Založenie pylónu nového cestného mosta v Komárne

Jedným z problémových bodov severo‑južnej tranzitnej automobilovej dopravy je prechod cez Dunaj v Komárne. Od prvých úvah trvalo takmer 15 rokov, kým sa pristúpilo k výstavbe nového cestného mosta. Prvé prieskumné práce sa uskutočnili v roku 2006. Projektové práce museli byť zosúladené s maďarskými a slovenskými predpismi a ukončené boli v roku 2014. Pretože most spája dve krajiny, časti projektu nachádzajúce sa na slovenskej strane boli vypracované slovenským projektantom (Dopravoprojekt, a. s. Bratislava – hlavný inžinier projektu Ing. Ladislav Nagy) a kontrolované maďarskou stranou; podobne objekty na maďarskej strane spracované maďarským projektantom (Pont‑TERV Zrt. Budapest – hlavný inžinier projektu László Mátyássy, dip. ing.) podliehali slovenskému auditu. Návrh zakladania vypracovali pracovníci Katedry geotechniky SvF STU. Treba vysoko vyzdvihnúť veľmi dobrú medzinárodnú kooperáciu ako vo fáze projektovania, tak aj výstavby.

ÚVOD

Výstavba mosta začala po získaní európskych finančných zdrojov v auguste 2017 a v máji 2020 by sa mal most otvoriť pre verejnosť. Most s piatimi poľami bude tvoriť architektonickú dominantu širšieho okolia (obr. 1). Založenie extrémne zaťaženého 118 m vysokého pylónu v toku rieky predstavovalo jednu z rozhodujúcich zložiek projektu. Príspevok zhrnie hlavné úlohy, ktoré bolo potrebné vyriešiť pri zakladaní pylónu.

GEOLOGICKÉ POMERY LOKALITY

Rovinaté územie Podunajskej nížiny v okolí Komárna s miernym pozdĺžnym sklonom toku Dunaja predurčujú aj zloženie podložia pod dnom rieky. Pod štrkovitým dnom prevažujúcej hrúbky do 2 m dominujú predovšetkým piesočnaté kvartérne sedimenty, ktoré v hĺbke okolo 17 m prechádzajú do neogénnych sedimentov spočiatku siltovito‑piesočnatého charakteru, postupne v hĺbkach pod 30 m do ílov vysokej plasticity. Tenké piesočnaté polohy (najmä v kvartérnom súvrství) sú miestami spevnené vyzrážaným železitým tmelom. V mieste pylónu bola prieskumným vrtom zistená 1 m hrubá vrstva piesčitých štrkov, pod ktorými do 4 m siahajú spevnené sedimenty: íly pevnej konzistencie a spevnené silty. Až potom boli zistené jemnozrnné piesky.

V prieskumoch z niekoľkých etáp sa vyskytovali aj mierne odlišnosti, ktoré spočiatku vytvárali neistoty pre ďalšiu interpretáciu a aplikáciu vstupných parametrov zemín do výpočtov zakladania. Z toho dôvodu bolo potrebné veľmi dôkladne zhodnotiť všetky atribúty, ktoré mohli ovplyvniť kvalitu prieskumu. V rámci hydrogeologického prieskumu bolo vyhodnotením vzoriek vody konštatované neagresívne pôsobenie podzemnej vody na konštrukcie z betónu; naproti tomu oceľové konštrukcie prichádzajúce do kontaktu s vodou bolo treba chrániť proti pôsobeniu vysokej agresivity zosilnenou izoláciou.

Komárno patrí k najaktívnejším seizmickým oblastiam Slovenska. Z toho dôvodu sa tiež uskutočnil seizmický prieskum. Hlavná pozornosť sa venovala riziku stekutenia piesočnatých vrstiev seizmickým dilatometrickým testovaním stanovenia rýchlosti šírenia
seizmickej vlny. Tieto výsledky boli tiež zaradené medzi základné informácie o vlastnostiach podložia.

NÁVRH ZAKLADANIA

Prípravné projektové práce viedli spočiatku ku dvom koncepciám zakladania: plošnému a hĺbkovému. V každom prípade bolo potrebné najprv zabezpečiť ochranu základov pred tvorbou výmoľov.

Riziko tvorby výmoľov

Úroveň základovej škáry návodného piliera je ovplyvnená tvorbou výmoľov na dne rieky pri vysokých hladinách počas povodne. Vytvorenie priaznivých podmienok voči erózii zemín pod dnom rieky úzko súvisí s porušovaním zemín hydrodynamickými účinkami vody. Hĺbka výmoľov závisí od viacerých faktorov, z ktorých k najvýznamnejším patria: výška hladiny pri povodni, dĺžka trvania povodne, materiál dna rieky, množstvo splavenín, vzdutie rieky pred pilierom, tvar pilierov a nasmerovanie pilierov voči prúdnici v rieke. Rozhodujúce je stanovenie hĺbky výmoľov počas povodne a nie po povodni, keď je už výmoľ čiastočne zanesený splaveninami.

Na stanovenie hĺbky výmoľa sa použili štandardné analytické vzťahy, overené na množstve budovaných mostov. Autori statického návrhu mali na niekoľkých stavbách dobré skúsenosti s aplikovaním výpočtu podľa RICHARDSONa et al. (1993), ktorý bol výsledkom rozsiahleho výskumu federálneho úradu pre diaľnice v USA. Podľa tohto zdroja bolo odporúčané stanoviť hĺbku výmoľa vzťahom:

Pre komárňanský pylón bolo možné uvažovať s dĺžkou trvania povodne najviac 2 týždne. Piesčitý štrk nachádzajúci sa bezprostredne pod dnom rieky, prechádzajúci do 2 m hrubej vrstvy siltu pevnej konzistencie vytváral pomerne priaznivú situáciu z pohľadu rizika tvorby výmoľov. Po získaní hydrologických údajov boli do vzťahu (1) použité tieto okrajové podmienky:

• h_a – 9,4 m
• K_p – 1,11
• b_p – 6,5 m
• v – 2,5 m/s

Dosadením do vzťahu (1) napokon vyšla predpokladaná hĺbka výmoľa pod dnom Dunaja 9,66 m.

Návrh založenia

Na základe zhodnotenia všetkých relevantných kombinácií zaťažení, ktoré do podložia vnáša extrémne zaťažený a voči mostovke excentricky umiestnený oceľový pylón, sú výsledné sily vnášané do základu zhrnuté v tab. 1.

Tabuľka 1 – Zaťaženie pylónu zvislými silami

Tvar pylónu a vhodné umiestnenie lán vnášajú do základu len centrické zaťaženia. V smere pozdĺžnej osi mosta bolo ešte potrebné zohľadniť vodorovné sily, ktoré k základovej škáre vyvolávali momenty. K silám uvedeným v tab. 1 bolo potrebné ešte pripočítať vlastnú tiaž základovej konštrukcie. Na obr. 2 je znázornený pozdĺžny rez a pôdorys základu už aj s rozmiestnenými pilótami, ktoré boli pridané v ďalšej fáze návrhu. Základová škára železobetónovej dosky rozmerov 16,9 × 46,5 × 3,5 m spočívala na kóte
96,0 m n. m. (3,5 m pod dnom Dunaja). Pre statické posúdenie bolo potrebné predpokladať, že základová škára dosky sa už bude nachádzať vo vrstve piesku s prímesou jemnozrnnej zeminy. V základovej škáre dosky sa zohľadnením všetkých zaťažení uvažovalo pre potreby medzného stavu únosnosti s kontaktným napätím intenzity 393,33 kPa.

Nielen kvôli nadmernému sadaniu (ktoré vychádzalo pri plošnom založení takmer 150 mm), ale najmä z dôvodu rizika zasahovania výmoľov pod úroveň základovej dosky bolo potrebné podoprieť dosku pilótami a preniesť zaťaženie z pylónu do väčšej hĺbky. Z technologického hľadiska boli vybraté ako najvhodnejšie vŕtané pilóty s ochrannou oceľovou výpažnicou. Pilóty sa nemohli v dosiahnuteľnej hĺbke oprieť o vrstvu jemnozrnných zemín pevnej konzistencie. Prenesenie rozhodujúcej časti zaťaženia bolo potrebné zabezpečiť plášťovým trením. To viedlo k voľbe priemeru pilót ∅ 1,5 m. Aplikovala sa pritom klasická analytická metóda. Prvý návrh uvažoval s 38 pilótami dlhými 12,0 m. Únosnosť pilótového základu bola splnená, ale výpočet predpokladaného sadania skupinového pôsobenia pilót vychádzal viac ako 34 mm. Na zmiernenie sadania bolo potrebné zväčšiť plášťové trenie pilót ich predĺžením na 15,0 m. Zároveň sa tiež zväčšil počet pilót na 43 (obr. 2). Predĺžením pilót sa znížilo predpokladané sadanie na 22,4 mm, čo už bola akceptovateľná hodnota.

Správnosť návrhu bola potvrdená zaťažovacou skúškou delenej nesystémovej pilóty Osterbergovým snímačom (obr. 3).

POSÚDENIE STABILITY OHRÁDZKY

Samotnému návrhu tvaru ohrádzky pre pylón predchádzalo niekoľko návrhov, ktoré postupne viedli ku konečnému riešeniu. Jednotlivými posúdeniami modelových situácií bola ohrádzka postupne optimalizovaná tak, aby boli splnené podmienky stability v každej preverovanej fáze.

Ohrádzka pôdorysných rozmerov 44 × 20 m bola navrhnutá z dvoch radov štetovníc VL 606. K základnému obdĺžnikovému tvaru boli na zmiernenie účinkov prúdiacej vody pridané na oboch užších koncoch ostré ukončenia. Vnútorné štetovnice dlhé 19 m boli votknuté pod dno rieky 6,5 m a 12,5 m. Táto stena mala vzdorovať prevažne zaťaženiu od vody a v menšej miere zemnému tlaku. Vonkajší rad štetovníc dlhých 20,3 m slúžil ako ochrana pred preliatím pri vysokých vodných stavoch. Na zvýšenie stability ohrádzky boli vonkajšie a vnútorné štetovnice prepojené ťahadlami s osovou vzdialenosťou 1,2 m. Priestor medzi dvoma radmi štetovníc bol široký 0,6 m a vyplnený betónom triedy C 20/25. Konštrukcia ohrádzky bola rozopieraná v dvoch výškových úrovniach.

Osová vzdialenosť rozpier bola 6,85 m (obr. 4). Podložie vo vnútri ohrádzky bolo zlepšené prúdovou injektážou celkovej hrúbky 2,0 m: z toho 1,0 m pod pätou štetovníc a 1,0 m nad pätou štetovníc. Zabránilo sa tým prítokom vody do stavebnej jamy a zvýšila sa tuhosť zeminy vo votknutej časti štetovníc. Okrem toho bolo na zvýšenie tuhosti piesočnatej polohy vytvorené pod budúcou základovou doskou po celej ploche dna ohrádzky spevnenie prúdovou injektážou hrúbky min. 1,0 m (obr. 5).

Posúdenie stability ohrádzky bolo preverované pomocou dvoch výpočtových metód. Pri riešení úlohy sa použila metóda závislých tlakov (analytická metóda), ktorá umožňuje stanoviť zaťaženie pažiacich konštrukcií v jednotlivých fázach výkopu od zemného tlaku a podzemnej vody. Toto analytické riešenie úlohy malo určité obmedzenia. Preto sa na preverenie jednotlivých zaťažovacích fáz vytvorili až tri modely:

• MZT 1Š – zjednodušený model z jednoradovej štetovnicovej steny, pri ktorom sa uvažovalo len s jedným radom štetovnicovej steny, zanedbala sa betónová výplň a druhý vonkajší rad štetovníc.
• MZT 2Š – pri tomto modeli sa zohľadnila tuhosť dvoch radov štetovníc prostredníctvom zvýšeného prierezového modulu, upravenou plochou a momentom zotrvačnosti, pričom sa zanedbalo vyplnenie medziľahlého priestoru betónovou výplňou.
• MZT PS – model podzemnej steny – pri tomto modeli sa namiesto dvoch radov štetovníc uvažovala podzemná stena hrubá 0,6 m.

Okrem toho bola úloha riešená numerickým modelovaním metódou konečných prvkov, ktoré oproti analytickému riešeniu umožnilo vytvorenie jedného modelu, v ktorom sa posudzovali všetky relevantné fázy stavebných etáp. Pre obe výpočtové metódy bol na statické posúdenie zvolený priečny rez stredom ohrádzky. Vo všetkých modeloch bolo zachované geometrické usporiadanie konštrukcie, použili sa rovnaké vlastnosti zemín a posúdenia sa robili v rovnakých fázach.

V prvom kroku sa preverila stabilita štetovníc počas zhotovovania betónovej výplne medzi štetovnicami. Zaťaženie štetovníc betónovou výplňou sa uvažovalo od dna rieky až do výšky 1,2 m pod horný okraj vnútorných štetovníc. Betónovanie bolo realizované po úsekoch vysokých 1,7 m, aby sa zabránilo nadmerným deformáciám štetovníc od čerstvého betónu.

Po vyplnení priestoru betónom medzi štetovnicami bol vo vnútornom priestore ohrádzky navrhnutý spätný zásyp z dôvodu, aby sem bolo možné umiestniť stroje na injektovanie podložia a zhotovenie pilót. V ďalšom kroku bolo preto potrebné preveriť stabilitu štetovnicovej steny od zaťaženia zásypom a vŕtacou technikou. Hladina vody v Dunaji bola pritom uvažovaná o 2 m nižšie oproti návrhovej hladine. Vyššia hladina by totiž v tomto kroku priaznivo pôsobila na stabilitu štetovnicovej steny. Návrhová situácia ohrádzky je znázornená na obr. 5. Pri preverovaní tejto návrhovej situácie sa ukázala potreba vytvoriť kamenný zához pri vonkajšom okraji štetovníc. Okrem toho bolo úlohou záhozu zníženie rizika tvorby výmoľov počas prípadnej povodňovej situácie.
Hmotnosť balvanov vyšla min. 65 kg pri zohľadnení rýchlosti vody 2 m/s, sklonu dna a zeminy na dne Dunaja. Zaťaženie od vŕtacej techniky by totiž mohlo vyvolať nadmerné deformácie štetovníc (pre rôzne modelové situácie 100 až 400 mm v úrovni koruny štetovníc) a ohroziť tak jej stabilitu. Použitím kamenného záhozu sa vypočítané deformácie znížili na menej ako polovicu (obr. 6). Toto preverovanie bolo dôležité z toho dôvodu, že štetovnice boli stabilizované len subtílnymi ťahadlami nad úrovňou záhozu.

Po zhotovení pilót a zainjektovaní podložia sa postupne začala odstraňovať zemina z priestoru ohrádzky. Posúdenie stability ohrádzky počas odstraňovania zeminy z ohrádzky bolo rozdelené do niekoľkých fáz. Tie korešpondovali s postupným výkopom, znižovaním hladiny vody a s osadením jednotlivých rozpier. Výsledné deformácie z jednotlivých modelov pre dve významné fázy výstavby sú na obr. 6. Veľkosť deformácií je rozhodujúca pre celkovú stabilitu konštrukcie. Z pohľadu bezpečnosti môže byť neočakávaný nárast deformácie prvotným signálom neprimeraného správania konštrukcie. Okrem preverovania stability bolo dôležité v každej stavebnej fáze stanoviť aj návrhové zaťaženia jednotlivých prvkov (štetovníc, rozpier, ťahadiel). Na obr. 7 sú podľa výstupov z jednotlivých modelov znázornené sily v rozperách pri plnom výkope s priemernou a maximálnou hladinou v Dunaji. Napriek rozdielnym výstupom z výpočtov bolo možné konštatovať, že všetky prvky ohrádzky boli schopné spoľahlivo preniesť očakávané zaťaženia.

ZÁVER

Na základe čiastkových výsledkov z jednotlivých etáp výstavby sa upravovali detaily jednotlivých prvkov ohrádzky. Počas realizácie ohrádzky sa vyskytli dve významnejšie okolnosti. Prvou bolo, že časť štetovníc sa nepodarilo zaraziť do predpokladanej hĺbky. Druhou zmenou oproti projektu bolo, že v dôsledku pôvodne predpokladanej nižšej pevnosti a vyššej priepustnosti stmelených piesčitých polôh sa reálna situácia ukázala priaznivejšia. Preto sa namiesto dvoch injektovaných vrstiev podložia realizovala len jedna. Tieto nové okolnosti boli operatívne preverované jednotlivými výpočtovými modelmi a potvrdili oprávnenosť korigovania pôvodného návrhu. Počas celej doby, kedy musela ohrádzka vzdorovať rôznym zaťažovacím stavom, si spoľahlivo plnila svoju funkciu. Celkový pohľad na ohrádzku so zhotovenými pilótami a zabetónovanou základovou doskou je na obr. 8. Podobne nevznikli pochybnosti o správnosti návrhu založenia pylónu dokončením hrubej stavby mostu na konci roku 2019.

POĎAKOVANIE

Príspevok je jedným z výstupov projektu grantovej agentúry VEGA č. 1/0530/19 „Analýza účinnosti odvodnenia pri sanácii nestabilných svahov“.

prof. Ing. Peter Turček, PhD.
doc. Ing. Monika Súľovská, PhD.
Katedra geotechniky, Stavebná fakulta STU

POUŽITÁ LITERATÚRA:

• Richardson, E.V. – Harrisson, L.J. – Richardson, J.R. – Davis, S.R.: Evaluation scour at bridges. Hydr. Eng. Circular No. 18, FHAA‑IP‑90‑017. Ofc. of Eng. Fed. Hwy.Admin. (FhwA), Washington, D.C., 1993, 132 s.
• Nagy, L.: Zaťaženia opôr a pilierov (charakteristické a návrhové hodnoty) vrátane schém pôsobenia vonkajších účinkov na každom pilieri a opore; pracovné materiály, 2014.
• Geologické prieskumné práce z roku 2006, doplnené v rokoch 2007 a 2014 maďarskou stranou pod názvom „Prieskum podložia pre nový cestný most na Dunaji medzi Komáromom a Komárnom“;
• Szepesházy, R.: Hodnotenie seizmickej odolnosti podložia. Univerzita Széchenyi István, 2009. (v maďarskej reči). 
• Súľovská, M. – Stacho, J.: Analysis of Cofferdam Stability for Foundation of a Bridge Pillar. Proceedings of China‑Europe Conference on Geotechnical Engineering. Volume 2. Cham: Springer Nature Switzerland, 2018, s. 1013–1016, ISBN 978‑3‑319‑97114‑8.
• Turček, P.: Statický výpočet – zakladanie. Nový cestný most cez Dunaj medzi mestami Komárom – Komárno. 201‑00 Hlavný mostný objekt. Dopravoprojekt, a. s. Bratislava, 26.05.2014, 68 s.