Budynek muzeum zaprojektowano prawie w całości pod poziomem wody gruntowej, której wypór nie jest zrównoważony ciężarem konstrukcji samego obiektu.
W Gdańsku, mieście o ponadtysiącletniej historii, którego tożsamość na przestrzeni wieków kształtowała się pod wpływem różnych kultur, symbolizującym wybuch II wojny światowej oraz upadek komunizmu, powstaje Muzeum II Wojny Światowej. Na wystawę główną Muzeum przeznaczono powierzchnię niemal 5000 m2, co uczyni ją jedną z największych wystaw prezentowanych przez muzea historyczne na świecie.
Fot. 1 Wizualizacja przyszłego budynku muzeum (Studio Architektoniczne Kwadrat autorów projektu budynku)
Muzeum ma w unikatowy sposób prezentować II wojnę światową z perspektywy zarówno zwykłych ludzi, jak i wielkiej polityki, natomiast inżyniersko stawia przed wykonawcami wielkie wyzwania związane z realizacją budynku znajdującego się praktycznie w całości pod poziomem wody gruntowej, której wypór nie jest zrównoważony ciężarem konstrukcji samego obiektu. Tak ciekawe rozwiązanie architektoniczne stawia przed projektantami konstrukcji i wykonawcami wielkie wyzwania realizacyjne.
Budynek muzeum zostanie wykonany na powierzchni ponad 17 000 m2, z czego główna część znajduje się pod ziemią i ma powierzchnię ok. 14 300 m2. Realizacja obiektu odbywa się dwuetapowo. Pierwszy etap obejmował wykonanie tzw. suchego wykopu, stanowiącego bazę do rozpoczęcia drugiego etapu – wznoszenia konstrukcji budynku.
Wykonawcą pierwszego etapu prac była firma Soletanche Polska Sp. z o.o. Podstawowy zakres prac objętych etapem początkowym budowy obejmował:
– wykonanie:
– niezbędnych przekładek mediów;
– ścian szczelinowych;
– części robót ziemnych metodą klasyczną – wykop koparkami;
– tymczasowych kotwi gruntowych dla zachowania stateczności ścian szczelinowych;
– wypełnienie wykopu wodą;
– pozostałych robót ziemnych metodą bagrowania (tzw. refulacji) przy użyciu pogłębiarek – wykop wykonywany metodą mokrą;
– mikropali samowiercących, kotwiących korek betonowy oraz przyszłą płytę fundamentową budynku. Mikropale zostały wykonane z jednostek pływających przy współpracy z nurkami, a ich zadaniem jest tymczasowe zakotwienie korka betonowego oraz docelowe zakotwienie płyty fundamentowej budynku dla zrównoważenia wyporu wody;
– korka betonowego – jedno z największych betonowań podwodnych na świecie;
– wypompowanie wody gruntowej z obrębu ścian szczelinowych oraz korka betonowego;
– dalsze wznoszenie konstrukcji budynku – drugi etap.
Rys. 1 Typowy przekrój geologiczny
Etap projektowania
Warunki gruntowe
Obiekt został zlokalizowany w delcie Wisły w obrębie Żuław Wiślanych. Przypowierzchniową warstwę tworzą grunty antropogeniczne w postaci nasypów gruzowo-mineralno-organicznych o miąższości do 3,9 m. Poniżej występują holoceńskie osady deltowe, czyli torfy i namuły o dużej miąższości dochodzącej do 9 m. Głębsze podłoże zbudowane jest z holoceńskich utworów aluwialnych wykształconych jako piaski drobne i średnie przewarstwione sporadycznie warstwami gruntów spoistych o niewielkiej miąższości w postaci piasków gliniastych i glin pylastych. Podścielone są one plejstoceńskim pakietem gruntów piaszczysto-żwirowych o miąższości ok. 40 m. Strop utworów kredowych występuje dopiero na głębokości ok. 100 m p.p.t.
Wody gruntowe poziomu wodonośnego (piaszczysto-żwirowa seria plejstoceńsko-holoceńska) zalegają poniżej gruntów organicznych, które napinają zwierciadło wód gruntowych. Ustabilizowane zwierciadło wód gruntowych ustalono w dokumentacji na głębokości od 0,10 do 0,25 m n.p.m., co daje wartość 15,78-15,93 m powyżej dna wykopu.
Fot. 2 Wykonywanie ścian szczelinowych MIIWŚ
Fot. 3 Betonowanie sekcji ściany szczelinowej
Warunki geologiczno-hydrologiczne wymogły zastosowanie odpowiedniej technologii wykonania wykopu ze względu na brak możliwości typowego wypompowania wody z wykopu bądź zagłębienia spodu ścian szczelinowych w warstwie słabo przepuszczalnej. Obliczenia i opis zagadnienia Ze względu na złożoność zagadnienia obliczenia opisanego zamierzenia budowlanego wykonywano etapowo przy użyciu różnorodnego oprogramowania komputerowego, wspomagając się wynikami próbnych testów.
Podczas pierwszego etapu wykonano obliczenia ścian szczelinowych w programie Paroi2009, oceniając przemieszczenia ścian, momenty zginające i siły przekrojowe w ścianach, siły w tymczasowych kotwach gruntowych. W celu sprawdzenia wpływu głębokiego wykopu na otoczenie zamodelowano poszczególne przekroje obliczeniowe przy użyciu metody elementów skończonych w programie Plaxis 2d. Zainstalowane inklinometry pozwoliły na bieżącą analizę wyników dla poszczególnych faz i odpowiednie skalibrowanie modelu do kolejnego etapu obliczeń. Wyniki przeprowadzanych analiz dały możliwość prawidłowego określenia przede wszystkim modułów odkształcenia E0 dla poszczególnych warstw gruntów. Moduł ten jest podstawowym parametrem opisującym ośrodek gruntowy w modelu korzystającym z MES, a wartość jego trudno określić prawidłowo w dokumentacji geologicznej ze względu na ograniczoną liczbę badań, a także zmienność modułu wraz z głębokością. Zwymiarowanie elementów kotwiących płytę korka betonowego poprzedziły testy na mikropalach próbnych. Do obliczeń zastosowano metody zaproponowane przez dostawcę materiału Titan oraz skorelowano je z obliczeniami wg Polskiej Normy PN-83-B-02482 Nośność pali i fundamentów palowych i wynikami próbnych obciążeń.
Fot. 4 Wiercenie tymczasowych kotwi gruntowych
Fot. 5 Widok budowy w trakcie wykopu klasycznego (archiwum Soletanche)
Kolejny – najtrudniejszy etap – stanowiło zaprojektowanie betonowej niezbrojonej płyty – korka. W celu uwzględnienia wpływu kształtu obiektu oraz zmian poziomu płyty przeprowadzono obliczenia w programie Robot pozwalające na zamodelowanie całego elementu. Na podstawie próbnych obciążeń wyznaczono sztywność podparcia elementu mikropalami zamodelowanymi w odpowiedniej siatce. Trudniejsze i bardzo istotne okazało się określenie sztywności połączenia betonowej płyty korka z wcześniej wykonaną ścianą szczelinową. Analiza obliczeniowa wykazała, że wartość ta ma znaczący wpływ na naprężenia w betonie, a tym samym ewentualną konieczność dozbrajania płyty korka w rejonach przyściennych lub zmianę klasy betonu.
Fot. 6 Pole refulacyjne w trakcie prowadzenia prac
Fot. 7 Widok budowy w trakcie pracy koparek
Etap wykonawstwa
Ściany szczelinowe
Ściany szczelinowe zostały wykonane w technologii CWS® (Continuous Water Stop) z zastosowaniem uszczelek wodoszczelnych na stykach poszczególnych sekcji. Ma to zasadnicze znaczenie w przypadku inwestycji charakteryzujących się znacznym poziomem wód gruntowych oraz przy realizacji ścian w bezpośrednim sąsiedztwie już istniejących obiektów. W gruncie, po wydrążeniu szczeliny, osadzane są klatki zbrojeniowe oraz elementy rozdzielcze CWS®. Wodoszczelność połączeń zostanie zapewniona taśmą PVC instalowaną w złączu CWS®. Zastosowana technologia gwarantuje pionowość i licowanie sekcji przez prowadzenie chwytaka po prowadnicy, którą jest element rozdzielczy. W tak przygotowaną szczelinę metodą contractor jest podawany beton.
Ściany szczelinowe (pełen obwód, tj. 509 m.b. do głębokości 27-28 m) zostały zrealizowane w osiem tygodni przy użyciu dwóch maszyn głębiących oraz jednej serwisowej.
Fot. 8 Usuwanie kamieni z dna wykopu
Fot. 9 Wykonywanie mikropali kotwiących
Tymczasowe kotwie gruntowe
Dla zapewnienia stateczności ścian szczelinowych w czasie pracy w fazie tymczasowej firma Soletanche zaprojektowała i wykonała tymczasowe kotwie gruntowe. Kotwie wykonywane były za pomocą dwóch kotwiarek typu Klemm 806 przy użyciu podwójnego systemu wiercenia (orurowanie + żerdzie) z przedmuchem powietrza. Nośność kotwi wynosiła 1000 kN.
Roboty ziemne
Faza I robót ziemnych polegała na wykonaniu wykopu klasycznie, przy użyciu koparek do poziomu niezagrażającemu przebiciem hydraulicznym przez dno wykopu.
Faza II robót ziemnych obejmowała wykonanie wykopu metodą refulacji – mieszanie urobku z wodą, następnie transport za pomocą rur na pole refulacyjne, skąd po odsączeniu wody urobek był wywożony, a odzyskana woda wracała do wykopu, uzupełniając poziom wody między ścianami szczelinowymi i gwarantując zachowanie odpowiedniego nadciśnienia przy dnie wykopu, a także stabilizując dodatkowo ścianę szczelinową.
Rys. 2 Schemat układania betonu korka betonowanego podwodnie – system Dobber
Zastosowano dwa typy pogłębiarek:
– do gruntów piaszczystych używano maszyny urabiającej grunt przy użyciu tzw. water jet. Grunt był spulchniony przez podawanie wody pod bardzo dużym ciśnieniem, a następnie, przy użyciu systemu rur i pomp, transportowany na pole refulacyjne do odsączenia;
– do gruntów spoistych (namuły, pierwsza warstwa) stosowano maszynę urabiającą grunt w sposób mechaniczny.
Podczas prowadzenia prac natrafiono na warstwę kamieni, do której usunięcia używana była koparka zainstalowana na pływającej barce i stale pracująca z pogłębiarkami, aby zapewnić odpowiednią ilości wydobywanego urobku każdego dnia.
Fot. 10 Widok na budowę – przepompowywanie betonu z pompy na brzegu do pompy na platformie pływającej
Mikropale
W celu zapewnienia stateczności korka betonowego oraz przyszłej płyty fundamentowej (również narażonej na działanie wyporu wody od spodu) zaprojektowano i wykonano mikropale kotwiące o nośności na wyciąganie ponad 2000 kN każdy. Zastosowano żerdzie systemowe Titan, a wykonanie mikropali powierzono podwykonawcy – firmie Aarsleff, która zadanie to wykonywała wraz z firmą Soley.
Każdy mikropal był wykonywany z pływających barek przy pomocy nurków, z tzw. pustym przewiertem przez wodę rzędu 15 m. System samowiercący umożliwia osiągnięcie znacznej wydajności, a pompowana cały czas płuczka cementowa stabilizuje otwór wiertniczy oraz pozwala uniknąć stosowania orurowania, co znacznie ułatwia i przyspiesza proces wiercenia. Przed wykonaniem docelowych mikro- pali wykonano sześć testów wyprzedzających (testy wykonano z poziomu terenu). Natomiast dla ostatecznego potwierdzenia nośności mikropali na wyciąganie wykonano dodatkowe podwodne trzy testy nośności. Badanie podwodne przeprowadzono zgodnie z Polską Normą. Wszystkie próby potwierdziły uzyskanie zaprojektowanej nośności mikropali, co pozwoliło spokojnie przygotowywać się do betonowania korka podwodnego.
Rys. 3 Plan punktów pomiarowych (archiwum Soldata/Soletanche)
Korek betonowy – podwodne betonowanie
Korek betonowy wykonano metodą betonowania podwodnego w opatentowanej technologii Dobber. W tej technologii stalowe rury do betonowania podwodnego typu contractor połączone są w górnej części z pływakiem, pozwalającym na utrzymywanie ich w pozycji pionowej. Do górnej części rur został zamontowany kosz zasypowy, przez który na początku betonowania podawano beton z pomp. W kolejnej fazie prac kołnierz pompy do betonu został wprowadzony bezpośrednio do rury wlewowej.
W przypadku miejsc znajdujących się poza zasięgiem pomp ustawionych na lądzie betonowanie odbywało się z pompy ustawionej na platformie pływającej. Wówczas jedna z pomp, ustawiona na lądzie, podawała beton z betonowozów do pompy ustawionej na platformie pływającej, która transportowała mieszankę do miejsca wbudowania.
W celu zapewnienia ciągłości betonowania pompy ustawione były w odpowiednich miejscach przed przystąpieniem do betonowania kolejnych fragmentów korka. Budowę obsługiwały cztery węzły betoniarskie zapewniające również odpowiednią liczbę betonowozów (w ciągłym ruchu było ok. 50 betonowozów) i pomp (na budowie stale pracowało 5-6 pomp). Obsługa na platformie pływającej mierzyła i kontrolowała wysokość betonowania, aby nie przekroczyć docelowej grubości korka. Rury wlewowe przemieszczano w kolejne miejsce przy użyciu wciągarek zakotwiczonych na oczepach ścian szczelinowych. Korek betonowano pasami układanymi przez dwa zestawy betonujące, poruszające się od ścian szczelinowych do środka budowy równomiernie, w sposób zapewniający ciągłe betonowanie i jednolitą strukturę betonu.
W trakcie układania mieszanki betonowej kontrolowano:
– poziom wody w wykopie,
– drożność systemu wyrównującego poziom wody w wykopie,
– położenie rur wlewowych,
– szybkość betonowania,
– przyrost wysokości betonu. Wcześniej przeprowadzono szczegółową analizę receptury betonu korka,
dobierając jej składniki, tak aby otrzymać maksymalny efekt układania i czasu wiązania przy ograniczonej temperaturze wiązania. Właściwe połączenie ściany szczelinowej z korkiem betonowym (sztywność połączenia) było jednym z decydujących czynników przy dobieraniu mieszanki betonowej i jej wytrzymałości.
Fot. 11 Korek po oczyszczeniu i uszczelnieniu, widoczne mikropale z płytami kotwiącymi
Monitoring ścian szczelinowych oraz korka betonowego
W celu sprawdzenia założeń obliczeniowych i dla zachowania bezpieczeństwa okolicy tak dużej budowy stworzono projekt monitoringu poszczególnych elementów obudowy wykopu oraz zabetonowanego korka. Opracowanie i przeprowadzenie szczegółowego monitoringu umożliwiało analizę w czasie realizacji obiektu i bieżącą korektę oraz kontrolę zaprojektowanych rozwiązań.
Ściany szczelinowe monitorowane były przez standardowy monitoring geodezyjny oraz monitoring przemieszczeń ścian przy użyciu inklinometrów.
Jednym z najważniejszych zagadnień było monitorowanie zachowań korka betonowego od momentu jego zabetonowania, przez czas wypompowywania wody gruntowej aż do momentu dociążenia korka docelową płytą fundamentową.
Wraz z firmą Soldata Soletanche Polska zdecydowała się na monitoring 24 h/dobę z zastosowaniem automatycznych cyklopów (pomiary w czasie rzeczywistym) oraz sprawdzanie poziomu wody gruntowej poza obrysem ścian. Dla pewności prowadzono także standardowy monitoring geodezyjny korka. Zastosowano specjalne wieże wystające ponad wodę (przed jej wypompowaniem) i na nich założono repery robocze. Wieże zakotwione były do korka betonowego i pozwalały bez problemu badać jego ruchy. Po wypompowaniu wody repery zostały przeniesione bezpośrednio na powierzchnie korka.
Zaobserwowane ruchy ścian szczelinowych i korka betonowego nie przekroczyły progów alarmowych i potwierdziły prawidłowość obliczeń statycznych.
Po zakończeniu betonowania korka oraz uzyskaniu przez beton odpowiedniej wytrzymałości przystąpiono do wypompowania wody znad płyty korka, a w następnej kolejności – do uszczelnienia rys, które pojawiły się w korku, oraz oczyszczenia i skucia jego górnej powierzchni do zakładanych rzędnych. Pewien wpływ na ilość rys i przecieków przez korek miały prace kafarowe odbywające się zaraz po wylaniu korka na sąsiedniej działce.
Fot. 12 Wizualizacja budynku muzeum (archiwum Studia Architektonicznego Kwadrat)
DANE TECHNICZNE
– ściany szczelinowe – 509 m.b.
– powierzchnia korka – ok. 14 300 m2
– ilość wydobytego gruntu – ok. 230 000 m3
– liczba mikropali – ponad 914 sztuk
– ilość wbudowanego betonu – ponad 24 700 m3
– czas trwania betonowania głównego – 7 dni, 24 h/dobę (odbyły się dwa małe betonowania wyprzedzające – zabetonowano przegłębienia w korku betonowym)
Podsumowanie
Podwodne betonowanie korka betonowego do wykonania suchego wykopu na budowie Muzeum II Wojny Światowej było jednym z największych betonowań tego typu na świecie. Ilość wbudowanego betonu w tzw. jednym podejściu (ok. 25 000 m3) jest nie tylko ilością rekordową, ale też powodującą, że cała realizacja korka stała się operacją bardzo skomplikowaną logistycznie, wymagającą wielomiesięcznych przygotowań oraz zaangażowania wielu osób w proces zarówno przygotowania, jak i samej realizacji.
Przy tak dużej aktywności na placu budowy, pracy najczęściej (70% czasu trwania realizacji) na barkach i pod wodą (praca nurków) całość prac została wykonana bezpiecznie, bez choćby najmniejszego wypadku na budowie.
Urszula Tomczak
dyrektor Działu Projektowego Soletanche Polska Sp. z o.o.
Hubert Tomczak
dyrektor operacyjny Soletanche Polska Sp. z o.o.
Zdjęcia 2-11: archiwum Soletanche
