Vysouvané tunely metra pod Vltavou

Dva tunely pražského metra pod Vltavou měly být původně stavěny v jímkách postupně budovaných v řece. Byly navrženy tři jímky, aby omezení toku během stavby bylo přiměřené a plavba byla zachována. Metrostav navrhl alternativní postup s cílem zkrátit výstavbu, snížit její dopad na životní prostředí a snížit náklady. Princip nové technologie spočívá v tom, že tunely se potupně vybetonují v suchém doku a potom se přesunou do rýhy vytěžené ve dně řeky.

Jde o vyspělé řešení světové úrovně, jehož zdar závisí na zvládnutí mnoha technologických a technických detailů v přípravě i provádění. Na Mezinárodním stavebním veletrhu IBF 2003 získala tato technologie ocenění v podobě Zlaté medaile. Ocenění symbolizovalo nejen um a zručnost techniků Metrostavu, ale i úroveň tuzemské stavitelské kultury, jež toto originální řešení dokázala akceptovat. Nová technologie získala i další ocenění, jedno z nejprestižnějších udělila Mezinárodní federace pro konstrukční beton (fib) na kongresu v japonské Ósace. Z národních uznání lze zmínit např. Ce-nu Inženýrské akademie České republiky udělovanou za pokroková řešení v technických oborech.

Místo výstavby
Tunely umožňují překročit Vltavu a napojit severní části města na provozovanou síť metra. Trasa vychází ze stávající stanice Nádraží Holešovice směrem dolů, podchází Vltavu a stoupá nahoru do Kobylis. Vedení trasy vyžaduje, aby tunely procházely těsně pode dnem řeky, a proto nelze použít klasické ražení. Oba tunely pod řekou jsou směrově i výškově zakřiveny.

Technologie výstavby
Hloubka řeky v místě stavby se pohybuje v rozmezí přibližně 3 až 6 m. Rýha v řečišti se těžila pomocí drapáků a lopatových rýpadel umístěných na lodích. Podloží dna je složeno ze štěrkopísků mocnosti asi 4 m, pod nimiž se nacházejí vrstvy břidlic. Výkop procházel štěrkopísky a do břidlic zasahoval na hloubku 2 až 4 m. Způsob těžby rýhy v korytě Vltavy byl řešen ve spolupráci s dodavatelem těchto prací firmou Zakládání staveb. Suchý dok byl vybudován na pravém břehu v místě, kde tunely budou pokračovat směrem k severu. Dok byl oddělen od řeky jednoduchou ocelovou štětovou stěnou o výšce 12 m. Na dně doku se vybetonovaly podélně betonové prahy, které při betonáži tvořily základ pro tunel. K nim byly připevněny kolejnice pro přesun posuvné formy pro betonáž. Ty později sloužily jako dráha pro vlastní výsuv tunelu do rýhy v řece. Tunel se betonoval v posuvné formě, vyvinuté ve spolupráci s firmou PERI. Zakřivený tubus prvního tunelu je dlouhý 168 m, má pravoúhlý průřez se zkosenými horními rohy a byl betonován po segmentech o délce 12 m. Každý segment byl betonován v jednom pracovním záběru, tedy bez pracovních spár. Těsnost tunelu zajišťuje vodotěsný beton speciálně vyvinutý pro tento projekt. Zvláštní pozornost byla věnována těsnění pracovních spár mezi jednotlivými segmenty. Několikanásobné těsnění využívalo též bentonitové pásky a injektážní trubičky. Postup betonáže se ověřoval na modelu části konstrukce v reálných rozměrech. Výztuž tubusu byla navržena na základě podrobného výpočtu konstrukce metodou konečných prvků s uvažováním vlivu hydratačního tepla a objemových změn betonu. K omezení vzniku trhlin též přispělo ohřívání sousedního segmentu v době betonáže, které snižovalo teplotní gradient mezi zatvrdlým betonem starého segmentu a čerstvým betonem nového segmentu. Po vybetonování tubusu se dovnitř instalovaly vodní nádrže vybavené automatizovaným systémem potrubí k jejich plnění. Obě čela tunelu byla uzavřena ocelovými víky. Zadní víko (vzdálenější od řeky) bylo opatřeno ocelovým komínem, který umožňoval přístup do tubusu kdykoli po jeho uzavření. Ocelové konstrukce na stropě tubusu sloužily k připevnění tažného a brzdného zařízení. Hydraulické teleskopické kluzné nohy byly přivařeny ke kotevním plechům na zadním konci tubusu. Suchý dok byl posléze zaplaven. Hydraulické válce instalované pod tunelem a na zadních teleskopických nohách zvedly tunel pod hladinou, což umožnilo zjistit jeho skutečnou hmotnost a její rozložení podél tubusu. Objem vody v nádržích se upravil tak, aby se dosáhlo projektované hmotnosti tunelu a zajistila se stabilita v příčném směru a aby se omezily ohybové účinky na tubus při vysouvání. Tunel se pak zavěsil na ponton v přední části a na zadní části byl přizvednut pomocí hydraulických válců na teleskopických nohách přibližně o 100 mm. Suchý dok (teď již zaplavený) se otevřel směrem do řeky. Dvě tažné jednotky umístěné na protější (levé) straně řeky táhly tubus pomocí lanových závěsů. Brzdná zadní jednotka, spojená se zadním koncem tubusu lanovým závěsem, sloužila k předpínání lanových závěsů a též jako pojistná brzda schopná kdykoliv pohyb tubusu zastavit. Výšková poloha tubusu během výsuvu byla rektifikována prostřednictvím hydraulicky ovládaných svislých závěsů na pontonu. Zadní konec tunelu se posouval po dráze po lyžinách umístěných na teleskopických zadních nohách. Kontakt tubusu s dráhou zajišťoval stabilitu, zatímco vztlak vody působící na ponořený tubus významně redukoval potřebné tažné síly a síly potřebné ke zvedání a spouštění přední části tubusu. Tažné hydraulické jednotky a brzdný hydraulický systém byly navrženy podle požadavků dodavatele firmou VSL – Heavy Lifting. Místo, kde se tažné závěsy připojovaly k tubusu, bylo nejprve zcela na začátku tubusu. Během výsuvu se bod připojení tažných závěsů musel přesunout asi o 45 m směrem dozadu, aby bylo možné tubus dotáhnout až do koncové polohy, kdy jeho přední část bude až u protějšího (levého) břehu. Změnu polohy tažného bodu na tubusu zajišťoval hydraulicky ovládaný deviátor. Po dosažení finální polohy se tubus definitivně podepřel. Do prostoru mezi tubus a dno rýhy o výšce cca 30 - 50 cm se umístily textilní vaky, které se pak vyplnily betonem. Hydrostatický tlak betonu zajistil dokonalé vyplnění prostoru pod tunelem v místě podpor. Nakonec se tunel přikotvil do dna pomocí mikropilot. Po utěsnění štětové stěny bylo možné suchý dok opět vyčerpat. Použil se znovu pro betonáž druhého tubusu. Po jeho zasunutí do rýhy v řece se suchý dok použil pro betonáž tunelů navazujících na vysouvané tunely v řece. Trojnásobné využití doku spoří výkopové práce.

Časový plán
Výkop doku byl zahájen začátkem roku 2001. Betonáž prvního tubusu pak proběhla během léta. Současně se těžila i rýha v řece. Průměrná doba betonáže jednoho segmentu (včetně vyztužení, přesunu formy apod.) byla 4 - 5 dní. Výsuv se konal 12. října 2001. Definitivní podpory byly dokončeny během prosince 2001. Koncem roku 2001 bylo možné tunelem projít a přesvědčit se o jeho vodotěsnosti. Druhý tubus se betonoval na jaře 2002 a byl vysunut do řeky 3. července 2002. Pak byl definitivně podepřen tak, že v době povodní v srpnu 2002 již výstavba tunelů nebyla nijak ohrožena a stavba povodně přežila bez vzniku závažných škod.

Neobvyklé prvky výstavby
• Vodotěsná konstrukce tunelů (návrh betonové směsi, betonáž jednoho 12 m dlouhého segmentu najednou, návrh postupu betonáže a vyztužení tak, aby se omezil vznik trhlin).
• Minimální tolerance rozměrů tubusu s cílem dosáhnout jeho zatížení podle požadavků projektu. Toto zatížení je rozdílem vlastní tíhy tubusu a vztlaku vody. Statistická analýza a její ověření měřením. Průměrná odchylka od projektu v tloušťce stěn byla 1,2 mm, průměrný rozdíl mezi projektovaným a reálným objemem segmentu byl podle měření 0,9 m3, tj. 0,5 %.
• Vážení tubusu po jeho zaplavení ověřovalo předpoklady výpočtu a zajišťovalo bezpečný výsuv tunelu z pohledu stability a rizika vzniku trhlin.
• Návrh tažných a brzdných zařízení a provedení výsuvu ve velmi omezených podmínkách daných šířkou rýhy a šířkou otvoru ve štětové stěně.
• Měřicí systém kontrolující polohu tubusu během výsuvu. Automatický systém podával informace o poloze tubusu během výsuvu jako podklad pro řízení tažných zařízení.
• Definitivní podepření tubusu (betonové vaky a mikropiloty).
Základní technická data (pro 1. tubus)
Hmotnost tubusu 6 700 t
Tíha ve vodě po vyvážení 70 t (1. tubus) resp. 57 t (2. tubus)
Průřezové rozměry šířka × výška (vně) 6,48 × 6,48 m
Tloušťka horní a spodní desky 0,7 m
Tloušťka stěn 0,73 m
Délka tubusů 168 m
Poloměr směrového zakřivení 750 m resp. 670 m
Poloměr výškového zakřivení 3 800 m
Hloubka horní desky tunelu pod hladinou (typicky) 6 - 7 m
Rychlost betonáže (typická) 1 segment za 4 dny
Doba výsuvu 9 hodin, resp. 7,5 hodin
Maximální rychlost výsuvu 40 m/hod.
Odchylka skutečné dráhy výsuvu od projektované dráhy (typicky) < 0,1 m, resp. 0,2 m

Hlavní výhody realizovaného postupu výstavby
Tunel se betonoval v příznivých podmínkách, požadovaná kvalita mohla být dosažena. Výkopové práce byly v minimálním rozsahu, což výrazně omezilo zásahy do okolního prostření Vltavy. Podstatně se omezilo narušení lodního provozu na Vltavě. Výkopy se prováděly z pontonů a vlastní výsuv, včetně přípravných prací a dočasného podepření tubusu, bylo možné udělat během jednoho týdne. Omezení rizika vzniku mimořádné situace při povodních. V případě nutnosti by bylo možné zaplavit suchý dok a později jej znovu vysušit. Tunel by nebyl ohrožen v době betonáže. Nebezpečné práce byly omezeny na krátkou dobu. Nulové náklady na hydroizolaci. Nebezpečí vzniku trhlin během výsuvu je vyloučeno využitím vztlaku vody pro redukci zatížení. Manipulační síly jsou omezeny vlivem malé tíhy tubusu ve vodě. Stabilita zakřiveného tubusu je zajištěna kombinací zavěšení a vysouvání. Podepření na teleskopických nohách na pontonu je staticky určité, což umožňuje snadnou kontrolu sil, a tím byla zajištěna vysoká bezpečnost při vysouvání.

Literatura
[1] Vítek, J.L.: Metro pod Vltavou na trase IVC1, Tunel, Vol. 10, 4/2001, 41 - 44,
[2] Vítek, J.L.: Podchod tunelů metra pod Vltavou – realizace výsuvu. Tunel, Vol.11, 1/2002, 18 - 20
[3] Vítek, J.L., Pohan, J.: Výstavba tunelů metra originální metodou. Stavitel, Vol.10, 5/2002, 14 - 16
[4] Vítek, J.L.: Immersed tunnels of underground line in Prague. Proc. of the 1st. fib Congress 2002 »Concrete Structures in the 21st. Century«, Vol.1 Session 3, 13 - 14, (+CD-ROM), JPCEA a JCI, Osaka, Jap., 10/2002 fib 2002
[5] Vítek, J.L., Mühl, J.: Tunely pražského metra pod Vltavou. 30. konference »Zakládání staveb« Sekurkon, 11/2002, 226-231
[6] Vítek, J.L.: Vysouvané tunely metra – zkušenosti z realizace. »Betonářské dny 2002«, ČBS, 11/2002, 35 - 41
[7] Vítek, J.L., Metro tunnels under the Vltava River. Proc. of the ITA World Tunnelling Congress Amsterdam 12. - 17. 4. 2003, »(Re)Claiming of the Underground Space«, Saveur edt. Swets and Zeitlinger, Lisse 2003, 305 - 311
[8] Vítek, J.L.: Vysouvané tunely metra pod Vltavou. 10. let ČKAIT. Zvl. vyd. časopipsu ČKAIT, ČKAIT, březen 2003, 53 - 70