budowa tuneli w szwajcarii - inzynieria.com · tuneli dalej zależne jest od doświadczo-nych...

34 Geoinżynieria i Tunelowanie 02/2004 (02)

budownictwo podziemnebudownictwo podziemne budownictwo podziemnebudownictwo podziemne


W artykule przedstawione zosta-ły zagadnienia związane z budo-wą tuneli kolejowych i drogowych w Szwajcarii. Omówione zosta-ły sprawy planowania i finansowa-nia długich tuneli kolejowych jak i drogowych „Bypass“. Przedstawio-ne zostały metody drążenia tuneli przez urabianie materiałem wybu-chowym jak i specjalnymi maszy-nami urabiającymi TBM / TBE. W dal-szej kolejności omówiono sprawy związane z pomiarami geodezyjny-mi w czasie projektowania i budowy tuneli. Poruszono również zagad-nienia bezpieczeństwa pracy, eks-ploatacji obiektu oraz ochrony śro-dowiska.

1. Wstęp Budowa tuneli należy do tradycji szwaj-

carskiej. Była podyktowana warunkami terenowymi (Alpy): transport drogowy, aglomeracje miejskie (np.Zürich, Flims), względy ekonomiczne i nie bez znacze-nia ochrona środowiska. Od roku 1970 do

1998 przyrost transportu towarowego na drogach Szwajcarii wzrósł o 1150%. Ażeby podołać tym wszystkim problemom dzisiaj i w przyszłości, planowana jest rozbudo-wa i modernizacja istniejących i budowa nowych tuneli tak kolejowych jak i dro-gowych i innych (np. dla elektrowni wod-nych). W głównej mierze rozbudowywa-ne są tunele drogowe i to ze względu na bezpieczeństwo (kolizje, pożar, przewie-trzanie itd.) jak i odnowy nawierzchni, od-prowadzenia wody, hydrantów, sklepie-nia, ścian i oświetlenia.W tunelach kole-jowych uzupełniana i modernizowana jest sygnalizacja i zwiększane warunki bezpie-czeństwa.

Nowobudowane tunele drogowe są projektowane na obszarach aglomeracji miejskich jako tak zwany „Bypass”. Zada-niem ich jest odciążanie w ruchu drogo-wym (korki, przelotowość) jak i „uzdro-wienia” środowiska (spaliny, hałas). Mają podnieść bezpieczeństwo ruchu i szyb-kość połączeń tak wewnątrz aglomera-cji jak i z innymi miastami. Tunele ko-lejowe znajdujące się w budowie NEAT 1 (Gotthard-Basistunnel 57km plus Zim-merberg-Basistunnel 20km i Ceneri Basi-

stunnel 15km ) i Lötschberg-Basistunnel 34.8km mają znaczenie strategiczne. Po pierwsze regulują ruch osobowy i towa-rowy na osi północ-południe przez Alpy, po drugie uzupełniają sieć koleji szybko-bieżnych (Hochgeschwindigkeit) w Euro-pie a po trzecie pozwalają na szybsze, wy-godniejsze i bezpieczniejsze transporto-wanie ludzi i towarów. W dalszej części referatu przy pomocy przykładów pokaza-ne zostaną różnice i zbieżności w budo-wie dwóch rodzajów tuneli.

2. Planowanie, Finansowanie bu-dowy tuneli

Planowanie budowy tuneli moż-na podzielić na dwa rodzaje strategicz-ne i konkretne (techniczne). Planowa-nie strategiczne obejmuje różne aspek-ty, możliwości i przewidywania rozwoju technicznego jak i społecznego. Pierwszy projekt budowy „Basistunnel“ przez „Got-tharda“ byl wykonany już w roku 1962. Przewidywał on jednotorowy tunel o dłu-gości 45 km z „mijanką” w środku tunelu. Już w roku 1971 był przedstawiony pro-jekt budowy jednego tunelu dwutorowe-go z dodatkowym tunelem serwisowym.

Budowa tuneli w Szwajcarii

Rys.17. Pomiary w tunelu TPS2000




W roku 1995 zapadła jednak decyzja o budowie dwóch niezależnych „rur“ tu-nelowych z dwoma miejscami specjalny-mi, umożliwiającymi zmianę torów i oko-lo 180 przecznic pozwalających w razie awarii jednej rury tunelowej korzystanie z drugiej.

Planowanie konkretne obejmuje już sprawy techniczne, ochronę środowi-ska (przyjazne dla otoczenia) i jest zwią-zane ścisle z planowaniem finansowym. W Szwajcarii prawie zawsze sprawy tak ważnych decyzji jak budowa tuneli pod-dawane są pod głosowanie narodowe lub kantonalne. 29 listopada 1998 odbyło się głosowanie nad budową, sposobem finan-sowania i infrastrukturą publicznych kole-ji NEAT (AlpTransit przez Gotthard i Löt-schberg) i zostało przez obywateli przyjęte pozytywnie. Rys. 1 przedstawia plan sytua-cyjny przebiegu tunelu przez masyw Got-tharda. Planowanie długich tuneli drogo-wych odbywało i odbywa się w podobny sposób jak tuneli NEAT.

Obecnie budowa tuneli „Bypass“ leży w gestii kantonów i głosowanie odbywa się na szczeblu kantonalnym. Rys. 2 przed-stawia plan sytuacyjny tunelu Uetliberg.

W celu finansowania takich projektów tworzony jest Fonds, do którego wpływa-ją pieniądze z różnego rodzaju podatków (np. oleje napędowe, VAT, samochody cie-żarowe) i kredyty bankowe. Rys. 3 przed-stawia pochodzenie środków finansowa-nia i ich rozdysponowanie. Gromadzenie tych środków finansowych na NEAT bę-dzie trwalo 20 lat co da sumę 30 miliardó Franków. Z tych środków na budowę tylko tunelu AlpTransit-Gotthard przewidzianych jest około 7 miliardów Franków. Budowa tunelu „Bypass“ Uetliberg w całości ma kosztować około 1.2 miliardów Franków.

Krótka charakterystyka omawianych po-wyżej tuneli – kolejowego AlpTransit-Got-thard i drogowego Uetliberg.AlpTransit- Gotthard

- dwie niezależne rury tunelowe o dłu-gości 57 km każda

- dwa miejsca specjalne umożliwiające zmianę torów (tuneli)

- około 180 przecznic awaryjnych- średnica rur tunelowych 9.55 i 8.8m- odstęp rur tunelowych ca.40m- przewidywany koszt około 10 miliar-dów Franków.

- przewidywane oddanie do użytku rok 2014.

“Bypass” Uetliberg- dwie niezależne rury tunelowe z dwoma

pasami jezdni i jednym pasem postojowym- długośc całkowita 4.46km- średnica rur tunelowych ca.14.4m- całkowita szerokość jezdni 10.5m- liczne zabezpieczenia awaryjne, 300 m-przejście, 900 m-przejazd, 150 m-nisze

- przewidywany koszt ca. 1.2Mrd. Fr.- przewidywany termin oddania do użytku rok 2008.

3. Budowa tuneliNie zawsze prostoliniowe połączenie po-

między dwoma punktami jest połączeniem

Rys. 1 Plan sytuacyjny tunelu AlpTransit-Gotthard Rys. 2. Plan sytuacyjny tunelu Uetliberg

Rys. 3. Finansowanie projektu NEAT

Rys. 4. Podłużny przekrój geologiczny osi „Gotthard-Basistunnel“




najkorzystniejszym. Często bywa tak, że od-biegamy od prostoliniowego połączenia.

Najczęściej podyktowane jest to wa-runkami geologicznymi, które w zasad-niczy sposób, mogą utrudnić, a wręcz uniemożliwic prowadzenie robót tune-lowych. Znajomość warunków geolo-gicznych masywu górskiego decyduje o sposobie drążenia tuneli, o szybkości postępu, bezpieczeństwie jak i kosztach budowy. Istotne więc jest dobre rozpo-znanie geologiczne obszaru (masywu) przyszłych robót, szczególnie przy budo-wie długich tuneli (np. AlpTransit-Got-thard o długości 57km) i równoczesnym prowadzeniu budowy z różnych miejsc projektowanego tunelu. Na Rys.4 przed-stawiony jest podłużny przekrój geolo-giczny osi „Gotthard-Basistunnel” z za-znaczonymi miejscami pośrednimi roz-poczynania drążenia. Rys.5 przedstawia podłużny przekrój geologiczny tune-lu drogowego Uetliberg. Na podstawie tych przekrojów geologicznych można zauważyć zasadniczą różnicę warunków geologicznych tak w ułożeniu warstw skalnych jak i samych skałach, co jest uwarunkowaniem wyboru metody drą-żenia tych tuneli. Bardzo istotną przy drążeniu tuneli jest sprawa zaplecza (do-jazdów, składowiska części zamiennych, składowiska urabianej skały, przygoto-wanie kruszywa, betonu itd.). Zaplecze w zasadniczy sposób decyduje o postę-pie robót jak i bezpieczeństwie.

3.1 Sposoby drążenia tuneliPowszechnie przy budowie tuneli stoso-

wane są dwie metody drążenia: - klasyczna (urabianie skał przy pomocy

materiałów wybuchowych)- metoda z zastosowaniem tunelowych

maszyn urabiających (Tunnelbohrmaschi-ne TBM / tunnel boring machine) i TBE (Ausweitungstunnelbohrmaschine / enlar-gement tunnel boring machine).

Wybór jednej czy drugiej metody uza-leżniony jest od warunków geologicz-nych, długości i przekroju drążonego obiektu, przewidywanego postępu drąże-nia jak i uwarunkowań towarzyszących (zabudowa, zaplecze itd.). Często stoso-wane są dwie metody drążenia przy budo-wie tego samego tunelu. Obie te metody są metodami kompleksowymi budowy tu-neli. Oznacza to, że równocześnie z drąże-niem są robione zabezpieczenia wyłomu, uszczelnienia wyrobiska, transport urob-ku, dowóz betonu, kanalizacja, przewie-trzanie, „wykańczanie“ wyrobisk, zakłada-nie sygnalizacji i punktów kontrolnych itd. Można powiedziec, że obecnie przy budo-wie tuneli mamy do czynienia z „fabryką“, w której równocześnie produkowane są

Rys. 5. Podłużny przekrój geologiczny osi tunelu Uetliberg

Rys. 6. Metody drążenia tuneli: TBM, klasyczna

Rys. 7. Przekrój poprzeczny gotowego tunelu kolejowego

Rys. 8. Przekrój poprzeczny gotowego tunelu drogowego




różne elementy tunelu od drążenia do wy-stroju prawie końcowego. Rys.6 przedsta-wia te dwie metody drążenia wraz z całko-witym „kompleksem produkcyjnym“.

Długość takiego kompleksu drążenio-wego i „fabryki“ często przekracza 400m.

Rys.6 i 7 przedstawiają przekroje po-przeczne tuneli (kolejowy, drogowy) w fazie gotowej. Geologiczne prognozy pozwalają na przewidywanie warunków panujących w czasie drążenia jak i ustala-nia postępu dobowego tych robót, co jest istotnym parametrem kosztów budowy. Postęp dobowy drążenia jest różny w za-leżności od stosowanej metody i tak dla TBM może dochodzić do 20 m na dobę w „dobrej“ skale, a przy drążeniu klasycz-nym do 9 m na dobę przy pracy na trzy zmiany (dwie zmiany to drążenie, a jedna zmiana to przegląd i serwis maszyn ura-biających). Zahamowania postępu spo-wodowane są prawie zawsze warunka-

mi zabezpieczenia wydrążonej przestrze-ni. W zwartych skałach zabezpieczenie prowadzone jest równocześnie z drąże-niem. W luźnych skałach musi być to za-bezpieczenie prowadzone natychmiasto-wo dla wydrążonej cześci wyrobiska przy pomocy łuków stalowych, kotwi i nakła-danej betonowej osłony. W trudnych wa-runkach geologicznych dla zachowania „znośnego“ postępu bardziej niezawodna jest metoda klasyczna z nowoczesnymi wiertnicami typu Jumbo (równoczesne borowanie sześciu otworów). Wiertni-ce te łatwiej jest dopasować (dłuta, na-cisk) do warunków urabianej skały ani-żeli TBM, a oprócz tego „strata“ TBM w wyrobisku jest niezmiernie duża - nie tylko finansowa (20-30 milionow CHF), a szczególnie czasowa. Mimo wszyst-kich rozpoznań „geologia“ pozostaje do ostatniego metra drążenia tunelu sprawą niewiadomą. Mimo różnych mechanicz-

nych nowości powodzenie w budowie tuneli dalej zależne jest od doświadczo-nych fachowców i nie da się go niczym zastąpić.3.1.1 TBM, TBE (Tuunnelbohr-maschine)

Maszyny do borowania tuneli są z za-sady konstrukcjami indywidualnymi do-pasowywanymi do warunków i rozmia-ru budowanego tunelu. Głowice urabiają-ce są różnych rozmiarów. Średnice głowic TBM maszyn dochodzą do rozmiarów 10-ciu metrów, zaś średnice maszyn TBE do 14.5 m. Głowice te wyposażone są w „rol-ki” ścierajace, które można sterować poje-dyńczo przy pomocy specjalnych progra-mów komputerowych. Drążone wyrobi-sko może mieć kształt kołowy lub owalny (dopasowany do projektowanego) i wy-konywane jest to w jednym cyklu drąże-nia. Maszyny TBE (powiększone rozmiary urabiania) pracują techniką ścinania (ura-

Rys. 9. Głowica urabiająca TBM Rys. 10. Głowica urabiająca TBE

Rys. 11. Kolejność urabiania metodą klasyczną Rys. 12. Schemat podstawowej sieci pomiarowej „Gotthard-Ba-sistunnel” - pomiary GPS




biania) od „tylu” (Hinterschneidtechnik). W pierwszej fazie drążone jest wyrobisko pilotowe o średnicy ok. 5m przy pomo-

cy TBM. W drugiej fazie jest drążony peł-ny wymiar wyrobiska np.14.4m przy czym maszyna z wyrobiska pilotowego jest w nim rozpierana i pomaga przy urabia-niu przez dużą głowicę (sześcioramienną) ciągnac ją na siebie. Rys.9 przedstawia gło-wice borującą TBM, a Rys.10 przedstawia głowicę borującą maszyny TBE.

3.1.2 Metody klasycznePrzy metodach klasycznych w więk-

szości stosuje się wiertnice typu Jumbo. Drążenie wyrobiska w zasadzie podzie-lone jest na części tak jak pokazano na Rys.11, przy czym zachowana jest kolej-ność drążenia. Sposób drążenia poszcze-gólnych części uzależniony jest od prze-kroju wyrobiska jak i od warunków geolo-gicznych skał.

4. Pomiary geodezyjne, instru-menty pomiarowe

Przy budowie tuneli, a w szczególności przy budowie najdłuższego tunelu kole-jowego świata AlpTransit-Gotthard prace geodezyjne zaczynają się dużo wcześniej niż rozpoczęcie budowy i twają ciągle, tak długo jak długo tunel jest eksploato-wany. Prace geodezyjne rozpoczynają sie w fazie planowania tunelu i mają za za-dnie zebranie założeń podstawowych projektu, koordynację projektu ze wszyst-kimi współpracującymi oraz ustalenie z projektantami geometrii obiektu i za-łożeń jakościowych i dokładnościowych dla projektowanego tunelu. Następnym zadaniem geodetów jest przeniesienie projektu z planu w realny świat. Ażeby to zrealizować, jest zakładana sieć pomia-rowa punktów stałych obejmująca całość projektu. Sieć punktów stałych służy do zadania właściwej osi tunelu z jego jed-nej i drugiej strony, jak również w miej-scach pośrednich prowadzenia robót tu-nelowych. Służy również do prowadzenia pomiarów kontrolnych i deformacyjnych. Istotne jest, ażeby sieć punktów stałych była jednolita i miała wysoką dokładność określenia położenia tych punktów. Daw-niej były to pomiary triangulacyjne, obec-nie są to pomiary GPS. Rys.12 przedsta-wia schematycznie taką sieć GPS.

Następnymi zadaniami geodetów są: przygotowanie podkładów mapowych, map przeglądowych, i danych grunto-wych (kataster, pokrycie terenu, mode-le terenu).

Do dalszych zadań geodezyjnych należą: - prace wytyczeniowe tunelu, do któ-

rych zalicza się założenie i utrzymanie sie-ci podstawowej punktów (x,y,z), wytycza-nie i kontrola sieci podziemnej (tunelowej) postępu robót przy metodzie klasycznej czy TBM urabiania,

- geometria projektu – położenie szyn jezdni, sieci trasy, geometria obiektów,

- prace wytyczeniowe tunelu i obiek-tów towarzyszących, założenie i utrzyma-nie podstawowej sieci punktów stałych dla pozycji i wysokości w tunelu, kontrola po-stępu, sterowanie postępu maszyn TBM czy też wiertnic tunelowych, kontrola po-prawności wykonanych robót,

- kontrola terenu i obiektów – pomiary kontrolne dla zagrożonych obiektów, po-miary deformacyjne przed, w czasie i po zakończeniu budowy,

- koordynacja danych – wspólne aktua-lizowanie danych pomiarowych projektu, wymiana cyfrowa danych,

- pomiary konwergencyjne.Wykonywanie tych pomiarów odbywa

się w ścisle określonych cyklach czaso-wych. Cykle te ustalane są zgodnie z po-stępem robót w tunelu i potrzebami po-szczególnych użytkowników i wykonaw-ców. Rezultaty wykonanych pomiarów (współrzędne) muszą być w przeciągu 24 godzin od zakończenia pomiarów meldo-wane do centrali budowy i udostępnio-ne do dalszego wykorzystania dla innych użytkowników. Dla zachowania jednako-wej dokładności (jakości) wykonywanych pomiarów, obliczeń i dokumentacji wyda-wane są przez kierownictwo projektu jed-nolite centralne wytyczne ich wykonania.

4.1 Instrumenty pomiaroweDo realizacji tych wszystkich zadań po-

miarowych nieodzowne są różnego ro-dzaju instrumenty geodezyjne. Muszą to być instrumenty zapewniające dużą do-kładność pomiarów, stabilne, w większo-ści zmotoryzowane, wieloczynnościowe i mające elektroniczną rejestrację danych. Na wszystkich tych budowach tunelowych wykorzystywane są w większości instru-menty pomiarowe produkowane przez Leica Geosystems AG.

Najczęściej używanymi instrumentami geodezyjnymi są :

- odbiorniki GPS – Leica GPS500 i Leica GPS1200 Serie, Rys.13

- tachymetry elektroniczne – Leica TPS2000, TPS1100 i TPS1200 Serie, Rys.14

- niwelatory precyzyjne NA3003 i DNA03 , Rys.15 jak również przyrządy giroskopowe do pomiarów orientacyjnych w tunelach.

Odbiorniki GPS pozwalają na określe-nie współrzędnych punktów z milimetro-wą dokładnością niezależnie od warun-ków pogodowych.

Precyzyjne tachymetry elektroniczne są zmotoryzowane. Wyposażone są w dal-mierze mierzące odległości na reflektory (pryzmaty) jak i bez reflektora z dokład-nością do 2 mm. Bez reflektora mogą mie-rzyć odległości do 700 m (TPS1200). Posia-

Rys. 13. System GPS – Leica GPS1200Serie

Rys. 14. System TPS – Leica TPS1200Serie

Rys. 15. Precyzyjny niwelator cyfrowy DNA03

Rys. 16. Pomiary w tunelu TPS1100




dają tak zwane ATR (automatyczne napro-wadzanie na cel (pryzmat). Dodatkowo wyposażone są w widzialną wiązkę la-serową wykorzystywaną często do pro-wadzenia prac realizacyjnych (tyczenie). Wszystkie te tachymetry pozwalają na elektroniczną rejestrację danych pomiaro-wych. Wyposażone są we własne progra-my pomiarowe (on board) i mogą współ-pracować z programami sterowanymi z zewnętrznych komputerów. Poza tym mogą być obsługiwane (sterowane) zdal-nie (radiomodemy). To zdalne sterowanie jest prawie nieodzowne przy pomiarach tunelowych tam, gdzie instrumenty geo-dezyjne znajdują się w trudnodostępnych miejscach jak i przy wytyczaniu punktów do wiercenia otworów wiertniczych.

Rys. 16,17 przedstawiają praktyczne zasto-sowanie tachymetrów przy budowie tuneli.

5. Warunki bezpieczeństwai ochrona środowiska

5.1 Warunki bezpieczeństwaWarunki bezpieczeństwa przy budowie

tuneli odgrywają istotną rolę. Już przy pla-nowaniu budowy tuneli zwraca się uwagę na zapewnienie optymalnych (bezpiecz-nych) miejsc pracy. Dotyczy to tak prac zmechanizowanych (maszyny), wiercenia otworów, prac wybuchowych jak i trans-portu. Bardzo istotne znaczenie ma prze-wietrzanie wyrobisk tunelowych tak ze względów higieny pracy, możliwości wy-stępowania wybuchowych gazów jak i wysokich temperatur (dochodzących do 45°C przy budowie tunelu AlpTransit-Got-thard). Warunki bezpieczeństwa kontro-lowane są przez SUVA (Schweizerischen Unfallversicherungsanstalt).

Dodatkowo prowadzone są szkole-nia pracowników budowy tuneli w spe-cjalnym ośrodku badawczym V-S-H (Ver-suchsStollen Hagerbach). Jest to ośrodek badawczy, szkoleniowy i testowy w spra-wach budowy tuneli i innych. Warunki bezpieczeństwa dotyczą również eksploa-tacji gotowego obiektu. Do nich zalicza sie drogi ucieczki, schronienia, komunika-cję itd. w czasie awarii czy kolizji. Rys.18 przedstawia jedno z takich rozwiązań.

5.2 Ochrona środowiskaOchrona środowiska jest bardzo istotną

sprawą przy różnych budowach, ale szcze-gólnie przy budowie tuneli. Już przy pla-nowaniu budowy tuneli, (AlpTransit-Got-thard i innych) są ścisle określone warun-ki, jakie musi spełniać budowa ze względu na ochronę środowiska, jak i metody kon-troli w czasie budowy, a również posunię-cia pozwalające na zachowanie tych usta-leń. Ochrona środowiska zaczyna się już od

oddzielnego składowania warstw humuso-wych, zabezpieczenia przed hałasem urzą-dzeń kruszących skały, przygotowujących beton i warsztatów naprawy maszyn ura-biających (wybór odległych miejsc, obiek-ty zamknięte). Kolejnym ważnym zagad-nieniem są sprawy wody tunelowej, która musi być oczyszczona i ochłodzona zanim zostanie odprowadzona do rzek. Jeszcze innym zagadnieniem są sprawy doprowa-dzania prądu (słupy), sprawy komunikacji (trasy transportowe), które muszą być tak zaplanowane, ażeby nie wpływały nieko-rzystnie na krajobraz i żyjących tam ludzi. Wszystkie te czasowe place budowy, insta-lacje jak i przyroda muszą być doprowadzo-ne do stanu wyjściowego przy zakończeniu budowy, Rys.19 .

Nie zawsze jest to możliwe, wtedy spe-cjalne komisje ochrony środowiska ustala-ją „znosny” do przyjęcia stan zagospodaro-wania opuszczanego obiektu. l

Referat został wygłoszony podczas konferencji „Bu-downictwo tunelowe w Karpatach i jego ekologicz-ne uwarunkowania”, Krynica 7-8 czerwca 2004 zor-ganizowanej przez AGH

Literatura[1] AlpTransit Gotthard AG.: Prospekte-Konzept und Realisierung, Luzern, 2/2002[2] Dzierżega A. : Die neuesten Totalstationen von Leica und deren anwendungsmöglichkeiten im Markscheidewesen, ISM-Kongress, Krakow,2000[3] Ebneter F. : Aufgaben und Organisation der Vermessung, Ingenieurvermessung, ETH, Zürich, 2004, 247-249[4] Leica Geosystems AG. : Prospekte TPS1100 Professionel Series , Nr.713024de, TPS1200 Serie, Nr.738581de , Heerbrugg,RDV[5] Riesen H. :Tunnelvermessung,Fachtagung für Untertagebau, Locarno,2003,45-50[6] Stengele R. : Geodätische Grundlagen für den Gotthatd-Basistunnel, Ingenieurvermessung, ETH, Zürich,2004, 249-250

autordr hab. inż. Alojzy DzierżęgaLeica Geosystems AG, Heerbrugg (Szwajcaria)

Rys. 18. Rozwiązania wyjść awaryjnych – Gotthard-Basistunnel

Rys. 19. Obraz terenu budowy po jej zakończeniu

budowa tuneli w szwajcarii - inzynieria.com · tuneli dalej zależne jest od doświadczo-nych...

Documents