Analiza potencjalnych rozwiązań budowlanych i podstawy wyboru realizowanej koncepcji konstrukcyjnej.
PRZEPRAWA TUNELOWA – cd.
Tunel zatapiany(rys. 1) jest realizowany, ogólnie rzecz biorąc, w wyniku osadzenia na dnie wykopu prefabrykowanych odcinków tunelu, będących w stanie pływalności, wykonywanych w wybudowanym do tego celu doku suchym. W porównaniu do tunelu w otwartym wykopie, odcinki tunelu zatapianego są przeholowywane z doku suchego do otwartego wykopu i tam osadzane bez obniżania zwierciadła wody, na specjalnie przygotowanym dnie wykopu w postaci wyrównanej warstwy gruntu piaszczystego, najczęściej żwirowego. Ze względu na to, że spód konstrukcji tunelu zatapianego w najniższym punkcie będzie na poziomie ok. 23,0 m p.p.m., jest możliwe wprowadzenie co najmniej trzech elementów zatapianych na długości około 480,0 m lub pięciu na długości około 550,0 m. Na pozostałej długości tunel byłby wykonywany w sposób analogiczny, jak w metodzie otwartego wykopu z tym, że w części lądowej wykop na długości ok. 135,0 m lub ok. 170,0 m po obu stronach drogi wodnej musiałby mieć obudowę w postaci zakotwionej ścianki szczelnej, jednak bez korka.
Analiza realizacji tunelu zatapianego wskazuje, że można by na długości odpowiadającej szerokości drogi wodnej w miejscu budowy tunelu, zastosować wykopy szerokoprzestrzenne, a więc ze skarpami o nachyleniu wynikającym z rodzaju gruntu, jaki znajduje się na trasie tunelu. Wydaje się jednak, że spowodowałoby to znaczne poszerzenie pasa terenu portowego wyłączonego z eksploatacji podczas budowy tunelu. W tej sytuacji można przyjąć, że na odcinku betonowanym na miejscu zastosowanie ścianek szczelnych rozpartych umożliwiających wykonanie wykopu, w którym można wykonywać betonowanie w osuszonym wykopie, nie będzie się różnić od metody zastosowanej w przypadku tunelu w wykopie otwartym. Pozostała część tunelu, a więc wykonywana z zatapianych elementów prefabrykowanych, może być zlokalizowana w części lądowej, przy czym zatapianie elementów następuje w wykopie podwodnym, zabezpieczonym zakotwionymi za pomocą kotew gruntowych lub pali kotwiących ściankami szczelnymi, które dochodzić będą do konstrukcji obydwu nabrzeży. Kotwienie ścianek szczelnych jest wymagane jedynie ze względu na przeniesienia parcia gruntu, gdyż poziom zwierciadła wody będzie po obu stronach ścianki jednakowy.
Rys. 1 Przekrój tunelu zatapianego w osi Martwej Wisły: a) podczas budowy, b) podczas eksploatacji; 1 – podsypka, 2 – zasyp, 3 – prefabrykowany odcinek tunelu, s – wykop ze ścianką szczelną, o – wykop szerokoprzestrzenny otwarty ze skarpą
Przyjęcie konstrukcji tunelu zatapianego powoduje konieczność podjęcia decyzji w sprawie sposobu wykonania wykopu pod tunel w dnie drogi wodnej na długości 210,0 m i w lądzie na długości 270,0 lub 300,0 m.Możliwe są tu dwa rozwiązania. Można wbić ściankę szczelną poniżej dna drogi wodnej, do poziomu spodu warstwy podsypki wykonywanej na dnie wykopu, znajdującym się na rzędnej 24,0 m p.p.m., a po odpowiednim zakotwieniu ścianki wykonanie wykopu od poziomu 12,5 m p.p.m., będącego poziomem dna drogi wodnej. Oznacza to wbicie pod wodą ścianki szczelnej o długości około 17,0 m i jej podwodne zakotwienie. Założenie, że uda się połączyć ściankę szczelną obudowy wykopu w dnie drogi wodnej ze ścianką szczelną przecinanego nabrzeża i ścianką szczelną wykopu poza drogą wodną jest nierealne, głównie ze względu na to, że ścianki istniejących nabrzeży sięgają najwyżej do rzędnej około 17,0 m p.p.m. (Nabrzeże Wiślane) i około 17,5 m p.p.m. (Nabrzeże „Dworzec Drzewny”), gdy tymczasem podstawa (ostrze) ścianki szczelnej wykopu musi sięgać rzędnej do 35,0 m p.p.m. Przy przyjęciu tej koncepcji jedynym rozwiązaniem byłoby wykonanie przed istniejącymi nabrzeżami nowych głębokich ścianek szczelnych, sięgających do rzędnej około 35,0 m p.p.m. i powiązanie tych ścianek ze ściankami wykopu w części lądowej i w drodze wodnej. Zakładając konieczność zachowania głębokości drogi wodnej na rzędnej 12,5 m p.p.m., oznaczałoby to również wykonanie określonych robót czerpalnych przed ściankami wykopu w drodze wodnej, aby uniknąć zamulania wykopu w okresie jego przygotowywania do osadzenia prefabrykowanych elementów tunelu. Można przy tym założyć, że przebudowa nabrzeży przed i za tunelem wyprzedziłaby wykonanie samego tunelu.
Drugie rozwiązanie, polegające na wykonaniu w dnie drogi wodnej szerokoprzestrzennego wykopu powoduje, przy uwzględnieniu nachylenia skarp wykopu około 1:10÷1:12, uwarunkowanego rodzajem gruntu budującego dno drogi wodnej (namuły i torfy), że zasięg wykopu w jednym kierunku od osi tunelu wyniesie około 170,0 m. Wiązałoby się z tym albo rozebranie nabrzeży i utworzenie wykopu szerokoprzestrzennego po obu stronach drogi wodnej, albo odpowiednia przebudowa nabrzeży przed przystąpieniem do robót czerpalnych. Przebudowa taka, jednak w przypadku mniejszych głębokości wbicia ścianki szczelnej, jest potrzebna w każdym przypadku w celu zachowania bezpiecznej szerokości kanału żeglownego podczas wszelkich robót czerpalnych, kafarowych itp. Zakłada się, że na czas osadzania prefabrykowanych elementów tunelu droga wodna zostałaby zamknięta.
Rys. 2 Przekrój poprzeczny tunelu drążonego
Niezależnie od przyjętego rozwiązania, mającego na celu przygotowanie wykopu pod zatapianą część tunelu, konieczna jest budowa roboczego doku suchego, w którym wykonywane byłyby prefabrykaty tunelu, a następnie zwodowane i przetransportowane na miejsce przeznaczenia. Można rozważyć wykonanie roboczego doku suchego poza miejscem budowy tunelu w postaci szerokoprzestrzennego wykopu zamykanego grodzą, w którym wykonywane byłyby od razu wszystkie prefabrykaty o założonej długości. Lokalizacja takiego doku powinna zapewnić, po rozebraniu grodzy czołowej tego doku, wyprowadzenie prefabrykatów w stanie pływalności na akwen sąsiadujący z rozpatrywaną drogą wodną. Możliwe jest również rozwiązanie, w którym wykorzystuje się wykopy pod części lądowe tunelu po obu stronach drogi wodnej do utworzenia dwóch doków suchych i wybudowanie w tych dokach prefabrykowanych elementów tunelu oraz ich przesunięcie po zwodowaniu na miejsce przeznaczenia. Biorąc pod uwagę konieczność zamknięcia na określony czas drogi wodnej można uznać, że rozwiązanie doku suchego zlokalizowanego poza tunelem jest korzystniejsze także z punktu widzenia możliwości jednokrotnego przygotowania odpowiednich konstrukcji do osadzania prefabrykatów tunelu. Skraca się również okres ograniczenia używania całej szerokości drogi wodnej. Biorąc jednak pod uwagę wykonanie części lądowych tunelu w otwartym wykopie, wymagającym uszczelnienia dna, można uznać, że rozwiązanie drugie trzeba byłoby także rozważyć. Należałoby jednak wziąć przy tym pod uwagę ewentualną konieczność zakotwienia ścianki szczelnej, głównie wobec braku możliwości rozparcia ścianek drugim rzędem rozpór, nie mówiąc o tym, że konieczne byłoby wykonanie bram zamykających obydwa doki suche utworzone w wykopie pod tunel w części lądowej.
Przyjęcie rozwiązania tunelu zatapianego oznacza także wystąpienie trudności w odniesieniu do użytkowania terytorium i akwatorium portowego oraz przeniesienia bazy magazynowej nr 31 PKN ORLEN SA, przedstawionych przy omawianiu rozwiązania tunelu w otwartym wykopie. Ponadto przy szerokoprzestrzennym wykopie istniałaby konieczność wykonania specjalnego zabezpieczenia przebiegających przez drogę wodną kabli i rurociągów. Odnośnie do wykorzystania drogi wodnej można przyjąć, że w przypadku osadzania wszystkich prefabrykowanych elementów tunelu w jednym ciągu i bez przerw, utrudnienia w korzystaniu z drogi wodnej mogą wystąpić w ciągu kilku dni w przypadku każdego prefabrykatu, nie mówiąc o utrudnieniach podczas robót czerpalnych i kafarowych związanych z wykonaniem określonych ścianek szczelnych. Zakłada się przy tym, że podczas wszystkich prac przygotowawczych do zatopienia prefabrykatów tunelowych mogą wystąpić okresowe utrudnienia w żegludze z tym, że największa szerokość drogi wodnej podczas osadzania prefabrykatu na dnie nie będzie przekraczała 140,0 m.
Podsumowując można w odniesieniu do tunelu zatapianego wyciągnąć wnioski analogiczne do tych, które sformułowano w odniesieniu do tunelu w otwartym wykopie. Można jedynie uznać, że wykonanie tunelu z elementów zatapianych jest korzystniejsze od wykonania tunelu w otwartym wykopie, głównie z punktu widzenia zmniejszenia zakresu i czasu utrudnień w eksploatacji drogi wodnej. Przy dobrej i skoordynowanej realizacji transportu, ustawienia i zatopienia elementu prefabrykowanego do dyspozycji pozostaje kanał żeglowny szerokości około 140 m, oczywiście w okresach, gdy droga wodna nie jest zamknięta całkowicie. W przypadku jednostek stosowanych w oceanotechnice, wymagania w odniesieniu do drogi wodnej są w obu wariantach jednakowe. Należy jeszcze nadmienić, że długość części tunelowej w obydwu rozwiązaniach byłaby jednakowa i wynosiłaby co najmniej 1302,5 m.
Podsumowując obydwie metody budowy tunelu w wykopach można stwierdzić, że prowadzą one przede wszystkim do bardzo dużych utrudnień w żegludze na drodze wodnej utworzonej w Martwej Wiśle,szczególnie w odniesieniu do jednostek pływających stosowanych w oceanotechnice, w których przypadku zamykają całkowicie możliwość wejścia do stoczni remontowych. Rodzaj i zakres ponoszonych strat jest bardzo złożony, biorąc pod uwagę konkurencję w przemyśle stoczniowym. Z kolei w wyniku zajęcia placami budowy i konstrukcją samego tunelu dużej części terenu portowego, następuje także całkowite wyłączenie tego terenu, łącznie z nabrzeżami, z eksploatacji, a to oznacza zmniejszenie zdolności przeładunkowych i magazynowych portu, ze wszystkimi negatywnymi konsekwencjami w odniesieniu do jego użytkowników. Niezależnie od tego eksploatacja części portu znajdujących się po obu stronach tunelu wymaga budowy różnego rodzaju konstrukcji mostowych zapewniających właściwe połączenia transportowe między tymi częściami. Trzecią sprawą wpływającą na czas, i nie tylko, realizacji tunelu jest konieczność przeniesienia bazy magazynowej nr 31 PKN ORLEN SA zlokalizowanej na trasie tunelu.
Szczegółowa analiza obydwu rozwiązań tuneli wykonywanych w wykopach przebiegających przez terytorium i akwatorium portowe, skłoniło do szukania rozwiązania, które zapewniałoby uniknięcie omawianych trudności i zapewniałoby nieprzerwane korzystanie przez użytkowników z dotychczasowych terenów i urządzeń portowych oraz stoczniowych, umożliwiając równocześnie bezpieczne korzystanie z drogi wodnej.Biorąc pod uwagę najnowsze technologie budowy tuneli drogowych w aglomeracjach miejskich lub ogólnie rzecz biorąc w obszarach zabudowanych, można wyciągnąć wniosek, że najkorzystniejszą metodą budowy tunelu drogowego pod Martwą Wisłą w proponowanej lokalizacji oraz w istniejących warunkach hydrogeologicznych i geotechnicznych, jest metoda drążenia, a więc budowa tunelu drążonego(rys. 2).
Tunel drążony,ze względu na sposób i przebieg wykonania oraz zapewnienia zalecanego bezpieczeństwa drążenia, wymaga obniżenia głębokości spodu konstrukcji tunelu z 23,50 do 34,25 m p.p.m. Oznacza to wydłużenie konstrukcji części tunelowej do 1377,50 m, a więc zwiększenie długości części tunelowej w stosunku do omawianych wyżej dwóch rodzajów tuneli o 75,0 m. Długość odcinka tunelu wykonanego w otwartym wykopie, jednak na stosunkowo małej głębokości, wynosi 305,0 m, a drążonego 1072,55 m.
Porównując przedstawione rozwiązaniamożna stwierdzić, co następuje.
1. Czas budowy tunelu omawianymi trzema metodami jest zbliżony.
2. W przypadku tunelu drążonego nie występuje ingerencja w drogę wodną, a więc nie ma żadnych przeszkód w eksploatacji tej drogi przez port gdański i inne podmioty gospodarcze, a przede wszystkim przemysł stoczniowy.
3. Podczas realizacji tunelu drążonego nie występują żadne prace mające na celu przebudowę istniejących nabrzeży po obu stronach Martwej Wisły.
4. Na długości drążenia tunelu nie ma ingerencji w działalność portu gdańskiego. Oznacza to również, że ingerencja taka jest możliwa jedynie w miejscu wykonywania wanien żelbetowych wjazdowych i wyjazdowych oraz konstrukcji tunelu w otwartym wykopie, a więc średnio ok. 320,0 m po obu stronach Martwej Wisły, mierząc ok. 530,0 m od osi drogi wodnej. Wynika stąd pozostawienie bez jakiejkolwiek interwencji pasa terenu portowego szerokości ok. 265,0 m po obu stronach Martwej Wisły, co zapewnia prawidłowe działanie portu także na większej części trasy tunelu. Przez wydłużenie tunelu, a szczególnie jego części drążonej, odsunięta zostaje także strefa, w której są prowadzone roboty budowlane z całym zapleczem.
5. Przy przyjęciu tunelu drążonego nie muszą być brane pod uwagę działania związane z przeniesieniem bazy magazynowej nr 31 PKN ORLEN SA, zlokalizowanej na trasie tunelu. Tunel drążony przechodzi pod bazą.
6. Z punktu widzenia trwałości i szczelności omawiane rozwiązania mogą być traktowane jako równorzędne z tym jednak, że ze względu na przekrój kołowy tunelu drążonego, występujące głównie siły ściskające mogą zwiększyć gwarancję szczelności. W przypadku tunelu o przekroju prostokątnym występują momenty zginające, które – szczególnie przy niedokładnym zachowaniu osi pionowej i poziomej – mogą prowadzić do zwiększenia pęknięć w betonie mimo, że ze względu na wymagana masę tunelu grubości jego elementów konstrukcyjnych będą zwiększone w stosunku do grubości wymaganej według obliczeń statycznych przekroju tunelu.
7. W przypadku tunelu drążonego może zachodzić jedynie niewielka utrata dochodów portu eksploatującego teren, na którym jest realizowana część tunelu stanowiąca odcinki dojazdowe do tunelu drążonego. Brak jest natomiast podstaw do liczenia się ze stratami użytkowników drogi wodnej rzeki Martwa Wisła.
8. Drążenie tunelu jest korzystne ze względu na wody podziemne, gdyż odkrycie poziomu wodonośnego jest mniejsze niż w przypadku tuneli wykonywanych w wykopie bądź zatapianych. Oznacza to, że mniejsze jest zagrożenie bezpośredniego wprowadzenia do warstwy wodonośnej zanieczyszczeń technicznych związanych z budową.
W świetle powyższych ustaleń można wysunąć wniosek, że zastosowanie rozwiązania konstrukcyjnego w postaci tunelu drążonego jest, z punktu widzenia budowlanego i eksploatacyjnego, najkorzystniejsze z trzech analizowanych rozwiązań konstrukcyjnych.
Wniosek końcowy
Przeprowadzona analiza przepraw mostowych i tunelowych przez Martwą Wisłę w Porcie Gdańsk wskazuje jednoznacznie, że ze względu na:
występujące warunki hydrogeologiczne, geologiczno-inżynierskie i geotechniczne;
– występujące w praktyce parametry jednostek pływających korzystających z Martwej Wisły jako kanału żeglownego;
– zachowanie istniejącej infrastruktury portowej oraz zabudowy kubaturowej eksploatowanej dotychczas w Porcie Gdańsk;
– zachowanie ciągłości sposobu i zakresu użytkowania terytorium oraz akwatorium portowego;
– najkorzystniejsze było zaprojektowanie przeprawy drogowej przez Martwą Wisłę w postaci tunelu drążonego.
prof. zw. dr hab. inż. Bolesław Mazurkiewicz
Politechnika Gdańska
Uwaga: Artykuł ukazał się pierwotnie w nr. 1/2013 czasopisma „Inżynieria i budownictwo”
Piśmiennictwo
1. Buca B., Jaworska-Szulc B.: Warunki hydrologiczne, geologiczno-inżynierskie i geotechniczne na obszarze lokalizacji tunelu drogowego pod Martwa Wisłą. „Inżynieria i Budownictwo”, nr 1/2013.
2. Mazurkiewicz B.: Przeprawa tunelowa pod Martwą Wisłą w Gdańsku. „Inżynieria Morska i Geotechnika”, nr 2/2010.
3. PIANC (1994): Approach Channels a Guide for Design. Final Report of The Joint PIANC-IAPH Group II in cooperation with IMPA and IALA.
4. Żółtowski K.: Przeprawa drogowa przez Kanał Martwej Wisły na Trasie Sucharskiego w Gdańsku. „Inżynieria Morska i Geotechnika”, nr 3/2005.
