Rys. 2. | Zrealizowane rozwiązanie z bezpośrednim posadowieniem wiaduktów tymczasowych na głowicy ścianki szczelnej; a) na dwutorowej linii kolejowej Chorzów Batory – Tczew; b) na torze linii prowadzącej do kopalni Węgla Kamiennego „CENTRUM” w Bytomiu

Konieczność zapewnienia ciągłości komunikacyjnej przez stałe przeprawy mostowe, które zostały uszkodzone w wyniku zdarzeń destrukcyjnych lub długotrwałej eksploatacji, czy też przeznaczone do remontu, związana jest z potrzebą ich szybkiej odbudowy. Równocześnie ważne jest też wykonanie tymczasowych przepraw mostowych. Podobna sytuacja ma również miejsce w czasie budowy nowych obiektów, które według projektu są usytuowane pod lub nad istniejącymi drogami czy szlakami kolejowymi.
Utrzymanie ciągłości ruchu na torach kolejowych przy jednoczesnym prowadzeniu prac budowlanych miało miejsce podczas realizacji drugiego etapu obwodnicy Bytomia, stanowiącego dalszy ciąg etapu pierwszego. Całość prowadzonej inwestycji zlokalizowana była na trudnym, silnie zurbanizowanym terenie w miejscu występowania szkód górniczych trzeciej kategorii. Droga klasy GP posiada jedną jezdnię o dwóch pasach ruchu z możliwością dobudowy drugiej jezdni, jeśli powstanie taka potrzeba. Docelowo miała za zadanie wyprowadzać drogę nr 4 poza obrzeża miasta.
W drugim etapie zaprojektowane zostały cztery obiekty inżynierskie: wiadukt nad ul. Strzelców Bytomskich, wiadukt nad torami tramwajowymi, wiadukt nad ul. Topolową oraz tunel pod wiązką torów kolejowych między ul. Celną i Nowocelną (rys. 1).
Tunel o łącznej długości 100 m podzielono na zdylatowane segmenty: osiem segmentów o długości 10 m oraz segmenty o długości 8 m i 12 m, oznaczonych symbolami S1–S10. Różna długość tych ostatnich wynikała ze sposobu etapowania robót w obszarze między torami kolejowymi linii Chorzów Batory – Tczew a torem prowadzącym do Kopalni Węgla Kamiennego "CENTRUM" w Bytomiu, które położone są na nasypach o różnej wysokości.
W celu utrzymania ciągłości ruchu na czynnych torach szlakowych podczas budowy tunelu, zdecydowano się na rozwiązanie, polegające na bezpośrednim posadowieniu tymczasowych konstrukcji mostowych na głowicy ścianek szczelnych, które jednocześnie stanowiły obudowę wykopu (rys. 2).

Rys. 3. | Schemat zabezpieczenia wykopu wraz z wiaduktami tymczasowymi: a) na dwutorowej linii kolejowej Chorzów Batory – Tczew; b) na torze linii prowadzącej do kopalni Węgla Kamiennego „CENTRUM” w Bytomiu

Część robót prowadzona była w wykopie szerokoprzestrzennym przy pochyleniu skarp wykopu 1:1. W obrębie czynnych linii kolejowych zaprojektowana została obudowa tunelu ze ścianek szczelnych, prowadzących równolegle do osi tunelu, z pozostawieniem przestrzeni roboczej wynoszącej 1 m pomiędzy licem ściany a ścianką szczelną oraz prostopadle do osi na zakończeniu dwunastometrowego segmentu S5 przed wyższym nasypem kolejowym linii prowadzącej do Kopalni Węgla Kamiennego "CENTRUM" (rys. 3). Przejście pod czynnymi torami kolejowymi rozłożone zostało na dwa etapy.
W pierwszym etapie wykonano zabezpieczenie wykopu i montaż wiaduktów tymczasowych na linii Chorzów Batory – Tczew (rys. 4, fot. 1). Po zabudowaniu konstrukcji tunelu pod pierwszym mostem tymczasowym i odtworzeniu toru nad segmentem przystąpiono do drugiego etapu, obejmującego zabezpieczenie wykopu i montażu wiaduktu tymczasowego na linii prowadzącej do Kopalni Węgla Kamiennego "CENTRUM", przebiegającej na wyższym nasypie (rys. 5, fot. 2). Wysokość liczona od główki szyny do spodu wykopu wynosiła 9,5 m i 13,2 m odpowiednio w pierwszym i drugim etapie robót.
W projekcie zamiennym zdecydowano się na zastosowanie konstrukcji tymczasowych o rozpiętości teoretycznej przęsła 24 m i długości całkowitej 24,5 m. Konstrukcje odciążające o oznaczeniu HB-ZH 9 zostały wydzierżawione od niemieckich linii kolejowych (Deutsche Bahn). Mosty te charakteryzują się małą wysokością konstrukcyjną wynoszącą 100 cm oraz układem dźwigarów, dającym duże możliwości w zakresie kształtowania krzywizn łuku poziomego, jak i dowolnym możliwym układzie rozbieralnych chodników służbowych. Ciężar własny pojedynczej konstrukcji wynosi 55 ton.

Rys. 4. | Przekrój poprzeczny przy wiaduktach tymczasowych na linii kolejowej relacji Chorzów Batory – Tczew

Wykonawca robót inżynieryjnych zdecydował się na zastosowanie ścianek szczelnych Arcelor PU12, PU18 oraz Larssen 605 oraz na system kotew gruntowych Ischebeck TITAN. W zależności od występujących sił wykorzystano kotwy 40/16 i 52/26 przy podwójnie iniektowanych buławach o średnicy 110 mm i długości od 5 m do 12,5 m. Znaczne długości buław kotew gruntowych były wynikiem ich położenia przeważnie w gruntach spoistych, znajdujących się na większych głębokościach. Nachylenie kotew wynosiło 20o i 25o.

Fot. 1. | Widok wiaduktów tymczasowych wraz z obudową wykopu pod torami szlakowymi relacji Chorzów Batory – Tczew

Przejęcie reakcji z konstrukcji odciążającej realizowane było poprzez sztywny, stalowy oczep, na którym umieszczono specjalnie zaprojektowane ławy podłożyskowe (fot. 3). Rolą oczepu było równomierne przekazanie sił reakcji na ścianki szczelne, stanowiące obudowę wykopu. Bezpośrednio pod oczepem zamontowane zostały ściągi ze stali wysokiej wytrzymałości, kotwione do ścianek szczelnych, pełniących rolę płyty oporowej, wbitych w odległościach 7,5 m i 12,5 m od osi podparcia, przejmujących normowe siły hamowania i przyśpieszania taboru kolejowego.

Rys. 5. | Przekrój poprzeczny obudowy wykopu na linii bocznicowej do Kopalni Węgla Kamiennego „CENTRUM” w Bytomiu

Montaż kotew gruntowych odbywał się po wykonaniu wykopu na głębokość 0,5 m poniżej osi belek oporowych. Stosowano około 5–dniowe przerwy technologiczne pomiędzy kolejnymi fazami wykopów (fot. 4). W narożu wzajemnie prostopadłych ścianek szczelnych przy segmencie S5 wykonano konstrukcję z kształtowników stalowych, przejmującą siły parcia na sąsiednie ścianki (rys. 6 a i b). Taki zabieg był technologicznie konieczny, gdyż gabaryty urządzenia do wykonywania i iniekcji kotew gruntowych nie pozwalały na ich wykonanie w bliskiej odległości od ściany prostopadłej.

Fot. 2. | Widok wiaduktu tymczasowego wraz z zabezpieczeniem wykopu pod torem prowadzącym do Kopalni Węgla Kamiennego „CENTRUM” w Bytomiu

Przy obliczaniu ścianek szczelnych i sił w kotwach zastosowano zwiększone parcie gruntu, uwzględniające możliwość wystąpienia wstrząsów sejsmicznych, spowodowanych szkodami górniczymi. Takie podejście okazało się uzasadnione już na etapie budowy, kiedy doszło do wstrząsu o sile 3,4 w skali Richtera. Dzięki przyjętemu rozwiązaniu nie spowodował on żadnych negatywnych skutków w konstrukcji obudowy wykopu. Zgodnie z [3,4,5] belki oporowe oraz sąsiednie kotwy obliczono na przypadek zerwania jednej z kotew gruntowych choć, jak się okazało, taka sytuacja nie miała miejsca. Obliczenia przeprowadzono w oparciu o [1,2,3,4,5,7,8,9].

Fot. 3. | Ława podłożyskowa mocowana do ścianek szczelnych

Zastosowane rozwiązanie z wykorzystaniem bezpośredniego posadowienia konstrukcji na ściankach szczelnych jest w naszym kraju rozwiązaniem nowatorskim, natomiast z powodzeniem wykorzystuje się je np. w Niemczech.

Takie posadowienie powoduje przejęcie reakcji z wiaduktu przez ściankę szczelną, co znacząco redukuje obciążenie naziomu w porównaniu z rozwiązaniami tradycyjnymi. To z kolei ma wpływ na zmniejszenie sił parcia na obudowę wykopu, a tym samym również na zmniejszenie sił wewnętrznych w ściance i w kotwach gruntowych.

Fot. 4. | Wykonywanie kotew gruntowych Ischebeck TITAN

Do wyznaczenia nośności ściany szczelnej konieczna jest natomiast bardzo dobra znajomość parametrów geotechnicznych gruntów.
Możliwość stosowania krótkich wyłączeń torowych i komunikacyjnych oraz zapewnienie ciągłości ruchu w stosunkowo krótkim czasie i przy relatywnie niskich nakładach finansowych, w dobie narastającego natężenia ruchu zarówno drogowego jak i kolejowego, nabiera dla projektantów i wykonawców szczególnego znaczenia.

Rys. 6 a), b). | Szczegół konstrukcyjny powiązania wzajemnie prostopadłych ścianek szczelnych

Dobrym tego przykładem jest opisany w niniejszym opracowaniu nowatorski sposób budowy tymczasowych konstrukcji, którego zaletą jest znaczna redukcja kosztów ich realizacji. Przy planowanej rozbudowie sieci komunikacyjnej i kolejowej, popularyzacja prezentowanego rozwiązania może przynieść wymierne korzyści finansowe.

Literatura
[1]    Empfehlungen des Arbeitskreises "Baugruben" EAB. 4 Auflage, Berlin, Ernst & Sohn 2003.
[2]    PN-85/S-10030. Obiekty mostowe. Obciążenia.
[3]    PN-EN 1537:2002. Wykonawstwo specjalistycznych robót geotechnicznych. Kotwy gruntowe.
[4]    PN-EN 1997-1:2005. Projektowanie geotechniczne.
[5]    PN-EN 12063:2001. Wykonawstwo specjalistycznych robót geotechnicznych. Ścianki szczelne.
[6]    Projekt budowlany i wykonawczy Budowy Obwodnicy Miasta Bytomia Etap II od km 0+200 do 2+221, Inwestor: Gmina Bytom, Projektant: Rejonowe Przedsiębiorstwo Inwestycji Sp. z o.o., Maj 2004 r.
[7]    Sahajda K., Problemy projektowe związane z zabezpieczeniem wykopów ścianami szczelnymi. IV Seminarium Naukowo-Techniczne pt.: Nowoczesne technologie w fundamentowaniu, Firma Aarsleff Sp. z o.o. oraz Dolnośląski oddział Polskiego Komitetu Geotechniki, Wrocław, lipiec 2007.
[8]    Smoltczyk U., Geotechnical Engineering Handbook
3 vols, Ernst & Sohn 2003.
[9]    Weissenbach A., Baugruben. Teil 3: Berechnungsverfahren, 1. Auflage, Berlin, Ernst & Sohn, März 2001.