Tunel Nordfjördur, Island

  • 04. 12. 2014 | zdroj: Stavebnictví, Ing. Aleš Gothard
  • Zpráva

Článek podává základní informace o tunelu Nordfjördur realizovaném na východním pobřeží Islandu firmou Metrostav a.s. Shrnuje parametry projektu a technické požadavky na jeho vyztužení, které tvoří stříkaný beton a svorníková výztuž. Island a jeho ekonomika

Island (Islandská republika) je i přes svou geografickou příslušnost k Evropě pro mnohé exotickou a velice zajímavou zemí. Ostrov Island, ležící v severní části Atlantského oceánu, se počítá do tzv. severských zemí (společně s Norskem, Finskem, Švédskem a Dánskem).
Na Islandu k 1. lednu 2014 žilo 325 000 obyvatel, z čehož téměř dvě třetiny bydlí v aglomeraci Reykjavíku. Při rozloze ostrova 103 000 km2 je hustota osídlení 3,16 obyvatel/km2, což je ve velkém kontrastu k České republice, jež udává hustotu osídlení 133 obyvatel/km2 (rozloha ČR je cca 78 000 km2, počet obyvatel 10 512 000).
Islandská ekonomika potvrdila, že po letech dramatického poklesu HDP v období let 2009 a 2010 (-6,6 %, respektive -4,1 %), způsobeného finanční krizí a kolapsem bankovního sektoru, se podařilo obnovit růst a znovu ekonomiku nastartovat. Islandské HDP na hlavu bylo po Lucembursku druhé nejvyšší v Evropě (i v současnosti po krizi je např. vyšší než ve Spojeném království, Španělsku, Itálii apod.), jedná se totiž o mimořádně technologicky vyspělou zemi s unikátním know-how v řadě oblastí. Islandská ekonomika je založena především na rybolovu, turistice, energetice, nerostných surovinách a vyspělých informačních technologiích. V současné době Island vykazuje opět pozitivní růst HDP a úroveň HDP na obyvatele se pohybuje ve výši cca 34 000 eur (ČR pro srovnání uvádí cca 15 000 eur/obyvatele).
Stavební průmysl se v roce 2013 podílel na tvorbě HDP 4,5 % (mimochodem v roce 2007 to bylo 11,3 %) a je v něm zaměstnáno zhruba 8000 pracovníků. Stavební trh Islandu je v několika aspektech velmi specifický. Samozřejmě v absolutních částkách je velmi malý a tomu odpovídá i četnost velkých infrastrukturních projektů. Ve srovnání s jinými skandinávskými zeměmi však o tyto projekty usiluje relativně menší množství stavebních společností. Konkurenty Metrostavu a.s. na Islandu jsou pouze kvalitní a dobře situované společnosti především ze Švýcarska a Norska.

Účel a historie projektu

Výstavba tunelů je relativně nedávný trend islandské silniční infrastruktury. První tunel, dokončený teprve v roce 1967, pomohl městu Siglufjördur z úplné izolace od okolního světa v zimním období. Dalším otevřeným tunelem se stal až po jedenácti letech v roce 1977 tunel Oddsskard, který bude v budoucnu nahrazen právě raženým tunelem Nordfjördur. Třetí islandský tunel byl uveden do provozu až v roce 1992 u města Ólafsfjördur. Tyto první tunely se razily jako jednopruhové s výhybnami pro umožnění dopravy v obou směrech.
V dalších letech pak bylo dokončeno několik dalších tunelových projektů. Za nejvýznamnější z nich lze považovat tunel Hvalfjördur ražený pod fjordem, jehož maximální hloubka dosahuje 165 m pod hladinou moře. Představuje zároveň jeden z nejdelších podmořských tunelů na světě. Tento tunel byl financován ze soukromých zdrojů a je jediným islandským tunelem, kde se vybírá mýtné.
V listopadu 2013 zahájila stavební firma Metrostav a.s. ve sdružení s islandskou stavební firmou Sudurverk ehf. práce na výstavbě silničního tunelu Nordfjardargöng. Po svém dokončení se stane nejdelším silničním islandským tunelem, a to s celkovou raženou délkou přesahující 7,5 km. Projekt zahrnuje, kromě ražby tunelu, několik dílčích stavebních objektů, jako jsou nově budované komunikace vně tunelu, nezbytná izolace proti pronikající vodě a promrzání. Po dokončení ražeb budou zbudovány hloubené tunely při obou portálech, technologické místnosti a jejich vybavení a kompletní telematika tunelu.
Hlavním účelem projektu Nordfjardargöng je zajištění bezproblémového spojení, nenáročného na údržbu, mezi dvěma sousedními městy Eskifjördur a Neskaupstadur na východním pobřeží Islandu (obr. 2). V každém z těchto dvou měst žije okolo tisíce stálých obyvatel. Stávající komunikace o délce 24 km zajišťující spojení mezi oběma městy je zároveň jedinou cestou vedoucí do vzdálenějšího města Neskaupstadur. Její délka však nehrála v rozhodovacím procesu projektu tak důležitou roli jako její bezpečnost a zimní údržba (obr. 3). Cesta překonává hřbet fjordu s celkovým převýšením přes 600 m a je také nejvýše položenou celoročně používanou silnicí na Islandu. V praxi to pak znamená nemalou závislost na aktuálním počasí, a to v období od října až do konce května, tedy osm měsíců v roce. Součást této stávající komunikace tvoří také jednopruhový tunel Oddsskardgöng (obr. 4, 5) o délce 640 m, který byl realizován mezi lety 1972-1977. Nedostatečné vyztužení a komplikované geologické podmínky při ražbě tohoto tunelu způsobují občasné závaly, které dále přispívají k rizikovosti stávající cesty. Výjimkou nejsou ani situace, kdy je cesta po několik dní až týdnů neprůjezdná a město Neskaupstadur je pak zcela odříznuto od okolí.
Ve snaze zachovávat tradiční způsob života a zamezit odchodu obyvatel z malých měst a vesnic na islandských fjordech přistoupili Islanďané ke konceptu účelného rozmisťování důležitých institucí a občanské vybavenosti vždy do několika navzájem sousedících obcí. Příkladem toho je právě město Neskaupstadur, ve kterém se nachází důležitá „krajská“ nemocnice obsluhující cca deset tisíc obyvatel oblasti Fjardarbyggd. Kromě nemocnice je v Neskaupstaduru také střední škola.
Výše zmíněné důvody přiměly islandskou státní organizaci Vegagerdin (obdoba českého ŘSD) v roce 2013 vypsat výběrové řízení na dodavatele tohoto projektu. Vlastní soutěži však předcházela už v roce 2005 studie proveditelnosti, ze které byla vybrána jedna z možných tras nového tunelu. Projektantem se stala kancelář Mannvit ehf., jež o několik měsíců později předložila první verzi zadávací dokumentace tunelu Nordfjardargöng.
Ve stejné době tentýž investor připravoval projekt ražeb dvou dalších tunelů Hédinsfjardargöng. Tyto tunely o celkové délce přes 10,5 km měly spojit sousední vesnice Ólafsfjordur a Siglufjordur na severu Islandu. Vzájemná vzdálenost těchto měst činila po nejkratší sjízdné komunikaci v zimním období 240 km, přičemž vzdušnou čarou se od sebe nacházejí ve vzdálenosti pouhých 14 km. Tento konkurenční projekt dostal přednost před tunelem Nordfjardargöng a ještě v roce 2006 začala jeho realizace. Ve spojení s islandskou stavební společností Háfell ehf. jej zbudoval mezi lety 2006-2010 Metrostav a.s. Realizace tunelu Nordfjardardgöng tak byla díky jinému projektu a následně také islandské bankovní krizi odložena až na rok 2013.
Výběrové řízení projektu Nordfjardargöng bylo vypsáno podle islandských standardů ÍST 30:2012 (islandská obdoba Červené knihy FIDIC) jako dvoukolové. První kolo proběhlo formou prekvalifikace jednotlivých uchazečů. Jediným kritériem druhého kola výběrového řízení se stala nejnižší nabídnutá cena. Metrostav a.s. v rámci tzv. joint venture s výše zmíněnou firmou Sudurverk ehf. zajišťuje vlastní ražby tunelu, zatímco partnerovým úkolem je zařízení staveniště, příprava portálových hloubených úseků, výstavba finální vozovky nebo vystrojení tunelu technologickými rozvody. Smluvním jazykem projektu je islandština, ve které se také vede veškerá zadávací dokumentace a v níž probíhají všechny kontrolní dny investora stavby. Stavební dozor zajišťuje islandská firma HNIT hf. Autorský dozor nebyl na tomto projektu stanoven, nicméně je nepřímo zajišťován přes investora stavby.
Přípravné stavební práce předcházející ražbám tunelu započaly v srpnu 2013 a smluvní termín pro předání hotového díla smlouva stanovila na září 2017.

Geologické podmínky na Islandu

Island leží v severní části Atlantického oceánu, v místě souběhu divergentního deskového rozhraní na středoatlantském hřbetu a plášťového diapiru (obr. 12). Divergentní deskové rozhraní na Islandu je tvořeno rozvětvenými riftovými zónami mezi hřbety poloostrova Reykjanes na jihozápadě a euroasijské kontinentální desky, které se rozevírají rychlostí asi 20 mm/rok. Východní pobřeží Islandu představuje jednu z nejstarších oblastí tohoto ostrova (o stáří přibližně 13 milionů let). Tvoří je terciérní bazaltové formace, které kromě východu vystupují i na jihovýchodě a západě Islandu a dohromady zaujímají téměř polovinu plochy celého ostrova. Formace zahrnují z 80 % tholeitické bazalty ve formě lávových proudů, které tvoří jemně až středně zrnité kompaktní i proplyněné čediče, většinou silně tektonicky porušené. Tyto proudy byly přerušovány více či méně krátkými periodami, během nichž sedimentoval převážně vulkanoklastický materiál a zeminy, které tvoří často velmi nesoudržné tufové vrstvy o mocnostech od několika stovek milimetrů až do několika metrů.
Dle geologické dokumentace lze při ražbách tunelu očekávat, že tyto tufové proplástky budou prostupovat postupně celou trasou tunelu. Podle jádrových odvrtů realizovaných v připortálových částech tunelu budou po trase zastiženy oslabené vrstvy o mocnosti až 30 m. Tvoří je různé sedimentární horniny jako ignimbrity, ale také velmi nesoudržné prachovce. Obecné uložení vrstev je subhorizontální, s inklinací 3-8 %, postupně stoupající ze dna do přístropí díla při ražbách ze západního portálu a postupně klesající z východního portálu.

Základní parametry projektu

Tunel je ražen metodou Drill & Blast („navrtej a odstřel“). Ražby prováděné tímto způsobem jsou velmi efektivní, a to nejenom vzhledem k jejich rychlosti, ale také z pohledu relativně nízkých nákladů pro investora. Tuto metodu lze ovšem využít pouze v soudržných skalních horninách, které na Islandu převládají.
Běžný profil tunelu lze podle norských standardů klasifikovat jako T8 (obr. 6). Tento typ profilu je se svou teoretickou velikostí 54,7 m2 dostatečný pro dva silniční pruhy. V místě bezpečnostních zálivů, respektive odstavů, se velikost profilu zvětší o další pruh až na 77,3 m2. Tyto zálivy se podle islandských předpisů musí realizovat každých 500 běžných metrů tunelu. V celé trase tunelu jich tak bude vyraženo celkem čtrnáct, přičemž některé z nich budou realizovány s další rozrážkou pro zajištění technologických komor potřebných pro budoucí provoz tunelu.
Trasa tunelu je vedena horským hřbetem s nejvyšší horou Tvífjöll, o výšce přesahující 1000 m n. m. (obr. 7). Práce jsou prováděny z obou portálů tunelu s nadmořskou výškou 25, respektive 60 m n. m. Ze západního portálu Eskifjördur bude vyraženo celkem 4740 m tunelu a z východního portálu Neskaupstadur celkem 2826 m. Až na posledních cca 400 metrů ražby z východního portálu proběhnou ražby dovrchně se stoupáním od 1,5 do 3 %. Celá trasa tunelu je vedena v obloucích s různými poloměry od 700 m až do 12 000 m. Maximální výška nadloží dosahuje téměř 900 m. Také vzhledem k tomu nebude i přes svou délku projekt zahrnovat žádnou vertikální šachtu ani únikovou štolu, která by se realizovala pouze obtížně. Předpokládané průjezdy tunelem jsou očekávány v maximu na 500-600 automobilů za den, což je relativně malé číslo.
Bilance vyrubané horniny v poměru k množství horniny určené pro zásypy a náspy je téměř nulová. Vytěžená rubanina se uplatní při budování zhruba 5 km nových komunikací vedoucích k tunelu.
Primární zajištění výrubu tunelu je realizováno různými typy svorníkové výztuže a stříkaného betonu. Dodatečné svorníkování a další vrstva stříkaného betonu pak slouží jako definitivní vyztužení tunelu. Většina svorníkové výztuže primárního vyztužení se po dokončení ražeb zahrne do definitivní výztuže. Až na výjimky se používají pouze svorníky s povrchovou úpravou pozinku a epoxidového nátěru v tloušťkách alespoň 80 mikrom.
Ve zvlášť nepříznivých geologických podmínkách, jako jsou tufové vrstvy o mocnostech přesahujících 2-2,5 m, se jako součást primárního ostění mohou používat příhradové ocelové rámy ve spojení s kari sítěmi (obr. 8), radiální svorníkovou výztuží a stříkaným betonem. Použití této „těžké“ konstrukce je v islandských geologických podmínkách výjimečné, nicméně v rámci tohoto projektu se již několikrát uplatnilo. Délka záběru se v takovém případě úměrně snižuje a postup prací se značně zpomaluje. Po dokončení definitivní výztuže budou po trase tunelu dozorem stavby určena místa pro zbudování izolací proti průsakům podzemních vod a promrzání pomocí zavěšených polyetylenových matrací s vrstvou stříkaného betonu. Alternativně budou PE matrace nahrazeny PE membránou.
K rozpojování horniny se používají začerpávané emulzní trhaviny dodávané firmou Orica s neelektrickým roznětem. Spotřeba trhavin se v závislosti na kvalitě masivu pohybuje v intervalu od 2,5-2,9 kg/m3 rozpojené horniny. Délka produkčních vrtů odpovídá maximální možné délce vrtných tyčí na 18“ lafetách vrtacího vozu, tj. 5,2 m. Výtěžnost běžně dosahuje 98 %.

Metoda ražby Drill & Blast

Tunelovací podmínky na Islandu jsou náročné. Je to zejména proto, že ražby mnohdy vedou horninami velmi odlišné kvality, tzv. mixed face (obr. 9). Časté jsou také průsaky podzemních vod (obr. 10) a ražby skrze poruchové zóny a čedičové žíly. Použitá metoda ražeb vychází z principů norské tunelovací metody, která se v posledních čtyřiceti letech ukázala jako velmi výkonná a úspěšná.
Ražby probíhají obvykle s využitím trhacích prací, výjimečně také se strojním rozpojováním. Konvergenční měření není systematické, probíhá převážně v poruchových zónách.
Dalším základním aspektem metody Drill & Blast je použití - jako provizorní výztuže, svorníků a stříkaného betonu s rozptýlenou výztuží (ocelové drátky, respektive polypropylenová vlákna). Provizorní výztuž není separována od definitivního ostění a tvoří jeden celek. Definitivní vyztužení tvoří zpravidla další vrstva stříkaného betonu a doplnění svorníků do definovaného rastru. Návrh vyztužení díla se provádí záběr od záběru na základě Q-systému. Index Q se určuje na základě empirického systému, který využívá Index RQD doplněný dalšími pěti parametry, jako je počet puklinových systémů, nerovnost puklin, alterace ploch diskontinuity nebo výplní, vodního tlaku a podmínky tlakových projevů horninového masivu. Práce na novém, 5 m dlouhém záběru začínají ustavením vrtného vozu (obr. 11) na geodeticky zaměřený přímkový laser umístěný stacionárně v tunelu. Pomocí tří lafet se následně odvrtá cca 130 produkčních vrtů a čtyři odlehčovací zálomové vrty. Během vrtání produkčních vrtů je zakotven výrub předešlého záběru, v závislosti na geologických podmínkách, cca 14-35 ks svorníkové výztuže v délkách 3-6 m. Je-li třeba zmapovat masiv před čelbou, jsou provedeny průzkumné předvrty v délkách do 27 metrů. Další operací je nabíjení vrtů začerpávanou emulzní trhavinou a vlastní odpal. Po odvětrání plynů po explozi začne odtěžování odstřelené rubaniny z tunelu a následně obtrhání nového výrubu rypadlem s impaktorem. Po dokončení začistění se výrub geodeticky zaměří a v závislosti na kvalitě výrubu se rozhodne o provádění stříkaného betonu. Jestliže je určeno, že není třeba nový výrub zastříkat, následuje rovnou ustavení vrtného vozu pro vrtání dalšího záběru.
Vyžadují-li to podmínky, zejména proniká-li do tunelu větší množství podzemní vody, předcházejí před vrtáním pro odpal vrty pro injektáž, vlastní injektáž a technologická přestávka. V případě tohoto tunelu však tato operace nebyla doposud provedena ani v jednom případě.
Časová náročnost na jeden kompletní cyklus (tj. záběr) se pohybuje v závislosti na podmínkách mezi 8-12 hodinami. Průměrný týdenní výkon činí okolo 55-65 m za týden.

Strojní sestava

Základní strojní sestavu tvoří třílafetový vrtací vůz firmy Sandvik DT1130 DATA osazený 18“ lafetami (obr. 13, 14), pásovým rypadlem Komatsu PC 210 s impaktorem, kolovým nakladačem CAT 980 a manipulátorem stříkaného betonu Meyco Potenza. Partner ve sdružení, zajišťující dopravu rubaniny z tunelu, aplikoval svou vlastní metodu s použitím dopravníků rubaniny na kolovém podvozku Goldhofer (obr. 15). Dva takové dopravníky, každý s kapacitou pro 144 m3 rostlé horniny (respektive 400 t nákladu), jsou zataženy po záběru do tunelu, naloženy rubaninou a znovu vytaženy ven. Do těchto dopravníků je uložen materiál z celého 5 m hlubokého odpalu běžného profilu tunelu. Výhoda této metody spočívá v tom, že po dobu nakládání dopravníků nebude tunel blokován projíždějícími nákladními vozy, takže je možné provádět další činnosti za čelbou tunelu (např. osazování definitivní svorníkové výztuže, prodlužování rozvodů a médií, údržba cesty apod.).
Větrání díla je zajištěno jako foukací ze západního portálu ventilátorem Cogemacoustic o výkonu 2 x 355 kW a lutnovým tahem PROTAN o průměru 2400 mm, na východním portálu bude použit ventilátor stejného výrobce s výkonem 2 x 200 kW a lutnovým tahem o průměru 2200 mm.
Začerpávání emulzní trhaviny je zajištěno k tomu určenou nabíjecí jednotkou SSE dodanou výrobcem trhavin (obr. 16).
Geodetické zaměřování k zjištění aktuálního staničení a kontrole výrubu se uskutečňuje po každém záběru. Zaměření má na starosti směnový stavbyvedoucí pomocí 3D laserového skeneru firmy Faro a vyhodnocuje se pomocí softwaru dodaného rakouskou firmou Dibit. Zaměření včetně vyhodnocení přímo na čelbě tunelu zabere zhruba pět minut, což je velmi rychlý a efektivní způsob kontroly (obr. 17, 18).

Osádky a turnusování

Vlastní ražbu tunelu zajišťuje padesát stálých zaměstnanců firmy Metrostav a.s. z České republiky a Slovenska. Odtěžbu a práce na povrchu zajišťuje partner ve sdružení, pro kterého pracuje dvacet Islanďanů. Dorozumívacím jazykem je angličtina.
Zaměstnanci Metrostavu pracují ve dvanáctitýdenních cyklech. Osm týdnů stráví prací na Islandu a další čtyři týdny jsou doma na turnusovém volnu. Směny se střídají každý měsíc, přičemž vždy pouze jedna směna odjíždí domů a nahrazuje ji směna vracející se z turnusového volna. Zaměstnanci pracují ve dvanáctihodinových směnách, z čehož dvě hodiny tvoří zákonem stanovené přestávky. Práce probíhají v nepřetržitém provozu šest dní v týdnu včetně svátků. Výjimkou jsou pouze Vánoce a Nový rok, kdy je stavba uzavřena a práce se znovu zahajují až po návratu osádek z turnusového volna.

Závěr

K 10. říjnu 2014 bylo vyraženo 3707 m tunelu (tj. přibližně 49 % celkové délky) z obou portálů. Vlastní ražební práce ze západního portálu započaly v listopadu 2013 a z východního portálu v březnu 2014. Měsíční postupy závisejí na zastižených geologických podmínkách a pohybují se od 70 do 300 m za měsíc z každého portálu. Tomu odpovídající týdenní postupy jsou až 86 m z jedné čelby. Dokončení ražeb se předpokládá v druhé polovině roku 2015.
Firma Metrostav a.s. si během posledních let dokázala osvojit ražební metodu Drill & Blast, kterou s úspěchem použila na několika projektech realizovaných mimo ČR. Příkladem byly ražby tří tunelů v žulových horninách ve Finsku, v současnosti opět na Islandu a od tohoto roku také v Norsku. Dohromady už za posledních osm let touto metodou Metrostav vyrazil přes 16 km tunelů.

***

Základní údaje o stavbě Investor: Vegagerdin (Islandská správa komunikací) Projektant: Mannvit hf.
Dodavatel: JV Metrostav a.s. a Sudurverk ehf.
Doba výstavby: 8/2013-9/2017 Náklady: 9,3 mld. ISK, i.e. 1,66 mld. CZK Technické údaje o stavbě Celková délka tunelu: 7908 m Ražená část: 7566 m Délka hloubených úseků: 342 m Celková kubatura ražených částí: 434 000 m3 Literatura: (1) Loftsson M. a kol.: Nordfjardargöng. Reykjavík: Mannvit, 11/2012. (2) Kryštofová, E.: Fotoreportáže. Na Island za geologií recentního riftu.

O autorovi| Ing. Aleš Gothard, V roce 2007 ukončil studium na Stavební fakultě ČVUT v Praze, obor management a ekonomika. Od téhož roku je zaměstnancem společnosti Metrostav a.s., kde v současnosti zastává funkci vedoucího projektu. V roce 2014 obdržel ocenění Mladý manažerský talent do 35 let udělované ČMA. E-mail: mailto:ales.gothard@metrostav.cz