Spis treści

1.

Wstęp

2

1.1

Cel i zakres opracowania

2

1.2

Rozpatrywany problem

2

1.3

Podstawy teoretyczne

3

1.4

Podstawowe definicje i pojęcia

4

1.5

Charakterystyka wariantów wykonania

5

1.5.1

Wykopy ze ścianami niezabezpieczonymi

5

1.5.2

Wykopy ze ścianami zabezpieczonymi

6

1.5.3

Stropowa metoda budowy tuneli

10

1.5.4

Przyjęte warianty wykonania

11

2.

Wielokryterialna analiza porównawcza

12

2.1

Wstępny zbiór kryteriów

12

2.2

Ostateczny zbiór kryteriów

13

2.3

Metody WAP

16

2.4

Obliczenie ocen syntetycznych

20

3.

Podsumowanie

21

3.1

Wnioski

21

3.2

Literatura

22

1.

Wstęp

1.1

Cel i zakres opracowania

Celem niniejszego opracowania jest sporządzenie projektu analizy wielokryterialnej

przyjętego problemu, związanego z wybranym, dowolnym, zagadnieniem z zakresu

budownictwa. Na potrzeby ćwiczenia założono, że dane zagadnienie musi posiadać

przynajmniej trzy możliwe warianty wykonania oraz podlegać będzie ocenie pod względem

czterech wybranych kryteriów. Projekt podzielono na dwie części: w pierwszej, teoretycznej,

omówiono problematykę wybranego zagadnienia, scharakteryzowano przyjęte warianty

rozwiązania oraz wprowadzone założenia, natomiast w drugiej, obliczeniowej, dokonano

właściwej analizy oraz sporządzono ocenę otrzymanych wyników.

1.2

Rozpatrywany problem

Na potrzeby projektu przyjęto następujący problem: wybór metody wykonania

płytkiego tunelu komunikacyjnego w warunkach miejskich.

Rozpatrywany tunel jest tunelem kolejowym, wykonanym jedną z metod

odkrywkowych. W tym celu przyjęto pewne założenia, mające wpływ na wybór

odpowiednich rozwiązań konstrukcyjnych. Projektowany tunel jest tunelem

komunikacyjnym, kolejowym, liniowym, dwunawowym. Wykonany zostanie w technologii

monolitycznej w terenie średnio-zabudowanym. Będzie się w nim odbywał dwukierunkowy

ruch pociągów o prędkościach < 160 km/h co pozwoli zaliczyć linię kolejową do 1 kategorii –

tzw. linie pierwszorzędne. Tunel jest konstrukcją żelbetową, złożoną z dwóch naw

rozdzielonych ścianą środkową. W tunelu występują 4 podstawowe elementy konstrukcyjne:

ściany, oczepy, płyta stropowa i płyta denna. Ściany spełniają rolę elementów podpierających

stropy. Oczepy służą do połączenia kolejnych sekcji ścian. Ściany spięte oczepami stanowią

element słupów ramy, natomiast rygiel w formie płyty stropowej utwierdzony jest ścianach

skrajnych. Płyta denna z kolei ma za zadanie przenieść obciążenia od taboru kolejowego na

podłoże gruntowe oraz powstrzymać napływ wody do tunelu.

Obliczenia przeprowadzono dla jednego modułu dylatacyjnego (długość 25 m) dla

wymiarów przyjętych według rysunku nr 1 w części rysunkowej. Obliczenia kosztów zostały

wykonane w oparciu o program Norma Pro 4,36 wersja demonstracyjna oraz materiały

pochodzące z budowy tunelu łącznicy kolejowej do portu lotniczego Okęcie.

1.3

Podstawy teoretyczne

Dalszy rozwój współczesnej cywilizacji jest zależny od wielu czynników spośród,

których istotne miejsce zajmuje możliwość przemieszczenia się, zarówno towarów jak i ludzi,

mająca na celu zaspokojenie potrzeb gospodarki. Zostało to dobrze ujęte w pracy [4]:

„podstawą właściwego funkcjonowania współczesnej gospodarki jest sprawna infrastruktura.

Jej ogromna rola jest widoczna szczególnie wyraźnie na przykładzie krajów rozwijających

się. Pomimo niejednokrotnie występującego nadmiaru czynników produkcyjnych, jak np. siły

roboczej, bogactw naturalnych, żyznej ziemi a nawet kapitału – gospodarkę może cechować

stagnacja lub mało intensywny rozwój tak długo dopóki nie wytworzy się między innymi w

niezbędnym zakresie siatkę infrastruktury, zwłaszcza w zakresie komunikacji.„

Siatka infrastruktury powinna być zaplanowana tak, aby transport cechował się

szybkością i bezkolizyjnością. Cechy te mogą zostać zapewnione na kilka sposób, spośród

których aktualnie najbardziej racjonale wydaje się przeniesienie układu komunikacyjnego

ponad powierzchnię terenu za pomocą transportu lotniczego, lub pod ziemię w postaci

transportu wykorzystującego tunele.

Rozwiązania te mają jeszcze jedną zaletę. Pozwalają zaoszczędzić jedno z nieodnawialnych

dóbr z jakich może korzystać człowiek – wolnej przestrzeni. Jest to o tyle istotne, że stale

wzrastająca liczba ludności na świecie wpływa na dążenie do zapewnienia ludziom

przyjaznego środowiska do zamieszkania. W dobie postępu i ciągłej industrializacji ważne

jest „myślenie w kategoriach zrównoważonego rozwoju, gdzie środowisko, z jakim mamy

szansę obcować, jest tylko pożyczone przez obecnie żyjących, musi zostać zwrócone

następnym pokoleniom w stanie, który nie utrudni lub wręcz nie zablokuje koegzystencji

człowieka oraz przyrody, która jest nieodłączną częścią środowiska naturalnego człowieka.”

[8]

W dużych miastach i aglomeracjach ważnym elementem infrastruktury

komunikacyjnej są płytkie budowle podziemne. Ich wzrastającą rolę zaobserwować możemy

również w polskich miastach, w których powstaje coraz więcej tuneli drogowych, tuneli dla

pojazdów szynowych (tramwajowych, kolejowych czy metra) jak również innych budowli

podziemnych: przejść dla pieszych, parkingów i garaży. Pod pojęciem płytkich budowli

podziemnych możemy rozumieć obiekty podziemne zlokalizowane na małej głębokości

poniżej powierzchni terenu. W ujęciu geotechnicznym natomiast: „określenie płytkie odnosi

się do charakterystycznego sposobu oddziaływania ośrodka gruntowego na budowlę,

polegającego na przekazywaniu na strop ciężaru całej bryły gruntu zalegającej nad jej rzutem,

łącznie ze wszystkimi obciążeniami, również o charakterze dynamicznym, znajdującymi się

na naziomie.” [9] W Polsce budowla traktowana jest jako płytka jeżeli stosunek zagłębienia

stropu do szerokości wyrobiska nie przekracza umownej granicy równej 5.

W przypadku płytkich podziemnych budowli komunikacyjnych jednym z

podstawowych sposobów ich wykonywania jest korzystanie z metod odkrywkowych (inna

nazwa „metody wykopowe”), dla których charakterystycznymi elementami są głębokie

wykopy szeroko- lub wąskoprzestrzenne. Przy czym w przypadku gęstej zabudowy miejskiej

zazwyczaj możliwe jest tylko stosowanie wykopów wąskoprzestrzennych. Realizacja

budowli opiera się na podobnym schemacie: po wykonaniu wykopu wznoszona jest obudowa

a następnie wykop zasypuje się ziemią. Taka forma wykonania obiektu pozwala nam więc

mówić, że roboty odkrywkowe są klasycznymi robotami ziemnymi, jakie wykonuje się przy

wznoszeniu typowych budowli. Ma to wpływ na zasadnicze problemy jakie wiążą się z tym

typem prowadzenia robót, mianowicie:

a) możliwość utraty stateczności przez ściany wykopu, a co za tym idzie

konieczność właściwego ich zabezpieczenia,

b) napływ wody do wykopu (zarówno ten spowodowany obniżeniem poziomu

wód gruntowych, jak również będący efektem opadów atmosferycznych),

wymagający zapewnienia odpowiedniego odwodnienia.

Wszystko to wpływa na to, że głębokie wykopy wymagają przeprowadzenia

dokładnego rozpoznania geologicznego i określenia parametrów geotechnicznych. Ponadto

praca na znacznych głębokościach wiąże się z trudnościami technologicznymi, związanymi

głównie z odspajaniem i transportem urobku, oraz problematyką określania wpływu

prowadzonych robót na obiekty sąsiadujące z wykopem. Dlatego też niezmiernie ważna jest

obserwacja przemieszczeń wykopu i terenu, ich analiza oraz właściwa interpretacja.

1.4

Podstawowe definicje i pojęcia

Dla potrzeb projektu w tym punkcie zostały omówione tylko podstawowe pojęcia

z zakresu tunelowania związane z tematem projektu. Bardziej szczegółowe definicje można

znaleźć w literaturze [2][3][6].

Budowla podziemna to budowla inżynierska, która jest zagłębiona poniżej

powierzchni gruntu. Zasadniczym obciążeniem jej konstrukcji jest ciężar otaczającego gruntu.

Tunel to budowla podziemna, stanowiąca przejście podziemne dla celów

komunikacyjnych (droga, kolej, ciąg pieszych) lub transportowych (wodociąg, kanał, sztolnia

hydrotechniczna), poziome lub o niewielkim pochyleniu podłużnym. Zasadniczo tunelem

powinno być nazywane tylko takie przejście podziemne, które zostało wykonane bez

naruszenia podczas budowy wyżej od niego leżących skał lub gruntu. Często jednak w

potocznym użyciu zostaje uznana za tunel budowla podziemna wykonana w otwartym

wykopie i później zasypana lub zbudowana w inny specjalny sposób. Według polskiej normy

[10] tunel jest to budowla podziemna o charakterze liniowym, która służy celom

komunikacyjnym lub transportowym, niezależnie od metody ich wykonania.

Tunelem komunikacyjnym jest budowla służąca do przeprowadzenia drogi, kolei,

żeglugi, przejścia dla pieszych lub innego rodzaju komunikacji pod przeszkodą.

Zgodnie z polską normą [10] tunel wykonywany metodą odkrywkową to taki, którego

fragmenty lub cała obudowa stała jest wykonywana w otwartym wykopie. Zasadniczo

możemy podzielić odkrywkowe metody budowy tuneli na:

a)

wykonanie wykopów szerokoprzestrzennych,

b)

wykonanie wykopów wąskoprzestrzennych (przekopów).

W odniesieniu do wykopów stosuje się różne rodzaje określeń, z których

najważniejsze dla niniejszej pracy zdefiniowano, w oparciu o literaturę [12], poniżej:

a)

wykop szerokoprzestrzenny – wykop, którego głębokość jest mniejsza od

szerokości dna lub wykop o szerokości dna większej od 1,5 m,

b)

wykop wąskoprzestrzenny – wykop, którego głębokość jest większa od szerokości

dna lub wykop o szerokości dna mniejszej od 1,5 m,

c)

wykop głęboki – wykop o ścianach pionowych, zabezpieczonych obudową

o głębokości większej od 3m.

W zagranicznej literaturze za głębokie uznaje się wykopy o głębokości co najmniej

6 m.

1.5

Charakterystyka wariantów wykonania

O ile ogólny tok postępowania przy wznoszeniu obiektów podziemnych metodami

odkrywkowymi pozostaje w zasadzie dla różnych metod taki sam to stosowane są różne

rodzaje obudów wykopów oraz różne sposoby zapewnienia ich stateczności, mające wpływ

na szczegółowe rozwiązania konstrukcyjne i organizację pracy. Również samo projektowanie

może być prowadzone w oparciu o różne metody obliczeniowe. Nie jest to jednak zadanie

proste i wymaga odpowiedniego doświadczenia w analizie, ocenie i interpretacji parametrów

geotechnicznych oraz wymiarowania takich konstrukcji. Metody odkrywkowe są ściśle

związane z metodami zabezpieczeń pionowych ścian wykopów. Rodzaj obudowy wybiera się

po analizie istniejących warunków gruntowo-wodnych, obciążenia obudowy (parciem gruntu,

parciem hydrostatycznym, obciążeniem naziomu, obciążeniem od projektowanego obiektu

itp.), topografii terenu, wpływu realizacji projektowanego wykopu na istniejącą zabudowę i

infrastrukturę techniczną w bezpośrednim sąsiedztwie, względami ekonomicznymi,

społecznymi i innymi.

1.5.1

Wykopy ze ścianami niezabezpieczonymi – wariant 1

W takich przypadkach zastosowana może być najprostsza metoda budowy tuneli na

małych głębokościach. Polega ona na wykonaniu otwartego wykopu szerokoprzestrzennego o

naturalnym nachyleniu skarp. Następnie realizowany obiekt (obudowa tunelu) jest wznoszony

w sposób analogiczny do sposobu wznoszenia budowli kubaturowej na poziomie obniżonym

w stosunku do powierzchni otaczającego terenu. Mimo znacznej ilości robót ziemnych często

jest to najtańsza metoda. Prowadzenie prac w wykopie szerokoprzestrzennym zapewnia

szybki postęp ze względu na łatwą dostępność w przypadku wykonywania robót ziemnych,

szalunkowych, zbrojarskich oraz betonowania konstrukcji. Stosowana jest zawsze wtedy, gdy

pozwalają na to warunki geotechniczne, na terenach wolnych od zabudowy. Może natomiast

być nieopłacalna na dużej głębokości lub w gruncie nawodnionym zalegającym poniżej

zwierciadła wody.

Skarpy wykopu kształtujemy stosownie do własności geotechnicznych gruntu.

wspomagająco można stosować ścianki szczelne w dolnych partiach wykopów. Zwłaszcza

jeśli pojawi się woda gruntowa to wykopy ze skarpami wykonuje się tylko do poziomu

zwierciadła wody a dalsze pogłębianie prowadzi się w do właściwej głębokości pod osłoną

ścianki szczelnej. Pochylenie skarp w gruntach niespoistych musi być mniejsze od kąta tarcia

wewnętrznego. W gruntach spoistych może być większe gdyż utrzymywanie skarp w

równowadze zapewnia spójność gruntu. W przybliżeniu w gruntach niespoistych można

przyjmować pochylenie skarp 1:1,5, natomiast w gruntach spoistych może dochodzić nawet

do 1:1 (w gruncie spoistym półzwartym). Często występuje potrzeba obniżania zwierciadła

wód gruntowych, filtrujących do wykopu. Schemat realizacji płytkiego tunelu metra w

wykopie szerokoprzestrzennym pokazano na rys. 1. Więcej informacji na ten temat można

znaleźć w literaturze [1][2][7][12].

Rys. Realizacja płytkiego tunelu metra w wykopie szerokoprzestrzennym

Źródło: Madryas C., Ryż K., 2003

a)

wykop szerokoprzestrzenny z ukształtowaniem skarp,

b)

pogłębienie wykopu z zabezpieczeniem ściankami szczelnymi,

c)

wykonanie obudowy tunelu.

1.5.2

Wykopy ze ścianami zabezpieczonymi wariant – 2

W przypadku trudności ustabilizowania skarp wyrobisk w gruntach słabych lub bardzo

mocno nawodnionych konieczne staje się zastosowanie odpowiedniej obudowy wykopu

szerokoprzestrzennego

Natomiast na terenach o gęstej zabudowie istnieje konieczność minimalizacji

utrudnień komunikacyjnych oraz ograniczania wpływu przewidywanych robót na sąsiednie

obiekty. Minimalizacja zajętości terytorialnej osiągana jest dzięki wykonawstwu obiektów

podziemnych w wykopach wąskoprzestrzennych. W procesie budowy obiektów tą metodą

występuje etapowanie robót w układzie poprzecznym podobnie jak podczas drążenia

wyrobisk podziemnych.

Sposób realizacji robót ziemnych oraz system zapewniania stateczności ścian wykopu zależą

od rodzaju jego obudowy, rozmiarów i warunków w jego bezpośrednim sąsiedztwie.

Obudowa wykopu w miarę jego pogłębiania jest jednostronnie odsłaniana.

Jak podają Madryas i Ryż [7] We współczesnych realizacjach do zabezpieczania ścian

wykopów zarówno szeroko- jak i wąskoprzestrzennych są stosowane:

a)

ścianki szczelne, zazwyczaj stalowe, kształtowane w postaci brusów o różnych

profilach (np. Larssen, Krupp, Peine) lub żelbetowe wprowadzane w grunt

poprzez wbijanie, wciskanie, wwibrowanie,

b)

ścianki berlińskie w rozwiązaniu klasycznym (stalowe dwuteowniki

szerokostopowe wprowadzane pionowo w grunt co kilka metrów, głębienie

wykopu etapowane z jednoczesnym instalowaniem opinki drewnianej),

c)

ścianki berlińskie w rozwiązaniu współczesnym (słupy prefabrykowane lub

formowane w gruncie różnymi technikami, opinka w postaci płyt betonowych

prefabrykowanych, belek stalowych, elementów drewnianych lub torkretu),

ścianki paryskie (opinka pomiędzy słupami prefabrykowanymi), ścianki

lutecjańskie (opinka pomiędzy palami zbrojonymi),

d)

ścianki typu palisadowego wykorzystujące:

- pale wiercone dużych średnic (do 3 m) w układach rozłącznych, stycznych

i przenikających się, wykonywane w rurach obsadowych lub pod osłoną

hydrostatyczną (tiksotropowa zawiesina bentonitowa),

- pale wiercone wykonywane w technologii ciśnieniowego betonowania ciągłego

typu CFA lub STARSOL (świder ślimakowy z rurą centralną) o średnicach 0,4 -

1,5 m,

- pale wykonywane techniką wysokociśnieniowej iniekcji strumieniowej (jet

grouting.),

- mikropale o średnicach 100 - 200 mm,

- pale baretowe o różnych kształtach,

e)

ściany szczelinowe formowane w gruncie pod osłoną hydrostatyczną z zawiesiny

bentonitowej (betonowane metodą podwodną „contractor”, głębokość do 50 m,

grubości standardowe 0, 62, 0,82, 1,02 m, przeciętna szerokość panelu 5-6 m) lub

prefabrykowane z betonu zbrojonego z uszczelnieniem typu „water-stop”.

W polskiej literaturze [3][6][12] podane są szczegółowe warunki wykonywania

poszczególnych obudów. Tutaj przytoczyłem tylko najważniejsze zasady dotyczące

najczęściej stosowanych.

Ścianki szczelne mogą być wbijane, gdy wstrząsy wywołane pracą kafara nie wywołają

negatywnego skutku na budynki położone w sąsiedztwie placu budowy. Należy również

uważać na podziemne przewody instalacyjne. Z tego względu niekiedy w terenie uzbrojonym

wykonuje się wykop na głębokość 2,00 m, a następnie dopiero w jego dno wbija ściankę

szczelną. Głębokość wbicia ścianek szczelnych zależy od rodzaju gruntu oraz ilości wody

gruntowej, która może napływać do wykopu. W przypadku ścianek drewnianych pale

kierujące wbijane są 1,00-1,50 m poniżej dna wykopu, a bale o koło 0,50 m płycej.

W przypadku ścianek z profili stalowych, zagłębia się je podobnie jak pale kierujące.

Przy wykonywaniu wykopów o szerokości większej niż 6,00 m, duże zastosowanie znalazła

metoda berlińska. Polega ona na zabezpieczeniu ścian wykopu za pomocą poziomych bali

drewnianych grubości 5-12 cm opartych o wbite w grunt słupy stalowe z profili dwuteowych

normalnych lub szerokostopowych (I300-500). Najlepsze wyniki ekonomiczne daje metoda

berlińska przy głębokości wykopu sięgającej 10-15 m i w gruntach piaszczystych, dających

się łatwo odwodnić.. Słupy stalowe wbijane są na głębokość ok. 1,5m poniżej dna wykopu.

Przy gruntach słabych głębokość tę należy zwiększyć o 2,00-3,00 m. Rozparcie obudowy

ściany wykonuje się za pomocą rozpór lub kotew osadzonych w gruncie nienaruszonym. W

wykopach o szerokości do 10 m można stosować rozpory z drewna, a liczących do 15,0 m

stosowane są pojedyncze rozpory stalowe. Dla wykopu mającego szerokość do 20 m stosuje

się rozpory kratownicowe. W wykopach szerszych niż 20 m konieczne jest stosowanie

pośrednich pali. Można je wykonać z dźwigarów stalowych. Dzięki temu zmniejsza się

długość wyboczeniową rozpór. Można też stosować pale usytuowane w licu ściany. Tak

wykonane pale można kotwić za pomocą kotew gruntowych. Ujemną stroną metody

berlińskiej jest trudność szczelnego wypełnienia wolnej przestrzeni między zewnętrzną

powierzchnią ściany tunelu a gruntem, dla uniknięcia osiadania przyległego terenu. Wada ta

występuje w większym lub mniejszym stopniu przy wszystkich metodach wykonawstwa

w wykopie otwartym.

Obecnie najszersze zastosowanie znajdują ściany szczelinowe, rozwiązując wiele trudnych

problemów do pokonania metodami tradycyjnymi. Są to elementy o dużej uniwersalności,

pełniące jednocześnie trzy funkcje:

a)

przejmowanie parcia gruntu (obciążenie poziome),

b)

przenoszenie obciążeń pionowych w przypadku, gdy stanowią element

konstrukcyjny obudowy,

c)

stanowią wodoszczelną obudowę wykopu.[5]

Po zrealizowaniu ścian szczelinowych można wykonać strop a dopiero na końcu prowadzić

roboty ziemne. Niezaprzeczalną zaletą tej metody jest jej bezwstrząsowy charakter. Ściany

szczelinowe są zazwyczaj żelbetowe; monolityczne lub prefabrykowane. W pierwszym

przypadku beton jest układany przez rurę wlewową pod cieczą stabilizującą, a wyjątkowo (w

korzystnych warunkach gruntowych), na sucho. W drugim przypadku ściana jest wykonana z

prefabrykatów osadzonych w szczelinie wypełnionej zawiesiną twardniejącą. W celu

zabezpieczenia ścian szczeliny stosuje się ciecz stabilizującą. Jest nią zwykle zawiesina

bentonitowa, roztwór polimerowy lub zawiesina twardniejąca. Ta ostatnia twardnieje wraz z

upływem czasu. Zawiera cement lub inne spoiwo oraz dodatki takie jak ił (bentonit),

granulowany żużel wielkopiecowy lub popioły lotne (PFA), wypełniacze i domieszki.

Szczegółowe informacje wykonywania ścian szczelinowych podane są w normie [7]

Gdy zostanie zapewniona stateczność ścian wykopu można rozpocząć właściwą

budowę tunelu. Wznoszenie obudowy stałej w wykopach szerokoprzestrzennych rozpoczyna

się od przygotowania dna wykopu. Grunt naturalny w podłożu należy wyrównać i zagęścić, a

słabonośny poddać wymianie i wzmocnieniu tłuczniem lub piaskiem grubym. Na tak

przygotowanym podłożu wykonuje się warstwę tzw. chudego betonu o grubości 10-15 cm, na

której układana jest izolacja typu ciężkiego, zabezpieczana następnie przez warstwę ochronną

z betonu o grubości 10-15 cm. Dopiero teraz przystępuje się do wykonania dolnej płyty

budowli. Następnie, gdy beton w płycie dennej osiągnie odpowiednią wytrzymałość można

ustawiać na niej deskowanie, w którym montuje się zbrojenie i betonuje pozostałe elementy

tunelu, a w przypadku konstrukcji prefabrykowanej montuje się ściany i strop konstrukcji.

Teraz na konstrukcji nośnej można ułożyć izolację i warstwę ochronną a na końcu zasypać

tunel gruntem niespoistym.

W publikacji [7] możemy przeczytać, że w przypadku wykopów wąskoprzestrzennych

możemy dodatkowo mówić o podziale na wykopy otwarte i wykopy zamknięte.

Realizacja budowli podziemnych w wykopach wąskoprzestrzennych otwartych jest

stosowana wszędzie tam, gdzie sposób użytkowania terenu pozwala na dłuższy okres

wyłączenia go dla potrzeb realizowanej budowli podziemnej. Ściany wykopu zabezpieczane

są jedną z metod omówionych powyżej. Przykładowy schemat realizacji stacji metra w

wykopie wąskoprzestrzennym otwartym pokazano na rys. 2. Zastosowano tu ściany

szczelinowe pracujące w układzie rozporowym (3 poziomy). Konstrukcja obudowy stacji jest

niezależna od ścian szczelinowych przejmujących parcie gruntu. Warianty opisanej metody

znane są w technice wznoszenia budowli podziemnych pod nazwami

a)

metoda berlińska (wykorzystuje ścianki berlińskie pozostawiane w gruncie, parcie

gruntu przejmowane w układzie rozporowym, szerokość wykopu odpowiada

szerokości budowli, wykopy mogą być prowizorycznie nakryte konstrukcją

stropową )

b)

metoda hamburska (ścianki berlińskie wyciągane z gruntu, parcie gruntu

przejmowane w układzie rozporowym, szerokość wykopu większa o 1,6 do 2,0 m

od szerokości budowli). [7]

Rys. Budowa stacji metra w wykopie wąskoprzestrzennym otwartym

Źródło: Madryas C., Ryż K., 2003

a)

wykonanie ścian szczelinowych,

b)

głębienie wykopu z jednoczesnym rozpieraniem ścian,

c)

wykonanie płyty dennej,

d)

demontaż rozpór dolnych, wykonanie środkowej partii obudowy,

e)

zakończenie konstrukcji obudowy stacji,

f)

zwolnienie górnego poziomu rozpór i wykonanie zasypki na stropie budowli

1.5.3

Stropowa metoda budowy tuneli – wariant 3

Realizacja budowli podziemnych w wykopach wąskoprzestrzennych zamkniętych

stosowana jest wtedy gdy ograniczenie wpływu realizacji budowli podziemnej na sposób

użytkowania powierzchni terenu (np. wymóg utrzymania ruchu na istniejących nad

wznoszoną budowlą podziemną ciągach komunikacyjnych) można osiągnąć dzięki

zastosowaniu techniki wykopów wąskoprzestrzennych zamykanych częścią stropową już w

początkowym stadium budowy. Ściany wykopów zabezpieczane są najczęściej ścianami

szczelinowymi i szczelnymi (osłona górnej partii wykopu do poziomu spodu części

stropowej). Alternatywnie stosowane są również ściany palisadowe. Parcie gruntu

przejmowane jest bądź przez ściany boczne rozparte konstrukcją stropu lub, przy większych

głębokościach, wielopoziomowymi układami rozpór lub kotew gruntowych. Transport

urabianego gruntu z tunelu odbywa sie od jego czoła lub w kierunku pionowym przez

pozostawiane w płycie stropowej otworu technologicznego. Opisana metoda w technice

tunelowania znana jest pod nazwą Metody mediolańskiej. W wersji pierwotnej

wykorzystywała ściany szczelinowe lub palisady z pali wierconych (Benoto) jako obudowy

ścian wykopów. [7]

Rys. Budowa stacji metra w wykopie wąskoprzestrzennym zamkniętym

Źródło: Madryas C., Ryż K., 2003

a)

wykonanie ścian szczelnych szczelinowych

b)

wykonanie płyty stropowej stacji,

c)

wykonanie zasypki ziemnej i konstrukcji dróg,

d)

wybieranie gruntu z wykopu, rozpieranie ściany rurami

e)

wykonanie płyty dennej,

f)

wykonanie pozostałych elementów konstrukcji obudowy stacji

W celu zapewnienia stateczności obudowy głębokiego wykopu wykonanego jedną

z powyższych metod stosuje się rozpory, kotwy gruntowe lub stropy obiektów podziemnych.

1.5.4 Przyjęte warianty wykonania

a)

W1 – wykop szerokoprzestrzenny o nachyleniu skarp 1:1,5 ze ścianami

niezabezpieczonymi,

b)

W2 – wykop wąsko przestrzenny ze ścianami zabezpieczonymi na całej wysokości

wykopu ścianką berlińską,

c)

W3 – wykop wąsko przestrzenny realizowany metoda podstropową.

2.

Wielokryterialna analiza porównawcza

2.1

Wstępny zbiór kryteriów

Wstępny zbiór kryteriów odnosi się do zagadnień związanych z przygotowaniem,

wykonaniem i eksploatacją tunelu wykonanego metodą odkrywkową. Nie wyczerpują one

oczywiście wszystkich możliwości skupiając się głównie na aspekcie finansowym. Przyjęto

że pozostałe kryteria związane z aspektem gospodarczym, społeczno-politycznym czy też

środowiskowym już w poprzednim etapie planowania inwestycji doprowadziły do wyboru

tunelu jako najlepszego rozwiązania dla nowo prowadzonej linii kolejowej.

Wstępny zbiór kryteriów:

- wymagana powierzchnia placu budowy,

- wielkość powierzchni wyłączonej z użytku,

- ilość robót przygotowawczych,

- koszty robót przygotowawczych,

- ilość niezbędnych wykopów,

- koszty wykonania wykopów,

- koszt wykonania zabezpieczeń wykopów,

- koszt odwodnienia wykopów,

- całkowita ilość robót ziemnych,

- całkowity koszt wykonania robót ziemnych,

- koszt wykonania obudowy tunelu,

- czas wyłączenia powierzchni z użytkowania,

- koszt instalacji,

- koszt nawierzchni kolejowej,

- koszt wyposażenia,

- koszt zasypania wykopów,

- całkowity koszt budowy,

- zajętość powierzchni użytkowej,

- całkowity czas wykonania,

- poziom skomplikowania technologii,

- trudność wykonania,

- trwałość.

2.2

Ostateczny zbiór kryteriów

Dokonując selekcji kryteriów wyeliminowane zostały te dające porównywalne wartości

dla różnych wariantów (np. koszt wyposażenia, koszt nawierzchni, koszt instalacji) oraz te,

których stopień skomplikowania niezbędnych obliczeń w stosunku do wpływu na wybór

ostatecznej metody był zdecydowanie zbyt wysoki (np. całkowity koszt budowy – większość

elementów jednakowych dla wszystkich metod, trwałość – docelowo jednakowa dla

wszystkich metod). Dla celów ćwiczenia wybrane zostały te kryteria, które pokazują

charakterystyczne cechy każdej z metod wykonania tunelu ułatwiając nadanie im

odpowiedniej wagi oraz ułatwić wybór najlepszej z nich. Ostatecznie przyjęto następujący

zbiór kryteriów:

a)

K

1

- Całkowity koszt wykonania robót ziemnych - destymulanta

Przyjęty cel analizy dotyczy metod odkrywkowych, w których najważniejszym

elementem i podstawowym etapem wykonania są roboty ziemne. Dlatego kryterium to

zostało wybrane do dalszej analizy. Przez koszty wykonania robót ziemny rozumieć

należy zarówno koszty wykonania wykopów jak i koszty zabezpieczenia ich ścian oraz

koszt zasypania wykonanego tunelu (robocizna, koszt wynajmu i pracy ciężkiego

sprzętu). Wielkość ta jest również ściśle zależna od ilości robót ziemnych.

Wariant

Całkowity koszt wykonania robót ziemnych

W1

70359,13 zł

W2

40834,53zł

W3

35468,97 zł

b)

K

2

- Koszt wykonania obudowy tunelu - destymulanta

Przez koszt wykonania obudowy tunelu rozumiemy koszt wykonania ścian, płyty

stropowej oraz płyty dennej w tym koszty robocizny i materiałów. Dodatkowo należy

zauważyć, że w przypadku wariantu 3 ściany stanowią również element obudowy

wykopu, jednak na potrzeby projektu koszt ich wykonania wliczono do niniejszego

kryterium. Koszty robót wykończeniowych czy niezbędnych instalacji pominięto przez

wzgląd na ich jednakowy charakter w odniesieniu do wszystkich metod.

Wariant

Całkowity koszt wykonania obudowy tunelu

W1

348014,46 zł

W2

348014,46 zł

W3

666965,17 zł

c)

K

3

- Zajętość powierzchni użytkowej (kryteria wielkość powierzchni wyłączonej z

użytku oraz czasu wyłączenia powierzchni z użytkowania) - stymulanta

To kryterium zostało przyjęte zamiast czasu wykonania całego tunelu gdyż wydaje

się bardziej miarodajne jako kryterium społeczno-gospodarcze przez wzgląd na to, że w

wariancie 3 powierzchnia już może zostać częściowo oddana do użytku mimo, że pod nią

prowadzone są dalej prace konstrukcyjne i wykończeniowe. Kryterium to oprócz czasu

uwzględnia również wielkość powierzchni jaka na czas budowy zostaje wyłączona z

użytku (wyłącznie w celu wykonania obudowy tunelu).

Nota

Charakterystyka

1

Konieczność wyłączenia dużej powierzchni
z użytkowania na cały czas trwania budowy.

2

Konieczność wyłączenia dużej powierzchni
z użytkowania tylko na pewien okres
trwania budowy.

3

Konieczność wyłączenia niedużej
powierzchni z użytkowania na cały czas
trwania budowy.

4

Konieczność wyłączenia niedużej
powierzchni z użytkowania tylko na pewien
okres trwania budowy.

5

Prowadzenie prac nie wywierające żadnego
wpływu na powierzchnię, która może być
normalnie użytkowana przez cały czas
trwania budowy.

Wariant

Przyjęta nota punktowa

W1

1

W2

3

W3

4

d)

K

4

- Złożoność technologii (kryteria poziomu skomplikowania technologii oraz

trudności wykonania) - stymulanta

Mimo, że wszystkie wariantowe metody w zasadzie są od lat znane i

stosowane to jest to bardzo ważne kryterium, gdyż jest ściśle związane ze stopniem

skomplikowania danej technologii wykonania a co za tym idzie koniecznością

posiadania odpowiednich maszyn i doświadczonych pracowników. Wpływ na nią

mają: trudność wykonania, konieczność zastosowania specjalistycznego sprzętu,

wykwalifikowanych pracowników obsługi oraz brygad specjalizujących się w

określonym typie robót.

Nota

Charakterystyka

1

Technologia nowatorska, wysoki poziom
skomplikowania, praktycznie nie stosowana u nas
w kraju, znaczne wymagania odnośnie kwalifikacji
pracowników, konieczność użycia specjalistycznego
sprzętu.

2

Technologia zaawansowana, o przeciętnym poziomie
skomplikowania, wymagająca jednak użycia
specjalistycznego sprzętu i maszyn oraz
wyspecjalizowanych pracowników.

3

Technologia średniozaawansowana, o niedużym
poziomie skomplikowania, wymagająca jednak
stosowania odpowiednio wyspecjalizowanych
pracowników.

4

Technologia prosta, stosowana zawsze gdy pozwalają
na to warunki, bez konieczności stosowania
specjalistycznego sprzętu oraz wyspecjalizowanych
brygad roboczych.

Wariant

Przyjęta nota punktowa

W1

4

W2

3

W3

2

2.3

Metody WAP

Wyróżnić możemy 4 metody wielokryterialnej analizy porównawczej, które różnią się

sposobem kodowania.

a)

Metoda standaryzacji

Sposób kodowania w tej metodzie polega na zastąpieniu miary cząstkowej x

ij

przez

odchylenie od wartości średniej miar cząstkowych dla wszystkich wariantów wg
kryterium Kj odniesione do obliczonej z nich wartości odchylenia standardowego.

Miara wariantu i-tego wg kryterium j-tego:

•

dla stymulant:

•

dla destymulant:

x x

ij

j

Z

ij

S

j

−

=

( 1)

x x

ij j

Z

ij

S

j

−

= −

gdzie:

Wariant

Kryteria

Stymulanty

Destymulanty

K

3

K

4

K

1

K

2

W1

1

4

70359,13

348014,46

W2

3

3

40834,53

348014,46

W3

4

2

35468,97

666965,17

Standaryzacja

Wariant

Kryteria

Stymulanty

Destymulanty

K

3

K

4

K

1

K

2

W1

-1,336

1,225

-1,400

0,707

W2

0,267

0,000

0,525

0,707

W3

1,069

-1,225

0,875

-1,414

Xj=

2,667

3,000

48887,543

454331,363

Sj=

1,247

0,816

15339,906

150354,807

b)

Metoda normowania

Normowanie ma na celu zastąpienie miary cząstkowej x

ij

przez jej stosunek do

maksymalnej wartości miary wg kryterium Kj dla wszystkich wariantów.

Miara wariantu i-tego wg kryterium j-tego:

•

dla stymulant:

•

dla destymulant:

n

xij

j 1

n

x

j

?

=

=

n

2

x

ij

j 1

n

x

j

j

s

?



−





?

?

=

=

ĺ

max

x

ij

Z

ij x

j

=

'

'

max

x

ij

Z

ij x

j

=

1

'

x

ij

xij

=

gdzie:

Wariant

Kryteria

Stymulanty

Destymulanty

K

3

K

4

K

1

K

2

W1

1

4

70359,13

348014,46

W2

3

3

40834,53

348014,46

W3

4

2

35468,97

666965,17

Normowanie

Wariant

Kryteria

Stymulanty

Destymulanty

K

3

K

4

K

1

K

2

W1

0,250 1,000

0,50411325

1,00000000

W2

0,750 0,750

0,86860238

1,00000000

W3

1,000 0,500

1,00000000

0,52178806

xmax

4,000 4,000

-

-

xij`max

-

-

0,00002819

0,00000287

c)

Metoda Neumana-Morgensterna

Metoda ta polega na zastąpieniu miary cząstkowej x

ij

stosunkiem różnicy tej miary

oraz miary najgorszej ze wszystkich możliwych miar kryterium Kj do różnicy miary
najlepszej i najgorszej wg tego kryterium.

Miara wariantu i-tego wg kryterium j-tego:

•

dla stymulant:

min

max min

x x

ij j

Z

ij x

x

j

j

−

=

−

max

max min

x

x

j

ij

Z

ij x

x

j

j

−

=

−

•

dla destymulant:

Wariant

Kryteria

Stymulanty

Destymulanty

K

3

K

4

K

1

K

2

W1

1

4

70359,13

348014,46

W2

3

3

40834,53

348014,46

W3

4

2

35468,97

666965,17

Neuman-Morgenstern

Wariant

Kryteria

Stymulanty

Destymulanty

K

3

K

4

K

1

K

2

W1

0,000

1,000

0,00

1,000

W2

0,667

0,500

0,85

1,000

W3

1,000

0,000

1,00

0,000

xjmin

1,000

2,000

35468,97

348014,460

xjmax

4,000

4,000

70359,13

666965,170

d)

Metoda Pattern

Idea tej metody polega na zastąpieniu miary cząstkowej przez iloraz danej miary x

ij

i

sumy miar wszystkich wariantów wg kryterium Kj.

Miara wariantu i-tego wg kryterium j-tego:

•

dla stymulant:

n

ij

j 1

x

x

ij

Z

ij

=

=

ĺ

Obj121

•

dla destymulant:

Wariant

Kryteria

Stymulanty

Destymulanty

K

3

K

4

K

1

K

2

W1

1

4

70359,13

348014,46

W2

3

3

40834,53

348014,46

W3

4

2

35468,97

666965,17

Pattern

Wariant

Kryteria

Stymulanty

Destymulanty

K

3

K

4

K

1

K

2

W1

0,125

0,444

0,21246257

0,39654403

W2

0,375

0,333

0,36607943

0,39654403

W3

0,500

0,222

0,42145801

0,20691194

suma xij

8,000

9,000

-

-

suma xij`

-

-

0,00006690

0,00000725

2.4 Obliczenie ocen syntetycznych

Oceny syntetyczne zostaną podane w oparciu o formuły wskaźników: sumacyjnego i

addytywnego z uwzględnieniem wag nadanych kryteriom według poniżesz tabeli.

Wagi nadane poszczególnym kryteriom

K

1

K

2

K

3

K

4

0,4

0,3

0,1

0,2

Wskaźniki sumacyjne

Warianty Standaryzacja Normowanie

Neuman-

Morgenstern

Pattern

W1

-0,236437955 0,726645302

0,5

0,30533712

W2

0,448846752 0,872440953

0,805152933

0,36956165

W3

-0,212408797 0,756536417

0,5

0,32510123

Wskaźniki addytywny

Warianty Standaryzacja Normowanie

Neuman-

Morgenstern

Pattern

W1

-0,059109489 0,181661325

0,125

0,07633428

W2

0,112211688 0,218110238

0,201288233

0,09239041

W3

-0,053102199 0,189134104

0,125

0,08127531

Na podstawie tak obliczonych wskaźników można

dokonać wyboru najbardziej korzystnego wariantu poprzez

zsumowanie not punktowych nadanych każdemu wariantowi w

zależności od wartości wskaźnika, przy czym nota najwyższa

oznacza wariant najkorzystniejszy.

Wskaźniki sumacyjne

Warianty Standaryzacja

Normowanie

Neuman-

Morgenstern

Pattern

Suma

not

W1

1

1

2

3

7

W2

3

3

3

3

12

W3

2

2

2

2

8

Wskaźniki addytywne

Warianty Standaryzacja

Normowanie

Neuman-

Morgenstern

Pattern

Suma

not

W1

1

1

2

3

7

W2

3

3

3

3

12

W3

2

2

2

2

8

3. Podsumowanie

3.1 Wnioski

Efektem przeprowadzonej powyżej analizy wielokryterialnej, wariantowego

rozwiązania budowy tunelu, wykonanego jedną z metod odkrywkowych, jest wyznaczenie

metody najbardziej korzystnej pod względem przyjętych kryteriów. W toku ćwiczenia

przyjęto pewne uproszczenia wobec czego nie jest to analiza kompletna i pełna jednak

otrzymane wyniki wskazują rozwiązanie, które faktycznie dla przyjętych założeń wydaje się

najbardziej optymalne, co powinno wskazywać na poprawność wykonanych działań. Mimo,

że projekt zakładał przyjęcie tylko jednej z metod kodowania dokonano obliczeń dla

wszystkich czterech. Uzyskane w ten sposób wyniki wydaję się być bardziej miarodajne dla

oceny przyjętego problemu.

Wagi nadane poszczególnym kryteriom zostały przyjęte w założeniu, że zawsze na

ocenę danego wariantu w głównej mierze wpływają koszty jakie on ze sobą niesie. Stąd też

dwa z czterech kryteriów mają 70% udziału w ocenie ostatecznej.

Ostatecznie najwyższą notę sumaryczną otrzymał wariant 2 – wykop wąsko

przestrzenny ze ścianami zabezpieczonymi ścianką berlińską. Warto zwrócić uwagę, że we

wszystkich metodach kodowania uzyskał on maksymalne wartości deklasując tym samym

pozostałe warianty. Rzeczywiście ten schemat budowy wydaje się rozwiązaniem bardzo

dobrym dla budowy w warunkach miejskich. Charakteryzuje się on stosunkowo niskim

kosztem wykonania, w porównaniu do pozostałych wariantów, oraz ilością robót ziemnych .

Do zalet na pewno należy zaliczyć również to, że nie wymaga skomplikowanej technologii

oraz wykorzystuje tylko maszyny ogólnobudowlane mogąc znaleźć zastosowanie przez cały

okres budowy. Wadą tej metody jest niewątpliwie to, że mimo wszystko przez cały czas

trwania budowy ingeruje ona w środowisko miejskie co wprowadza pewne uciążliwości dla

otoczenia.

Pozostałe rozpatrywane warianty, w oparciu o przyjęte kryteria otrzymały bardzo

zbliżone sumaryczne noty co świadczyć może o tym, że w przypadku potrzeby zastosowania,

któregoś z nich koniecznie jest przyjęcie innego zbioru lub większej liczby kryteriów

pozwalających lepiej scharakteryzować dany problem.

Wszystkie jednak te rozważania przeprowadzone zostały dla pewnych, określonych

warunków, w rzeczywistości to te warunki mogą stanowić istotną różnicę decydującą

o wyborze konkretnego wariantu rozwiązania.

3.2

Literatura

[1] Furtak Kazimierz, Kędracki Maciej „Podstawy budowy tuneli”, Wydawnictwo PK,

Kraków 2005

[2] Gałczyński Stefan „Podstawy budownictwa podziemnego”, Oficyna Wydawnicza

Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2001

[3] Glinicki Stanisław Paweł „Budowle podziemne”, Wydawnictwa Politechniki

Białostockiej, Białystok 1994

[4] Głomb Józef „Drogowe budowle inżynierskie”, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności,

Warszawa 1975

[5] Grzegorzewicz Krzysztof „Projektowanie i wykonywanie ścian szczelinowych”,

Geoinżynieria drogi, mosty, tunele 03/2005, s. 43 – 51

[6] Jarominiak Andrzej „Lekkie konstrukcje oporowe”, Wydawnictwa Komunikacji i

Łączności, Warszawa 1999

[7] Madryas Cezary, Ryż Karol „Współczesne technologie podziemnego budownictwa

komunikacyjnego. Metody drążenia tuneli komunikacyjnych”, Inżynieria bezwykopowa

2003, s. 46 – 56

[8] Michałek Marian „Koncepcja technologii zabezpieczania wykopu dla płytko

zlokalizowanych tuneli kolejowych formowanych w formach traconych”, Górnictwo i

Geoinżynieria zeszyt 3/1 2009, s. 239-245

[9] PN-88/B-02014 Obciążenia budowli. Obciążenia gruntem

[10] PN-S-02203:1997 Tunele komunikacyjne

[11] Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 10 września 1998 r.

w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budowle kolejowe i ich

usytuowanie

[12] Siemińska-Lewandowska Anna „Głębokie wykopy. Projektowanie i wykonawstwo”,

Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2010

[24] „Standardy techniczne. Szczegółowe warunki techniczne dla modernizacji lub budowy

linii kolejowych do prędkości V

max

< 200 km/h. Tom I – Droga szynowa”, Centrum

Naukowo Techniczne Kolejnictwa, Warszawa 2009

[25] „Standardy techniczne. Szczegółowe warunki techniczne dla modernizacji lub budowy

linii kolejowych do prędkości V

max

< 200 km/h. Tom II Skrajnia kolejowa”, Centrum

Naukowo Techniczne Kolejnictwa, Warszawa 2009

[26] Wiłun Zenon „Zarys geotechniki”, WKiŁ, Warszawa 2000