5 2. CHARAKTERYSTYKA WARUNKÓW PODŁOŻA ZAPROJEKTOWANEGO GAZOCIĄGU DN500 RELACJI TWORZEŃ-SZOPIENICE Zaprojektowany gazociąg DN500 relacji Tworzeń-Szopienice o łącznej długości 5832,0 m prowadzony będzie od węzła Szopienice w Katowicach, przez Mysłowice, aż do ronda Traugutta w Sosnowcu. Przewód ten zastąpi stary, wyeksploatowany odcinek istniejącego gazociągu o tych samych parametrach. Warunki gruntowe i wodne określono na podstawie badań geotechnicznych przeprowadzonych w 2009 roku przez firmę Geoprofil. Na trasie gazociągu wykonano otwory geotechniczne o głębokościach od 2,5 m do 9,5 m. 2.1. Warunki gruntowe W tablicach 2.1 oraz 2.2 przedstawiono odpowiednio charakterystykę warunków gruntowych i wodnych. Tablica 2.1 Odcinek w Sosnowcu pomiędzy ul. Wojska Polskiego a Al. Ostrogórską pomiędzy Sosnowcem (rzeka Czarna Przemsza) a Katowicami (węzeł Szopienice) Warstwy warstwa I grunty nasypowe; są to nasypy niebudowlane, złożone z mieszaniny gruntów mineralnych (głównie piasku i gliny z domieszkami humusu) z kamieniami oraz z odpadowego materiału kopalnianego (łupka przywęgłowego w różnym stopniu zwietrzenia, pokruszonej skały mułowcowej i piaskowcowej), lokalnie występuje gruz ceglany i betonowy oraz śmieci; grunty zaliczone do nienośnych; zróżnicowana miąższość warstwy, która lokalnie przekracza 6 m warstwa II rodzime grunty niespoiste; są to średnio zagęszczone nawodnione piaski drobne, piaski drobne z przewarstwieniami piasku średniego, lokalnie piaski drobne na granicy piasku średniego i piaski pylaste; stopień zagęszczenia gruntów warstwy I D = 0,50 warstwa III grunty zwietrzelinowe; są to półzwarte i zwarte pyły piaszczyste, gliny pylaste i gliny pylaste zwięzłe; uogólniony stopień plastyczności warstwy I L 0,00 (grupa konsolidacji B) warstwa IV grunty skaliste miękkie; w zasięgu wykonanych wierceń są to mułowce warstwa I grunty nasypowe; są to nasypy niebudowlane, złożone z mieszaniny gruntów mineralnych (głównie piasku i gliny z domieszkami humusu) z kamieniami oraz z odpadowego materiału kopalnianego (łupka przywęgłowego w różnym stopniu zwietrzenia, pokruszonej skały mułowcowej i piaskowcowej), lokalnie występuje gruz ceglany i betonowy oraz śmieci; grunty
6 w Sosnowcu pomiędzy ul. Wojska Polskiego a ul. Ostrogórską zaliczone do nienośnych; zróżnicowana miąższość warstwy, która lokalnie wynosi 7 m warstwa II grunty niespoiste; stopień zagęszczenia gruntów warstwy I D = 0,50; warstwa podzielona na podwarstwy z uwagi na różne uziarnienia: podwarstwa IIa piaski drobne i pylaste, lokalnie z domieszkami humusu i przewarstwieniami pyłu podwarstwa IIb piaski średnie i grube podwarstwa IIc żwiry i pospółki zaglinione warstwa III czwartorzędowe grunty spoiste nieskonsolidowane (grupa C); warstwa podzielona na dwie podwarstwy z uwagi na rodzaj gruntów i ich stan: podwarstwa IIIa twardoplastyczne gliny pylaste zwięzłe i gliny pylaste zwięzłe na granicy iłu pylastego; uogólniony stopień plastyczności gruntów wydzielenia I L = 0,15 podwarstwa IIIb twardoplastyczne na granicy plastycznych grunty mało spoiste; są to pyły, piaski gliniaste, podrzędnie pyły piaszczyste; uogólniony stopień plastyczności gruntów wydzielenia I L = 0,25 warstwa IV grunty zwietrzelinowe; są to półzwarte i zwarte pyły warstwowanie gliną pylastą; uogólniony stopień plastyczności warstwy I L 0,00 (grupa konsolidacji B) warstwa I grunty nasypowe zalegające przypowierzchniowo; są to nasypy niebudowlane, złożone z mieszaniny gruntów mineralnych (głównie piasku i gliny z domieszkami humusu) z kamieniami oraz z odpadowego materiału kopalnianego (łupka przywęgłowego w różnym stopniu zwietrzenia, pokruszonej skały mułowcowej i piaskowcowej), lokalnie występuje gruz ceglany i betonowy oraz śmieci; grunty zaliczone do nienośnych; zróżnicowana miąższość warstwy, która lokalnie przekracza 2 m warstwa II rodzime grunty niespoiste; są to średnio zagęszczone piaski drobne, piaski drobne z domieszkami humusu; stopień zagęszczenia gruntów warstwy I D = 0,40 warstwa III pospółki; są to średnio zagęszczone grunty niespoiste; stopień zagęszczenia gruntów warstwy I D = 0,50 warstwa IV grunty zwietrzelinowe; są to półzwarte gliny pylaste, lokalnie gliny pylaste na granicy gliny pylastej zwięzłej; uogólniony stopień plastyczności warstwy I L = 0,00 (grupa konsolidacji B)
7 2.2. Warunki wodne Tablica 2.2 Odcinek w Sosnowcu pomiędzy ul. Wojska Polskiego a ul. Ostrogórską pomiędzy Sosnowcem (rzeka Czarna Przemsza) a Katowicami (węzeł Szopienice) w Sosnowcu pomiędzy rondem im. Traugutta a ul. Wojska Polskiego Warstwy dwa horyzonty wody gruntowej: horyzont I płytki, związany z zalegającymi w podłożu gruntami nasypowymi; swobodne zwierciadło wody na głębokości 2,0 p.p.t. w otworze nr 16 (rzędna ok. 245,4 m n.p.m.); przypuszczalnie nieciągły charakter poziomu; możliwość występowania wody w obrębie gruntów nasypowych na różnych głębokościach, w formie izolowanych zbiorników zasilanych głównie przez infiltrację wód opadowych; mokre lokalnie przewiercane nasypy (głównie w strefie przypowierzchniowej, gdzie tereny są podmokłe, ale również na większych głębokościach); możliwość lokalnego pojawienia się zwierciadła wody w dłużej pozostawionych wykopach horyzont II głębszy, związany z zalegającymi poniżej warstw nasypu rodzimymi piaskami drobnymi; zwierciadło swobodne wody gruntowej w tych osadach na głębokości 5,5 do 6,5 p.p.t. (rzędna około 241 m n.p.m. w rejonie Czarnej Przemszy do około 246,2 m n.p.m. w rejonie odcinka początkowego i środkowego gazociągu); zasilanie poziomu również głównie przez infiltrację wód opadowych horyzont wody gruntowej związany z utworami czwartorzędu; zwierciadło wody na różnej głębokości od 1 m w otworze nr 21 (rejon torów kolejowych przy końcu trasy gazociągu) do 7,5 m w otworze nr 2 (przy Czarnej Przemszy); sączenie wody na głębokości 1,3 m p.p.t. w otworze nr 7; przypuszczalnie nieciągły charakter poziomu; związany zarówno z gruntami nasypowymi, jak i zalegającymi głębiej rodzimymi osadami niespoistymi; swobodny charakter zwierciadła wody gruntowej zwierciadło wody gruntowej w otworze nr 2; zwierciadło o charakterze swobodnym na głębokości 1,5 m p.p.t.; warstwę wodonośną stanowi warstwa czwartorzędowych piasków drobnych; zasilanie głównie przez infiltrację wód opadowych; przypuszczalnie woda gruntowa ma charakter lokalnego zbiornika wody zawieszonej Zwierciadło wody gruntowej nawiercono zarówno w obrębie gruntów nasypowych, jak i w zalegających poniżej rodzimych gruntach niespoistych. Zwierciadło wody ma charakter swobodny, nawiercony na głębokościach 1,9 7,5 m p.p.t. Woda występująca w nasypie ma charakter lokalnych zbiorników wody zawieszonej. Poziom zwierciadła wody gruntowej uzależniony jest od intensywności opadów oraz pory roku. Z uwagi na wykonywanie badań w okresie roztopów (marzec 2009 r.) można przyjąć, że jest to średni stan wód gruntowych.
8 2.3. Warunki gruntowo wodne dla bezpośredniego posadowienia (wnioski i zalecenia według dokumentacji geotechnicznej) Na podstawie dokumentacji geotechnicznej określono warunki posadowienia gazociągu wysokiego ciśnienia DN500 relacji Tworzeń Szopienice. Warunki te przedstawiają się następująco: grunty nasypowe uznano za niebudowlane i w przypadku posadowienia w obrębie gruntów tej warstwy podłoże wymaga uzdatnienia ze względu na możliwość nierównomiernych osiadań; najkorzystniejszym rozwiązaniem jest usunięcie tej warstwy z podłoża w całości i zastąpienie jej odpowiednio zagęszczoną podsypką piaskową do poziomu posadowienia; w rejonach przegłębień warstwy (miąższość powyżej 2 m) zaleca się dogęszczenie powierzchniowo dna wykopu i odpowiednie zwiększenie miąższości podsypki; wymagane bezwzględne usunięcie z podłoża gazociągu w całości zalegających lokalnie śmieci (odpady komunalne), podłoże nośne stanowią grunty rodzime zalegające poniżej nasypu, które są zróżnicowane pod względem ściśliwości; lokalnie zalegają grunty skaliste pod nasypem; w przeważającej części terenu głębokie zaleganie stropu utworów rodzimych wyklucza posadowienie bezpośrednie w ich obrębie, występuje możliwość lokalnych dopływów wody gruntowej do otwartych wykopów. 2.4. Działalność górnicza uwzględniona w projekcie W projekcie dokonano analizy warunków górniczych występujących na trasie gazociągu DN500 relacji Tworzeń-Szopienice na podstawie informacji uzyskanych z Samodzielnego Archiwum Dokumentacji Mierniczo-Geologicznej Wyższego Urzędu Górniczego. Warunki te przedstawiają się następująco: teren planowanej inwestycji podlegał w przeszłości silnym przeobrażeniom antropogenicznym (długotrwała działalność górnicza związana z eksploatacją węgla kamiennego, pobliskie piaskownie, cegielnie oraz huty), teren na odcinku Sosnowiec (rzeka Czarna Przemsza) Katowice (węzeł Szopienice) podlegał eksploatacji piasku na potrzeby pobliskich kopalń; głębsze i większe wyrobiska stanowią obecnie zbiorniki; wiele wyrobisk zlikwidowano przez zasypanie (głównie skałą płonną, gruzem), lokalnie gromadzone są odpady komunalne (śmieci),
9 teren na odcinku pomiędzy ul. Wojska Polskiego a ul. Ostrogórską w Sosnowcu oraz pomiędzy rondem im. Traugutta ul. Wojska Polskiego w Sosnowcu podlegał silnym przeobrażeniom związanym z eksploatacją węgla kamiennego; możliwość występowania płytkich wyrobisk i biedaszybów oraz deformacji nieciągłych.
10 3. OPIS PRZYJĘTYCH ROZWIĄZAŃ KONSTRUKCYJNYCH ZAPROJEKTOWANEGO GAZOCIĄGU DN500 RELACJI TWORZEŃ- SZOPIENICE Biorąc pod uwagę warunki gruntowo wodne oraz warunki górnicze na trasie projektowanego gazociągu wysokiego ciśnienia DN500 relacji Tworzeń Szopienice przyjęto trzy typy posadowienia: Posadowienie typ 1 (rys. 3.1) w sytuacji braku nasypów niebudowlanych lub gdy miąższość nasypu nie przekracza 1,5 m (głębokość posadowienie jest większa lub równa miąższości nasypów) posadowienie rurociągu projektuje się jako bezpośrednie na podsypce piaskowej o grubości 10 cm i zagęszczonej do stopnia zagęszczenia Is 0,95. Rys. 3.1. Posadowienie bezpośrednie na podsypce piaskowej - typ 1 Posadowienie typ 2 (rys. 3.2) w sytuacji, gdy miąższość nasypów jest niewielka (do 0,5 m poniżej poziomu posadowienia rurociągu) posadowienie rurociągu projektuje się jako bezpośrednie. Całość nasypu należy usunąć, a rurociąg układać na podsypce piaskowej, zagęszczonej do stopnia zagęszczenia Is 0,95. Rys. 3.2. Posadowienie bezpośrednie na podsypce piaskowej - typ 2
11 Posadowienie typ 3 (rys. 3.3) w sytuacji, gdy miąższość nasypów uniemożliwia bezpośrednie posadowienie rurociągu, projektuje się posadowienie mieszane bezpośrednie na nasypie niebudowlanym z dodatkowym podparciem na palach betonowych. Projektuje się wykonanie palowania palami przemieszczeniowymi FDP do poziomu -0,5 m poniżej poziomu posadowienia rurociągu. Osiowy rozstaw pali wynosi 5,0 m. Długość pala zmienna, w zależności od miąższości nasypów. Minimalne zagłębienie pala w gruntach nośnych wynosi 1,5 m. Pomiędzy palem a rurociągiem należy wykonać warstwę transmisyjną w postaci piasku zagęszczonego do Is 0,95 o miąższości 0,5 m. Na trasie rurociągu pomiędzy palami należy wykonać wykop do poziomu -0,5 m poniżej poziomu posadowienia rurociągu. Nasyp niebudowlany dogęścić powierzchniowo, a następnie wykonać podbudowę w postaci pospółki zagęszczonej do Is 0,95 o grubości 0,4 m oraz bezpośrednio pod rurociągiem piasku zagęszczonego do Is 0,95 o grubości 0,1 m. Z podłoża gazociągu należy bezwzględnie usunąć w całości zalegające lokalnie śmieci (odpady komunalne) i zagęścić je podsypką w postaci pospółki. Rys. 3.3. Posadowienie bezpośrednie na nasypie niebudowlanym z dodatkowym podparciem na palach betonowych - typ 3
12 Technologia budowy pala przemieszczeniowego FDP (Full Displacement Piles) z pełnym przemieszczeniem gruntu na pobocznicy należy do systemów bezurobkowego wykonywania pali wierconych. Polega ona na wkręcaniu specjalnego świdra w warstwę gruntu z dogęszczeniem na pobocznicy. Dogęszczenie gruntu wzdłuż pobocznicy i podstawy pala prowadzi do poprawy jego nośności, zwiększając tym samym nośność pala, odmiennie niż w tradycyjnych metodach palowania, z wyjątkiem pali wbijanych. Z tego powodu zastosowanie pali wkręcanych ma szczególne znaczenie w gruntach bardzo słabych. Do zalet pali FDP należą: wysoki współczynnik wytrzymałości, bezwibracyjny proces pogrążania, bezurobkowa metoda pogrążania, wysoka wydajność, minimalizacja zużycia betonu.
13 4. OBLICZENIA STATYCZNE DLA RUROCIĄGU TWORZEŃ-SZOPIENICE Do obliczeń w projekcie wykonawczym [7] gazociągu wysokiego ciśnienia DN500 przyjęto następujące dane: współczynnik pracy: m = 0,9; współczynnik obciążenia ciśnieniem wewnętrznym: γ fp = 1,1; współczynnik materiałowy: γ m1 = 1,34; współczynnik materiałowy: γ m2 = 1,15; współczynnik konsekwencji zniszczenia: γ n = 1,00; najwyższe stałe ciśnienie podczas eksploatacji: p r = 4,0 MPa; wytrzymałość materiału na rozciąganie: R m = 520 MPa; wyraźna granica plastyczności: R te = 415 MPa; współczynnik wytrzymałości złącza spawanego: z t = 0,8; współczynnik projektowy uzależniony dla I klasy lokalizacji gazociągu WP=0,40. Ciśnienie obliczeniowe wynosi p o = 4,4 MPa, a wytrzymałość obliczeniowa materiału rury R 1 = 349,25 MPa. W projekcie [8] dobrano rurę DN500 (508,0 x 8,8 mm) ze stali L415MB SAWH 3LPE N-v o grubości ścianki 8,8 mm. Dla tego rurociągu średnie naprężenia obwodowe spowodowane wewnętrznym ciśnieniem gazu wynoszą σ t =122,6 MPa, a obliczona wartość współczynnika projektowego WP = 0,292 < 0,4 dla I klasy lokalizacji gazociągu. Do obliczeń statycznych w projekcie [8] gazociągu wysokiego ciśnienia DN500 przyjęto następujące obciążenia zewnętrzne: - gruntem zasypowym w postaci piasku grubego o ciężarze objętościowym: γ = 19 kn/m 2, - zmienne: p k = 15 kn/m 2, - skupione od koła pojazdu: P k = 50 kn. W obliczeniach statycznych przyjęto dwa schematy obciążenia: 1) obciążenie gruntem zasypowym i obciążenie zmienne równomiernie rozłożone, o sumarycznej wartości q = 20,72 kn/m, 2) obciążenie gruntem zasypowym q = 11,85 kn/m i obciążenie skupione od koła pojazdu P k = 50 kn, przyłożone w środku belki. Dla przyjętych schematów obciążenia obliczono wartości momentów zginających, sił poprzecznych, a następnie naprężeń wzdłużnych w ściance rury od zginania oraz wzdłużne w ściance rury nieutwierdzonej od ciśnienia wewnętrznego. Uwzględniając średnie
14 naprężenie obwodowe, wywoływane przez ciśnienie nominalne oraz naprężenia ścinające, powodowane siłami poprzecznymi, obliczono naprężenia zredukowane red = 113,5 MPa. Porównując je z wytrzymałością materiału rurociągu R te wyznaczono wskaźnik projektowy WP = 0,32 < 0,4 dla pierwszej klasy lokalizacji gazociągu.