Geotechnika w infrastrukturze kolejowej

Prace geotechniczne odgrywają kluczową rolę w modernizacji infrastruktury kolejowej, zapewniając stabilność i bezpieczeństwo na całej trasie. Linia LK104 zlokalizowana jest w czole istniejących osuwisk – szlak przechodzi przez obszary aktywne bądź predysponowane geodynamicznie. Dlatego też jej modernizacja oraz budowa i modernizacja przyległej infrastruktury drogowej wiążą się z koniecznością zabezpieczenia ich konstrukcji w rejonach zidentyfikowanych stref zagrożenia ruchami osuwiskowymi. Przebudowa infrastruktury wymaga również solidnego posadowienia obiektów mostowych oraz budowy tuneli. Dodatkowo z uwagi na dostosowanie linii do nowych, wyższych prędkości wymagane jest wykonywanie podcięć istniejących skarp, co powoduje konieczność wprowadzania zabezpieczeń. Zapewnienie bezpieczeństwa przejazdów przez tereny jest najważniejszym celem prac geotechnicznych.

Modernizowana trasa podzielona jest na kilka odcinków. W ramach zadania „Rozbiórka, przebudowa, rozbudowa i budowa obiektu budowlanego pn. Linia kolejowa nr 104” firma Tergon realizuje kompleksowe prace geotechniczne na poniższych odcinkach:

• Odcinek A1: Chabówka–Rabka Zaryte

Wykonanie zabezpieczeń terenów zagrożonych ruchami geodynamicznymi, a także zabezpieczeń podcinanych zboczy.

Technologie:

• palisady z pali stanowiących konstrukcję oporową wraz z ich kotwieniem
• palisady z pali stanowiące zabezpieczenie przeciwosuwiskowe
• wykonanie drenów wgłębnych odwadniających
• posadowienie obiektów mostowych.

Generalny wykonawca: Budimex S.A.

• Odcinek E: bocznica Klęczany–Nowy Sącz

Wykonanie zabezpieczeń terenów zagrożonych ruchami geodynamicznymi, zabezpieczeń podcinanych zboczy i skarp oraz bariery przeciwodłamkowe.

Technologie:

• palisady z pali stanowiących konstrukcję oporową wraz z ich kotwieniem
• palisady z pali stanowiące zabezpieczenie przeciwosuwiskowe
• palisada z mikropali stanowiąca zabezpieczenie fundamentu istniejącej linii energetycznej
• instalacja systemowej bariery przeciwodłamkowej na terenach zagrożonych obrywami skalnymi.

Generalny wykonawca: konsorcjum Torpol S.A. i Intop Warszawa sp. z o.o.

• Odcinek D: Limanowa–bocznica Klęczany

Zabezpieczenie ściany czołowej portalu zachodniego i wschodniego na potrzeby drążenia tunelu TD10 w technologii TBM oraz wykonanie posadowienia części obiektów mostowych.

Fot. Tergon

Technologie:

• palisada z pali wielkośrednicowych zbrojonych koszem stalowym oraz z prętów z włókna szklanego jako ściana czołowa portali
• zakotwienie palisad portali przy pomocy linowych dwubuławowych kotew gruntowych
• wiercenie oraz montaż drenów wgłębnych odwadniających skarpy przy portalach
• wiercenie i montaż gwoździ gruntowych stanowiących zabezpieczenie skarp przy portalach
• wiercenie gwoździ zbrojonych prętami z włókna szklanego zabezpieczających grunt w rejonie rozpoczęcia drążenia tunelu.

Generalny wykonawca: konsorcjum Gülermak S.A. i Budimex S.A.

Fot. Tergon

Historia linii

Linia kolejowa nr 104 zlokalizowana jest w Beskidzie Wyspowym, jej długość to 76 km. Pomysł na budowę tej linii kolejowej sięga czasów Austro-Węgier – została ona wybudowana w 1884 r., następnie pojawiły się plany o jej modernizacji, co jednak przerwała I wojna światowa. Ze względu na jej stan, ruch na tej linii został wstrzymany całkowicie w 2004 r., a przywrócono go dopiero w 2016 r. po remoncie, jednak wyłącznie dla zabytkowych pociągów. Stan techniczny infrastruktury był wciąż niedostateczny i wymagał modernizacji. Linia ta była kluczowa, aby poprawić komunikację między Krakowem a południową Małopolską, zwiększyć turystykę i atrakcyjność inwestycyjną oraz skrócić czas przejazdu między strategicznymi miejscowościami. W końcu udało się rozpocząć modernizację linii: w 2021 r. zaczął się etap I – prace przygotowawcze. Fizyczne roboty budowalne rozpoczęły się w 2023 r. od odcinka A1 Rabka–Chabówka. Planowane zakończenie modernizacji tej linii przypada na 2029 r.

Budowa geologiczna i warunki hydrogeologiczne

Linia kolejowa przebiega przez teren Zewnętrznych Karpat Zachodnich (fliszowe), a konkretnie przez płaszczowinę magurską. Są one zbudowane z osadowych skał powstałych w zbiorniku morskim. Na podstawie badań stwierdzono obecność gruntów niespoistych (piaski, żwiry, otoczaki) w różnych stanach zagęszczenia, a także gruntów spoistych (gliny, piaski gliniaste, żwiry gliniaste, pospółki gliniaste, pyły z domieszkami i przewarstwieniami). Ponadto występują iły oraz iły pylaste, grunt organiczny (namuły) i zwietrzeliny (w tym gliniaste) oraz rumosze. W utworach rodzimych znajdują się także skały, takie jak łupki, mułowce, brekcje i piaskowce.

Zakres prac geotechnicznych

1. Osuwiska

Analiza geologiczna

Przeprowadzona analiza (wykonana przez Egis Rail S.A., MGGP S.A.) prognozuje możliwe zmiany właściwości podłoża gruntowego, zwłaszcza w przypowierzchniowych warstwach gruntu. Na obszarach z gruntami spoistymi, podczas długotrwałych opadów, może dojść do nawodnienia, skutkującego obniżeniem ich wytrzymałości. W gruntach niespoistych, szczególnie na terenach zalewowych, podnoszenie i opadanie poziomu wód gruntowych wpływa na ciśnienie porowe, co obniża wytrzymałość na ścinanie, a tym samym komplikuje roboty ziemne. Dodatkowo obciążenia cykliczne, np. wywołane przejazdami pociągów, mogą prowadzić do upłynnienia gruntu i spadku nośności fundamentów. Wykopy na trasie wymagają też uwzględnienia odprężenia gruntu, które może zwiększyć wietrzenie i osłabić stabilność skarp. Ponadto, na terenach osuwiskowych w regionie fliszu karpackiego intensywne opady mogą aktywować procesy geodynamiczne, co również wiąże się ze wzrostem ciśnienia wody i ryzykiem przemieszczania się mas ziemnych.

Technologie geotechniczne zostały dobrane na podstawie analizy wytrzymałościowych konstrukcji zabezpieczających osuwiska w oparciu o dwa niezależne podejścia obliczeniowe. Na podstawie wyników przeprowadzanych analiz numerycznych (osiadania i nośności podłoża) zaproponowano rozwiązania odnośnie wzmocnienia podłoża pod nasypami drogowymi oraz kolejowymi na poszczególnych odcinkach, zabezpieczenia skarp głębokich przekopów oraz zabezpieczenia obszarów aktywnych bądź predysponowanych osuwiskowo.

Beton podkładowy. Fot. Tergon

Jak wskazuje analiza geotechniczna, niektóre osuwiska mogły być w przeszłości okresowo aktywne. W projektowanych rozwiązaniach technicznych uwzględniono warunki gruntowe – obecność gruntów gliniastych w plastycznym i miejscami miękkoplastycznym stanie oraz niewielką odległość osuwisk od linii kolejowej. Ruchy osuwiskowe mogą się uaktywnić po długotrwałych opadach przy złej gospodarce wodnej lub w wyniku ingerencji robót ziemnych, szczególnie podcięcie skarp i zboczy. W przypadku aktywacji procesów geodynamicznych, linia kolejowa przebiegająca przez czoło osuwiska może ulec uszkodzeniu, prowadząc do deformacji nasypu kolejowego.

Specyfika wykonanych zabezpieczeń

Mając na uwadze powyższe, wykonane zostało zabezpieczenie osuwisk za pomocą ażurowej konstrukcji oporowej w formie palisady z częściowo kotwionych pali wierconych 1200 mm, 800 mm,  500 mm. Przyjęta technologia wiercenia eliminuje konieczność wykonywania podkopów istniejącej skarpy na czas robót związanych z wykonaniem konstrukcji, tak więc eliminuje się ryzyko aktywacji procesów geodynamicznych. Jako zwieńczenie palisad wykonany został oczep żelbetowy – jego zadaniem jest zwiększenie efektywności palisady poprzez jej uciąglenie oraz umożliwienie przeniesienia sił osiowych z kotew gruntowych. Na wybranych odcinkach konstrukcja stanowi tymczasową obudowę wykopu.

Fot. Tergon

Kotwienie wykonane zostało w poziomie zwieńczenia konstrukcji oporowej. Jego zadaniem jest zmniejszenie sił wewnętrznych w palach oraz ograniczenie przemieszczeń konstrukcji. Rozstawy, długość, nośność, kąt pochylenia są zmienne w zależności od warunków gruntowych, odcinka linii oraz wysokości podcinanych zboczy i skarp.

Na jednym z odcinków zaprojektowana została palisada z mikropali zwieńczonych oczepem. Brak możliwości realizacji standardowych pali wierconych spowodowany był kolizją z linią energetyczną, co uniemożliwiało pracę maszyny typu palownica.

Fot. Tergon

2. Konstrukcje oporowe

Modernizacja linii kolejowej oraz przyległej infrastruktury drogowej wymaga podcięcia istniejących zboczy na kilku odcinkach trasy – działanie takie stwarza realne ryzyko aktywacji procesów geodynamicznych. Zabezpieczanie podcinanych skarp w technologii kotwionych palościanek wierconych eliminuje to ryzyko. Przy tej technologii nie ma bowiem konieczności wykonywania podkopów istniejącej skarpy. Aby dodatkowo zwiększyć efektywność palisady, wykonane zostały oczepy żelbetowe, które pozwolą na przeniesienia sił osiowych z kotew gruntowych. Kotwienie pozwoli na zmniejszenie sił wewnętrznych w palach oraz ograniczenie przemieszczeń konstrukcji oporowych.

Realizacja konstrukcji – zarówno w ramach osuwisk, jak i zabezpieczenia istniejących podcinanych zboczy – to ponad 1 tys. szt. pali betonowych, zbrojonych specjalnymi kształtownikami i prefabrykowanymi koszami.

Palisady wykonano z pali wierconych typu CFA o średnicach 300 mm, 400 mm, 500 mm oraz 800 mm. Dodatkowo stabilność konstrukcji gwarantuje kotwienie przy pomocy kotew gruntowych i mikropali kotwiących o nośności do 700 kN. Zakotwienia zbrojone masywnymi, systemowymi prętami/żerdziami gwintowanymi mają za zadanie zabezpieczyć teren przed osunięciami i wzmocnić podłoże, co jest kluczowe dla bezpieczeństwa modernizowanej infrastruktury kolejowej.

3. Posadowienia obiektów

Osobnym zadaniem objęte zostały prace związane z wykonaniem posadowienie obiektów mostowych na palach wierconych. W tym celu wykonane zostały konstrukcje w postaci pali typu CFA oraz pale wielkośrednicowe o średnicach 400 mm, 500 mm, 800 mm, 1000 mm oraz 1200 mm, stanowiących posadowienie obiektów mostowych.

4. Kontrola jakości

W zakresie badań kontrolnych pali wierconych wykonano szczegółowe badania i testy jakościowe szczegółowo określone w PZJ. Są to m.in.:

• metryka dla każdego pala obejmująca: numer pala, data i czas wykonania, długość pala, parametry wiercenia oraz betonowania
• badanie wytrzymałości betonu na podstawie badań znormalizowanych próbek pobieranych z dostarczonej mieszanki betonowej; próbki pobierane są przez wykwalifikowane laboratorium w ilości szczegółowo określonej w dokumentacji.
• próbne obciążenia pali fundamentowych – wykonane przez niezależną jednostkę ekspercką na podstawie odrębnego projektu próbnego obciążenia pala fundamentowego.
• badanie ciągłości pali metodą fali dźwiękowej, tzw. sonic-echo.

5. Wykonanie zabezpieczenia portali na potrzeby drążenia tunelu

Obecnie trwają pracę przygotowawcze przed rozpoczęciem drążenia tunelu TD10 w technologii TBM. W ramach tego przeprowadzamy szereg prac zapewniających stabilność docelowej konstrukcji poprzez realizację zabezpieczenia portalu wschodniego i zachodniego. To m.in.: pale wielkośrednicowe 1200 mm zwieńczone oczepem o wymiarach 1,0 m x 1,5 m, iniekcyjne kotwy gruntowe dwubuławowe, gwoździe gruntowe i dreny odwadniające.

Fot. Tergon

Na obu portalach powstanie palisada z pali wierconych o średnicy 1200 mm – zbrojonych stalowym koszem oraz zbrojeniem z włókna szklanego w miejscu pracy tarczy TBM. Dla portalu wschodniego, na którym rozpocznie się praca tarczy, za palisadą nośną powstaną dodatkowe pale plastyczne amortyzujące moment przebijania się tarczy przez ścianę czołową portalu.

Fot. Tergon

Palisada będzie zakotwiona przy pomocy cięgnowych kotew gruntowych w technologii linowej SW z wykorzystaniem techniki wielobuławowej: na portalu zachodnim wykonane zostaną 22 kotwy na trzech poziomach, a na wschodnim 20 kotew na dwóch poziomach, każda o nośnościach około 1100–1300 kN. Pochylenie, geometria kotew oraz usytuowanie buław zostały zaprojektowane w niestandardowy sposób – tak, aby uniknąć kolizji z promieniem plastycznym tunelu, przez który będzie przechodzić tarcza TBM. Realizacja obejmuje także montaż głowic oraz przeprowadzenie badań odbiorczych z jednoczesnym blokowaniem kotwy na wskazanej sile naciągu. Wybrane kotwy będą również monitorowane specjalnymi czujnikami, które mierzyć będą aktualną siłę w czasie pracy konstrukcji.

Dodatkowo w ramach zabezpieczenia skarp bocznych portali dla prawidłowego ich odwodnienia wykonane zostaną dreny wgłębne o długości 10 m pod nachyleniem 10° – zaś dla poprawienia wskaźnika stateczności wykonane zostaną samowiercące gwoździe R51 o długości 9 m i nośności 630 kN.

W ramach wzmocnienia gruntu pod przejazd tarczy TBM zamontowane zostaną poziome gwoździe gruntowe GFR z włókna szklanego o długości 18 m, nośności 200 kN.

Na portalu wschodnim przewidziano dodatkowo wykonanie żelbetowych ram wzmacniających palisadę z pali w śladzie planowanego przejazdu maszyny TBM dla tunelu głównego T10 oraz tunelu awaryjnego. 

Realizacja robót zakłada prowadzenie prac geotechnicznych w kompleksie łupkowo-iłowcowym (L+Ic).

6. Bariery przeciwodłamkowe

Dodatkowym zabezpieczeniem na wybranych odcinkach są bariery przeciwodłamkowe. Mają one za zadanie chronić infrastrukturę oraz zapewnić bezpieczeństwo w miejscach zagrożonych obrywami skalnymi. Bariery wykonane zostaną na odcinku 470 mb, w formie konstrukcji o wysokości 3 m. Systemowa bariera przewidziana jest do przeniesienia energii o wartości do 750 kJ. Zakłada się posadowienie bariery na niezależnej konstrukcji opartej na mikropalach oraz żelbetowym oczepie zwieńczającym palisadę z pali – w zależności od lokalizacji. Montaż wykonany będzie wraz z zamontowaniem systemowych lin granicznych oraz odciągów stanowiących kompletne urządzenie amortyzujące.

Fot. Tergon

Podsumowanie

Prace geotechniczne przy modernizacji linii kolejowej nr 104 są kluczowym elementem zapewniającym stabilność infrastruktury w wymagających warunkach geologicznych. Szeroki zakres robót, a także szczegółowe badania jakościowe są gwarancją bezpieczeństwa trasy i zapewnieniem długoterminowej trwałości konstrukcji.

Badanie kotew. Fot. Tergon

Efektem tych prac będzie nie tylko poprawa bezpieczeństwa, ale także zwiększenie efektywności transportu kolejowego w regionie, co przyczyni się do rozwoju komunikacyjnego. 

Przeczytaj także: Geoinżynieria i budownictwo podziemne. Wybrano laureatów nagród TYTAN 2024