadované výšky nového průřezu tunelu, bylo nutné snížit spodní desku o 1,2 m od úrovně temene kolejnice. Původně se plánovalo snížení spodní desky pomocí trhacích prací. Avšak během realizace projektu se dodavatel rozhodl pro změnu postupu a místo trhacích prací zvolil technologii frézování. Kontinuita železničního provozu byla zajištěna tím, že trakční vedení bylo dočasně nahrazeno pevnými vodítky.

Obr. 8 Montáž prefabrikované sestavy segmentů

Inovativní systém pro budoucnost sanace

Tunel Mistail byl jako třetí v řadě sanován za provozu podle standardizovaného tunelového systému vyvinutého Rhétskou dráhou. Toto inovativní řešení se stává zásadním prvkem pro modernizaci a údržbu tunelů do budoucnosti. Standardizovaný systém nabízí množství výhod, přičemž klíčovou je efektivita: díky použití předem stanovených pracovních metodik a prefabrikovaných prvků je možné výrazně zkrátit dobu návrhu a realizace, což přináší významné úspory nákladů jak v předprojektové, tak v realizační fázi. Ale co je možná ještě důležitější je, že tato metoda umožňuje nepřetržitý provoz železniční tratě i během stavebních prací. To minimalizuje dopady na dopravní obslužnost v lokalitě.

AFRY
je mezinárodní inženýrská, projekční a poradenská společnost, z hlediska velikosti obratu třetí největší v Evropě. Vytváří špičková architektonická, inženýrská a konstrukční řešení pro generace, které přijdou po nás. Patří mezi lídry v oblasti digitalizace a udržitelnosti. Tým 19 000 odborníků působí ve více než 100 zemích světa v segmentech architektury a navrhování budov, infrastruktury, průmyslu, energetiky a digitalizace. Více než 115 let zkušeností předurčuje AFRY k hledání inovativních technických řešení mnoha výzev. Ambicí společnosti je jít příkladem, kultivovat prostředí a pomáhat klientům v transformaci k úspěšnému a udržitelnému rozvoji.