Wykonanie tunelu kolejowego w technologii ścian szczelinowych pod istniejącymi wiaduktami

Przedstawiony zostanie sposób realizacji tunelu kolejowego pod wiaduktami drogowo-tramwajowymi w ciągu ul. Kopcińskiego w Łodzi. Poważnym wyzwaniem była konieczność zachowania przejezd­ności wiaduktów oraz konieczność wykonania wszystkich robót (w tym ścian szczelinowych) w ograniczonej przestrzeni pod wiaduktem. Tunel ko­lejowy jest usytuowany w centrum Łodzi i stanowi połączenie podziemnej stacji planowanego multimodalnego węzła przesiadkowego (obejmującego stację, tory szlakowe naziemne i pod­ziemne, linię tramwajową i parking samochodowy) ze stacją Łódź Wi­dzew i istniejącą siecią kolejową. Tunel o długości blisko 1,7 km jest wykony­wany metodą podstropową w miejscu dotychczasowej linii kolejowej między stacjami Łódź Widzew i Łódź Fabrycz­na. Przebieg nowo projektowanej linii kolejowej zakładał wykonanie tune­lu dokładnie pod dwoma podporami istniejących wiaduktów w ciągu ul. Kopcińskiego (odcinek drogi krajowej nr 14). W czasie budowy niemożliwe było wyłączenie ruchu na ww. drodze.

Na rys. 1 pokazano przekrój tunelu. Wi­dać na nim, że dwa rzędy słupów podporowych powinny docelowo się znaleźć na stropie budowanego tunelu.

Rys. 1 Podstawowe wymiary tunelu w przekroju poprzecznym

Bardzo istotne utrudnienie podczas projektowania i wykonawstwa stano­wiło ograniczenie osiadań podpór wia­duktów do zaledwie 10 mm podczas pełnego cyklu realizacji. Z tego powo­du w pierwszej kolejności przewidzia­no wzmocnienie istniejących fundamentów w celu ich zabezpieczenia na czas głębienia ściany szczelinowej. Na ścianie szczelinowej zwieńczonej fragmentami docelowego stropu zaprojek­towano elementy transferowe służące jako tymczasowe podparcie wiaduk­tów. Elementy transferowe składały się z układu tarcz żelbetowych za­pewniających podparcie wiaduktów w sposób pozwalający na zachowanie ich schematu statycznego, usunięcie istniejących bloków fundamentowych, wykonanie stropu tunelu oraz oparcie na nim słupów wiaduktu.

Należy zwrócić uwagę na fakt, że wszystkie prace, włącznie z głębieniem ścian szczelinowych, wykonane zostały w przestrzeni ograniczonej pomostami wiaduktu, tj. zaledwie 8,5 m wysokości.

Istniejące wiadukty składały się z trzech niezależnych części: wiaduk­tu drogowego wschodniego, położone­go w środku wiaduktu tramwajowego oraz wiaduktu drogowego zachodnie­go. Ustrój nośny każdego z nich two­rzy siedmioprzęsłowa monolityczna żelbetowa płyta ciągła o zmiennej wy­sokości (z jednostronnym wspornikiem chodnikowym w przypadku wiaduktów drogowych), wsparta na lekkich pod­porach żelbetowych słupowych (filary) i ramowych (przyczółki). Ciągły układ konstrukcyjny płyty pomostu wymu­szał rygorystyczne wymagania doty­czące osiadań konstrukcji wiaduktów w czasie budowy tunelu. Wiadukty wybudowane zostały we wczesnych latach 70. ubiegłego wieku. Konstrukcja nośna wiaduktów wykonana zosta­ła z betonu o marce Rw 250, co od­powiada mniej więcej betonowi klasy B30, a zbrojenie wiaduktu – ze stali 18G2.Teoretyczna rozpiętość przęseł wiaduktów jest zmienna i wynosi od 11,5 do 17,5 m. Niska jakość wyko­nania wiaduktów, zaniedbania utrzymaniowe oraz znaczne obciążenie ruchem w stosunkowo krótkim czasie doprowadziły do znacznej degradacji i osłabienia obiektów, co wiązało się z koniecznością ograniczenia ruchu na obiektach do czasu wykonania ich remontu. W latach 2004-2007 obiekty, znajdujące się już wówczas w bardzo złym stanie technicznym, doczekały się realizowanego etapowo remontu.

W ramach budowy tunelu konieczne była rozbiórka fundamentów i oparcie na projektowanym tunelu dwóch fila­rów wiaduktu. Pokazano je na rys. 2.

Rys. 2 Profil podłużny wiaduktu wschodniego – przeznaczone do posadowienia na tunelu były podpory oznaczone 2/3 i 3/4

Prace budowlane zostały podzielo­ne na pięć zasadniczych etapów.

Etap I – wzmocnienie fundamentów wiaduktów i roboty przygotowawcze

W pierwszej kolejności wykonano 144 mikropale wiercone osadzo­ne w układzie kozłowym w istnie­jących oczepach fundamentowych podpór nr 2/3 i 3/4 (nad tunelem) i sąsiednich nr 1/2 i 4/5. Średni­ca mikropali 200 mm, ich długość 15 m, nośność obliczeniowa każ­dego 750 kN.

Następnie zespolono grunt w tech­nologii jet-grouting bezpośrednio pod fundamentami (na głębokość 5 m po całym obwodzie kolumnami średnicy 600 mm) w celu uzyskania dostatecznej stabilności w trakcie głębienia ścian szczelinowych oraz w trakcie wykonywania wykopów. Na fot. 1 pokazano zeskaloną bryłę gruntu pod fundamentami.

W międzyczasie przełożono ist­niejące instalacje biegnące w linii wiaduktu tramwajowego. Przy­gotowano również platformy robocze dla urządzeń głębiących ściany szczelinowe. Po wykonaniu powyższych prac przystąpiono do jednego z najtrudniejszych wy­zwań, jakim było głębienie ścian szczelinowych.

Fot. 1 Bryła scalonego gruntu pod fundamentem po jego odkopaniu. Z boku widoczne odcinki stropu tunelu wieńczące ściany szczelinowe, powyżej tarcze transferowe

Etap II – ściany szczelinowe

Ściany szczelinowe grubości 100 cm i głębokości do 21 m wy­konano w przestrzeni roboczej ograniczonej do wysokości zaled­wie 8,5 m za pomocą specjalnie do tego celu przygotowanej głębiarki. Kosze zbrojeniowe zapro­jektowano z co najmniej czterech odcinków o długości do 6 m każdy, skręcanych i spawanych w trakcie wkładania do szczeliny. Ze wzglę­dów bezpieczeństwa, w celu zminimalizowania wpływu na fun­damenty, ścianę zaprojektowano z sekcji o szerokości zaledwie jednego chwytaka, tj. 280 cm. Na fot. 2 pokazano głębienie ścian szczelinowych w ograni­czonej przestrzeni, a na rys. 3 usytuowanie konstrukcji wzmac­niających i ścian szczelinowych.

Fot. 2 Głębienie ścian szczelinowych pod wiaduktem

Rys. 3 Przekrój przez wzmocnienia istniejących fun­damentów wraz z lokalizacją ścian szczelinowych

W tym etapie zwieńczono ściany szczelinowe fragmentami docelowego stropu, na których wykonano szereg żelbeto­wych tarcz podpierających wiadukty. Pokazano to na rys. 4.

Rys. 4 Przestrzenny model wiaduktu (bez pomostów – same filary) ze ścianami szczelinowymi, fragmentami stropu tunelu i tarczami transferowymi

Etap IV – demontaż fundamentów

W kolejnym etapie prac przystąpiono do najbardziej emo­cjonujących prac. Odcięto bloki fundamentowe, przenosząc pełne obciążenie na tarcze żelbetowe. Wiadukt „zawisł” w powietrzu, co pokazano na fot. 3.

Tarcze transferowe zaprojektowano w taki sposób, aby umożliwić rektyfikację wiaduktów w czasie budowy w przy­padku nadmiernych osiadań i odkształceń tarcz opartych na stropie i ścianach szczelinowych. Podczas całej reali­zacji prowadzono ciągły monitoring geodezyjny wiaduktów.

Przemieszczenia punktów pomiarowych spowodowane przeprowadzeniem dotychcza­sowych robót (do momentu odcięcia fundamentów) wynio­sły od +1 mm (wypiętrzenie) do -8 mm (osiadanie). Z tego po­wodu po odcięciu fundamentów zdecydowano się na podniesie­nie wiaduktów o 5-12 mm, wychodząc naprzeciw ewen­tualnym dalszym osiadaniom podczas kolejnych prac. Po podniesieniu zablokowano tar­cze za pomocą stalowych pod­kładek.

Fot. 3 Wiadukt po rozbiórce fundamentów

Etap V – przeniesienie obciążeń na konstrukcję tunelu

Po rozbiórce fundamentów uzupełniono brakujące odcinki stropu, znajdujące się w miej­scu istniejących wcześniej fundamentów wiaduktów. Na stropach wykonano belki podwalinowe dla docelowego opar­cia słupów.

Jednocześnie rozpoczęto głę­bienie tunelu pod stropem, w trakcie którego odnotowano odprężenie gruntu i w konse­kwencji wypiętrzenie wiaduk­tów o 2-5 mm. Po zabetono­waniu płyty dennej, czyli po ostatnim etapie prac kon­strukcyjnych tunelu, wykonano iniekcje żywiczne styków słu­pów wiaduktu z podwalinami. W celu zminimalizowania wpły­wu drgań na zespolenie styków iniekcje prowadzono sekwen­cyjnie, wprowadzając częścio­we ograniczenie ruchu (jedynie na wiadukcie iniektowanym) na dwa dni.

W ostatnim etapie robót zdemontowano tarcze transferowe, przenosząc całkowicie obciążenia wiaduktu na nową konstrukcję w sposób docelowy (fot. 4).

Osiadania wynikające z rozbiórki tarcz oraz pełnego przełożenia obciążeń na strop (w tym ugięcia stropów) wyniosły zaledwie 1-2 mm. Tak więc sumarycznie, licząc od rozpoczęcia prac do ostatecznego opar­cia wiaduktów na tunelu, uwzględniając zarówno osiadania podczas prac zabez­pieczających i konstrukcyjnych, jak i wy­piętrzenie spowodowane rektyfikacją oraz odprężeniem gruntu, uzyskano wyniesienie konstrukcji wiaduktów o 5-10 mm w sto­sunku do stanu pierwotnego.

Fot. 4 Wiadukt po rozbiórce tarcz transferowych

Podsumowanie

Przyjęta oryginalna metoda realizacji po­zwoliła na wykonanie tunelu pod istniejącymi wiaduktami. Budowa nie spowodowała prze­kroczenia dopuszczalnych przemieszczeń konstrukcji, przez cały czas prace prowadzo­ne były pod ruchem z zachowaniem przejezd­ności na wiaduktach.

Zadanie wykonane zostało w ramach inwesty­cji Nowa Łódź Fabryczna, która jest realizowana w systemie „zaprojektuj i buduj” przez konsorcjum NLF-Torpol Astaldi s.c. Inwesto­rem jest PKP PLK SA w porozumieniu z Mia­stem Łódź i PKP SA. Przejście tunelem pod ul. Kopcińskiego powstało w ciągu 15 mie­sięcy od lipca 2014 r. do września 2015 r. Wstępna koncepcja została opracowana przez inż. Łukasza Majchrzaka z biura tech­nicznego generalnego wykonawcy NLF Kom­pletny projekt wykonany został w pracowni projektowej MDR-projekt.

mgr inż. Marcin Derlacz

MDR-projekt Sp. z o.o. Sp. k.

mgr inż. Piotr Rychlewski

Instytut Badawczy Dróg i Mostów

Bibliografia

1. Opinia techniczna nt. możliwości budowy tunelu kolejowego linii średnicowej nr 17 pod istniejący­mi wiaduktami w ciągu ul. Kopcińskiego w Łodzi, Pracownia Projektowa MAGAT – Jerzy Wojdon, Wrocław, maj 2013 r.

2. Opinia dotycząca koncepcji projektu przejścia tunelem kolejowym pod wiaduktem w ul. Kopciń­skiego w Łodzi, IBDiM, grudzień 2013 r.

3. Projekt budowlany tunelu wielobranżowego, FBT Pracownia Architektury i Urbanistyki/MDR-projekt, Warszawa, lipiec 2014 r.

4. Projekt wykonawczy wzmocnienia wiaduktów w ciągu ul. Kopcińskiego, MDR-projekt, Warsza­wa, maj 2014 r.