Ą ł ł Ś ł ł Ś Ą ł Ą ń ą Ó łł ł ł ł Ł Ą Ł Ą ą ó ł ł ą ó łłó ł ł Ą Ę ł ł ł ł ń ł ą ł ą ł ł ł ł ż łł Ą łł ł ł łł ń ń ł ó Ł ł ń ą ł ł ł ą ł ł ł ł

ł ł ł ł ł ł ą ł ł ł ą łł ń ł Ą ł ł ś ń ł ą ł ńł Ę ń Ę ń ł ł ł ł ą ń ń ó ł ł ł ł ł ł ś ł ł ł ł ł ł ó ą ą ą Ą ł Ą ł ł Ł ś ń ó ą ł ł Ł ĄĄ łł ń ł łł ł ł Ą ł ń ó

- 3 - SPIS TREŚCI 1. Wprowadzenie 4 2. Charakterystyka warunków podłoża zaprojektowanego gazociągu DN500 relacji Tworzeń-Szopienice 5 2.1. Warunki gruntowe 5 2.2. Warunki wodne 7 2.3. Warunki gruntowo wodne dla bezpośredniego posadowienia (wnioski 8 i zalecenia według dokumentacji geotechnicznej) 2.4. Działalność górnicza uwzględniona w projekcie 8 3. Opis przyjętych rozwiązań konstrukcyjnych zaprojektowanego gazociągu DN500 relacji Tworzeń-Szopienice 10 4. Obliczenia statyczne dla rurociągu Tworzeń-Szopienice 13 5. Charakterystyka warunków geologicznych i górniczych na trasie gazociągu 15 5.1. Uwagi ogóle 15 5.2. Analiza warunków geologiczno górniczych 15 6. Ocena wzmocnienia podłoża pod projektowany gazociąg przesyłowy DN500 relacji Tworzeń-Szopienice 19 7. Wnioski 23

4 1. WPROWADZENIE Pracę wykonano na zlecenie firmy Usługi Projektowe Serwacy Pierchała, której celem jest opracowanie opinii dotyczącej wzmocnienia podłoża zaprojektowanego gazociągu przesyłowego DN500 wysokiego ciśnienia relacji Tworzeń Szopienice. Trasa tego gazociągu przebiega przez tereny pogórnicze, w znacznej części po płytkiej eksploatacji węgla kamiennego oraz w rejonie wychodni uskoków tektonicznych w stropie karbonu. Opinia zawiera analizę zagrożenia związanego z tymi uwarunkowaniami. W pracy wykorzystano następujące materiały: 1. Dokumentacja geotechniczna dla potrzeb budowy projektu budowy gazociągu relacji Tworzeń-Szopienice odcinek pomiędzy ul. Wojska Polskiego a ul. Ostrogórską w Sosnowcu. Zadanie realizowane w ramach Remontu gazociągu relacji Tworzeń-Szopienice DN500. GEOPROFIL Przedsiębiorstwo Geologiczne Przemysław Ciszewski. Sosnowiec, kwiecień 2009. 2. Dokumentacja geotechniczna dla potrzeb budowy projektu budowy gazociągu relacji Tworzeń-Szopienice odcinek Sosnowiec (rzeka Czarna Przemsza) Katowice (węzeł Szopienice). Zadanie realizowane w ramach Remontu gazociągu relacji Tworzeń-Szopienice DN500. GEOPROFIL Przedsiębiorstwo Geologiczne Przemysław Ciszewski. Sosnowiec, kwiecień 2009. 3. Dokumentacja Zespołu Rzeczoznawców ZG SITG z 28.04.1999r., Nr. 1/99, pt. Ustalenie terenów w granicach obszaru i terenu górniczego kopalni Mysłowice, na których nie będą wymagane zabezpieczenia obiektów kubaturowych i infrastruktury technicznej na wpływy eksploatacji górniczej. (archiwum GIG - BB). 4. Informacja Samodzielnego Archiwum Dokumentacji Mierniczo - Geologicznej przy Wyższym Urzędzie Górniczym. Pismo z dnia 02.04.2009 r., znak AD-0180/0643-1/09/05374. 5. Informacja Samodzielnego Archiwum Dokumentacji Mierniczo - Geologicznej przy Wyższym Urzędzie Górniczym. Pismo z dnia 03.04.2009 r., znak AD-0180/0643-2/09/05438. 6. Informacja Samodzielnego Archiwum Dokumentacji Mierniczo - Geologicznej przy Wyższym Urzędzie Górniczym. Pismo z dnia 03.04.2009 r., znak AD-0180/0643-2/09/05459. 7. PROJEKT WYKONAWCZY. Budowa gazociągu DN 500 mm PN 6.3 MP w ramach zadania: Remont gazociągu Tworzeń-Szopienice Tom I PROJEKT INSTALACYJNO TECHNOLOGICZNY Usługi Projektowe Serwacy Pierchała. Rybnik, wrzesień 2009. 8. Projekt budowlany konstrukcji. Budowa gazociągu DN 500 mm PN 6.3 MP w ramach zadania: Remont gazociągu Tworzeń-Szopienice. Projekt wzmocnienia podłoża gruntowego pod projektowany gazociąg. Firma Inżynierska STATYK. Konstrukcje Budowlane i Inżynieryjne. Katowice, grudzień 2009. 9. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 30 lipca 2001 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać sieci gazowe. 10. DERMAN W.R., STRACHAN A., ROCHE D.P., VINCETT C.: Influence of mining subsidence on pipelines. BULLETIN de I'Association Internationale de GEOLOGIE DE L'INGCNIEUR NO 25, I ~1 - Z 4. Paris 1982. 11. JACHIM K., KALISZ P.: Awarie sieci gazowych na terenach górniczych. Materiały konferencji nt. Bezpieczeństwo i Ochrona Obiektów Budowlanych na Trenach Górniczych. Ustroń 2010. 12. KWIATEK J I INNI: Ochrona obiektów budowlanych na terenach górniczych. GIG, Katowice 1997. 13. KWIATEK J.: Obiekty budowlane na terenach górniczych. Katowice, GIG 2007. 14. MOKROSZ R.: Projektowanie, wykonawstwo i eksploatacja przewodów uzbrojenia podziemnego na terenach górniczych. Szkolenie seminaryjne Polskie Zrzeszenie Inżynierów i Techników Sanitarnych Oddział Katowicki. Katowice, luty 2007. 15. POPIOŁEK E.: Ochrona terenów górniczych. Wydawnictwa AGH. Kraków 2009.

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