Tematyka związana z budownictwem drogowym z racji uwarunkowań

Piotr Jermołowicz, Inżynieria Środowiska, Szczecin Awarie konstrukcji drogowych przyczyny W artykule przedstawiono błędy, które wpływają na awarie konstrukcji drogowych, oraz kryteria, według których można je rozpatrywać. Zapraszamy na stronę internetową Inżynierii Środowiska do zakładki Baza Wiedzy, gdzie można zapoznać się również z innymi zagadnieniami dotyczącymi awarii budowlanych. Znajdująca się tam Encyklopedia autorstwa Piotra Jermołowicza jest zbiorem cennych informacji z zakresu geotechniki, hydrotechniki, posadawiania obiektów, stosowania geosyntetyków itd. (www.inzynieriasrodowiska.com.pl/encyklopedia). Tematyka związana z budownictwem drogowym z racji uwarunkowań jest dziedziną interdyscyplinarną. Łączy w sobie: interpretację parametrów fizykomechanicznych gruntów zalegających w podłożu, wymiarowanie przekrojów, ustalanie grupy nośności podłoża, statykę budowli, stateczność i nośność ustrojów, jak i stateczność graniczną formowanych skarp. Od projektanta i wykonawcy robót ziemnych, fundamentowych i konstrukcyjnych wymagane są doświadczenie, znajomość parametrów wybranego typu konstrukcji oraz wiedza z zakresu przydatności konstrukcji w określonych specyficznych warunkach gruntowych. Jeżeli do tego dodamy jeszcze problem właściwego rozpoznania i interpretacji wyników badań podłoża, odwodnienia wykopów, zabezpieczenia wznoszonych konstrukcji nasypów, przestrzegania procedur i receptur, wpływu czynników atmosferycznych, rozpoznania uzbrojenia podziemnego, jak i właściwych warunków eksploatacji, otrzymujemy układ, w którym wszystkie strony procesu inwestycyjnego powinny być świadome potencjalnych zagrożeń. Awarie budowlane Prawo budowlane używa pojęć uszkodzenia i awarie, ale ich nie definiuje. Jako awarię budowlaną rozumiemy zdarzenie, w wyniku którego konstrukcja obiektu uległa uszkodzeniom (np.: rysy, pęknięcia, nadmierne ugięcia) lub przemieszczeniom w stopniu utrudniającym lub uniemożliwiającym dalszą bezpieczną eksploatację całości lub fragmentu obiektu. Katastrofą budowlaną jest niezamierzone, gwałtowne zniszczenie obiektu budowlanego lub jego części, a także konstrukcyjnych elementów rusztowań, elementów urządzeń formujących, ścianek szczelnych i obudowy wykopów art. 73.1 Ustawy Prawo budowlane. Awaria i uszkodzenie konstrukcji drogowej nigdy nie są skutkami pojedynczej przyczyny. Przyczyn należy doszukiwać się w czynniku ludzkim i wodzie. Zgodnie z rozporządzeniem dotyczącym warunków technicznych obiekt drogowy powinien być zaprojektowany i wykonany w taki sposób, aby opady atmosferyczne, woda w gruncie i na jego powierzchni, para wodna w powietrzu nie powodowały w nim zagrożenia awaryjnego. Działania niezgodne z zasadami wiedzy technicznej i założeniami projektowymi intensyfikują liczbę awarii. Według art. 20 ust. 1 Prawa budowlanego (Pb) projektant ma obowiązek wykonać projekt zgodnie z obowiązującymi przepisami oraz zasadami wiedzy technicznej. Ponadto ma on obowiązek zapewnić sprawdzenie zgodności projektu z tymi przepisami. Natomiast art. 20 ust. 4 zobowiązuje projektanta i sprawdzającego do złożenia oświadczenia zgodności projektu z obowiązującymi przepisami oraz zasadami wiedzy technicznej. Zgodnie z art. 22 ust. 3 Pb kierownik budowy ma obowiązek kierowania budową w sposób zgodny z projektem, pozwoleniem na budowę oraz przepisami. Z tego stanu prawnego wynika wyłączna odpowiedzialność projektanta za zaprojektowanie i realizację inwestycji zgodnie z zasadami wiedzy technicznej. Wykonanie niezgodne z zasadami wiedzy technicznej powoduje zazwyczaj występowanie wad nazywanych często usterkami. Pojęcie zasady wiedzy technicznej nie zostało określone w Ustawie Prawo budowlane. Przyjmuje się, że zasady wiedzy technicznej wynikają z praktyki budowlanej i wcześniejszych doświadczeń uczestników procesów budowlanych i producentów wyrobów budowlanych, jak również należytej staranności oraz specyficznych zasad umożliwiających prawidłowe i niewadliwe wykonanie robót. Za taki stan rzeczy odpowiadają drogowcy, od projektanta i kierownika budowy zaczynając, na inspektorach i ekipach wykonawczych kończąc. Przyczyny awarii konstrukcji drogowych Spotykane najczęściej w praktyce inżynierskiej przyczyny awarii i uszkodzeń w konstrukcjach drogowych można podzielić na następujące grupy: 1. geologiczne budowa geologiczna: bliskość terenów z procesami związanymi ze szkodami górniczymi, występowanie w podłożu rodzimym gruntów słabonośnych, ściśliwych, zwietrzelinowych, zapadowych i wysadzinowych, niekorzystne ułożenie warstw geotechnicznych, np. układ warstw zgodny z pochyleniem i przemieszczeniem skarpy lub stoku naturalnego; 2. hydrologiczne i hydrogeologiczne: działalność filtracyjna wód gruntowych, w szczególności przy niewłaściwie zastosowanym odwodnieniu, erozja rzeczna, powierzchniowa, podtopienia, sufozja, przebicia hydrauliczne i wypór; 3. wykonawcze: niedbałość i niewiedza zarówno ekip wykonawczych, jak i projektantów, 24

7 % 25 % 15 % 8 % 10 % 12 % 6 % 17 % 1. błędy rachunkowe 2. ndst. stopień wiedzy 3. złe normy i wytyczne 4. złe założenia projektowe 5. źle przyjmowane założenia 6. niedbałość projektantów 7.błędy rysunkowe 8.inne Rys. 1. Przyczyny złego projektowania wywołujące awarie i katastrofy w ostatnich 50 latach 20 % 13 % 16 % 5 % 15 % 18 % 13 % 1. odstępstwo od projektu 2. ndst. stan wiedzy 3. zła jakość elem. 4. ndst. kwalifikacje 5.niedbałość wykonaw. 6. zła jakość połączeń 7. inne Rys. 2. Awarie i katastrofy w ostatnich 50 latach powstałe z powodu złego wykonawstwa błędy wykonawcze, np. wykorzystanie niewłaściwych materiałów przy budowie nasypu, niewłaściwy dobór materiałów geosyntetycznych zbrojących skarpy i podstawy nasypów, niedokładne zagęszczanie; 4. eksploatacyjne i konserwatorskie: obciążenia dynamiczne (ruch kołowy, kolejowy), brak odpowiednich remontów konstrukcji, działalność ludzka, np.: zmiana warunków wodnych, podkopanie zbocza, dodatkowe obciążenie naziomu. Truizmem jest podkreślanie, że geotechniczna ocena warunków posadowienia powinna stanowić integralną część projektu budowlanego, służącą do właściwego i bezpiecznego zaprojektowania obiektu na podstawie przeprowadzonego rozpoznania podłoża, dobrze zaplanowanych wierceń i sondowań in situ z poborem próbek klasy jakości A1. Należy podkreślić, że Ustawa Prawo budowlane w art. 34 ust. 3 pkt 4 już wcześniej definiowała zawartość projektu budowlanego, wprowadzając pojęcie geotechnicznych warunków posadowienia obiektów budowlanych jako integralnej części projektu architektoniczno-budowlanego. Obecnie ocena geotechnicznych warunków posadowienia wymaga, w zależności od przyjętej kategorii geotechnicznej i warunków podłoża, opracowania: opinii geotechnicznej, dokumentacji geotechnicznych warunków posadowienia, projektu geotechnicznego, dodatkowo dokumentacji geologiczno-inżynierskiej. Grunt jest materiałem bardzo niejednorodnym, a jego właściwości mają charakter losowy. W tym stanie rzeczy identyfikacja gruntu i określenie jego właściwości dla potrzeb projektowania posadowienia stają się zadaniami bardzo złożonymi. Ocena geotechnicznych warunków posadowienia jest ustalana na podstawie wszystkich dostępnych danych geologicznych i geotechnicznych, obejmując: określenie kategorii geotechnicznej budowli lub jej fragmentów, zestawienie informacji i danych liczbowych właściwości gruntów, zestawienie wartości charakterystycznych i obliczeniowych parametrów geotechnicznych gruntów w podłożu i w bezpośrednim otoczeniu obiektu. Warunki posadowienia powinny zawierać zalecenia konstrukcyjne dotyczące: wykonawstwa robót ziemnych i fundamentowych, prognozy współoddziaływania konstrukcji z podłożem, zachowania się podłoża w czasie budowy i eksploatacji, danych koniecznych do ochrony gruntów i wód gruntowych przed zanieczyszczeniem. Na podstawie analizy dużej części projektów budowlanych i wykonawczych zauważa się pomijanie tych elementów, które w konsekwencji przyczyniają się do większości problemów nie tylko w trakcie wykonawstwa robót, ale przede wszystkim w trakcie eksploatacji obiektów przekazanych do użytkowania. Przyczyny awarii konstrukcji drogowych można rozpatrywać ze względu na: 1) źródła pochodzenia zagrożenia, które mogą być: naturalne jeśli ich źródłami są przyroda i siły natury, antropogeniczne jeśli ich źródłem jest człowiek, mieszane naturalne i antropogeniczne (ich źródłami sa zarówno przyroda, siły natury, jak i człowiek); 2) miejsce powstania zagrożenia: przyczyny zewnętrzne, przyczyny wewnętrzne; 3) długotrwałość oddziaływania zagrożenia: przyczyny krótkotrwałe, przyczyny długotrwałe; 4) bezpośredniość oddziaływania zagrożenia: przyczyny bezpośrednie, przyczyny pośrednie; 5) postać zagrożeń (przyczyny mechaniczne, chemiczne, termiczne, nadzwyczajne itp.); 6) istotność zagrożeń (przyczyny główne, dodatkowe, ważne, istotne itp.); 7) czas powstania faktycznego zagrożenia (planowanie, projektowanie, wykonawstwo robót, eksploatacja). Rozpatruje się jedynie te zagrożenia, które faktycznie wystąpiły (zagrożenia faktyczne, a nie potencjalne) i mogły doprowadzić do powstania uszkodzeń i zniszczeń rozpatrywanej konstrukcji. Przyczyny awarii i uszkodzeń konstrukcji drogowych, ze względu na czas powstania faktycznego zagrożenia, obejmują błędy popełnione podczas: wyboru lokalizacji inwestycji na podstawie badań wstępnych; rozpoznania i badania podłoża gruntowego; www.autostrady.elamed.pl 25

Rys. 3. Schemat synergii nauk przyrodniczo-technicznych i budownictwa projektowania; prowadzenia robót związanych z budową nowego obiektu; prowadzenia robót na istniejącym obiekcie (odbudowa, rozbudowa, nadbudowa, przebudowa, remont, montaż lub rozbiórka obiektu); eksploatacji: a) związane z utrzymywaniem wymaganego stanu technicznego, b) związane z użytkowaniem obiektu, c) prowadzenia obserwacji urządzeń pomiarowych i monitoringu; zabezpieczania nieużytkowanego obiektu od wpływów atmosferycznych i działań osób postronnych. Błędy popełniane podczas projektowania obiektu dotyczą najczęściej: niewłaściwego wyboru lokalizacji przebiegu trasy drogi, nierozpoznania warunków wodnych w podłożu, niewłaściwego (sprzecznego z prawem) rozpoznania podłoża, niewłaściwego przyjęcia obciążeń (wartość, kierunek, czas oddziaływania), schematu statycznego, warunków geotechnicznych i rozwiązań materiałowych, kategorii ruchu i nośności podłoża, którą obecnie wyznacza projektant poprzez szczegółowe obliczenia q f, posługiwania się parametrami mechanicznymi gruntów odczytanymi z tabel zamiast wyprowadzonymi, charakterystycznymi i obliczeniowymi, rozwiązań rysunkowych i uzasadnień obliczeniowych (błędy rachunkowe) lub ich brak w ogóle, opracowywania opinii lub ekspertyz wykorzystywanych podczas projektowania oraz prawidłowości sprawdzania lub weryfikowania projektu. Błędy popełniane podczas prowadzenia robót związanych z budową nowego obiektu oraz związanych z istniejącymi obiektami (odbudowa, rozbudowa, nadbudowa, przebudowa, remont, montaż lub rozbiórka obiektu) wynikają najczęściej: z nieprawidłowego działania polegającego na naruszeniu obowiązków przez uczestników procesu budowlanego, z wyłaniania w drodze przetargów firm z małym doświadczeniem, naruszenia przepisów w zakresie stosowania wyrobów budowlanych, nieprzestrzegania technologii wykonania, odstępstwa istotnego lub nieistotnego od projektu budowlanego, ze zdarzeń losowych występujących w procesie prowadzenia robót budowlanych, ze zamiany materiałów i stosowania materiałów złej jakości, z niedostatecznego nadzoru inwestorskiego. Błędy popełniane podczas eksploatacji obiektu związane z jego użytkowaniem dotyczą najczęściej: użytkowania obiektu niezgodnie z jego przeznaczeniem (np. zmiana kategorii ruchu, nośności podłoża i konstrukcji drogowej), nielegalnej zmiany sposobu użytkowania obiektu lub jego części, nielegalnej przebudowy obiektu. Błędy popełniane podczas eksploatacji obiektu związane z jego utrzymywaniem dotyczą najczęściej: dopuszczenia do złego stanu technicznego obiektu, niewykonywania okresowych kontroli i przeglądów obiektu, niepodejmowania wymaganych działań przez właściciela lub zarządcę, wynikających z okresowych kontroli obiektu, niepodejmowania wymaganych działań przez właściciela lub zarządcę, wynikających z opracowań technicznych, dotyczących obiektu, niewykonywania obowiązków przez właściciela lub zarządcę, wynikających z działań i postanowień organów nadzoru budowlanego. Do najczęściej spotykanych przyczyn technicznych awarii i uszkodzeń obiektów drogowych można zaliczyć: zużycie techniczne materiałów zastosowanych w poszczególnych elementach obiektu, oddziaływanie czynników środowiska zewnętrznego, które mogą wywoływać erozję i korozję materiałów budowlanych poprzez agresywność wody gruntowej, zawilgocenie elementów obiektu, rozmywanie, osiadanie gruntu, przemarzanie gruntu, wysadziny, przełomy wiosenne, drgania 26

Fot. 1. Zniszczenie rowu drogowego w wyniku kolmatacji geowłókniny i wstrząsy oraz zanieczyszczenia chemiczne, a także działanie czynników biologicznych; nierównomierne osiadanie lub pęcznienie gruntu; korozję chemiczną lub fizyczną (atmosferyczną), w niektórych przypadkach biologiczną, materiałów wchodzących w skład konstrukcji (np. kolmatacja biologiczna geosyntetyków); drgania wywołane ruchem pojazdów itp.; działanie nieprzewidziane, takie jak uderzenie pojazdów, żurawi itp., podniesienie się poziomu wody gruntowej lub wezbranie wody w zbiorniku naturalnym, klęski żywiołowe zgodnie z raportem opracowanym przez Rządowe Centrum Bezpieczeństwa z 2010 r. (pożary, powodzie, huragany, trzęsienia ziemi), szkody górnicze lub nagłe rozszczelnienie instalacji wod.-kan. w bezpośrednim sąsiedztwie jezdni lub nasypów. Należy podkreślić, że do katastrofy budowlanej lub awarii dochodzi zawsze w określonych okolicznościach. Okoliczność (lub okoliczności) katastrofy budowlanej lub awarii to wydarzenie (lub wydarzenia) godne uwagi, to fakty i sytuacje towarzyszące zdarzeniu zniszczenia obiektu, które mogą mieć wpływ na powstanie, przebieg i skutki tego zdarzenia. Okoliczności mogą być różnorodne: nieprzewidziane, ważne, wyjątkowe, sprzyjające, łagodzące lub obciążające. Do istotnych okoliczności zajścia zdarzenia katastrofy budowlanej można zaliczyć sytuację prawną, w jakiej doszło do tego zdarzenia. Można mówić o zbiegu, splocie okoliczności, czyli przypadkowym powiązaniu różnych wydarzeń, faktów, warunków wewnętrznych i zewnętrznych. Bazując na materiałach z cyklicznych konferencji naukowo-technicznych Awarie budowlane, można wskazać również awarie wynikające podczas użytkowania obiektów, jak i podczas ich budowy. Podczas użytkowania obiektów awarie i uszkodzenia są spowodowane, w przeważającej części, niewłaściwą eksploatacją i nieprzeprowadzaniem okresowych przeglądów, konserwacji i remontów, co w dłuższym okresie skutkuje zniszczeniem konstrukcji lub instalacji i w efekcie końcowym może stworzyć zagrożenie awarią. Przykładami takich przyczyn są: przeciążenie ruchem, zużycie techniczne elementów, zmęczenie materiałowe elementów nośnych, brak zabezpieczenia lub konserwacji urządzeń odwadniających, brak sprawnego drenażu, Fot. 2. Uszkodzenie skarpy w wyniku zsuwu powierzchniowego samowolny demontaż elementów konstrukcyjnych, podmycie elementów nośnych, wpływ eksploatacji górniczej oraz brak zabezpieczenia przed eksploatacją górniczą, błędy przy wykonywaniu robót remontowych (np. błąd obsługi w trakcie wykonywania robót sprzętem mechanicznym powodujących dynamiczne oddziaływanie ciężkiego sprzętu samochodowego wibracje), samowolne przebudowy. Awarie występujące podczas budowy wynikają głównie ze złego wykonawstwa i z braku odpowiedniego nadzoru inwestorskiego, a także nieprawidłowości w projektowaniu i programowaniu przedsięwzięć inwestycyjnych. Błędy wykonawcze polegają m.in. na niewłaściwym: prowadzeniu robót, montażu elementów konstrukcyjnych, kotwieniu geosyntetyków, podkopaniu krawędzi konstrukcji jezdni, braku zabezpieczenia wykopów w bezpośrednim sąsiedztwie jezdni, a także na prowadzeniu robót bez pozwolenia na budowę i stosowaniu niewłaściwych wyrobów budowlanych. Przykładowe przyczyny awarii i uszkodzeń konstrukcji drogowych to głównie: podkopanie (np. wykonany wykop bezpośrednio przy krawędzi jezdni), niewłaściwie i bez nadzoru prowadzone roboty, stosowanie niewłaściwych wyrobów budowlanych, stosowanie geosyntetyków tylko na podstawie przyjętej gramatury, brak odpowiedniego zabezpieczenia wykopów, brak zachowania wymagań technicznych i bezpieczeństwa przy wykonywaniu określonych robót, wady technologiczne elementów, rozszalowanie przed związaniem betonu i brak pielęgnacji betonu, niewłaściwie prowadzone betonowanie szczególnie konstrukcji masywnych, brak płyt przejściowych, niepoprawne posadowienie nowego obiektu poniżej poziomu wody gruntowej, spękanie nawierzchni spowodowane osiadaniem przy wymianie gruntów w podłożu, brak odpowiedniego zagęszczania warstw nasypowych, www.autostrady.elamed.pl 27

Fot. 3. Zniszczenie odcinka drogi w wyniku osuwiska zbocza (arch. J. Siry) przecieki i zacieki spowodowane odwrotnymi spadkami, niewłaściwymi materiałami izolacyjnymi i filtracyjnymi, pocienianie grubości warstw konstrukcyjnych nawierzchni, podmiany materiałów i certyfikatów, zmiany materiałów na gorsze, bo tańsze. Zatem bezpieczeństwo konstrukcji drogowej zależy od bardzo wielu czynników, na które mają wpływ: działania ludzkie, oddziaływanie wody (gruntowej, opadowej, płynącej itd.), rodzaj gruntów w podłożu, jak i nieprzewidywalne zdarzenia losowe. Bezpieczna konstrukcja to bezpieczeństwo ludzi i mienia, dlatego trzeba i warto podejmować wszelkie możliwe działania edukacyjne i legislacyjne, których celami nadrzędnymi będą zapewnienie bezpieczeństwa użytkownikom obiektów drogowych oraz eliminacja awarii i uszkodzeń. Analizując materiały konferencyjne cyklicznych spotkań budowlańców w ramach konferencji Awarie budowlane odbywających się w Międzyzdrojach, należy zwrócić uwagę na podstawowe przesłanie trwające już ponad 40 lat, że wszystkich awarii nie sposób uniknąć. Okazuje się, że od 1995 r., zgodnie ze statystykami GUNB, przybywa niepożądanych zdarzeń wynikających z oddziaływania sił natury zgodnie z raportem RCB. Podsumowanie Katastrofy i awarie spowodowane niszczącymi siłami natury, tj.: powodzie, huragany, deszcze nawalne, traktujemy jako rzadkie i jednostkowe zdarzenia, na które, wydawać by się mogło, nie mamy wpływu. A przecież można zacząć od zmiany filozofii projektowania konstrukcji. Najpierw należy ustalić lokalizację obiektu, wykonując szereg analiz optymalizujących warunki i technologię wykonawstwa vs. nakłady inwestycyjne, następnie dokładnie rozpoznać warunki geotechniczne podłoża i dopiero obliczyć niezbędne stany graniczne nośności i użytkowania. Błędy projektu i realizacji obiektu zawsze występowały, ale ich stopień i zakres zwykle mieściły się w dopuszczalnych niedokładnościach objętych stosowanymi współczynnikami bezpieczeństwa. Obecnie coraz częściej ludzkie błędy prowadzą do katastrof. Konsekwencją tego jest powszechne dążenie do stosowania konstrukcji odpornych na nieprzewidziane zjawiska. Fot. 4. Awaria skarpy wywołana nawodnieniem gruntów i niewłaściwym wyprofilowaniem Wymaga się, aby: w projektowaniu rozpatrywać także scenariusze wykraczające poza uwzględniające przypadkowe obciążenia, na które konstrukcja zawsze powinna być projektowana, konstrukcję cechowała mała wrażliwość na niezamierzone obciążenia i nieprzewidziane wady, nieuwzględnione w normach i przepisach projektowania, ewentualne uszkodzenie konstrukcji ograniczyło się tylko do jej części, a nie objęło całej budowli. Odporność staje się bezwzględnym wymaganiem. Jest ona definiowana jako właściwość systemu konstrukcyjnego, która umożliwia mu przetrwanie w nieprzewidzianych i niezwykłych sytuacjach. Ponieważ pojęcie odporności zmienia się bardzo z kontekstem, dlatego jest problemem kontrowersyjnym, trudnym do skodyfikowania, np. nowoczesne przepisy projektowe wymagają, aby zakres uszkodzeń konstrukcji był współmierny do przyczyny. Ale dotychczas nie udało się w pełni uzgodnić interpretacji odporności, co ułatwiłoby jej kwantyfikację i opracowanie szczególnych wymagań. Poza tym należy stwierdzić, że wysoka jakość realizacji obiektów jest możliwa tylko w warunkach, gdy ryzyka są właściwie i równomiernie rozłożone na strony kontraktu (wykonawca inwestor). Przerzucenie większości ryzyka na wykonawcę powoduje m.in.: obniżenie jakości wykonywanych robót, nieprawidłowe reakcje wzajemne, częste zmiany podwykonawców, wydłużone terminy realizacji etapów robót i zakończenia budowy, a w konsekwencji wzrost kosztów budowania. Bierze się to ze złego przygotowania przetargu i z niskiej wiedzy służb inwestora na temat właściwego stosowania procedur, organizacji przetargów i wyboru wykonawcy. Implikacje sięgają również kontroli realizacji robót, zgodnie z projektem i rozliczenia kosztów budowy w ramach działań Centrum Unijnych Projektów Transportowych. Brak zainteresowania permanentnym szkoleniem ze strony służb inwestycyjnych skutkuje pogłębiającą się różnicą w zarządzaniu projektami. Dodając do tego jeszcze oceny, rzetelności i efektywności wykonawców biorących udział w przetargach, oparte tylko na kryterium ceny, doprowadziły do wielu patologii oraz znaczącego obniżenia jakości robót i ich bezawaryjności. Wyeliminowanie tych ostatnich wydaje się trudne, ale nie niemożliwe. q 28