Żelbetowe pale prefabrykowane wbijane w fundamentach podpór stałych i tymczasowych mostu drogowego przez Wisłok w Rzeszowie

Transkrypt

1 Dariusz SOBALA 1 Jacek SZARO 2 Wojciech TOMAKA 3 Radosław MUCHALSKI 2 Żelbetowe pale prefabrykowane wbijane w fundamentach podpór stałych i tymczasowych mostu drogowego przez Wisłok w Rzeszowie Wprowadzenie Planowanie budowy północnej obwodnicy Rzeszowa rozpoczęto w 1992 roku od zapisania inwestycji w planie rozwoju miasta. Prace przyspieszyły w 2005 dzięki budowie połączeniu drogi DK4 (rondo Pobitno) z ul. Rzecha nad magistralną linią kolejową E30. Kolejnym silnym bodźcem dla kontynuacji budowy obwodnicy północnej stało się uruchomienie obwodnicy autostradowej Rzeszowa (paradoksalnie również północnej) i przedłużenie wybudowanego wcześniej łącznika do węzła autostrady A4/S19 Rzeszów- Zachód. W 2014 roku firma Bilfinger Infrastructure SA rozpoczęła budowę krótkiego odcinka obwodnicy północnej o długości 1.8km (droga klasy G) pomiędzy ulicami Załęską a Lubelską (rys. 1). Budowany odcinek ulicy: zastąpi ul. Ciepłowniczą w przeprowadzaniu ciężkiego ruchu tranzytowego przez północną część Rzeszowa; usprawni komunikację lokalną w północnej części Rzeszowa wpisując się w ciąg zmodernizowanych ulic, tj. al. Wyzwolenia i ul. Lubelskiej; domknie pierwszy wewnętrzny pierścień głównych ulic miejskich w Rzeszowie (wraz z miejskim odcinkiem DK4); zbliży komunikacyjnie część przemysłową Rzeszowa do lotniska w Jasionce oraz położonej wokół niego specjalnej strefy ekonomicznej. Najważniejszym elementem budowanego odcinka północnej obwodnicy Rzeszowa jest duży most podwieszony przez rzekę Wisłok o długości całkowitej 482,0m i szerokości przęsła równej 28,5m. Mostem przeprowadzona zostanie ulica z czterema pasami ruchu, obustronne chodniki i ścieżki rowerowe, co pozwoli także na przedłużenie ścieżek rowerowych i deptaków zlokalizowanych na terenie miasta wzdłuż Wisłoka. Most podzielony został na pięć przęseł o rozpiętościach 30,0 + 30,0 + 30, , ,0m i podparty na sześciu podporach, 1 dr inż., Zakład Dróg i Mostów, Politechnika Rzeszowska, Aarsleff sp. z o.o. 2 mgr inż., Aarsleff Sp. z o.o. 3 dr inż., Aarsleff Sp. z o.o.

2 w tym na dwóch przyczółkach (podpory 1 i 6), trzech filarach kotwiących przęsło (podpory 2, 3 i 4) oraz pylonie (podpora 5) o wysokości ok m ponad poziom terenu. Schemat mostu przedstawia rysunek 2. Rys. 1. Lokalizacja mostu na tle sieci głównych ulic Rzeszowa Odcinek obwodnicy wraz z mostem przebiega przez tereny przemysłowe. W sąsiedztwie terenu budowy funkcjonują między innymi oczyszczalnia ścieków i elektrociepłownia wraz towarzyszącymi licznymi sieciami, w tym ciepłociągiem stanowiącym główne źródło dostaw energii cieplnej do miasta, liniami energetycznymi i charakterystycznym zbiornikiem wody technologicznej dla elektrociepłowni. Konieczność przekroczenia tego zbiornika jednym przęsłem zadecydowała o przyjętej rozpiętości maksymalnej przęsła i wykorzystaniu konstrukcji podwieszonej. Budowa mostu, oprócz fundamentów podpór stałych, wymagała posadowienia licznych podpór tymczasowych, co w przypadku omawianego obiektu stanowiło poważne wyzwanie techniczne i organizacyjne. Do posadowienia mostu i podpór tymczasowych wykorzystano jedną, uniwersalną technologię posadowienia, jaką okazały się żelbetowe, prefabrykowane pale wbijane. Realizacja kontraktu w formule projektuj i buduj powoduje, że oprócz licznych wymagań technicznych i technologicznych przyjęte rozwiązanie posadowienia musiało spełniać również ostre kryteria ekonomiczne towarzyszące tego rodzaju kontraktom. Wykonawcą robót palowych była firma Aarsleff sp. z o.o..

3 PODWIESZONY MOST DROGOWY przez Wisłok w Rzeszowie Ul. Lubelska Ul. Rzecha ZBIORNIK EC RZESZÓW (PGE) 6 Ok Ok WISŁOK Rys. 2. Schemat konstrukcji mostu

4 Rys. 3. Lokalizacja mostu względem głównych przeszkód Warunki fundamentowania podpór stałych i tymczasowych Profil gruntowy, charakterystyczny dla Rzeszowa i doliny Wisłoka, budują zalegające bezpośrednio pod powierzchnią terenu osady czwartorzędowe. W górnych warstwach są to głównie słabonośne mady rzeczne z wkładkami gruntów organicznych. Mady podścielone są warstwą zagęszczonych lub średnio zagęszczonych żwirów i pospółek o różnej grubości. Poniżej warstw czwartorzędowych zalega, ciągła z technicznego punktu widzenia, warstwa trzeciorzędowych iłów, iłów pylastych, iłów przewarstwionych wkładkami pylastymi i iłołupków w stanie od twardoplastycznego do półzwartego. W ramach budowy mostu przewidziano posadowienie 6 podpór stałych na lądzie oraz 11x2=22szt. podpór tymczasowych, w tym 4x2=8szt. zlokalizowanych na lądzie, 6x2=12szt. do wykonania z platformy pływającej w dnie zbiornika elektrociepłowni oraz 1x2=2szt. w dnie koryta rzeki Wisłok z przygotowanej tymczasowej grobli. Wśród wykonanych fundamentów większość pracuje na wciskanie lub wciskanie ze zginaniem. Dla filarów podstawowym schematem pacy jest wyciągnie. Decyzja o wykorzystaniu żelbetowych pali prefabrykowanych w fundamentach mostu i konstrukcji tymczasowych w opisanych warunkach gruntowych podyktowana była: wysoką wydajnością robót palowych w przyjętej technologii; możliwością efektywnego przenoszenia obciążeń na grunt zarówno w warunkach wciskania jak i wyciągania; pozytywnymi doświadczeniami wynikającymi z szerokiego wykorzystania technologii w warunkach gruntowych Podkarpacia (autostrada A4, droga ekspresowa S19, farmy wiatrowe); możliwością łatwej, bieżącej kontroli efektów prowadzonych robót palowych; możliwością kompleksowego rozwiązania różnych problemów posadowienia przy użyciu jednej technologii (palowanie z lądu, z wody i w korycie rzeki). Bardzo istotna okazała się również możliwość wykorzystania pasywnych chemicznie prefabrykatów żelbetowych pali do budowy podpór tymczasowych w uszczelnionym membraną dnie zbiornika wody technologicznej elektrociepłowni. Elektrociepłownia Rzeszów nie wyraziła zgody na posadowienie żadnych trwałych obiektów bezpośrednio przy zbiorniku lub w jego dnie. Obawiano się rozszczelnienia zbiornika, co w konsekwencji

5 mogłoby zagrozić bezpieczeństwu energetycznemu miasta i regionu. Zbiornik zabezpiecza niezbędną ilość wody na potrzeby produkcyjne w okresie niskich poziomów wody w Wisłoku. Zbiornik ma pojemności ok m 3, powierzchnię całkowitą 3.74ha, średnią szerokość 150m i maksymalną długość 240m. Utrzymywany poziom wody w zbiorniku zapewnia głębokość od 1.5 do 4.0m. Zbiornik został zbudowany, jako konstrukcja z dnem trudno przepuszczalnym z gruntu spoistego. Dno o takiej konstrukcji nie wytrzymało jednak próby czasu. Ubytki (przesączenia do rzeki) wody były zbyt duże i nie zapewniały odpowiedniego bezpieczeństwa procesów technologicznych elektrociepłowni. Dlatego, około 20 lat temu, całe dno, skarpy i ściany (od strony Wisłoka zbiornik jest obudowany żelbetową konstrukcją oporową) zbiornika zabezpieczono wykładając je folią. Zbiornik obecnie jest zarybiony i pełni także dodatkową funkcję rekreacyjnego stawu rybnego dla koła wędkarskiego przy elektrociepłowni. Spełnienie wszystkich wymagań właściciela zbiornika zostało zrealizowane przez budowę przęsła o rozpiętości ok. 240m. Przyjęcie konstrukcji podwieszonej umożliwiało teoretycznie montaż przęsła nad zbiornikiem metodą wspornikową, jednak ze względów ekonomicznych było to rozwiązanie nieracjonalne. Zdecydowano na zlokalizowanie w zbiorniku podpór tymczasowych umożliwiających nasunięcie konstrukcji stalowej przęsła z brzegów, co z kolei pociągnęło za sobą konieczność wykonania w dnie zbiornika pali z jednoczesnym zapewnieniem jego szczelności. Przyjęto podpory tymczasowe o konstrukcji stalowej zamocowane do płyt żelbetowych zwieńczających żelbetowe pale prefabrykowane wbite i uszczelnione przy dnie zbiornika. Rozwiązanie to uzgodniono z właścicielem zbiornika (rys. 7). Fundamenty podpór stałych Fundamenty przyczółków - podpór nr 1 i 6 Rys. 4. Plan palowania przyczółka 1 i 6 schemat W fundamentach przyczółków wykorzystano pale o przekroju 0.4x0.4m i długości całkowitej 7 i 9m dostosowanej do warunków gruntowych w lokalizacji podpory. Pale w przednich rzędach pochylono w zakresie od 5 do 15 stopni w kierunku przeszkody

6 Fundament filarów podpór nr 2, 3 i Oś dźwigara Oś podpory nr 2 Oś mostu Zwieńczenie Pale żelbetowe prefabrykowane 0.4x0.4m, Lc=8m, pionowe Rys. 5. Przykładowy plan palowania filara wyciąganego podpora nr 2 W fundamentach filarów kotwiących przęsło wbito pale proste o przekroju 0.4x0.4m i długościach 7 i 8 metrów. Początkowo w jednym z filarów zlokalizowanym pod linią energetyczną wysokiego napięcia przewidywano wykonanie mikropali. Krótki, dwudniowy okres możliwego wyłączenia linii szybko zweryfikował to rozwiązanie i również w tym fundamencie wbito ostatecznie pale prefabrykowane. Fundament pylonu - podpora nr 5 Fot. 1. Wbijanie pali w fundamencie pylonu podpora 5

7 W fundamencie pylonu (podpora 5) zaprojektowano i wbito (fot. 1) pale prefabrykowane o przekroju 0.4x0.4m i długości całkowitej 13m. W przewiązce między stopami zlokalizowanymi pod nogami pylonu wykorzystano pale o długości całkowitej 10m (rys. 5). Wyliczone osiadania całkowite podpory wynoszą ok. 0.14m. Zdecydowana większość osiadań wystąpi jednak jeszcze w trakcie budowy obiektu. Na fundamencie pylonu zainstalowano repery, na których zaplanowano wykonanie niwelacji. Wyniki niwelacji posłużą do bieżącej kontroli przyrostu osiadań w trakcie budowy pylonu i montażu przęsła. Wyniki pomiarów umożliwią z jednej strony weryfikację przyjętego modelu obliczeniowego, a z drugiej rektyfikację konstrukcji w trakcie budowy i dostosowanie jej do rzeczywistych wartości osiadań.

8 Rys. 6. Schemat fundamentu podpory nr 5 żelbetowe pale prefabrykowane 0.4x0.4m o długości całkowitej 10 i 13m Fundamenty podpór tymczasowych Fundamenty palowe podpór tymczasowych w zbiorniku EC Rzeszów Pale w dno zbiornika wbijano kafarem ustawianym na specjalnej pływającej platformie roboczej (fot. 2). Wykorzystanie platformy pływającej było możliwe ze względu

9 na wystarczająco dużą głębokość wody w zbiorniku. Wbiciu pali w dno towarzyszyło wykonanie specjalnego zabezpieczenia i uszczelnienia styku dno-folia pal. Przyjęto też odpowiednią kolejność wykonania robót palowych z dodatkowymi czynnościami technologicznymi: w miejscu wbicia pala w dnie nacinano folię, aby uniknąć jej niekontrolowanego przerwania w trakcie wbijania pala, następnie wbijano pal na wymaganą rzędną, nakładano na pal specjalny, prefabrykowany kołnierz z folii PEHD, kołnierz dociskano do folii dna betonowym kręgiem, a przestrzeń pomiędzy palem i kręgiem wypełniono kruszywem. Po zakończeniu budowy planuje się obcięcie pali i dociśniecie/uzupełnienie kręgów betonem układanym pod wodą. Prace prowadzono z udziałem nurków. Wykonane specjalnie dodatkowe uszczelnienie wokół pali wbitych w dno zbiornika spełniło stawiane przed nim wymagania. Służby techniczne EC Rzeszów monitorujące stan zbiornika nie stwierdziły istotnego wypływu wody przez dno, pomimo wbicia w nie 75szt. pali prefabrykowanych. Rys. 7. Schemat podpory tymczasowej na żelbetowych palach prefabrykowanych w zbiorniku Elektrociepłowni Rzeszów Pale zwieńczone zostały oczepem żelbetowym, na którym wniesiono typową podporę montażową z klatek stalowych (rys. 7, fot. 3).

10 Fot. 2. Wbijanie pali w fundamentach podpór tymczasowych w zbiorniku Elektrociepłowni Rzeszów Fot. 3. Podpory tymczasowe w zbiorniku Elektrociepłowni Rzeszów

11 Fundamenty palowe podpór tymczasowych lądowych Obawy dotyczące możliwości uszkodzenia konstrukcji zbiornika dotyczyły również wbijania pali w podporę tymczasową pomiędzy konstrukcją oporową (stanowiącą i obudowę zbiornika od strony Wisłoka) i pylonem (około 18m od konstrukcji oporowej) oraz pali stanowiących fundament pylonu (około 48m od konstrukcji oporowej). Dno zbiornika w rejonie konstrukcji oporowej jest na rzędnej ok m, a spód zwieńczenia pali w fundamencie sąsiadującej podpory tymczasowej na rzędnej m (ok. 2.3m poniżej dna zbiornika), natomiast spód zwieńczenia pylonu (podpora 5) na rzędnej m (ok. 6.7m poniżej dna zbiornika oraz ok. 3.25m poniżej średniego poziomu wody w Wisłoku). Niepokojono się o stan konstrukcji oporowej, którą już wcześniej obserwowano i monitorowano występujące w niej pęknięcia i przecieki. Nadmierne pęknięcie mogło doprowadzić do gwałtownego wycieku wody ze zbiornika, a także do zalania placu budowy podpór, który znajdował się poniżej jego dna. Dlatego podczas palowania sąsiadujących fundamentów kontrolowano stan konstrukcji i monitorowano jej drgania. W trakcie robót mogło także dojść do przebicia hydraulicznego z warstwy żwirów z wodą pod napięciem przez dno wykopu lub zalania terenu robót palowych i betonowych w wyniku naturalnego podniesienia poziomu wody w Wisłoku. Zagrożenie to wyeliminowano wwibrowując przesłonę z krótkich grodzic stalowych i budując tymczasowy wał ziemny wokół terenu robót. Roboty palowe zakończono bez uszkodzenia konstrukcji zbiornika, przebicia hydraulicznego i konieczności wykorzystania wału ziemnego. Fundamenty palowe podpór tymczasowych w korycie Wisłoka Podpory tymczasowe zlokalizowane w korycie Wisłoka wykorzystują generalnie rozwiązanie konstrukcyjne zastosowane w zbiorniku elektrociepłowni. Pale zostały wbite w dno rzeki przy niskim stanie wody z tymczasowej grobli (fot. 4). Fundament palowy w korycie Wisłoka został dodatkowo zabezpieczony obrzutem kamiennym oraz dalbą zabezpieczająca podporę w trakcie ewentualnego lodochodu. Fot. 4. Palowanie fundamentów podpór tymczasowych w korycie Wisłoka

12 Podsumowanie Wykorzystanie elastycznej i uniwersalnej technologii żelbetowych prefabrykowanych pali wbijanych pozwoliło w sposób kontrolowany na szybkie wykonanie: pracujących w różnych stanach obciążenia fundamentów palowych podpór stałych i tymczasowych budowanego dużego mostu drogowego (wciskanie, wyciąganie, wciskanie/wyciąganie); robót palowych z lądu, z wody i z grobli w korycie rzeki. Cały zakres robót palowych objął wbicie w fundamentach podpór stałych 722szt. pali o przekroju 400x400mm i łącznej długości 7960mb oraz 140 szt. pali o przekroju 400x400mm i łącznej długości 2074mb w fundamentach podpór tymczasowych. W ramach kontroli efektów robót palowych przeprowadzono: 2 kalibrujące badania statyczne pali (po jednym na wciskanie i wyciąganie); 16 badań dynamicznych nośności pali oraz oszacowanie nośności wszystkich wbitych pali na podstawie wpędów. W przypadku pali wykazujących duże wpędy wykonywano na bieżąco kontrolne badania metodą dynamiczną. W trakcie robót palowych zapewniono spełnienie wymagań stanów granicznych oraz wysokich wymagań Elektrociepłowni Rzeszów w zakresie ochrony konstrukcji zbiornika wody technologicznej w trakcie i po wykonaniu robót palowych. Literatura [1]. Mosty Gdańsk sp. z o.o. Budowa drogi od ul. Załęskiej do ul. Lubelskiej wraz z budową mostu na rzece Wisłok. Most na rzece Wisłok. Projekt wykonawczy. Czerwiec PRECAST REINFORCED CONCRETE PILES DRIVEN FOR THE FOUNDATION OF CABLE STAYED BRIDGE OVER THE WISŁOK IN RZESZÓW, POLAND Summary The paper covers the basics of design solutions and works related to the pile driving for foundation of the road cable stayed bridge over the Wisłok currently being under construction in Rzeszów, the largest in Podkarpacie region and ranking among the biggest bridge structures in Poland. The preparatory work is described as well as the volume of piling works, load tests and engineering surveys. The results of tests and measurements carried out during and upon the completion of piling works prove: correctness of the construction and technology solutions of foundations assumed during the design phase, and accuracy of their implementation using driven precast reinforced concrete piles.