Poznámka: Autor si nedal za cieľ vyjadrovať sa presne a odborne, alepriblížiť tunelovanie širokým vrstvám. Preto na viacerých miestách zámerne použil ľuďové výrazy, ktoré by stavebný technik v tej súvislosti nikdy nepoužil.
Základným kameňom štítovania je oceľová konštrukcia štíta. Vyzerá toako kus veľkej rúry, ktorá sa zatlačí do zeme. To zabezpečí stenya hlina sa vám sype do priestoru iba spredu.
Prvý tunelovací štít sa použil už v roku 1825 v Londýne popod rieku Temžu v tzv. londýnskych modrých íloch. Dovtedy nemali ľudia skúsenosti s razením v zeminách, preto sa tento tunel podarilo postaviť iba s obrovskými problémami. Slúži dodnes.
Ako som už spomenul, základným problémom je nestabilita výrubu. Keď sa bavíme o štítoch, tak nás bude zaujímať stabilita prednej časti, odkiaľ ťažíme - čelby. Pokiaľ sa pohybujeme v súdržných zeminách, ako sú íly alebo prachovité zeminy, tak tej stabilite výrazne pomáha súdržnosť medzi zrnami, ktorá spôsobí, že zemina dokáže istú dobu udržať aj kolmú stenu. Keď sme ale v sypkých zeminách, tie sa nám už podľa názvu budú dovnútra sypať.
Starý postup bol asi taký, že prednáčasť štíta sa nechala zasypať. Vnútrištítu ju potom vyťažili a v zadnej časti vymurovali steny, alebo zabududovali vopred pripravené betónové dielce. Keď to bolo hotové, lismi medzi štítom avybudovanými stenami tlačili štít dopredu. Vyťažili, čo sa im spredunasypalo, stiahli piesty lisov, do medzery medzi lismi a užpostavenými stenami zabudovali nový prstenec ostenia, opreli o neho lisy, piesty zasenatiahli, čím sa štít posunul znova dopredu a opakovali, kým tunel nebol hotový. Keď už som spomenul, že ostenie bývalo murované alebo betónové, uvediem aj, že v Sovietskom zväze bol metalurg najváženejším povolaním po elektrikárovi a baníkovi, tak títo presadili, že ich obrovskú nadprodukciu železa, s ktorým nevedeli, čo robiť, využijú aj tak, že budú vyrábať ostenie z liatiny. No jednak sa to až tak moc neosvedčilo a navyše v dnešnej dobe by to bolo už príšerne drahé.
Štítovanie v Londýne na začiatku minulého storočia
Ten popísaný postup, ale dnes už vo svete neletí. Zjavnou nevýhodou jeručná práca pri ťažení zeminy, ktorá sa dala zmechanizovať iba čiastočne. Pri veľkých priemeroch tunelovej rúry je to navyše dosť nepraktické, lebo pri výške tunela je zasypaný úsek dosť dlhý, čo predlžuje štít. No a keď máte dlhý štít, nemôžete v tuneli raziť zákruty o malých polomeroch. Preto sa tieto nemechanizované štíty s otvoreným čelom začali vylepšovať za účelom obmedziť dĺžku zasypanej časti. Hoci štrky a piesky sú sypké, občas dokážu udržať kolmú stenu. Táto zdanlivá súdržnosť je spôsobená elektrostatickými silami v kapilárne viazanej vode. Keď je vody veľa, piesky stečú, keď nie je žiadna, tak sa zosypú. Na tomto fakte bolo založené citlivé prevlhčenie prostredia, z ktorého sa potom ťažilo ako zo súdržnej zeminy. Zase treba povedať, že to nešlo vo všetkých prostrediach. Keď je totiž zemina štrkovitá, póry medzi zrnami sú príliš veľké na to, aby sa prejavovali kapilárne javy, preto k tejto metóde bolo potrebné prostredie aj s jemnozrnnými frakciami. Inou možnosťou bolo do predku štítu umiestniť vodorovné plošinky alebo priehradky, takže ten potom vyzeral, ako sito s veľkými okami. Predpokladalo sa, že zemina sa cez priečinky pretlačí a potom dopadne dole do zásobníka, odkiaľ sa dopravníkovými pásmi vyvezie na povrch. Prakticky to tak ale tak jednoducho nefungovalo, lebo mazľavé íly sa na tie priečinky vo veľkom lepili a navyše zvyšovali odpor pri zatlačovaní. V nesúdružných pieskoch a štrkoch to išlo o trochu lepšie, ale aj tak na tých plošinách ostávala pôda a bolo treba intenzívnu manuálnu obsluhu.
Štít s priečinkami použitý pri razení berlínskeho metra
Potom prišli štíty s uzatvoreným čelom. Upravilo sa čelo do akéhosi lievika a pri tlačení sa cez neho sypal materiál do komory. Cez pauzu sa potom komora otvorila a vyprázdnila. Ako každé riešenie, aj toto malo určité ťažkosti, a to hlavne v samotnom lieviku. Materiál zo spodnej časti mal problém byť vytlačený hore do ústia lievika, takže štít ho z veľkej časti prakticky tlačil pred sebou.
Sťít s uzatvoreným čelom a naznačený pohyb zeminy pred ním
Ja som síce tú históriu štítov popísal akoby za nič nestáli a technici sa ich držali iba kvôli tomu, že nevedeli vymyslieť lepšiu náhradu, pravda ale je taká, že pomocou nich bolo postavených dosť, hlavne mestských tunelov a kolektorov a vcelku úspešne. Popisoval som globálne problémy, tí ľudia na stavbe riešenia vždy našli. Pokrok ale začiatkom sedemdesiatych rokov začal presadzovať mechanizované štíty. Čiže prišlo na mechanické rozpojovanie zeminy a aj na automatický odvoz vyťaženého materiálu. Štít dostal na svoje čelo frézu.
Rotačná fréza štítu použitého pri stavbe urýchľovača HERA v Hamburgu, v osemdesiatych rokoch minulého storočia
V Sovietskom zväze dávali do popredia kotúčové frézy. Je nutné priznať, že tieto sovietske stroje boli dosť prepracované a prakticky pre každé mesto, ktoré malo metro, bol vyvinutý vlastný typ štítu, vhodný do jeho inžiniersko-geologických pomerov. Mali s tým rozsiahle skúsenosti a mohli si to dovoliť. Dodnes tam pôsobia leningradské, moskovské aj kyjevské štíty, hoci v poslednej dobe prechádzajú skôr na nemecké štíty. Dlhú dobu soudruzi zo ZSSR vyvýjali štít s monolitickým ostením. Predstavovali si to tak, že do teleskopického debnenia budú spredu čerpať čerstvý betón a o tento sa budú opierať lisy, ktoré svojím tlakom budú betón zhutňovať. Zaujímavé, že im veľmi dlho trvalo, než zistili, že je to z veľkej časti somarina. Že obrovské sily tlačiace štít dopredu sa musia opierať o pevné steny.
Moskovský štít na spodných obrázkoch je nakreslený pohyb fréz
Západ stavil na rotačné frézy.
Koncom šesťdesiatych rokov sa zjavil pod zemou anglický štít, najskôr familiárne, ale čoskoro aj oficiálne nazývaný drumm-digger. Dokázal vyraziť tunel oveľa rýchlejšie ako nemechanizované štíty. Základom bola rotačná fréza s pevnými dlátami (vyzerajúce ako gulička na tyčinke) a bubon s otvorom v strede, ktorým sa materiál dostal do komory, odkiaľ sa odoberal. Čiže frézovacia hlava v prednej časti štítu sa otáčala proti čelbe celá.
Drumm-digger v národnom železničnom múzeu v Yorku (verím, že mi odpustia použitie foto)
V sedemdesiatych rokoch sa do popredia dostali nemecké štíty a tie sú na výslní doteraz, dokonca sa zdá, že konkurencia ich bude dobiehať iba ťažko. Fréza má osadené pevné dláta rovnakého tvaru ako klasický majzel (vidno, že rokmi overené jednoduché nápady sú najlepšie) a sú tesne pri otvoroch, takže škrabú zeminu priamo do stroja na ďalší odvoz. Okrem toho môžu byť vybavené aj pohyblivými dlátami, ktoré sú úspešné pri prechode siltovitými horninami, čo sú vlastne tiež íly, ale tak stlačené, že už majú charakter poloskalnej až skalnej horniny a samozrejme aj cez ľadovcové morény a aj najpevnejšie skaly.
Štít s priemerom trinásť metrov použitý pri stavbe H8 Tunnel Jenbach v Tirolsku. Všimnite si čierne disky, čo sú pohyblivé dláta a "zuby" na okrajoch otvorov, čo sú pevné dláta
Všetky staré metódy boli popísané iba za neprítomnosti hlavného nepriateľa tunelárov, ktorým je podzemná voda. Je vcelku zjavné, že pod hladinou podzemnej vody nie je možné používať štíty bez ďalších opatrení, lebo by sa voda vovalila do tunela. Bolo vymyslených viacero alternatív, ako s ňou bojovať.
Najjednoduchšiou metódou je čerpať ju studňami v okolí čelby. Bolo to však veľmi nepraktické riešenie, lebo tunel nemohol byť veľmi hlboko pod terénom, bolo treba veľa studní, podľa toho ako postupovalo razenie a bolo to aj energeticky veľmi náročné.
Potom sa vymyslelo tzv. vákuové čerpanie, ktoré sa s úspechom používalo v na neho vhodných geologických podmienkach, čo boli relatívne menej priepustné zeminy, kde bola voda viazaná hlavne kapilárne. Vákuovým čerpadlom sa vytváral v prostredí podtlak, ktorý vodu uvoľňoval a ona odtiekla do klasických čerpacích studní resp. ihiel. Ak však bola tá zemina veľmi málo priepustná, trvalo to neskutočne dlho. Pre také prípady bola vyvinutá technológia elektrosomotického vysušovania. Zapichli sa katóda a anóda a voda prúdila spolu s elektrickým prúdom. Pristupovalo sa aj k zmrazovaniu zemín. Najskôr na rovnakom princípe ako mraznička, neskôr sa objavila technológia zmrazovania skvapalneným dusíkom a inými plynmi.
Ako najvýhodnejšie sa ale v posledných rokoch ukazuje byť tesnenie spojené s podopieraním čelby. Pri frézach už musíte horninu nejakým protitlakom podopierať, aby sa nevovalila naraz do odbúravacieho priestoru, lebo to zrovna nechcete.
Rotačná hlava Singapúrskeho tunela razeného v čistých íloch
Jedna možnosť je v prednej časti kompresormi zabezpečiť pretlakvzduchu, ktorý bráni zeminám zavaliť koleso frézy a podzemnej vode vo veľkomprúdiť do neho. Tento spôsob razenia bol patentovaný už v roku 1830, prvý tunel sa tak razil v New Yorku (zhodou okolností neúspešne) v sedemdesiatych rokoch toho istého storočia. Nevýhodou je vyžadovaná presnosť pretlaku. Pokiaľnastavíte iba o niečo nižší pretlak vzduchu, zaleje vás voda. Ak by ste naopak ten pretlak mali vyšší ako optimálny, takvám bude vzduch vo väčších množstvách unikať do okolitého prostredia a v krajných prípadoch môže spôsobiť pretrhnutie nadložia, čo sa aj niekoľkokrát s tragickými následkami stalo. Natlakovaný vzduch z tunela doslova vyhodil do luftu vrstvy hornín nad štítom, vzniknutou trhlinou vyfučal ako gejzír na povrch a zrazu nemalo čo držať čelbu, ktorá sa zosypala do štítu. V Hamburgu pri razení tunela popod rieku Labe sa roztrhlo nadložie a vo veľmi krátkej dobe bol zatopený celý tunel. Nie všetci pracovníci stihli újsť. Držanie čelby natlakovaním vzduchu sa môže použiť na zabezpečenie komory (pneumatický štít) alebo tak, že savzduch natlačí do celého tunela, ktorý je hermeticky uzavretý a razí sapotom bagrami iba pod ochranou štítu s otvorenou čelbou. Od tejtotechnológie sa ale v poslednej dobe upustilo, lebo okrem popísanýchproblémov je práca pod pretlakom fyzicky viac náročná a hrozí pri nejkesónová choroba, čo spôsobuje neúmerné náklady na pracovníkov, keďžeje nutné ich v tom priestore rýchlo striedať. Prakticky sa dá použiť iba to pretlaku 3,5 baru, čo zodpovedá asi 35 metrom vodného stĺpca.
Pneumatický štít pri stavbe parížskeho metra v šesťdesiatych rokoch minulého storočia
Inou možnosťou je podopierať čelbu samotnou zeminou,ktorú ťažíme. Vo vhodnom pomere pridávame najčastejšie penovitéprostriedky, čím vznikne zemitá kaša. Táto sa potom z odbúravacieho priestoru ťaží šnekom (závitníkovým dopravníkom). Ovládaním rýchlosti šneku sa reguluje tlak, ktorý zeminová hmota vyvodzuje proti čelbe. Technológia má označenie EPB - Earth-pressure balance - rovnováha zemným tlakom.Jej zásadnou nevýhodou je, že potrebujeme rovnakú geológiu po celejtrase, a to iba ílovité zeminy, lebo z iných by sme nespravili kašu. Vývoj teraz smeruje k tomu, aby sa dali využiť aj nie čisté íly, ale aj iné zeminy, ktoré majú určitý podiel ílovitých častíc. Napriek týmto obmedzeniam je to veľmi progresívnatechnológia, ktorá sa s úspechom využíva pri stavbe tunelov v hrubýchvrstvách morských ílov, ktoré sú po svete veľmi rozšírené (nachádzajú sanapr. aj pod Bratislavou v hĺbke okolo 30 metrov). Jasnou prednosťou sú nízke náklady.
EPB-štít použitý pri stavbe Katzenbergského tunela v Bádensku
Pokiaľ však vedieme tunel v nehomogénnych podmienkach, alebo síce vhomogénnych vrstvách, ale nie v íloch, treba čelbu podopieraťkvapalinou. Prvý hydroštít sa v tunelárstve objavil v roku 1961. Najčastejšie sa používa bentonitová pažiacasuspenzia. Sú to vlastne vo vode rozpustené a chemicky zreagované jemnéíly so zrnami priemeru 2 až 5 tisícin milimetra. Suspenzia má túvlastnosť, že je vode aj vzduchu nepriepustná a keď je jej plné koleso,tak stroj funguje tak, ako má - ťaží iba to, čo majzle s diskaminašrabú, nepripustí vysoké prítoky podzemnej vody a navyše maže, čímznižuje trenie na styku frézy a horninového prostredia. Do tejtosuspenzie sa dostane vyťažený materiál a spolu s ňou sa vyťaží napovrch, kde sa odseparuje a suspenziu možno znova použiť. V zásade existujú dva spôsoby ako suspenziou zabezpečiť protitlak. Japonské a anglické patenty to robili reguláciou prítoku suspenzie, čím menili jej tlak v komore tesne za frézou. Nemecká technológia spočíva v tom, že bentonit sa iba priviedol do komory a jeho tlak je regulovaný vzduchovým vankúšom v hornej časti. Tam sa kompresormi zabezpečí pretlak, ktorý nestlačiteľná suspenzia prenáša na čelbu. Toto je posledný výkrik techniky, ale nemyslím si, že sa vývoj zastaví na tomto bode. Totiž výroba, regenerácia a aj likvidácia suspenzie sú strašne drahé a náročné aj na priestor, aj na energiu. Taktiež sú potrebné silné pumpy, ktoré celú suspenziu s vyťaženou zeminou musia vytlačiť niekoľko kilometrov tunela a potom ešte na povrch.
Bentonitový štít a za ním celý stroj tunela H3-4 Münster/Wiesing v Tirolsku v januári 2007
Tu v menšej animácii vám ukážem princíp bentonitového hydroštítu. Jedná sa o tzv. MIX-štít, t.z. že je vhodný aj do zemín a prejde aj polohami skalných hornín. Prvá ukážka je v nemčine, druhá v angličtine, inač je to to isté. Ak by mi niekto v diskusii poradil nejaký freeware na pridanie tituliek, dodatočne to preložím. Ak vás to ale skutočne zaujíma nemyslím si, že by bolo strateným časom si to pozrieť, hoci nebudete rozumieť, aspoň uvidíte časti štítu a budete si to vedieť lepšie predstaviť.
((MIX-schild))
((slurry))
V tejto animácii je popísaný EPB-štít, ak keď nebudete rozumieť, názorne uvidíte rozdiely medzi týmito dvoma technológiami.
((EPB-schild))
((EPB-shield))
Toľko k štítovaniu, v niektorom ďalšom článku sa bližšie pozrieme na zúbky samotnému tunelovaciemu stroju.
