Remonty i renowacje przepustów drogowych w infrastrukturze komunikacyjnej – cz. I

Fot. 1. Przykład renowacji obiektu drogowego z wykorzystaniem wzmacniającej konstrukcji ze stalowych blach falistych (fot. A. Wysokowski)

Konstrukcje przepustów były budowane od czasu, gdy zaczęły powstawać pierwsze drogi i linie kolejowe. Budowane były w różnym okresie i z różnych materiałów, dlatego też mamy do czynienia z bardzo dużą różnorodnością konstrukcyjną tych obiektów. Ich forma architektoniczna jest również bardzo urozmaicona. Wiele z tych obiektów to obiekty zabytkowe, często o wyjątkowej wartości historycznej i technicznej (czasami ich walory nie są doceniane).

Autor przedstawił szerzej te zagadnienia w artykule, który ukazał się w [12].

Mający obecnie miejsce intensywny rozwój infrastruktury transportowej w naszym kraju, a także rozwój nowych materiałów i technologii spowodował wprowadzenie do praktyki inżynierskiej w ostatnich latach nowoczesnych przepustów. Ich nowoczesność polega głównie na nowych rozwiązaniach materiałowych rur osłonowych (lub innych kształtach) oraz współpracy z gruntem w przenoszeniu obciążeń eksploatacyjnych. Jest to ściśle związane z budową nowych dróg ekspresowych i autostrad, a także linii kolejowych.

Należy jednak brać pod uwagę, że w ciągu obecnie eksploatowanych dróg w naszym kraju zinwentaryzowanych jest ok. 35 tysięcy przedmiotowych obiektów inżynierskich. Ich stan techniczny niejednokrotnie pozostawia wiele do życzenia. W opinii autora artykułu stan ten wynika z faktu niedoceniania tych obiektów ze względu na ich małe gabaryty w porównaniu z mostami. Trzeba jednak zwrócić uwagę, że obiekty te pełnią takie same funkcje, a ich znaczenie w infrastrukturze komunikacyjnej jest tak samo ważne [13]. Przykładową renowację obiektu drogowego z użyciem nowoczesnych rozwiązań technologicznych (wg projektu autora z zespołem) przedstawia fot. 1.

Z powyższego wynika, że ze względu na wspomniany zły lub niezadowalający stan techniczny przepustów, rosnące natężenie ruchu oraz obciążenia na drogach istnieje duża potrzeba ich wzmacniania i przebudowy. Ponadto niejednokrotnie projekty drogowe dotyczą poszerzania istniejących dróg i jednocześnie dostosowania ich do obowiązujących normatywów, a co za tym idzie często się wiążą z koniecznością wydłużania istniejących przepustów drogowych.

Na fot. 2 i 3 przedstawiono przykłady niezadowalającego stanu technicznego obecnie eksploatowanych przepustów drogowych.

Fot. 2. Przykład uszkodzenia żelbetowego przepustu drogowego o konstrukcji płytowej (fot. A. Wysokowski)

Fot. 3. Przykład uszkodzeń konstrukcji sklepienia przepustu ceglanego (fot. A. Wysokowski)

Technologie i metody wzmacniania konstrukcji przepustów

Obecnie dopracowano się wielu nowych technologii wzmacniania przepustów z użyciem nowoczesnych materiałów. Technologie te zapewniają zarówno trwałość konstrukcji wzmacnianej, jak również jej funkcjonalność użytkową. Polegają głównie na przywróceniu pierwotnej nośności lub jej zwiększeniu w zależności od potrzeb konstrukcyjnych. Przyczyniają się zarówno do przedłużenia trwałości eksploatacyjnej, jak i poprawy walorów estetycznych i architektonicznych. Systemy prac obejmują wykorzystywanie dodatkowych struktur nośnych w postaci rur konstrukcyjnych lub rękawów kompozytowych oraz stosowanie materiałów wysoko modyfikowanych z zakresu chemii budowlanej [1], [17]. Poniżej zestawiono obecnie najczęściej stosowane metody wzmacniania konstrukcji przepustów:

• metoda reliningu (tzw. metoda rura w rurę),
• nowoczesne kompozytowe rękawy wzmacniające,
• stosowanie nowoczesnej chemii budowlanej,
• metody mieszane z użyciem wymienionych wcześniej metod i innych technologii, np. kotew chemicznych.

Fot. 4. Przykład stosowania materiałów w technologii reliningu – wzmacniająca konstrukcja ze stalowych blach falistych typu Boxculvert (fot. A. Wysokowski)

Wzmacnianie przepustów metodą reliningu

Do najczęściej wykorzystywanych nowoczesnych technologii wzmacniania omawianych konstrukcji należy metoda reliningu, czyli stosowanie dodatkowych konstrukcji nośnych. Idea metody polega zasadniczo na wprowadzaniu do wnętrza istniejącego, wzmacnianego przepustu dodatkowej konstrukcji nośnej o przekroju kołowym lub innym, a następnie wypełnieniu przestrzeni między obiektem a konstrukcją wzmacniającą dodatkowym materiałem [3]. W wyniku stosowania tej technologii powstaje konstrukcja quasi-zespolona składająca się z obiektu wzmacnianego, materiału wypełniającego oraz konstrukcji wzmacniającej. Ważne jest przy tym odpowiednie przeliczenie światła obiektu, tak aby nowy przepust spełniał zakładane parametry użytkowe [5]. Metoda ta charakteryzuje się tym, że umożliwia wzmocnienie przepustów bez konieczności rozbierania istniejącego obiektu oraz wstrzymania ruchu drogowego (przy uwzględnieniu stanu technicznego istniejącej konstrukcji).

Jako konstrukcje wzmacniające stosuje się rury wykonane w technologii blach falistych, tworzyw sztucznych i materiałów kompozytowych oraz prefabrykowane elementy żelbetowe.

Na fot. 4 i rys. przedstawiono przykłady zastosowań opisywanej metody w przebudowie konstrukcji przepustów.

Rys. Przykład stosowania materiałów w technologii reliningu – rury z tworzyw sztucznych do renowacji przepustu (wg projektu autora)

W przypadku stosowania rur z blach falistych do wzmacniania przepustów o mniejszych średnicach najczęściej stosowane są konstrukcje typu MultiPlate o przekroju zamkniętym. W przypadku obiektów o większym świetle pionowym i poziomym istnieje możliwość wykorzystania przekrojów otwartych łukowych lub skrzynkowych typu Boxculvert (fot. 4) [10]. Stosowane w tym przypadku przekroje otwarte zapewniają uzyskanie lepszego światła pionowego i poziomego dla wzmacnianej konstrukcji po wykonaniu remontu lub przebudowy.

Jako rury reliningowe z tworzyw sztucznych do wzmacniania przepustów stosowane są na ogół rury wytwarzane z wysoko udarowej odmiany polietylenu HDPE. Ścianka wewnętrzna przedmiotowych rur jest gładka, natomiast jej powierzchnia zewnętrzna ma kształt spiralnego karbu o wielkości i skoku zwoju zależnych od średnicy rury [4]. Taka budowa daje dobrą kombinację parametrów hydraulicznych i wytrzymałościowych. Dodatkowe zewnętrzne karbowanie rur, podobnie jak w przypadku rur z blach falistych, umożliwia ponadto zakotwienie rur reliningowych – szczególnie w kierunku podłużnym – w materiale wypełniającym wolną przestrzeń między konstrukcją nową a istniejącą.

W przypadku omawianej technologii wzmocnienia powszechnie stosowane są również nowoczesne rury kompozytowe GRP i CC-GRP Oprócz dużej wytrzymałości charakteryzują się konkurencyjnym współczynnikiem przepływu (szczególnie wykonywane w technologii CC-GRP) przy podwyższonej odporności na ścieranie.

W przypadku wspomnianej już konieczności wydłużania części przelotowej przepustu ze względu na przebudowę dróg (zmiana parametrów technicznych i klasy) powszechnie w krajowej infrastrukturze komunikacyjnej stosuje się elementy wykonane w technologii żelbetowej. Najczęściej do tego celu wykorzystuje się przekroje zamknięte w postaci odpowiedniej jakości prefabrykatów. W trakcie projektowania należy mieć na uwadze, że stosowanie masywnych elementów „dodatkowych” rur powoduje w znacznym stopniu różnicę modułów sztywności między istniejącą częścią przelotową przepustu a nową konstrukcją.

Fot. 5. Przykład poszerzenia obiektu z wykorzystaniem dodatkowych konstrukcji nośnych w technologii reliningu w celu umożliwienia wykonania ścieżki rowerowej (fot. A. Wysokowski)

Do wypełniania wolnej przestrzeni między konstrukcją wzmacniającą a istniejącą obecnie stosowane są różne materiały i technologie. W przypadku znacznej powierzchni niezbędnej do wypełnienia stosuje się głównie mieszanki żwirowo-piaskowe lub odpowiednio modyfikowane mieszanki betonowe. Wybór materiału wypełniającego zależy głównie od kształtu przekroju poprzecznego wzmacnianego obiektu. Zadaniem materiału wypełniającego jest zapewnienie optymalnej współpracy między przepustem a konstrukcją wzmacniającą. Z tego względu bardzo ważne jest dokładne i prawidłowe wypełnienie tej przestrzeni tak, aby nie dopuścić do powstania pustek powietrznych, które powodują miejscową koncentrację naprężeń w trakcie późniejszej eksploatacji przepustu [16]. Nie mogą być to jednak betony o dużej wytrzymałości ze względu na wcześniej wspomnianą współpracę ośrodków.

Do najnowszych rozwiązań należy zaliczyć lekkie mieszanki betonowe o płynnej konsystencji z dodatkiem ekspansywnym, tj. umożliwiającym dokładne wypełnienie wolnych przestrzeni.

Ze względu na konieczność budowy nowych i przebudowy dróg kołowych niejednokrotnie istnieje potrzeba przedłużania istniejących przepustów. Wiąże się to z poszerzeniem dotychczasowych ciągów komunikacyjnych do obowiązujących obecnie normatywów i pełnienia dodatkowych funkcji – np. dobudowy ścieżek pieszych i rowerowych. Przebudowa obiektu polega na dołożeniu dodatkowych elementów nośnych dostosowanych do istniejącego światła pionowego i poziomego przepustu istniejącego. Przykład takiego rozwiązania przedstawiono na fot. 5.

Fot. 6. Przykład renowacji przepustu metodą utwardzonego rękawa nasączonego żywicami poliestrowymi. Widok konstrukcji wzmacnianej na etapie wprowadzenia – wywinięcia – rękawa wzmacniającego [2]

Wzmacnianie przepustów za pomocą utwardzanego rękawa kompozytowego
Przedmiotowa technologia renowacji polega na umieszczeniu, bez ingerencji w strukturę zewnętrzną konstrukcji przepustu, specjalistycznej wykładziny dopasowanej do kształtu przewodu w postaci rękawa nasączonego żywicą z tworzyw polimerowych, a następnie na jego utwardzeniu tak, aby spełniał wymagane parametry wytrzymałościowe dla danego obiektu [8]. W wyniku procesu utwardzania rękaw w pełni uszczelnia uszkodzony przewód, pokrywa rysy i pęknięcia. Utwardzony rękaw zaczyna także tworzyć samodzielny ustrój nośny w postaci elementu konstrukcyjnego, dla którego istniejący obiekt stanowi formę szalunku traconego, umożliwiającego jedynie montaż rękawów. W tej innowacyjnej technologii w początkach jej stosowania rękaw nie stanowił zasadniczego elementu konstrukcyjnego.

Do podstawowych elementów tego zestawu można zaliczyć elastyczną membranę zewnętrzną, rękaw wykonany z włókniny poliestrowej o strukturze filcowej, posiadającej właściwości absorbujące żywicę, oraz sam wypełniacz – żywicę (poliestrową, winyloestrową lub epoksydową), tworzącą na nim elastyczną, podatną i wysoko wytrzymałą powłokę. Dodatkowo do wykonania rękawa, w zależności od potrzeb, mogą być również wykorzystywane włókna węglowe, polimerowe, szklane lub kombinacja tych włókien – dla osiągnięcia najlepszych rezultatów wytrzymałościowych. Obecnie opracowano innowacyjny proces utwardzania wykorzystujący promieniowanie ultrafioletowe [9]. Do utwardzenia przeciągniętego przez remontowany przepust, a następnie wypełnionego powietrzem rękawa nasączonego żywicą wykorzystuje się zespół lamp w postaci samojezdnej konstrukcji. Utwardzanie następuje w wyniku miejscowego oddziaływania promieniowania UV dzięki sukcesywnemu przemieszczaniu się lamp przez wnętrze powłoki, w którym występuje stałe nadciśnienie.

Fot. 7. Jeden z praktycznych przykładów wzmocnienia i renowacji przepustu drogowego (fot. A. Wysokowski)

Należy stwierdzić, że dzięki wytrzymałości uzyskanej w wyniku innowacyjnego procesu utwardzania rękaw może pełnić samodzielny nośny element konstrukcyjny. Nowa konstrukcja wykonana jest wtedy na trasie istniejącego, wzmacnianego obiektu, którego nie trzeba poddawać rozbiórce, a istniejący obiekt stanowi formę szalunku traconego, umożliwiającego jedynie montaż rękawa. Następnie, co pokazuje praktyka, tak wzmacniany obiekt pracuje całościowo jako zintegrowana konstrukcja zespolona (współpracująca powłoka z otaczającym ośrodkiem).

Na fot. 6 przedstawiono praktyczny przykład renowacji konstrukcji przepustu o konstrukcji ramowej żelbetowej z wykorzystaniem przedmiotowej technologii.

dr hab. inż. Adam Wysokowski, prof. UZ

kierownik Zakładu Dróg i Mostów Wydział Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska

Uniwersytet Zielonogórski

Uwaga: Niniejszy artykuł stanowi pierwszą część tematyki związanej z metodami wzmacniania omawianych konstrukcji.

Literatura

1. P. Dmowski, Rehabilitacja infrastruktury podziemnej, „Geoinżynieria Drogi Mosty Tunele” nr 1/2009 (20).
2. K. Frydrychowska, K. Kozińska, Metody wzmacniania przepustów komunikacyjnych – praca studialna, praca magisterska, Uniwersytet Zielonogórski (promotor: A. Wysokowski), Zielona Góra 2009.
3. L. Janusz, A. Madaj, Obiekty inżynierskie z blach falistych. Projektowanie i wykonawstwo, WKŁ, Wrocław 2007.
4. W. Jasiński, A. Łęgosz, A. Nowak, A. Pryga-Szulc, A. Wysokowski, Zalecenia projektowe i technologiczne dla podatnych drogowych konstrukcji inżynierskich z tworzyw sztucznych, GDDKiA-IBDiM, Żmigród 2006.
5. A. Kuliczkowski, P. Dańczuk, Redukcja przekroju nie zawsze oznacza zmniejszenie przepustowości, „Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne”, 2008.
6. B. Kunecki, Zachowanie się ortotropowych powłok walcowych w ośrodku gruntowym pod statycznym i dynamicznym obciążeniem zewnętrznym, rozprawa doktorska, Wrocław 2006.
7. Cz. Machelski, Modelowanie mostowych konstrukcji gruntowo-powłokowych, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2008.
8. C. Madryas, A. Kolonko, L. Wysocki, Konstrukcje przewodów kanalizacyjnych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2002.
9. P. Mazur, Renowacja przepustów technologią rękawa AARSLEFF, „Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne” wrzesień-październik 2009.
10. W. Rowińska, A. Wyszkowski, A. Pryga, Zalecenia projektowe i technologiczne dla podatnych konstrukcji inżynierskich z blach falistych, GDDKiA-IBDiM, Żmigród 2004.
11. E. Rusiński, J. Czmochowski, T. Smolnicki, Zaawansowana metoda elementów skończonych w konstrukcjach nośnych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2000.
12. A. Wysokowski, Przepusty i przejścia dla zwierząt w infrastrukturze komunikacyjnej, Vademecum Infrastruktura, Wydawnictwo PIIB, Warszawa 2017.
13. A. Wyszkowski, Durability of flexible corrugated steel shell structures – theory and practice, „Archives of Institute of Civil Engineering” nr 23, 2017.
14. A. Wysokowski, J. Howis, Przepusty w infrastrukturze komunikacyjnej – cz. 9 Metody obliczeń konstrukcji przepustów, cz. III Nowe metody obliczeń, „Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne” wrzesień-październik 2010.
15. A. Wysokowski, J. Howis, Przepusty w infrastrukturze komunikacyjnej – cz. 7 Metody obliczeń konstrukcji przepustów, cz. I Ogólne zasady obliczeń, „Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne” marzec-kwiecień 2010.
16. A. Wysokowski, J. Howis, Przepusty i mosty ekologiczne – cz. 23 Wykonawstwo konstrukcji gruntowo-powłokowych ze stalowych blach falistych, cz. 2 Zasypka konstrukcyjna, „Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne” nr 6, 2017.
17. A. Wysokowski, A. Staszczuk, T. Nowak, Renowacja odwodnienia ulic w infrastrukturze miejskiej, „Materiały Budowlane” nr 2/2009.

Czytaj też: Konstrukcje podatne z blach falistych – przepusty