Poznatky ze 17. Christian Veder kolokvia v Grazu věnovaného injekčním pracím


English summary

Ve dnech 4. a 5.dubna letošního roku se v rakouském Štýrském Hradci konalo další – v pořadí již 17. Christian Veder kolokvium s názvem: Injektování v zeminách a horninách. Tato monotematická kolokvia, jejichž přehled byl uveden v čísle 2/2001 tohoto časopisu, představují zřejmě evropskou špičku z hlediska návrhu a technologie provádění prací speciálního zakládání staveb. Článek podrobně seznamuje s obsahem většiny z celkem 18 příspěvků letošního kolokvia.

Na akci bylo přítomno rekordních 400 účastníků převážně z německy mluvících zemí: Rakouska, Německa, Švýcarska, ale i z Itálie, Polska, Slovenské a České republiky. Ve dvou dnech bylo prezentováno celkem 18 příspěvků, jež byly podrobně a kriticky diskutovány. Na akci se již tradičně podílely významné západoevropské firmy, které uspořádaly výstavu svých prací i výrobků. V úvodu konstatoval prof. Semprich z pořádající TU Graz, že rozhodující uplatnění „klasických injektáží“ leží v oblasti injektáží těsnicích, neboť zpevňovací injektáže využívané v minulosti k podchycování staveb a zpevňování podloží pozbývají postupně na významu v důsledku rozšiřování technologie tryskové injektáže, jíž bylo věnováno 15. kolokvium v roce 2000. Zvláštní význam však má technologie tzv. kompenzační injektáže, což je řízená injektáž způsobující pohyb ve struktuře horniny s cílem vyrovnávání a zmírňování účinků deformací od výkopových prací, výrubů apod. tak, jak byl tento pojem vymezen v evropské normě EN 12715: Execution of special geotechnical work – Grouting z roku 2000 (český překlad této normy byl již ČNI vydán). Hlavní problém injekčních prací spočívá dnes především v dosažení jejich kvality a v kontrole kvality prací, jež jsou náplní dohody mezi jejich objednatelem a zhotovitelem. Konstatováno bylo – a většina příspěvků to potvrdila – že rozhodující podíl na tom má na jedné straně správná volba technologie a injekčních materiálů, na straně druhé pak především zkušenost všech zúčastněných pracovníků, počínaje projektantem a konče dělníkem na staveništi. Dále uvádíme seznam publikovaných příspěvků, na něž se budeme v dalším textu odvolávat.

1. G. Stadler, TU Graz: Co přineslo injekční technice evropské
    normování;
2. U. Bärtel, G. Dausch, Bilfinger Berger AG: Využití injekčních
    prací při pracích speciálního zakládání staveb;
3. R. Kleina, L. Liersch, Bauer Spezialtiefbau GmbH: Vodorovná
    zpevňovací injektáž mikrocementem a tvrdým gelem pro
    dočasné zajištění klenby podchodu pro pěší v Abu Dhabi
    (SAR);
4. S. Semprich, G. Sochatzy, M. Gutzeit, R. Fuchs, TU
    Graz,B+B, 3G: Stabilizační injektáž kvartérních štěrků –
    kvalitativní pokrok při výstavbě tunelu metra U1/1 ve Vídni
   štítováním;
5. K. F. Garshol MBT Latin America: Předběžná injektáž v
   tunelovém stavitelství – smysluplné opatření;
6. F. Deman, R. Enger, T. Gross, W. Jullien, WPG, Stump
   Spezialtiefbau, DB-Netz, SRN: Zpevnění pilířů dvou
   železničních mostů přes Moselu pomocí injektáže a
   mikropilot jako opatření proti nárazu lodí;
7. N. Vogt, M. Cartus, TU München, Keller Grundbau GmbH:
   Využití injekčních prací při zvedání rámového bloku
   protlačované části tunelu Engelberg;
8. G. Maybaum, K. Patzelt, T. Boeck, prof. Rodatz, Bauer
   Spezialtiefbau, SRN: Kompenzační injektáž pro zajištění
   stávající zástavby na severním břehu Labe při výstavbě tunelu
   pod řekou v Hamburku;
9. M. Zander, A. Müller-Jahreis, G. Breitsprecher, Steinfeld und
   Partner, Keller Grundbau GmbH: Zvedání a stabilizace pilíře
   č. 11 mostu Rudolf Wissell v Berlíně pomocí zpevňovací
   injektáže;
10. R. Lippomann, G. M. Kley, FH Erfurt: Sanace škod
   způsobených sedáním objektů pomocí injektáže;
11. C. Kummerer, H. F. Schweiger, R. Otterbein, TU Graz,
   Keller Grundbau GmbH: Numerická analýza účinků zvedání
   při injekčních pracích;
12. Reichl, R. Wollmarker, G. Stadler, K. Schretter, S. Eder,
   ILF ZT GmbH, TU Graz, Brenner Eisenbahn GmbH:
   Průzkumná štola Brixlegg Ost – příklad pro stanovení
   hraničních účinků injektáže ve skalních horninách;
13. J. Linortner, B. Aberle, STRABAG AG: Těsnicí injektáž
   zemin a hornin při výstavbě přehrad Borčka a Muratli na
   severovýchodě Turecka;
14. F. Winkler, F. Trummer, Keller Grundbau GmbH: Těsnicí
   injektáž proti tlakové vodě při výstavbě tunelu;
15. H. Geissler, NLB Hannover: Injektáž pro omezení průsaku z
   přehrady v Harcu;
16. N. Tausch, F. Ecker, FH Kaiserslautern: Výzkum průniku
   injekční směsi při použití jemně mletých cementů – umění v
   laboratoři injekčních prací;
17. H. Müller-Kirchenbauer, M. Kuk, K. Gawalek, C. Schlötzer,
   TU Hannover: Výsledky průniku injektáže prostředím při
    využití nových injekčních hmot;
18. J. Brauns, M. Luber, J. Santo, U. Schuler, B. Schulze, TU
   Karlsruhe: Příspěvek k výzkumu průniku a rozšíření injekční
   směsi v horninovém prostředí.


Postřehy a komentáře k některým příspěvkům

V 1. příspěvku zdůraznil prof. Stadler, že přes logické obtíže vyplývající z tak obsáhlé a obtížně předvídatelné technologie, kterou je právě injektování, má vytvoření normy značný význam, neboť:
• harmonizuje stávající dosti různorodé národní předpisy (touto
  cestou se ubírala TC288 pod vedením dr. Stockera),
• vychází z výsledků rozsáhlého výzkumu teoretických problémů
  spojených s injektováním, jimž se věnovala International
  Society for Rock Mechanics, Commission on Rock Grouting,
• bere v úvahu nejnovější výsledky výzkumu v oblasti výroby
  stavebních hmot pro injektáže,
• shromažďuje dosavadní bohaté praktické zkušenosti ze
  stavenišť a využívá je pro doporučené technologické postupy
  injektování, jakož i kontroly, dohled a monitoring injekčních
  prací.
Těžiště příspěvku spočívalo v komentování kapitoly 5 této normy, jež se týká průzkumu staveniště pro potřeby injektování, a kapitoly 6, jež se zabývá kontrolou injekčních prací.

2. příspěvek specialistů z firmy Bilfinger a Berger AG se týkal příkladů využití injekčních prací při speciálním zakládání staveb, resp. v jejich kombinaci, a to konkrétně při:
• zlepšování únosnosti vrtaných pilot,
• poruchách vrtaných pilot, podzemních stěn a betonu
  prováděného pod vodou,
• utěsňování štětových stěn,
• dočasném zajišťování výrubu v tunelovém stavitelství,
• stabilizaci některých zemin.
Jak bylo uvedeno, velmi dobrých výsledků bylo dosaženo při dodatečném injektování paty vrtané piloty, a to při použití speciálně vyvinutého detailu ukončení armokoše v pilotě tak, aby injektáž byla usměrněna do správných míst. Podobná zkušenost je s injektováním pláště piloty, kdy pomocí jednoho ventilu lze injektovat 3,5 až 4 m2 plochy pláště. Značný význam se přisuzuje injektáži zemin pod patou piloty, která samozřejmě přichází v úvahu pouze při ukončení pilot v zeminách, což ostatně není častý případ v naší zemi. Byly uvedeny příklady významné redukce sedání piloty po provedení tohoto opatření. Zvláštní význam má injektáž při nápravě poruch a škod na různých prvcích hlubinných základů.

Využitím zpevňovací injektáže v píscích, jakožto dočasného stabilizačního opatření při ražbě velmi mělce situovaného podchodu délky 36 m se zabýval 3. příspěvek. Definitivní šířka podchodu je 6,6 m a světlá výška 4,6 m, velmi plochá klenba se vzepětím 1,6 m má uprostřed výšku nadloží 1,5 m, z čehož 0,7 m tvoří konstrukce městské vozovky. Portály byly tvořeny převrtávanými pilotovými stěnami tl. 0,90 m. Vlastní injektáž byla naplánována spolu s „deštníkem“, tvořeným ocelovými trubkami průměru 89/10 mm ve vzdálenostech po 0,65 m, jež sloužily současně jako manžetové trubky s etážemi po 0,75 m. Na základě polních zkoušek a následného odkopání těles vzniklých injektáží byla injektáž prováděna jednak mikromletým cementem (v dávkování kolem 170 kg/m3), přičemž výsledná pevnost proinjektovaných písků činila 5 – 9 MPa (!), nicméně dosah této injektáže nepřesáhl asi 0,5 m. Pro doinjektování se pak použilo vodní sklo se speciálně vyvinutým reaktivem pro místní podmínky (obsah soli v píscích, vysoká teplota apod.). Ražba byla prováděna v píscích nad hladinou podzemní vody po záběrech délky 2,0 m, přičemž definitivní výstroj tvořil stříkaný beton tloušťky 0,40 m vyztužený sítěmi. Doba provádění byla kolem 6 týdnů.

Těsnicími a současně stabilizačními injektážemi se zabývaly další příspěvky (4, 12, 13, 14, 15), pro něž jsou charakteristické následující skutečnosti:
• jednoznačný odklon od chemických injektáží (o nich byla
  zmínka pouze v teoretickém příspěvku 17, kdy byl prováděn
  výzkum silikonových injekčních hmot za účelem stanovení
  jejich průniku různými zeminami),
• systematické využívání ultrajemných cementů, jež umožňují
  injektovat i jemné písky; jedná se především o produkty firmy
  Dyckerhoff pod označením FINOSOL, přičemž výrobky F mají
  d95 < 15 mm, výrobky U pak d95 < 10 mm a konečně
  nejjemnější FINOSOL F vykazuje d95 < 6 mm (d95 značí 95%
  podíl zrn příslušného průměru),
• relativně vysoký vodní součinitel injekční směsi na bázi
  ultrajemných cementů dosahující v/c = 3–5 (kdy injekční směs
  se svým charakterem blíží „roztoku“), • velmi příznivé koloidní
  vlastnosti těchto směsí, především dekantace a stabilita, kdy
  přidávání např. bentonitů není nutné,
• velmi dobré těsnění písků, kdy výsledné koeficienty filtrace
  dosahují 10–6 až 10–7 m/s,
• důsledné využívání předběžných zkušebních polí a podrobné
  vyhodnocení zkoušek, neboť je jednoznačně prokázáno, že
  tyto činnosti vedou k úspoře nákladů,
• v případě klasických těsnicích injektáží v horninách důsledné
  využívání vodních tlakových zkoušek prováděných s
  proměnným tlakem za účelem zjištění charakteru puklin a
  následného stanovení technologie injektáže včetně
  nejvhodnějšího složení injekční směsi – v případě cementové
  pak stanovení vodního součinitele v/c (např. příspěvek 13),
• důraz na monitoring injekčních prací (nezávislé monitorování a
  záznam injekčních prací je samozřejmostí), důraz na kontrolu
  injektáží jak přímými, tak i nepřímými metodami (např.
  geofyzikálními)

Poučný byl 5. příspěvek zabývající se předběžnou injektáží v tunelovém stavitelství, a to především pro zamezení nebo omezení přítoku na čelbě raženého tunelu. Tato předběžná injektáž se provádí pomocí relativně dlouhých vrtů zasahujících 20 – 40 m před čelbu. Vrty mají jednak zajistit kontrolu možných přítoků, jednak je omezit injektováním. Bylo prezentováno několik příkladů z Japonska, Jižní Ameriky, ale i z Norska, kde např. zanedbání této předběžné injektáže znamenalo nekontrolovatelný průval vody do tunelu, který bylo nutné opustit, a následné „vypuštění“ jezera, pod nímž byl tunel veden.

Zvedáním objektů pomocí speciální injekční techniky se zabývaly především příspěvky 7, 9 a 10. V prvním případě (příspěvek 7) se jednalo o rozšíření tunelu Engelberg, který podchází násypové těleso a je tvořen paralelními tunely z železobetonových rámů délky 20 m, šířky 23 m a výšky 7 m. Tyto rámy byly posunovány po speciální dráze vytvořené plechovými pásy s bentonitovým povlakem, přičemž v případě jednoho rámu došlo k jeho nerovnoměrnému sednutí o asi 150 mm proti plánovanému stavu. Do své správné polohy byl rám ustaven pomocí injektáže Soilfrac ®, což je v podstatě řízená klakáž v soudržných zeminách, jež byla prováděna vějířem horizontálních injekčních vrtů ze šachty situované na rohu bloku, který byl obepnut štětovou stěnou za účelem omezení vlivu injektáže na okolí. Injektováno bylo pomocí klasických manžetových trubek suspenzí na bázi cementu a vápencové moučky s přídavkem bentonitu, přičemž celkové množství zainjektované hmoty činilo 333 m3 v ohraničeném podzákladí objemu asi 1700 m3, tvořeném prachovitými jíly s podložím jílovců.

Další příspěvek (příspěvek 9) popisuje zvedání plošně založeného pilíře č. 11 mostu v Berlíně, vybudovaného v roce 1961. V souvislosti s výkopovými pracemi pro budoucí průplav v mostním poli došlo k sednutí pilíře o 8 – 10 mm, jeho pootočení a k horizontálnímu posunu 4 mm. Při kontrole původního statického výpočtu bylo zjištěno, že s ohledem na spojitý nosník o 6 polích nejsou „žádné rezervy“ v předpjaté mostovce z hlediska deformace podpěr, tudíž bylo přistoupeno k sanaci tohoto pilíře, jehož základová spára patky 12 x 20 m je v hloubce 3 m a základová půda je tvořena jemnými prachovitými písky. Břeh průplavu zajištěný kotvenou štětovou stěnou se nachází ve vzdálenosti asi 5 m od patky a dno průplavu je až 4 m pod úrovní základové spáry. Vlastní injektáž sestávala ze dvou fází: stabilizační injektáž bloku mikrocementem (Microdur U + X) pod základem dosahujícím do hloubky 7 m pod základovou spáru a klakáž (Soilfrac ®) podložní vrstvy mocné asi 5 m za účelem zvednutí a posunu pilíře do původního stavu. Vlastní práci předcházely předběžné a průkazní zkoušky na zkušebních polích, jež prokázaly dobrou využitelnost použitých cementů pro injektáž. V průběhu injektáže byly měřeny deformace pilíře pomocí následujících systémů:
a) měřicí systémy investora:
• tři extenzometry pro vodorovné deformace a čtyři
  extenzometry pro vertikální deformace v rozích stávajícího
  základu,
• několik dilatoměrů osazených na trhlinky v pilíři a v mostovce,
• digitální automatické nivelační měření k dodatečnému
  sledování svislých deformací,
• automatické vodováhy,
• to vše napojeno na plně automatickou měřicí centrálu
  zahrnující sběr výsledků, okamžité vyhodnocení a jejich
  vizualizaci,
b) měřicí systém zhotovitele:
• další digitální automatické nivelační měření nezávislé na
  měření investora,
• plně automatické tachymetrické měření pro sledování
  „prostorového pohybu“ pilíře,
• nezávislá automatická měřicí centrála.

Poslední příspěvek z této skupiny (příspěvek 10) ukazuje na sanaci stávajícího železobetonového bazénu oválného tvaru rozměrů asi 30 x 17 m s hloubkou kolem 1,8 m založeného na
4 m vysokém násypu z recyklátů stavebních hmot s podložím tvořeným písčitým prachem s organickými příměsemi a s vrstvou rašeliny v objektu lázeňského komplexu. V průběhu tří let (po výstavbě) dosáhlo sedání více než 150 mm, jež bylo navíc značně nerovnoměrné. Pro sanaci byly zvažovány dvě varianty řešení: podchycení bazénu pomocí svislých prvků zasahujících do stabilního položí (prvky tryskové injektáže, spec. piloty) a injektáž za účelem zvedání. První varianta byla zamítnuta pro možnost poškození zařízení a sítí umístěných pod bazénem. Sanace byla tedy prováděna opět řízenou klakáží pomocí vějíře vodorovných vrtů opatřených manžetovými trubkami, přičemž s výhodou bylo využito výškové uspořádání na staveništi, jež umožnilo provádět vrty ze stávajícího terénu do svahu opatřeného zpevněním ze stříkaného betonu. Při vlastní injektáži, jež stále probíhá, bylo v průběhu asi šesti měsíců spotřebováno 200 m3 injekční směsi na bázi cementu, přičemž se dosáhlo zvednutí asi o 50 mm.

Matematickým modelováním účinků zvedání a kompenzační injektáže se zabýval 11. příspěvek. Na příkladu výstavby tunelu metra pod budovou hlavního nádraží v Antverpách bylo ukázáno, že pomocí programu PLAXIS 3D lze s úspěchem modelovat účinky injektáže, která se prováděla za účelem omezení deformací a velikosti poklesové zóny při ražbě 80 m dlouhého tunelu procházejícího v hloubce 13 m pod základy nádražní budovy. Na staveništi se do hloubky asi 20 m nacházejí ulehlé jemnozrnné písky s 10 % podílem prachové složky, podloží tvoří jíly. Hladina podzemní vody v hloubce kolem 7 m byla napřed snížena asi o 12 m a vybudovány byly dvě startovací šachty 25 x 10 m zajištěné podzemními stěnami. Z nich byla prováděna kompenzační injektáž pomocí dvou proti sobě jdoucích vějířů vodorovných vrtů délky až 45 m vystrojených manžetovými trubkami. Kompenzační injektáž má mít vždy dvě fáze: předběžná injektáž, jež slouží k vyplnění pórů, zpevnění a vytvoření takového stavu napjatosti podzákladí, jež ještě neznamená vznik deformací (v našem případě tato fáze končila při zvedání budovy o 2–5 mm); fáze vlastní kompenzační injektáže (za účelem vyrovnávání deformací budovy v souvislosti s ražbou). Pro provedení předběžné injektáže byly protláčeny ocelové roury (celkem 8 ks průměru 3,0 m resp. 2,5 m), jež vytvořily relativně tuhý „deštník“ pro vlastní ražbu tunelu, jež probíhal belgickou metodou tak, že z vnějších rour byly vyhloubeny rýhy pro boční stěny tunelu a následoval výrub vlastního jádra, přičemž niveleta tunelu se nachází v hloubce 21 m pod terénem. V průběhu ražby tunelu, jež proběhla celkem na třináct záběrů, se paralelně prováděla druhá fáze kompenzační injektáže, a to v závislosti na výsledcích měření deformací, které obstarával automatický vodováhový systém s 93 měřícími body (přesnost měření 0,3 mm). Kromě toho se absolutní deformace měřily přesnou nivelací.
Matematické modelování prostřednictvím programu PLAXIS vycházelo ze sítě asi 2000 prvků pro osovou symetrii danou svislou rovinou jdoucí středem tunelu. Vlastní výpočet zahrnoval následující kroky (stavy):
• stanovení původní napjatosti prostředí (kdy např. koeficient
  bočního tlaku byl stanoven k0 = 1–sinj = 0,398),
• zatížení stávajícími plošnými základy objektu nádražní budovy
  (kdy napětí v základové spáře dosahuje až 0,8 MPa) a
  konsolidace podzákladí,
• snížení hladiny podzemní vody – sedání v důsledku tohoto vlivu
• předběžná fáze kompenzační injektáže,
• ražba rour v pořadí B-D-A-C (A je nejdále od osy tunelu) včetně
  následných fází kompenzační injektáže,
• těžba rýh pro boční stěny tunelu a následná vlastní ražba
  tunelu.

Prognóza získaná tímto modelováním se až neuvěřitelně dobře shodovala s naměřenými deformacemi při vlastním provádění. Kompenzační injektáží se spíše z hlediska měřicího systému deformací zabýval 8. příspěvek, týkající se rozšíření stávajícího tunelu na dálnici A7 procházející pod Labem v Hamburku. Další dva dálniční pruhy budou umístěny do 4. roury labského tunelu, jež byla ražena štítem o průměru 14,20 m. Pro zamezení účinků deformací na stávající zástavbě rodinných domů nacházející se na severním břehu řeky (Övelgönne a Othmarschen) byla realizována rozsáhlá kompenzační injektáž, a to prostřednictvím vějířů vodorovných vrtů prováděných ze dvou kruhových šachtic průměru 7,5 m, hloubky 11 m, zajištěných štětovými stěnami s utěsněným dnem. Vrty dosahovaly až na délku kolem 55,0 m. Opět na základě vyhodnocení zkušebního pole na Bernadottestrasse byly stanoveny dvě fáze kompenzační injektáže, kdy v předběžné fázi před ražbou byl terén zvednut asi o 2 – 5 mm a v průběhu ražby pod zástavbou byly vzniklé deformace ihned dorovnávány kompenzační injektáží. Výsledky měření ukázaly, že pod typický dům s půdorysnou plochou kolem 100 m2 bylo nainjektováno celkem asi 70 m3 injekční směsi na bázi jemně mletých cementů s přísadami.

Poslední tři příspěvky č. 16, 17, 18 se týkaly převážně laboratorního výzkumu injekčních směsí a průniku injekčních směsí zeminami, jakož i účinky reinjektáží. Velice podnětný je výzkum injektovatelnosti zemin a příslušná kritéria injektovatelnosti stanovená v závislosti na efektivní pórovitosti zemin.


Závěr

17. Christian Veder Kolokvium věnované klasickým injektážím představilo zřejmě současnou evropskou špičku v této technologii a zároveň naznačilo jisté trendy v injekčních pracích do budoucna. Jde především o využití jemně mletých cementů, jež v těsnicích a kompenzačních injektážích zcela převažují, a o odklon od injektáží chemických, které se prakticky nevyužívají. (V této souvislosti nelze nevzpomenout značné rozšíření polyuretanů u nás, využívaných často zcela nesmyslně – např. pro injektáž mikropilot a kotev v zeminách, přesto, že jejich pevnost je zanedbatelná, nicméně cena je „zajímavá“). Byla zdůrazněna významná role předběžných a průkazních zkoušek na zkušebních polích, jakož i nutnost důsledného monitoringu a kontroly kvality injekčních prací. Byl naznačen směr, kterým se budou pravděpodobně ubírat kompenzační injektáže, jež budou zřejmě provázet většinu ražených děl v zástavbě, neboť investoři nepřipustí vznik obtížně kontrolovatelných deformačních projevů v zastavěných oblastech. I u nás byl již v tomto směru učiněn první krok – byla realizována kompenzační injektáž v souvislosti s ražbou tunelu Mrázovka v zastavěném území kolem ulice Ostrovského v Praze 5. Z příspěvků přednesených na kolokviu přímo vyvěrá preciznost a skutečnost, že především „jde o věc“, jíž je vyřešení obtížného a současně zajímavého technického problému, a to s sebou samozřejmě přináší jistě mnohdy značné náklady, zatímco u nás je (prozatím) přinejmenším pořadí „důležitosti“ obrácené. Lze jen doufat, že i v této oblasti se brzo přiblížíme Evropě, když bezpochyby technicky na to „máme“ již dnes.

Doc. Ing. Jan Masopust, CSc., Zakládání staveb, a. s.
Příspěvek vznikl díky podpoře grantu AV ČR č.103/02/0688
a výzkumného záměru MSM 261100007.


English summary

Knowledges from 17th Christian Verder colloquium in Graz devoted to grouting

Next already 17th Christian Verder colloquium was held in Austrian Graz on 4th and 5th April this year with the title: Grouting in soils and rocks. These monothematic colloquiums, their summary was articled in the copy 2/2001 of our journal, present probably the european top from the point of view of design and execution technologies of special foundation works. This article detaily presents the volume of the most of together 18 contributions of this year´s colloquium.