Bezpieczeństwo obiektów budowlanych w sąsiedztwie tuneli – nowe wytyczne ITB

Proponowane zalecenia bazują na uznanych algorytmach i nomogramach stosowanych w literaturze światowej do oceny i prognozowania skutków budowy podziemnych konstrukcji liniowych.

Fot. © Real_life – stock.adobe.com

Opis założeń i zakres wytycznych

Opracowanie ITB [1] zawiera zalecenia dotyczące oceny wpływów statycznych budowy tuneli na przemieszczenia podłoża oraz obiekty sąsiednie, a także rekomendacje co do sposobów postępowania w przypadku wystąpienia nadmiernych uszkodzeń wywołanych budową. Potrzeba ujednolicenia procedur w takich sytuacjach wynikała z następujących powodów:

• tunele budowane w zwartych aglomeracjach miejskich mogą negatywnie wpływać na sąsiednią zabudowę;
• konieczne jest sformalizowanie oceny wpływu budowy tuneli, w tym sposobów ustalania zasięgu ich oddziaływania oraz określania prawdopodobnych i dopuszczalnych wartości przemieszczeń;
• konieczne jest sformułowanie minimalnych wymagań związanych z oceną stanu technicznego zabudowy w strefie wpływu budowy tunelu w celu ustalenia uwarunkowań pierwotnych (przed rozpoczęciem robót budowlanych), stanowiących punkt odniesienia do ewentualnych roszczeń;
• istnieje potrzeba sformalizowania konieczności monitorowania wpływu prowadzonych robót na sąsiednią zabudowę.

Wytyczne [1] nie obejmują tuneli wykonywanych w otwartych wykopach szerokoprzestrzennych ani realizacji wyrobisk na potrzeby eksploatacji górniczej. Zawarte w opracowaniu zalecenia można stosować przy projektowaniu i wykonywaniu tuneli drążonych za pomocą tarcz zmechanizowanych TBM (ang. tunnel boring machine), a także częściowo dla płytkich tuneli realizowanych metodami górniczymi, z wyłączeniem eksploatacji górniczej.

Prowadzenie podziemnych robót budowlanych w ścisłej zabudowie miejskiej wiąże się z licznymi zagrożeniami. Są to deformacje powierzchni terenu w wyniku wydobywania urobku, drgania i wstrząsy, zmiany poziomów wód gruntowych wywołane odwodnieniem itp. Do największych, niekiedy katastrofalnych zagrożeń należą jednak towarzyszące tym robotom i zjawiskom uszkodzenia budynków.

>>> Tunnel Construction

>>> Inwestycja CPK w Łodzi. Jest wykonawca tunelu Kolei Dużych Prędkości

>>> Projektowanie obudów segmentowych tuneli drążonych tarczą – analiza przypadku

Podczas budowy podziemnych obiektów liniowych (np. metra) zbierane są dane na temat oddziaływania tunelowania na zabudowę. Dotychczasowe doświadczenia [2] wskazują na cztery podstawowe czynniki determinujące zasięg i stopień tego oddziaływania – są to:

• rodzaj wyrobiska (wykop otwarty czy tunel),
• technika prac(ściany szczelinowe, palościanki, tarcza – parametry drążenia),
• głębokość przebiegu konstrukcji podziemnej,
• warunki geologiczne i hydrogeologiczne.

Przedmiotem opracowania są zalecenia dotyczące zabezpieczania obiektów budowlanych (budynków, budowli i infrastruktury) przed uszkodzeniami, które może wywołać budowa tuneli w ich sąsiedztwie. Na wstępie wytycznych [1] zdefiniowano stosowane terminy oraz podano ogólne zasady dotyczące projektowania tuneli w terenie zabudowanym. Omówiono też podejścia w zakresie weryfikacji rozpatrywanych stanów granicznych. Główną część publikacji stanowią analizy zebranych obserwacji, na podstawie których ustalono strefy oddziaływania tuneli oraz gradację metod służących do oceny przemieszczeń podłoża. Sformułowano zalecenia odnośnie do diagnostyki obiektów budowlanych narażonych na wpływy statyczne związane z tunelowaniem. Wykorzystano przy tym doświadczenia z instrukcji ITB poświęconej głębokim wykopom [2] w zakresie dopuszczalnych i granicznych wartości przemieszczeń.

Zgodnie z oczekiwaniami Eurokodów II generacji przygotowano też zalecenia dotyczące identyfikacji ryzyka i zarządzania nim w ocenie oddziaływania tuneli w odniesieniu do klas konsekwencji zniszczenia (CC) obiektów. Prognozy oddziaływania wymagają weryfikacji w trakcie procesu budowlanego przez system monitoringu geodezyjno-geotechnicznego oraz dokumentowanie wyników takich analiz, czemu poświęcono ostatnie rozdziały wytycznych [1].

Zalecenia podane w nowej instrukcji ITB [1] opracowano na podstawie literatury technicznej, dziesięcioleci doświadczeń światowych oraz lokalnych doświadczeń z budowy I i II linii metra na terenie Warszawy, udokumentowanych w publikacjach [3, 4]. Wytyczne są zgodne z II generacją Eurokodów.

Intencją autorów było wzmocnienie pozytywnych praktyk polskiej branży tunelowej, a także zapewnienie wspólnego rozumienia wymagań projektowych przez klientów, projektantów i wykonawców. W dalszej części artykułu przedstawiono kilka wybranych aspektów wskazujących na innowacyjne i użyteczne ustalenia w tej stosunkowo młodej w krajowej praktyce dziedzinie inżynierii geotechnicznej.

Fot. autora

Postępowanie przy projektowaniu tuneli

W celu zapewnienia bezpieczeństwa obiektów budowlanych znajdujących się w sąsiedztwie tuneli w fazie przygotowania inwestycji należy [1]:

• określić zasięg strefy oddziaływania tunelu oraz wskazać znajdujące się w niej obiekty;
• wyznaczyć wartości ekstremalne przewidywanych przemieszczeń terenu i rozkład przemieszczeń w strefie oddziaływania robót tunelowych;
• rozpoznać rodzaj i stan konstrukcji obiektów usytuowanych w strefie oddziaływania, wielkość przewidywanych przemieszczeń podłoża w poziomie ich posadowienia oraz wpływ tych przemieszczeń na stan techniczny obiektów;
• sporządzić inwentaryzację uszkodzeń obiektów w zakresie niezbędnym do ich monitorowania;
• opracować plan monitoringu.

W przypadku tuneli, które zalicza się do trzeciej kategorii geotechnicznej (GC3), poza oceną oddziaływania przeprowadzoną w ramach projektu (projektu budowlanego oraz decyzji środowiskowej), w celu weryfikacji poprawności przyjętych założeń inwestor powinien także zapewnić opracowanie obiektywnej opinii przez podmiot niezależny od projektanta, dotyczącej oddziaływania planowanych robót podziemnych i związanych z tym ryzyk. Opinia ta powinna zawierać ocenę istotnych założeń projektowych oraz obliczenia weryfikujące, przeprowadzone niezależnie od obliczeń projektowych.

Tab. 1. Zakres uszczegółowienia analizy na różnych etapach projektu [1]

W tab. 1 przedstawiono wymagane poziomy szczegółowości zakresu rozpoznania podłoża, identyfikacji obiektów sąsiednich i doboru minimalnego poziomu dokładności analizy w odniesieniu do kolejnych etapów prac projektowych [1].

W ocenie oddziaływania budowy tunelu można wydzielić trzy poziomy dokładności – są to:

• ocena uproszczona (poziom 1) może bazować na wstępnej ocenie konstrukcji obiektu sąsiedniego, jej stanu technicznego, sposobu posadowienia i warunków geotechnicznych;
• ocena podstawowa (poziom 2) powinna się opierać na wynikach przeprowadzonej inwentaryzacji oraz oceny stanu technicznego obiektów znajdujących się w strefie oddziaływania tunelu;
• ocena szczegółowa (poziom 3) – ocena stanu technicznego sąsiednich obiektów obejmująca inwentaryzację wszystkich istotnych uszkodzeń.

Uznaje się, że poziom szczegółowości oceny oddziaływania będzie w dużym stopniu zależał od etapu przedsięwzięcia, a także od charakterystyki budowli znajdujących się w pobliżu robót tunelowych, a przede wszystkim od potencjalnych skutków wywołanych szkód. Konsekwencje te mogą być jakościowo wyrażone za pomocą klas konsekwencji (CC) zdefiniowanych w nowym Eurokodzie [3].

Niecka osiadania od tuneli i strefy oddziaływania

Osiadania powierzchni terenu i zabudowy są spowodowane wybieraniem gruntu w czasie drążenia tarczą o większej objętości od przekroju tunelu [3]. Objętość koniecznego naruszenia podłoża rzutuje na wielkość i zasięg osiadania terenu nad tunelem. Przejście niecki osiadania terenu wynika z położenia przodka tarczy.

Rys. 1. Niecka osiadania nad drążonym tunelem i jej podstawowe parametry geometryczne według [5] za [1]

Niecka osiadania nad podziemnym obiektem liniowym ma charakter przestrzenny i dlatego jej zasięg musi być rozpatrywany w dwóch kierunkach: poprzecznym i podłużnym do postępu robót (kierunku drążenia) – rys. 1. Zwykle większość przemieszczeń wywołanych budową tuneli występuje przy niewielkim odkształceniu podłużnym, a sama niecka może być rozpatrywana w płaskim stanie odkształcenia [5, 6]. Podstawą oceny wpływu oddziaływania tunelu (zasięgu i wartości przemieszczeń) są przede wszystkim przekroje poprzeczne, w których przemieszczenia są największe.

Rys. 2. Model uproszczonego rozkładu przemieszczeń podłoża związanych z budową tuneli [1]

Na powierzchni terenu deformacje przybierają formę niecki osiadania, która zwykle osiąga maksymalną wartość (s_max) bezpośrednio nad osią tunelu. W nowych wytycznych w zakresie oceny oddziaływań tuneli drążonych tarczą [1] podano uproszczony schemat do określania zasięgu oddziaływania. Opracowano go na podstawie analizy rzeczywistych przypadków dla gruntów warszawskich i danych pomiarowych z reperów przy budowie metra, obrazujących charakter niecki osiadania – rys. 2.

W zaproponowanym modelu założono uproszczony schemat rozkładu przemieszczeń, a zasięg poszczególnych stref oddziaływania jest wyznaczany przez kąt rozchodzenia się przemieszczeń w gruncie, z zachowaniem strefy ochronnej, w której podczas budowy pojawiają się największe deformacje. Model ten można stosować zarówno w przypadku drążenia tuneli pojedynczych, jak i dwóch równoległych tuneli zlokalizowanych w bliskiej odległości.

Przedstawiony model jest uproszczony. Założono, że w przekroju poprzecznym wydzielone są kolejne strefy oddziaływania w stosunku do przebiegu trasy tunelu, opisane następująco:

• strefa 0 – strefa wykluczenia, utożsamiana ze strefą ochronną tunelu, w której nie powinny występować obiekty sąsiednie ani elementy ich posadowienia (np. pale);
• strefa A – strefa wysokiego ryzyka położona bezpośrednio nad tunelem; obiekty zlokalizowane w tej strefie są narażone na największe osiadanie i w ich przypadku istnieje ryzyko przekroczenia zarówno stanu granicznego użytkowalności (SGU), jak i nośności (SGN);
• strefa B – strefa istotnego ryzyka, w której nadal mogą występować przemieszczenia skutkujące istotnymi uszkodzeniami obiektów sąsiednich i zagrażające ich funkcjonalności (SGU-2), ale gdzie ryzyko przekroczenia stanu granicznego nośności jest niewielkie;
• strefa C– strefa niskiego ryzyka, w której mogą występować relatywnie niewielkie przemieszczenia pionowe oraz istotne odkształcenia poziome mogące wpływać na estetykę obiektów (SGU-1);
• strefa D – strefa obserwacji, zlokalizowana poza zasięgiem dużego oddziaływania, które może wywołać uszkodzenia obiektów sąsiednich; obiekty zlokalizowane w tej strefie w odległości nie większej niż 3 z₀ od osi tunelu również powinny być monitorowane.

Wyznaczone za pomocą metody uproszczonej zasięgi stref można uważać za konserwatywne, a sam model nadaje się do wyznaczania stref oddziaływania tuneli posadowionych na głębokości z₀ od 2,0D do 5,0D (gdzie D to średnica tunelu) dla gruntów w rejonie Warszawy.

>>> Bezpieczeństwo tunelingu podwodnego. Tuneling drążony TBM

>>> Budowa drogi ekspresowej S2 pod tunelem metra w Warszawie

Fot. © Ethan – stock.adobe.com

Ustalone parametry niecki powstającej w wyniku tunelowania

Obserwacje poczynione podczas budowy oraz przeprowadzone symulacje i analizy komputerowe (MES) wykazały istotny wpływ parametrów drążenia TBM, tj. ciśnienia na przodku i straty objętości (VL), na wielkość rejestrowanych przemieszczeń rzeczywistych (a nie projektowanych).

Właśnie z uwagi na specyfikę i technikę prowadzenia prac w rejestrowanych osiadaniach widoczna (i znana z literatury) jest zbieżność wielkości osiadań (s_max) z profilem gruntowym.

Poza wartością osiadania (s_max) i parametrem szerokości niecki (K) najczęściej wykorzystywanym w analizach projektowych parametrem jest właśnie strata objętości gruntu (VL). Opisuje ona wpływ realizacji tunelu na deformacje ośrodka gruntowego, przedstawiając procentowy stosunek objętości niecki osiadania (VS) do teoretycznej objętości drążonego tunelu (Vt) [3, 4, 6]. Na podstawie opisanych wartości można przeprowadzić ocenę rozkładu osiadania podłoża oraz wyprowadzić dodatkowe wartości deformacji (przemieszczenie poziome, odkształcenie poziome), wykorzystując ustalone zależności lokalne (takie przykładowe działania podano w tab. 2).

Tab. 2. Ustalone na podstawie obserwacji wartości parametrów: osiadań, krzywizny niecki i straty objętości, związanych z oddziaływaniem tuneli drążonych tarczą TBM EPB, w zależności od typu podłoża ([1] za [4])

W oparciu o doświadczenia z budowy I i II linii metra w Warszawie wyznaczono wartości podstawowych parametrów (czyli: s_max, K, VL), jakie mogą wystąpić z ustalonym prawdopodobieństwem nad osią pojedynczego tunelu o średnicy tarczy 6,3 m i w przedziale głębokości do osi tunelu 10,0–22,0 m, w gruntach: piaszczystych (GT1), gliniastych, morenowych (GT2) oraz zwartych iłach (GT3).

Rys. 3. Oznaczenia parametrów geometrycznych tunelu i stref jego oddziaływania [3]

W przypadku tarcz zamkniętych typu EPB obserwowany jest również efekt wypiętrzenia przed czołem tarczy. Taki wyidealizowany, teoretyczny rozkład przemieszczeń rejestrowanych w przekrojach (wypiętrzenia i osiadania) jest dobrze ilustrowany rozkładem Gaussa – rys. 3. Na potrzeby wyznaczania zakresu oddziaływania tuneli, poza ogólną charakterystyką niecki osiadania, wykorzystuje się parametr niecki (K) opisujący położenie punktu przegięcia niecki (i) w funkcji głębokości tunelu (z₀). Rozwiązując funkcję opisaną rozkładem Gaussa, można na tej podstawie wyznaczyć także wartość osiadań w dowolnym punkcie niecki (s_v) w odniesieniu do wartości maksymalnej (s_max). W ten sposób – analogicznie jak w przypadku tzw. głębokich wykopów [2] – można ocenić wpływ robót tunelowych na zabudowę.

Fot. autora

Podsumowanie

Podane w wytycznych [1] zależności mają stosowalność ograniczoną do wskazanej techniki (tarczy typu EPB) przy określonych parametrach drążenia. Uwzględnienie tej ostatniej kwestii jest skomplikowane w zakresie prostych związków empirycznych. Tarcze TBM typu EPB (z równoważeniem parcia) powodują większe naruszenie podłoża wokół w trakcie drążenia w gruntach o większej abrazyjności (piaskach, żwirach). Jest to spowodowane typem tarczy i samych narzędzi skrawających, co może wywoływać większe utraty objętości w gruntach gruboziarnistych niż np. w przypadku tarcz typu zawiesinowego (przeznaczonych do nawodnionych gruntów piaszczystych). Tym samym na zakres i wielkość oddziaływań tunelowania mają wpływ również technika oraz sposób (tempo) prowadzenia prac.

Podejście, w którym bierze się pod uwagę zakres zmienności oddziaływań w zależności od wielkości utraty objętości, można znaleźć w literaturze, np. [6]. Jednak relacje te mają charakter lokalny, a tym samym ograniczoną stosowalność. Konieczność uproszczenia i zgeneralizowania ze względów praktycznych spowodowała, że wyniki odniesiono do prostych relacji empirycznych, przyjmowanych po uwzględnieniu uogólnionych warunków podłoża.

W wytycznych [1] opisano kwestie stosowalności poszczególnych metod ze względu na wymagany poziom oceny ryzyka, w nawiązaniu do ustalonego już trybu postępowania w przypadku oddziaływania głębokich wykopów [2]. Obie publikacje i podane w nich zalecenia stanowią podstawę do praktycznego wdrożenia zintegrowanego systemu oceny i monitorowania georyzyka w odniesieniu do budowy obiektów budownictwa podziemnego w przyszłości, z uwzględnieniem lokalnego charakteru zebranych doświadczeń i uwarunkowań oceny oddziaływania oraz bezpieczeństwa obiektów w zabudowie miejskiej.

Tomasz Godlewski
Instytut Techniki Budowlanej, Zakład Konstrukcji Budowlanych, Geotechniki i Betonu

Literatura
1. T . Godlewski, W. Bogusz, A. Siemińska-Lewandowska, Bezpieczeństwo obiektów w sąsiedztwie tuneli. Instrukcja ITB nr 505/2024, Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 2024.
2. W. Kotlicki, G. Łukasik, T. Godlewski, W. Bogusz, Ochrona zabudowy w sąsiedztwie głębokich wykopów, nowelizacja Instrukcji ITB nr 376, Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 2020.
3. W. Bogusz, T. Godlewski, A. Siemińska-Lewandowska, Parameters used for prediction of settlement trough due to TBM tunnelling, „Archives of Civil Engineering”, LXVII (4), 2021, s. 351–367.
4. W. Bogusz, Prediction of tunneling-induced ground movements [Prognoza przemieszczeń podłoża gruntowego spowodowanych realizacją tuneli], rozprawa doktorska, ITB, Warszawa 2021.
5. ITA WF Mechanized Tunnelling: Recommendations and Guidelines for Tunnel Boring Machines (TBMs), ITA – AITES 2000.
6. P.B. Attewell, Ground movements caused by tunneling in soil, „Conf. Large Ground Movements and Structures”, Pentech Press, Cardiff 1978, s. 812–948.