TUNELE

Andrzej Wojtaszek

Materiały źródłowe:

S. Gałczyński

, Podstawy budownictwa podziemnego, Ofic. Wyd.PWr 2001

Współczesne technologie podziemnego budownictwa komunikacyjnego. Metody drążenia tuneli

komunikacyjnych

Autorzy:
Dr hab. inż. Cezary Madryas - Profesor PWr., W-ł Budownictwa Lądowego i Wodnego PWr,
Dr inż. Karol Ryż, Wydział Budownictwa Lądowego Politechniki Krakowskiej
Artykuł na podstawie wystąpienia przygotowanego na seminarium Politechniki Krakowskiej i SITK pod
tytułem .Problemy podziemnej komunikacji miejskiej w Krakowie., Kraków, 2002.

Marek Cała –Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki, AGH KRAKÓW wykłady

Tunel

budowla komunikacyjna w postaci
długiego korytarza - podziemna lub
podwodna, wykonana metodą odkrywkową
lub drążenia. Służy do omijania przeszkód
terenowych. Tunele to najczęściej budowle
geotechniczne mające swoje wyloty na
powierzchni ziemi. Ze względu na
przeznaczenie można je podzielić na:

•tunele kolejowe (dla ruchu pociągów);

•tunele drogowe (dla ruchu
samochodowego);

przejścia podziemne (dla ruchu pieszych).



CIEKAWOSTKI

Najdłuższym tunelem świata jest

"Seikan"

łączący wyspy Honsiu i

Hokkaido

w Japonii

. Powstał kosztem 7

miliardów dolarów i oddano go do użytku
w 1988 roku. Liczy 53,9 kilometra
długości, z czego 1/3 znajduje się pod
dnem morza.
W tunelu porusza się Shinkansen - szybki
pociąg osobowy (300 km/godz.). Do
budowy tunelu zużyto 2800 ton
materiałów wybuchowych i 168 tysięcy
ton stali.

Najgłębszy podwodny: Hitra (1994 rok) Norwegia;
długość 5. 645 m, głębokość: 264 m

NAJDŁUŻSZE TUNELE SAMOCHODOWE NA ŚWIECIE

Data otwarcia

Nazwa

Państwo

Długość

1882

Col de Tende

Francja - Włochy

3. 186 m

1948

Alfonso XIII

Hiszpania

5. 133 m

1964

Św. Bernarda

Szwajcaria - Włochy

5. 854 m

1965

Mont Blanc

Francja - Włochy

11. 600 m

1978

Arlberg

Austria

13. 972 m

1980

Św. Gotharda

Szwajcaria

16. 918 m

2001

Laerdal

Norwegia

24. 510 m

Tunel pod kanałem la Manche

Rok budowy: 1994
Wysokość: 7,6 m
Długość: 50,45 km
Głębokość: 40-75 m pod dnem morza

Siła robocza: 13 000 osób

Czas powstawania: 6 lat
Materiał konstrukcyjny: beton i stal

Kubatura: po angielskiej stronie wykopano 4 miliony metrów
sześciennych kredy

Drążenie wyrobisk podziemnych

WYKONYWANIE TUNELI

Urabianie, odspajanie górotworu w celu wykonania wyrobiska

podziemnego zależy w dużej mierze od właściwości masywu skalnego,
jego zwięzłości, twardości i wytrzymałości. Czynniki te decydują o
wielkości dopuszczalnych odsłonięć drążonych wyrobisk bez
zabezpieczenia obudową tymczasową bądź stałą.

Mamy tu pełną analogię z robotami ziemnymi przy wykonaniu wykopów pod
fundamenty, podpiwniczenia budynków czy też na potrzeby budownictwa
podziemnego. Podobnie jak w robotach ziemnych urabianie górotworu odbywa się
mechanicznie albo rzadziej ręcznie przy czym te ostatnie służą głównie do
ostatecznego, kosmetycznego przygotowania wyrobiska lub wykopu do wykonania,
montażu konstrukcji podziemnej. Mechanizacja robót podziemnych lub ziemnych
polega na zastosowaniu ciężkich maszyn do mechanicznego urabiania gruntu
względnie, w mniejszym zakresie, masywu skalnego. Skały najczęściej urabiane są za
pomocą strzelania materiałami wybuchowymi. Podstawowymi elementami robót
strzałowych są roboty wiertnicze, które decydują o postępie wykonywanego
wyrobiska.
Wydajność robót związanych z drążeniem wyrobiska zależy przede wszystkim od jego
wielkości i potrzeb w zakresie jego zabezpieczenia, stabilizacji zabiegami
technicznymi bądź obudową tymczasową.

Im większe wyrobisko i słabszy górotwór, tym trudniejsze jest jego
zabezpieczenie przed zawałem. Jednym ze skuteczniejszych zabiegów jest
podział poprzecznego przekroju wyrobiska na segmenty i jego drążenie
etapami umożliwiającymi eliminację niekontrolowanych obwałów górotworu.

Podstawową zasadą drążenia wyrobisk są bezpieczne, całkowicie kontrolowane
procesy urabiania górotworu i stabilizacji wykonywanych wyrobisk. Nie
dopuszczalne są jakiekolwiek samorzutne obwały lub nadmierne, niezgodne z
przewidywaniami przemieszczenia górotworu do wyrobiska.

Wyodrębnienie poszczególnych etapów drążenia
wyrobisk podziemnych stanowi podstawę ich
podziału na dwa rodzaje:



wyrobiska

udostępniające

jako

ograniczone

ich

wielkości,

bezpieczne

wyrobiska

danych

warunkach geotechnicznych przy przyjętej
metodzie ich drążenia i zabezpieczenia,



wyrobiska docelowe

jako wyrobiska, w

których

będą

wykonane

budowle

podziemne którąś z metod budowy
obiektów podziemnych.

Przegląd metod wykonania

budowli podziemnych

TUNELE

Wybór właściwej metody wykonania budowli przesądza o dobrej,

ekonomicznie uzasadnionej budowie obiektu lub o złej, ekonomicznie nie trafnej jego
realizacji. Zły wybór metody może też stać się przyczyną awarii, a nawet katastrofy
budowlanej. Można wyróżnić cztery zasadnicze grupy metod wykonania budowli
podziemnych:



metody górnicze przystosowane do drążenia wyrobisk w masywie

skalnym, rzadziej w ustabilizowanym masywie gruntowym



metoda tarczowa przystosowana do drążenia wyrobisk w dowolnym

górotworze,


metody odkrywkowe stosowane w masywach gruntowych na małych

głębokościach,


metody specjalne dotyczące wyjątkowych sytuacji geotechnicznych i

wodnych.

Każda z wymienionych grup jest przystosowana do bardzo zróżnicowanych
czynników decydujących o przebiegu robót podziemnych lub ziemnych. Wśród tych
czynników na plan pierwszy wysuwają się:



głębokość posadowienia budowli,



warunki geologiczne i geotechniczne,



stan wód podziemnych i powierzchniowych,



stopień zagrożenia powierzchni terenu,



techniczne i ekonomiczne możliwości realizacji budowli podziemnej.

Charakterystyczną cechą poszczególnych metod jest dążenie do realizacji budowy z
zachowaniem maksymalnych warunków bezpieczeństwa robót przy minimalnych
kosztach ich prowadzenia

Do powszechnie znanych metod górniczych zalicza

się

[8]:

system angielski

(z końca XVIII w.) stosowany przede

wszystkim w gruntach stabilnych,
-

system belgijski

(pierwsze zastosowanie w 1828 roku

przy budowie tunelu Charleroy) stosowany także w
gruntach rozdrobnionych,
- system niemiecki (z początku XIX w.) służący do
budowy tuneli o dużych przekrojach i przy znacznych
naciskach górotworu,
-

system austriacki

(z początku XIX w.) z urabianiem

górotworu praktycznie na całej powierzchni przekroju
poprzecznego (rozpoczyna się od sztolni spągowej, z
której następuje wdzierka pod strop, poszerzenie jej na
boki i wybieranie warstw ku spągowi),

- system włoski

nadający się do stosowania w słabym

górotworze (rumosz skalny), słabych gruntach (piaski,
żwiry) oraz w gruntach nasypowych.

Metody górnicze

Metody

górnicze

polegają

wykonywaniu

wszystkich robót związanych z drążeniem i
wznoszeniem obudowy pod ziemią.

Są to klasyczne metody realizacji tuneli górskich i innych budowli
podziemnych posadowionych na dużych głębokościach w masywach skalnych
lub dostatecznie stabilnych, nienawodnionych masywach gruntowych. W
terenie zagospodarowanym lub zagrożonym intensywnym dopływem wody
metody górnicze nie mogą być stosowane bez specjalnych dodatkowych
zabiegów stabilizujących i uszczelniających górotwór. W zależności od
zwięzłości i stabilności górotworu można wydzielić następujące metody
stopniowej rozbudowy wyrobiska:


metoda pełnego przekroju zwana

austriacką

a przystosowana do

ustabilizowanego masywu skalnego (

rys. 9.1),



metoda podpartego sklepienia albo

belgijska

umożliwiająca

realizację budowli podziemnej w górotworze niejednorodnym,
stosunkowo słabym w części stropowej, a dostatecznie mocnym na
wysokości ociosów i spągu wyrobiska

(rys. 9.2),



metoda rdzenia oporowego czyli metoda

niemiecka

przydatna w

warunkach górotworu słabego wymagającego natychmiastowego
lokalnego zabezpieczenia

(rys. 9.3).

Na rysunkach ilustrujących schematy kolejnych etapów rozbudowy wyrobiska i
kolejnych fragmentów wznoszenia obudowy podano numerację oznaczającą
kolejność robót z tym, że etapy robót ziemnych, drążeniowych oznaczono liczbami
arabskimi, a robót budowlanych - rzymskimi.

Charakterystycznymi

elementami

poprzecznego

przekroju

wyrobiska

podziemnego

są

trzy

następujące

fragmenty

(rys. 9.1)



kalota

(A) obejmująca górną część

wyrobiska zasadniczego,


sztrosa (B) jako element rozbudowy

dolnej części wyrobiska zasadniczego,


spąg

ukształtowania

wyrobiska

uwzględnieniem

stabilności

podłoża

fundamentów obudowy i nawierzchni
użytkowej budowli podziemnej,



sztolnia

(D)

jako

wyrobisko

udostępniające rozbudowę kaloty lub
innego fragmentu wyrobiska

W łatwych warunkach hydrogeologicznych
tunele mogą być drążone pełnym
przekrojem,

jednak

większości

przypadków są one wykonywane z
podziałem przekroju na strefy:

kalota, sztrosa i spąg

Przy dalszych podziałach kalotę dzieli
się na sztolnie pilotującą - stropową
oraz sztolnie ociosowe.

W wyjątkowo trudnych warunkach geologicznych lub przy
przejściach pod przeszkodami stosuje się dodatkowe
(wyprzedzające) zabezpieczenia kaloty ekranami prętowymi lub z
dyli, metodą jet-grouting, iniektowanymi ekranami rurowymi lub
tworząc tzw. .parasol z rur. (system Alwag).

Odrębną nowoczesną metodą budowy obiektów
podziemnych jest tak zwana

Nowa Austriacka

Metoda Tunelowania

w skrócie

NATM

która

jest

metodą pełnego przekroju (austriacką),

ale

rozszerzoną na różne rodzaje górotworu dzięki
zastosowaniu

szeregu

dodatkowych

zabiegów

technicznych stabilizujących wyrobisko podziemne.

Zalicza się ją (New Austrian Tunnelling
Method) do metod klasycznych,

której

zasady ogłosił w 1948 roku prof.
Ladislaus von Rabcewicz.

W tabeli 1 przedstawiono przykłady zastosowań

NATM

do budowy tuneli

komunikacyjnych w miastach.

Tabela 1. Wybrane projekty wykonane metodą

NATM.

Projekt

Dane

techniczne

Warunk

gruntow

Kos

Termin

wykon

ania

Tunele

metro -

Frankfurt n.

Menem

2 bliźniacze tunele

o długości 300 m

iły
frankfurc
kie, (muły
i piaski),
wodonoś
ne

mln.

1980-
1983

Stacja City

Place -

metro w

Dallas

2 tunele o długości

17000 stóp i średnicach

21 stóp, 3 tunele klatek

dla ruchomych schodów,

4 tunele wentylacyjne 2

szyby bezpieczeństwa

wapień,

kreda,

tarasy

piaskowe

125

mln.

1992-

1996

Stacja

Waterloo -

metro

w Londynie

perony, tunele szlakowe,

przej.cie dla pasażerów,

tunele wentylacyjne

mady,
osady
rzeczne,
tarasy
żwirowe,
iły
londyński
e

150
mln

1993-

1996

Spośród 21 zasad określonych przez
Rabcewicza

dla

NATM

przełomowe

znaczenie miało przyjęcie założenia, że

górotwór

należy

traktować

jako

element nośny konstrukcji tunelu.

Dopuszczając odkształcenia górotworu (w
pewnych

granicach)

otoczenie

wyrobiska traktuje się tu jako rodzaj
nośnej powłoki. spełniającej rolę
obudowy wstępnej

W takim ujęciu kolejność robót polega na
wykonaniu wyłomu w odcinkach, montażu
obudowy wstępnej (ze zbrojonego siatkami
metalowymi betonu natryskowego) o relatywnie
małej nośności, konstrukcji spągowej, ułożeniu
izolacji oraz wykonaniu obudowy ostatecznej.

Metoda tarczowa

. Tarcza jest specjalnym urządzeniem

służącym do budowy obiektów podziemnych, głównie
tuneli w bardzo słabym, nawodnionym masywie
gruntowym. W metodzie tarczowej stosuje się szczelną
obudowę prefabrykowaną zdolną do natychmiastowego
zabezpieczenia wyrobiska podziemnego. Jest to metoda
kosztowna, ale gwarantująca całkowite bezpieczeństwo
robót nawet w wyjątkowo trudnych warunkach budowy
tuneli podwodnych

(rys. 9.4).

Jej

odmianą

jest

metoda

przecisku

wykorzystywana

przy

realizacji

małych,

krótkich

obiektów

typu

tunelowego.

Innym

szczególnym

przypadkiem

metody

tarczowej

są

urządzenia

wykorzystywane do budowy tzw. mikrotuneli czyli
niedostępnych

dla

ludzi

kanałów,

rurociągów

podziemnych, które są wykonywane na zasadach metody
tarczowej przy pełnej robotyzacji całego procesu budowy.

W wyniku drążenia powstaje wyrobisko o kształcie
kołowym.

przypadku tuneli o średnicy większej od 10 m

stosuje się

nieraz maszyny ekspansywne.
W pierwszej kolejności wykonuje się wtedy tunel pilotowy o małej
średnicy, który następnie rozwierca się do wymaganej projektem
średnicy końcowej.

Maszyna typu WCST.

Metody

odkrywkowe

Metodami

odkrywkowymi

wykonujemy

budowle

podziemne posadowione w gruntach na małej
głębokości. Są to roboty zbieżne z robotami
ziemnymi i polegają na wykonaniu wykopu,
wzniesieniu konstrukcji i zasypaniu gotowej już
budowli. Można to zrealizować dwoma
metodami:


w wykopie szerokoprzestrzennym w terenie

niezabudowanym, dostępnym, np. w terenie
specjalnie wydzielonym (rys. 9.5),


wąskich

przekopach

terenie

zabudowanym, mało dostępnym, np. pod
istniejącą ulicą

) rys. 9.6).

Metody specjalne

. Metody specjalne służą do

realizacji budowli podziemnych w bardzo trudnych
warunkach geotechnicznych i wodnych, na przykład
tuż pod dnem akwenu lub w warunkach górotworu
upłynnionego. Metody specjalne są uzupełnieniem
metod klasycznych i służą do realizacji budowli
podziemnych w górotworze nieustabilizowanym w
warunkach wyjątkowo dużego zagrożenia, szczególnie
wodnego. Jako najważniejsze metody specjalne można
wymienić:


pogrążanie, głównie zatapianie gotowych segmentów

budowli podziemnej

(rys. 9.7),



stabilizacja masywu skalnego lub gruntowego

poprzez iniekcyjne wzmacnianie i uszczelnianie
górotworu w otoczeniu wykopu bądź wyrobiska
podziemnego

(rys. 9.8).

2. Metody górnicze

Podstawową zasadą wykonywania budowli

górniczymi metodami podziemnymi jest zachowanie
równowagi stropu wyrobiska po jego odsłonięciu w
wyniku robót drążeniowych, np. strzałowych. W
żadnym przypadku w otoczeniu wyrobiska nie mogą
wystąpić samorzutne obwały górotworu, które stałyby
się bezpośrednim zagrożeniem dla załogi i sprzętu, a
pośrednio

doprowadziłyby

zawału

całego

wyrobiska.

Głównymi

środkami

bezpiecznego,

skutecznego

prowadzenia

robót

jest

stopniowa rozbudowa wyrobiska

i jego

natychmiastowa stabilizacja np. obudową
tymczasową

Roboty wykonuje się segmentami o długości 2030 m.

2.1. Obudowa tymczasowa

Obudowa tymczasowa - to kratownice lub łuki

nośne, na których układa się okładzinę jako ciągłą lub
ażurową osłonę powierzchni wyrobiska. Wyróżniamy
obudowę drewnianą, metalową i z ustabilizowanego
płaszcza górotworu jako materiału miejscowego. W
przeszłości najczęściej stosowano obudowę drewnianą
i jest ona przykładem ilustrującym zasadę etapowego,
cyklicznego procesu realizacji budowy z zachowaniem
niezbędnego bezpieczeństwa robót. Wykorzystanie
obudowy stalowej umożliwia wdrożenie współczesnej,
szerokiej mechanizacji robót. Natomiast różnorakie
metody

stabilizacji

górotworu

warunkach

kompleksowej kontroli zachodzących w nim procesów
- to domena najbardziej nowoczesnej, powszechnie
wdrażanej metod górniczej zwanej nową metodą
austriacką (NATM).

Obudowa drewniana. wyjściowym elementem obudowy drewnianej jest obudowa
sztolni. Jest ona wykonywana jako wyrobisko udostępniające rozbudowę kaloty
wyrobiska docelowego. Sztolnię wykonujemy na całej długości realizowanego
segmentu budowli podziemnej. Po jej wykonaniu, w narożach odrzwi pod stropnice
podbudowujemy dwa podchwyty

(rys. 10.1).

Są to dłużyce, które podstemplowujemy

pierwszymi stemplami przyszłej kratownicy w postaci wachlarza. Stemple oparte na
podwalinach tworzą nowy, trapezowy układ

nośny, który podtrzymuje strop wyrobiska

w zasięgu sztolni udostępniającej. Stemple i spągnice odrzwi zabezpieczających
sztolnię można więc zdemontować i rozpocząć poszerzenie kaloty na całej długości
segmentu. Rozbudowę kaloty wykonujemy równomiernie zgodnie z zasadą
otwieranego wachlarza. Po poszerzeniu kaloty symetrycznie na ustaloną szerokość
ustawiamy następne dwie dłużyce, które podstemplowujemy dodając następny
element wachlarza kratownicy. Procedurę powtarzamy dopóty, dopóki kalota nie
zostanie rozbudowana na całą szerokość

(rys. 10.1).

Pod osłoną zabezpieczonej kaloty następuje pogłębienie wyrobiska i rozbudowa jej
sztrosy. W tym celu wykonujemy centralny przekop i poszerzone studnie do spągu
wyrobiska podziemnego. W studniach układamy nowe podwaliny, a na nich ustawiamy
dwa podwójne słupy zwieńczone oczepem (rys.

10.1).

Na oczepie ustawiamy nową

kratownicę wachlarzową podstemplowując dłużyce podtrzymujące strop kaloty.
Demontujemy poprzednią kratownicę i rozbudowujemy sztrosę podobnie jak kalotę,
poszerzając ją wachlarzowo. Po pierwszym poszerzeniu układamy następne dłużyce,
które podstemplowujemy stemplami opartymi na podwalinach słupów. Po całkowitym
wydrążeniu wyrobiska dochodzimy do pełnej kratownicy wachlarzowej

(rys. 10.2),

którą

usztywniamy podłużnie rozporami. Na niej opierają się podłużne, płatwiowe lub
poprzeczne, krokwiowe elementy nośne. Na elementach tych w miarę potrzeb układa
się okładzinę zabezpieczającą cały strop wyrobiska. W bardzo mocnym górotworze
drewnianą obudowę tymczasową może tworzyć wypukły wielobok zamknięty, dobrze
rozklinowany podkładkami w węzłach połączeń elementów obudowy

(rys. 10.3).

Obudowa stalowa. Obudowę stalową tworzą z
reguły łuki z dwuteowników szerokostopowych. Łuki
są wyginane na zamówienie wykonawcy robót w
specjalnych wytwórniach i składają się z kilku,
najczęściej czterech elementów:


dwóch łuków stropowych montowanych w kalocie,



dwóch elementów ociosowych montowanych na

wysokości ścian w sztrosie.
Łuki, zwłaszcza w części stropowej są łączone
podłużnymi belkami, dzięki czemu drążenie kaloty
może wyprzedzać sztrosę, a montaż łuków odbywać
się etapami, najpierw część stropowa, a później
podbudowa części ociosowej

(rys. 10.4).

Najczęstszym

poszyciem łuków stalowych jest siatka rozpięta na
całej powierzchni stropu i w razie konieczności
górnej części ociosów.

Stabilizacja górotworu. W niektórych przypadkach, gdy mamy
do czynienia z bardzo mocnym , zwięzłym masywem skalnym
wyrobisko

podziemne

może

pozostawać

bez

obudowy

tymczasowej. Czasami jest to możliwe, ale tylko w nazbyt krótkim
okresie czasu i trzeba dokonać odpowiednich zabiegów, aby
wydłużyć ten okres do momentu wykonania obudowy stałej.

Do takich zabiegów należy:



kotwienie górotworu,



nakładanie torkretu lub warstwy betonu,



nakładanie mocowanej kołkami siatki,



iniekcyjne zespalanie spękanego górotworu

Zabiegi te są elementem nowej metody austriackiej -

NATM

odpowiednio posterowane prowadzą do wytworzenia wokół
wyrobiska ściskanej obudowy nośnej, zdolnej zrównoważyć duże
narastające ciśnienie górotworu. Tworzy się więc obudowa
równoważna wachlarzowej kratownicy drewnianej czy łuku
stalowego

(rys. 10.5)

2.2. Charakterystyka robót

Prowadzenie

robót

podziemnych

metodami

górniczymi jest związane z realizacją budowli na
bardzo dużych głębokościach pod powierzchnią terenu
np. w górach lub bezpośrednio pod przeszkodami np.
pod istniejącą budowlą naziemną. Są to metody
kosztowne i należy je stosować w sytuacjach
przymusowych. Bywa jednak i tak, że metody
podziemne mogą być konkurencyjne dla innych
rozwiązań np. metod odkrywkowych, jeśli rachunek
ekonomiczny będzie obejmował całokształt kosztów z
kosztami społecznymi i ekologicznymi włącznie.
Metody podziemne pozwalają na realizację wielu
przedsięwzięć

techniczno-gospodarczych

bez

uszczerbku dla terenów już zagospodarowanych.
Dobrze zorganizowane i prowadzone roboty podziemne
dają ogromne możliwości rozwoju

wielu przedsięwzięć

gospodarczych, muszą jednak być zgodne z ogólnymi
zasadami bezpieczeństwa i gospodarności.

Metoda pełnego przekroju.

W mocnym, ustabilizowanym masywie skalnym

budowa tunelu lub obiektu komorowego jest prowadzona segmentami, w których
najpierw wykonuje się wyrobisko, a następnie wznosi obudowę stałą.

Drążenie wyrobiska obejmuje budowę sztolni stropowej, poszerzenie
kaloty i rozbudowę sztrosy

Metoda podpartego sklepienia

Belgijska

metoda podpartego sklepienia jest przykładem pełnego rozwinięcia

etapowego systemu budowy obiektów podziemnych. Realizacja obiektu zaczyna się
również od budowy sztolni w stropie wyrobiska, ale operacja ta wyprzedza
systematycznie następny etap w układzie podłużnym na około 30 m i jest
kontynuowana niezależnie od pozostałych robót. W ślad za budową sztolni postępuje
rozbudowa kaloty zgodnie z omówionymi wcześniej zasadami. Roboty w kalocie są
prowadzone niezależnym systemem ciągłym na podobnej długości segmentu
sięgającym 30 m. Po zrealizowaniu kaloty podejmowane są na dalszym odcinku prace
związane z wykonaniem sklepienia obudowy stałej. Długość tych odcinków jest
przystosowywana nie tylko do możliwości niezależnego prowadzenia robót, ale także
do niezbędnego czasu dojrzewania konstrukcji stałej wykonywanej na mokro. W
procesie realizacji obudowy stałej usuwa się obudowę tymczasową, której rolę
przejmują najpierw szalunki obudowy stałej, a później sama obudowa. Tymczasowe
oparcie wezgłowi sklepienia tej obudowy musi więc być dokładnie przemyślane i
poprawnie zaprojektowane, aby mogło spełniać rolę stałego fundamentu i umożliwiać
późniejszą bezpieczną podbudowę ścian obudowy. Sklepienie nie może ulec
naruszeniu, dlatego jego wezgłowia są przeważnie znacznie pogrubione, w
porównaniu do grubości ścian, aby pozostawały oparte na caliźnie w czasie ich
podbudowy

(rys. 10.6).

Pod osłoną wykonanej obudowy stałej prowadzone są roboty związane z drążeniem centralnej części sztrosy, a
następnie z jej poszerzaniem i podbudową ścian. Operację poszerzania kaloty i podbudowy ścian prowadzimy
odcinkami 3  4 - krotnie krótszymi niż długość segmentu sklepienia. Roboty wykonujemy systemem mijankowym

zgodnym z ruchem konia szachowego (rys. 10.7). Jest to dodatkowe zabezpieczenie przed narażeniem sklepienia
na jego uszkodzenie. Prace w bezpośrednim sąsiedztwie odcinka podbudowanej ściany możemy rozpoczynać
dopiero w momencie, gdy konstrukcja uzyskała pełną nośność, wytrzymałość. Podbudowane odcinkami ściany są w
końcowym etapie rozpierane sklepieniem odwrotnym lub płytą spągową. Jest to ostateczne zrównoważenie ustroju
nośnego obudowy stałej

Metoda rdzenia oporowego

Niemiecka

metoda rdzenia oporowego zwana również wielosztolniową jest

potokową metodą przystosowaną do budowy obiektów podziemnych

w słabym,

niestabilnym górotworze

. Jej wyprzedzającym, pierwszym etapem jest budowa

dwóch równoległych sztolni w osiach fundamentów i ścian obudowy stałej

(rys. 10.8).

wyprzedzającym na 30 m wydrążeniu sztolni rozpoczyna się budowa fundamentów i
dolnej części ścian obudowy. Długość drugiego odcinka robót ustala się na podstawie
niezależności prowadzenia robót i czasu dojrzewania konstrukcji ścian. Jest to co
najmniej 30-metrowy odcinek. Nad pierwszym poziomem sztolni budujemy następne z
podobnymi przesunięciami etapowania, aż do momentu osiągnięcia pełnej wysokości
ścian obudowy stałej. Mając gotowe ściany przyszłej obudowy rozpoczynamy drążenie
kaloty.

Kalotę wykonujemy w porządku opisanym w metodzie belgijskiej i

austriackiej. Rozpoczynamy od sztolni, która jest jednym z dalszych etapów w
rozwiniętym systemie potokowym. Potem następuje rozbudowa kaloty i wykonanie
sklepienia obudowy stałej. przewaga metody niemieckiej nad belgijską polega na tym,
że wezgłowia sklepienia są tym razem oparte bezpośrednio na istniejących już
ścianach. Ustrój nośny nie jest więc narażony na ewentualne uszkodzenia w czasie
realizacji budowy. Pod osłoną kompletnej obudowy stałej wykonuje się roboty ziemne
związane z usunięciem rdzenia oporowego. O ile budowa dużej liczby sztolni jest
kosztowną operacją, o tyle usunięcie rdzenia znacznie pomniejsza ogólne koszty
budowy obiektu podziemnego. Im większe wyrobisko i większy udział rdzenia w
globalnej objętości robót podziemnych, tym bardziej korzystny będzie wynik
ekonomiczny scharakteryzowanej metody. Budowa obiektu kończy się wykonaniem
sklepienia odwrotnego.

wszystkich

omówionych

metodach

górniczych

oprócz

sztolni

przeznaczonych do rozbudowy wyrobisk docelowych mogą być wykonywane
dodatkowe sztolnie, szybiki czy studnie, które usprawnią wykonawstwo robót i
transport. W potokowym systemie budowy obiektu właśnie organizacja transportu
nastręcza wiele problemów, których rozwiązanie wymaga szczególnej uwagi.

2 3.

Nowa metoda austriacka -

NATM

Nazwa

NATM

jest raczej symboliczną nazwą

nowoczesnych zasad realizacji budowli podziemnych
metodami górniczymi. Metody te nawiązują do
wszystkich elementów racjonalnego prowadzenia robót
podziemnych:



zapewnienia pełnego bezpieczeństwa robót,



sygnalizowania wszelkich zagrożeń,



wykorzystania górotworu jako miejscowego

materiału budowlanego o określonej nośności,
sterowania procesem redystrybucji pierwotnych
naprężeń i odprężenia górotworu,


stosowania

wydajnego

sprzętu

zmechanizowanego,


umiejętnego

kierowania

technologią

organizacją robót,


tworzenia efektywnej, taniej produkcji o

wysokiej jakości.

Materiały żródłowe

Marek Cała –Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki, AGH KRAKÓW wykłady

New Austrian

Tunnelling Method

New Austrian Tunnelling Method

Podstawową zasadą

NATM

jest

dążenie do

wykorzystania możliwie w jak największym
stopniu efektu samonośności górotworu

w którym

prowadzone jest wyrobisko.

Obowiązują tutaj dwie reguły.



przy wykonywaniu wyłomu w górotworze jak najmniej

mu szkodzić


aktywizować górotwór w taki sposób, aby jego

odkształcenie osiągnęło wielkość optymalną w
momencie przyjęcia obciążeń przez obudowę
ostateczną

The

NATM

may be defined as a method of producing underground space

using all available means to develop the maximum self-supporting
capacity of the rock or soil to provide the stability of the underground
opening. This is achieved by the application of a smooth and
appropriately resistant initial support and a final lining which should
accept the necessary deformation but guard against the development of
rock load. The initial lining may consist of shotcrete, steel arches,
androckbolts, either singly or in combination.

New Austrian Tunnelling Method

Koncepcję budowy tuneli tworzy 10 podstawowych zasad:

1.Zasadniczym elementem tunelu jest
otaczający górotwór i dlatego należy w
taki sposób wykonywać wyłom, aby w
miarę możliwości utrzymać pierwotną
wytrzymałość skał otaczających tunel, a
po wykonaniu wyłomu nie dopuścić do
rozluźnienia skał, powstania szczelin,
spękań.

Należy zatem do minimum ograniczyć strefę zniszczenia
w otoczeniu tunelu. Z tego względu powinno się
wykonywać tunel w kształcie zbliżonym do eliptycznego o
stosunku półosi jak stosunek ciśnień pierwotnych.

zasada 1



= 

= p

+ p







 1

Najodpowiedniejszy

kształt tunelu

na całym obwodzie

tunelu występuje

równomierne

ściskanie o wartości



= 

= p

+ p

- pionowa składowa pierwotnego stanu

naprężenia,
p

–pozioma składowa pierwotnego stanu

naprężenia,
a,b -odpowiednio pionowa i pozioma półoś elipsy

Stosowanie

powinno być ograniczone do niezbędnych

przypadków, a metryka strzałowa określona niezwykle
dokładnie.

Najkorzystniej jest drążyć tunel za pomocą kombajnu
lub tarczy wiertniczej

, a kontur wyrobiska zabezpieczyć

właściwą obudową wstępną.

New Austrian Tunnelling Method

ZASADA 2

2. Na konturze wyrobiska i w jego pobliżu należy
wytworzyć trójosiowy stan naprężenia, ponieważ
skała ma mniejszą wytrzymałość w stanie jedno lub
dwuosiowym w porównaniu do trójosiowego stanu
naprężenia.

pierścień

wzmocnionego
górotworu

Strefa odprężona

Można

tego

dokonać

stosując

każdym

etapie

wykonywania

tunelu

aktywną obudowę

wstępną

złożoną głównie

z torkretu i kotwi oraz w
warunkach
zdecydowanie
niekorzystnych

łuków

stalowych

lub

żelbetowych

dużej

podporności

New Austrian Tunnelling Method

CD ZASADA 2

2. Na konturze wyrobiska i w jego pobliżu należy
wytworzyć trójosiowy stan naprężenia, ponieważ
skała ma mniejszą wytrzymałość w stanie jedno
lub dwuosiowym w porównaniu do trójosiowego
stanu naprężenia.



W tradycyjnych metodach drążenia tuneli stosowano

obudowy pasywne (drewniana, stalowa). Najczęściej były to
obudowy

tymczasowe

(podczas

zabudowy

obudowy

ostatecznej były rozbierane). W

NATM

stosuje się aktywne

systemy obudowy.



Obudowa

wstępna

aktywnie

przeciwdziałać

przemieszczeniom konturu tunelu natychmiast po jej
zabudowie. Do aktywnych obudów wstępnych można zaliczyć
przede wszystkim torkret i kotwie.


Każdą obudowę, która nie działa aktywnie przeciw

przemieszczeniom konturu tunelu należy traktować jako
pasywną

New Austrian Tunnelling Method

Obudowa wstępna i ostateczna powinny posiadać
odpowiednio dobraną sztywność (nie powinny być
ani zbyt sztywne ani zbyt podatne) powiązaną z
okresem czasu jaki upłynął pomiędzy zabudową
obudowy

wstępnej

zabudową

obudowy

ostatecznej•



Zbyt późne założenie obudowy

ostatecznej powoduje, że

w górotworze tworzy się strefa zniszczenia o znacznych
rozmiarach. Wzrost ciężaru spękanych skał wymusza
stosowanie obudowy ostatecznej o dużej podporności co
najczęściej prowadzi do wzrostu jej grubości.



Za wczesne założenie obudowy

ostatecznej jest

niekorzystne

, gdyż nie pozwala ona na dostateczne

odkształcenie górotworu i odkształcenia te obciążają
obudowę ostateczną. Powstaje konieczność zwiększenia
grubości obudowy ostatecznej co z kolei powoduje wzrost
jej sztywności.

New Austrian Tunnelling Method

ZASADA 4

Należy oszacować odległość pomiędzy przodkiem

tunelu a miejscem założenia obudowy ostatecznej tzw.
okres czasu utrzymywania tunelu w obudowie wstępnej.

Aby tego dokonać trzeba:



znać własności odkształceniowe i wytrzymałościowe ośrodka

w otoczeniu tunelu


dokonać klasyfikacji górotworu wzdłuż trasy prowadzonego

tunelu i na jej podstawie wstępnie określić czas utrzymania
tunelu bez obudowy


podczas drążenia tunelu należy wykonywać pomiary

przemieszczeń i odkształceń w wybranych punktach konturu
tunelu i w jego otoczeniu, pomiary konwergencji ścian tunelu,
pomiary rozwarstwień w głębi górotworu (pomiary prowadzić
zarówno w kalocie jak i w tunelu w obudowie wstępnej a także
ostatecznej),

pomiary

przemieszczeń

konturu

tunelu

powinny pozwolić na
określenie czasu po
którym za obudową
wstępną

należy

wznieść

obudowę

ostateczną

New Austrian Tunnelling Method



Jeżeli w otoczeniu tunelu tworzy się niewielka strefa

zniszczenia,

nie

występują

duże

odkształcenia

reologiczne i obudowa wstępna jest w stanie przenieść to
obciążenie pochodzące od górotworu wówczas przyrost
przemieszczeń

upływem

czasu

maleje

przemieszczenia konturu tunelu zdążają do poziomej
asymptoty. W tym przypadku czas instalacji obudowy
ostatecznej nie ma znaczenia nawet może być
zabudowana po wykonaniu całego tunelu w obudowie
wstępnej.


Jeżeli obciążenie od górotworu z czasem narasta przez

pewien okres czasu przemieszczenia w przybliżeniu
zwiększają się liniowo a później następuje wzrost
prędkości

przemieszczeń

przekroczenie

nośności

obudowy wstępnej i obudowa wstępna ulega zniszczeniu.
Okres liniowego wzrostu przemieszczeń może być bardzo
krótki i jak się tylko pojawi należy założyć obudowę
ostateczną

znać

własności

odkształceniowe

wytrzymałościowe ośrodka w otoczeniu tunelu

New Austrian Tunnelling

Method

Obudowa

wstępna

powinna

przylegać

górotworu szczelnie i na
całej

powierzchni,

aby

przeciwdziałać powstaniu
lokalnych

znacznych

odkształceń i zmniejszyć
strefy zniszczenia



Najskuteczniej osiąga się to

poprzez stosowanie betonu
natryskowego.

Ponadto

obudowa wstępna musi być w
miarę

cienkościenna,

aby

mogła

poddawać

się

obciążeniom pochodzącym od
górotworu.

praktyki

wiadomo,

że

maksymalna

grubość torkretu nie powinna
przekraczać 20-25 cm.

Obudowa

ostateczna

tunelu

największą

wytrzymałość oraz bardzo korzystnie współpracuje z
górotworem, poprzez obudowę wstępną, jeżeli jest
zamknięta ( pierścień obudowy jest zamknięty).



Kaloty

wykonywane ze znacznym wyprzedzeniem wydłużają

ten czas i narażają wysuniętą do przodu, nie zamkniętą, powłokę
obudowy na duże naprężenia zginają wzdłuż osi głównej tunelu.
W miejscach posadowienia obudowy kaloty, w spągu może
wystąpić przekroczenie wytężenia ośrodka i dlatego aby nie
pojawiły się niekorzystne strefy zniszczenia należy miejsca te
odpowiednio zabezpieczyć.


Szczególnie korzystne jest drążenie tunelu pełnym

przekrojem. Dzielenie przekroju i wykonywanie tunelu w kilku
etapach powoduje wiele niekorzystnych zjawisk takich jak:


komplikuje organizację prac w czasie wykonywania tunelu,



tworzą się lokalne miejsca koncentracji naprężeń,



następuje spadek wytrzymałości górotworu w otoczeniu tunelu

na skutek rozluzowania się ośrodka, tworzenia się spękań i
szczelin podczas każdego etapu drążenia i dochodzenia do
kształtu ostatecznego tunelu.

New Austrian Tunnelling Method

7. Należy projektować zaokrąglony kształt przekroju
poprzecznego tunelu aby zapobiec koncentracjom
naprężeń w narożach i miejscach załamywania się
kształtu.

8.Obudowie ostatecznej stawia się następujące
wymagania:



ze względu na występowanie naprężeń zginających i

ścinających a także odpowiednią jej podatność powinna
być możliwie cienka,


wskazane jest aby przylegała szczelnie do obudowy

wstępnej,


nie jest korzystne występowanie sił tarcia pomiędzy

obudową wstępną a ostateczną.

9. Kontrolę poprawności przyjętych założeń
dotyczących wykonywania tunelu oraz przyjętych
wymiarów zarówno obudowy wstępnej jak również
obudowy ostatecznej powinno się prowadzić
sukcesywnie w miarę postępu przodka wykorzystując
w tym celu pomiary.

10.Wodę działającą na obudowę wstępną należy
odprowadzać za pomocą drenów.

Wykonanie obudowy stałej

W metodach górniczych obudowę stałą wykonujemy najczęściej

jako

masywną konstrukcję sklepioną murowaną lub betonową

Deskowanie sklepienia spoczywa na tymczasowych konstrukcjach
nośnych -

krążynach.

Zewnętrzny obrys krążyny musi dokładnie

odpowiadać wewnętrznemu obrysowi obudowy stałej. Wyróżniamy
krążyny drewniane i stalowe przystosowane do przejęcia ciśnienia
górotworu po zdemontowaniu obudowy tymczasowej.

Krążyna

drewniana

składa się z kilku warstw desek obcinanych według szablonu

i zbitych gwoździami (rys. 10.13).

Krążyna stalowa

jest wykonywana z

wyginanych

odpowiednio elementów stali kształtowej np. ceowników .

W procesie realizacji obudowy stałej można wyróżnić następujące
czynności:


wyrównanie wyłomu wyrobiska,



wykonanie wkopów pod fundamenty obudowy w celu wyeliminowania