Piotr BĘTKOWSKI 1 PROBLEM IDENTYFIKACJI SZKÓD GÓRNICZYCH NA PRZYKŁADZIE WIADUKTU DROGOWEGO RAMOWEGO W referacie opisano wiadukt drogowy położony na terenach górniczych. Wiadukt ten jest w pewnym stopniu nietypowy jest to rama żelbetowa, czyli konstrukcja nieprzystosowana do przeniesienia górniczych deformacji terenu jednak wysokie wiotkie filary i masywne sztywne dźwigary wpływają pozytywnie ma możliwość przenoszenie przemieszczeń poziomych. Niby była eksploatacja górnicza, a nie ma szkód górniczych. Są pęknięcia na przyczółkach, wstępnie zakwalifikowane jako szkody górnicze, ale nie da się ich powiązać z dokonaną w rejonie wiaduktu eksploatacją górniczą. 1. Lokalizacja wiaduktu Przedmiotowy wiadukt drogowy położony jest w miejscowości Pawłowice nad torami PKP w ciągu DW 933 w km 32+993. Droga wojewódzka przebiegająca po wiadukcie łączy m.in. Jastrzębie Zdrój i Pszczynę. Pod wiaduktem przebiega dwutorowa, zelektryfikowana linia kolejowa relacji Żory- Strumień. 2. Parametry techniczne i eksploatacyjne wiaduktu Wiadukt wykonany w roku 1952 nie był projektowany z uwzględnieniem wpływów górniczych. W roku 1952 na terenach Pawłowic i przyległych nie była prowadzona eksploatacja górnicza. Nośność wiaduktu odpowiada klasie C obciążenia normowego (30 ton) wg [3]. Przedmiotowy wiadukt drogowy jest wykonany w postaci trójprzęsłowej ramy żelbetowej. Ustrój nośny to pięć żelbetowych prostokątnych dźwigarów. Dwie podpory pośrednie składają się z pięciu filarów/słupów żelbetowych każda. Filary/słupy mają wspólną stopę. Górą filary/słupy łączą się monolitycznie z dźwigarami. Dodatkowo w połowie wysokości filary/słupy są połączone żelbetową belką poprzeczną. Przyczółki posadowione są wysoko na nasypie, skrzydła przyczółków równoległe do osi drogi na wiadukcie. Dźwigary oparte są na ławach podłożyskowych przyczółków za pośrednictwem przekładek z papy, brak łożysk. Pod wiaduktem przebiega dwutorowa, zelektryfikowana linia kolejowa PKP. Na wiadukcie znajduje się jedno-jezdniowa, dwupasmowa droga o nawierzchni asfaltowej, dwa chodniki, poręcze. Geometria obiektu: długość obiektu (do dylatacji): 45,00 m, szerokość obiektu (z gzymsami): 10,00 m, gzymsy/belki podporęczowe: 0,26 m + 0,26 m, światło pionowe pod obiektem: 5,50 m, schemat statyczny: ciągły, rama, ilość przęseł: 3, 1 Dr inż., Wydział Budownictwa Politechniki Śląskiej 11
rozpiętość przęseł: 13,50 + 18,50 + 13,00 m, kąt skrzyżowania z linią kolejową PKP: 79,5, rodzaj dźwigarów: belki monolityczne żelbetowe, 5 belek, rodzaj pomostu: płytowy, żelbetowy monolityczny, szerokość jezdni: 6,90 m 2 pasy ruchu, szerokość chodników: 1,28 m +1,28 m, przyczółki: pełnościenne, żelbetowe, filary (dwie podpory pośrednie): 5 słupów na każdą podporę na wspólnej ławie, łożyska: brak (przekładki z papy pomiędzy dźwigarem i ławą podłożyskową), nawierzchnia na obiekcie: nawierzchnia jezdni asfalt, nawierzchnia chodników brak ( goły beton), poręcze: szczeblinkowe, osłony trakcyjne brak, zabezpieczenie przerw dylatacyjnych: dylatacje bitumiczne. Rys. 1. Widok z boku od strony południowej Rys. 2. Widok na jezdnię od strony zachodniej 3. Eksploatacja górnicza 3.1. Eksploatacja dokonana do końca 2009 roku Przedmiotowy wiadukt znajdował się w zasięgu oddziaływań eksploatacji górniczej w latach: 1981, 1988, 1991, 2009 (były eksploatowane cztery pokłady). Eksploatacja dokonana: w=0,18 m T=1,7 mm/m =1,3 mm/m R=-97 km 12
Wpływ dokonanej eksploatacji górniczej na powierzchnię terenu był niewielki (łączne osiadanie tylko 18 cm). W podłożu dominowały niewielkie rozciągania (rozpełzania) właściwe dla obrzeży niecki osiadań. Długi odstęp w eksploatacji poszczególnych pokładów wpływał korzystnie zmniejszając odkształcenia i promienie krzywizny. Prowadził także do redukcji pochodzących od wpływów górniczych dodatkowych naprężeń w konstrukcji. 3.2. Eksploatacja planowana Eksploatacja górnicza w rejonie obiektu planowana jest do 2020 roku. Sumarycznie do końca 2020 roku prognozowane są następujące wartości wskaźników deformacji terenu (od wszystkich pokładów): w=1,61 m T=3,1 mm/m =-1,7 mm/m R=93 km 4. Wpływ dokonanej eksploatacji górniczej na stan techniczny wiaduktu W artykule zajęto się szerzej problemem ustalenia przyczyn powstania pewnych uszkodzeń, stąd skupiono się głównie na obecnym stanie technicznym obiektu. Szkody górnicze w tego typu konstrukcjach (rama żelbetowa) to przede wszystkim rysy i pęknięcia. W przedmiotowym wiadukcie charakter rys i ich rozmieszczenie nie wskazuje na górniczą genezę ich powstania. Brak rys na stykach filarów i dźwigarów żelbetowych w tym miejscach w przypadku górniczych deformacji terenu negatywny wpływ eksploatacji górniczej na obiekt powinien ujawnić się najpierw Rys. 3, Rys. 4. Rys. 3. Filar zachodni widok ze strony wschodniej Wiele rys powstało natomiast na ostrych krawędziach elementów żelbetowych (zwłaszcza skrajnych słupów podpór) rysom tym towarzyszy głuchy beton, ubytki betonu. Są to rysy powierzchniowe związane z korozją betonu, korozją prętów stalowych, brakiem odpowiedniej otuliny czyli z działaniem czynników atmosferycznych (Rys.3, Rys.4, Rys.5). Rysy występują przede wszystkim w rejonie zacieków przez nieszczelne przekrycia dylatacji na wspornikach podchodnikowych. Przecieki przez te dylatacje spowodowały liczne zniszczenia w strefie wsporników podchodnikowych korozję i liczne ubytki betonu, korozję zbrojenia, zacieki i wykwity, sople. Oprócz wsporników podchodnikowych przecieki te doprowadziły do uszkodzeń fragmentów dźwigarów i filarów (Rys. 6, Rys.7, Rys.8, Rys.9). 13
Wspornik podchodnikowy każdego przęsła jest podzielony na trzy segmenty szczelinami dylatacyjnymi. Obecnie szczeliny dylatacyjne pozostały tylko nad podporami. Te w przęsłach zostały zasłonięte (zabetonowane) po stronie wierzchniej, tj. od chodnika natomiast od spodu wsporników szczeliny te dalej są nieuszczelnione (w ich sąsiedztwie są świeże ślady zacieków) (Rys. 7, Rys. 8, Rys. 9). Rys. 4. Filar wschodni widok ze strony zachodniej Rys. 5. Filary uszkodzenia słupów skrajnych Rys. 6 Uszkodzenia dźwigarów skrajnych wskutek korozji prętów zbrojeniowych pod betonem 14
Rys. 7. Wspornik podchodnikowy południowy Rys.8. Wspornik podchodnikowy północny Rys. 9. Uszkodzenie wsporników podchodnikowych wskutek nieszczelnych szczelin dylatacyjnych 5. Uszkodzenia sporne Spór powstał co do genezy powstania uszkodzeń pokazanych na rysunkach 10 15. Rysy (szczeliny) na ściance zaplecznej występują na wszystkich przyczółkach po obu ich stronach (Rys. 10 13). Mają szerokość do 12 cm. Po stronie północno-zachodniej wiaduktu pęknięciu ścianki zaplecznej towarzyszy dodatkowo przemieszczenie ścianki wraz ze skrzydełkiem o 10 cm (Rys.14). Stan tego elementu jest przedawaryjny jednak przynajmniej na razie nie wpływa negatywnie na parametry eksploatacyjne obiektu. Doszło także do zaciśnięcia (zakleszczenia) przęsła (Rys.15). Prowadzona w rejonie obiektu eksploatacja górnicza nasuwa wydawałoby się oczywiste skojarzenie szkody górnicze. 15
Głębsza analiza wskazuje na inne przyczyny. Eksploatacja górnicza dokonana w rejonie wiaduktu wywołała jedynie nieznaczne deformacje terenu. Obiekt znalazł się w strefie łagodnych rozpełzań, nie mogło więc dojść do zakleszczenia przęsła - to zaciśnięcie miało doprowadzić do uszkodzenia ścianek zaplecznych. Uszkodzenia są stare, przemieszczenie nastąpiło przed remontem nawierzchni wykonanym parę lat temu (brak uszkodzeń w obrębie bitumicznych przekryć szczelin dylatacyjnych pomiędzy przęseł i przyczółkiem, brak śladów nowych przemieszczeń skrzydełka na sąsiedniej nawierzchni jezdni i chodnika pojawiłyby się szczeliny). Inna możliwość to osuwanie się przyczółków (utrata stateczności) na skutek błędnego posadowienia, nieprzystosowanego do intensywnego ruchu na obiekcie i do dużych obciążeń od taboru samochodowego bądź też bezpośrednie parcie gruntu od obciążenia naziomu taborem samochodowym. W czasie budowy Gierkówki (trasa ta, obecnie DK81 biegnie dosłownie 150 m od wiaduktu) tą drogą wożony był kamień na podbudowę, auta były ponoć notorycznie przeładowane (wymuszało to szybkie tempo robót i brak dostatecznej ilości taboru do prawidłowego obsłużenia tak wielkiej inwestycji). Same skarpy kolejowe są strome (Rys.1), poza obiektem liczne są ślady drobnych osunięć, przyczółki skrajne są posadowione wysoko na skarpie (Rys. 3). Krawędź betonu w miejscach pęknięć jest prostopadła do ścianki, a nie skośna co wskazuje jako przyczynę pęknięcia nie parcie przęsła na ściankę, ale znaczne obciążenie z jezdni, które rozerwało niezbrojone ścianki (szczególnie wyraźnie widać to na Rys.13.) i doprowadziło do przemieszczenia jednego z oderwanych skrzydeł (rys.15). Wpływy górnicze zasadniczo pochodzą od strony gruntu, a tu przyczółki nie są uszkodzone i zarysowane (rys. 16, rys. 17). Brak też, o czy już wspomniano wcześniej, rys na styku przęseł i filarów, a więc innych śladów działania górniczych deformacji terenu na obiekt. Rys. 10. Przyczółek wschodni, strona północna Rys. 11. Przyczółek wschodni, strona południowa Rys. 12. Przyczółek zachodni, strona południowa Rys. 13. Przyczółek zachodni, strona północna 16
Rys. 14. Przyczółek zachodni, strona północna Rys. 15. Zaciśnięta szczelina dylatacyjna Rys.16. Przyczółek od strony zachodniej Rys. 17. Oparcie przęsła na przyczółku 6. Dalsze działania Wiadukt ma schemat statyczny ramy trójprzęsłowej z dwoma nogami. Taka konstrukcja zasadniczo źle znosi wpływ nierównomiernych osiadań i przemieszeń poziomych filary są nogami ramy, a ich zsunięcie/rozsunięcie prowadzi do powstania dodatkowych naprężeń w konstrukcji nośnej. W przypadku przedmiotowego wiaduktu filary są stosunkowo wiotkie, a więc podatne (odkształcalne) jest to korzystne, jeśli chodzi o przemieszczenia poziome na skutek rozpełzania/spełzania terenu. Filary złożone są z pięciu słupów połączonych wspólną stopą. To połączenie filarów jest korzystne z punktu widzenia planowanej eksploatacji górniczej. Prognozowane do końca 2020 roku deformacje terenu doprowadzą do pojawienia się w konstrukcji dodatkowych sił wewnętrznych. Wg [5] dojdzie do powstania dodatkowych momentów zginających na poziomie 25% całkowitego momentu zginającego. Tzn. jeżeli przyjąć, że całkowity moment zginający pochodzący od ciężaru własnego wiaduktu, elementów wyposażenia i taboru samochodowego odpowiadającego klasie C obciążenia normowego wg [3] (pojazdy do 30 t), wynosi 100%, to po roku 2020 moment ten wzrośnie do ok. 125%. Rzeczywisty wzrost momentów zginających powinien być mniejszy wskutek redystrybucji momentów po pojawieniu się niewielkich zarysowań zmniejszających sztywność węzłów (połączenia filary-dźwigary). Brak swobody przemieszczeń przęsła w kierunku przyczółków istniejące szczeliny dylatacyjne ustroju nośnego uległy zaciśnięciu w przypadku masywnych betonowych dźwigarów i lekkich przyczółków zaciśnięcie przęsła nie prowadzi do szybkiego zniszczenia przęsła jednak konieczna jest obserwacja przęsła i przyczółków (ścianek zaplecznych czy nie pojawią się rysy świadczące o ich ścinaniu, co prowadzi do deformacji niwelety drogi). Takie obserwacje są wykonywane w ramach monitoringu obiektu (przynajmniej raz w miesiącu). Mając na uwadze zły stan elementów ustroju nośnego i podpór obiektu oraz postępujące procesy korozyjne (wskutek braku/ubytków otuliny prętów zbrojeniowych) zaleca się rozważyć remont (głównie dotyczy elementów betonowych konstrukcji wiaduktu: m.in. usunięcie luźnych fragmentów otuliny, uzupełnienie ubytków betonu) lub ewentualnie przebudowę obiektu. Stan techniczny obiektu pogarsza się, co może w przyszłości ograniczyć możliwość przeniesienia górniczych deformacji terenu. 17
Powinny być prowadzone pomiary geodezyjne przemieszczeń na zastabilizowanych na wiadukcie reperach, a wyniki tych pomiarów analizowane pod kątem bezpieczeństwa konstrukcji (i podjęcia ewentualnych działań zaradczych). W przypadku prowadzenia stałej obserwacji obiektu można prowadzić w rejonie wiaduktu zgodną z prognozami eksploatację górniczą. 7. Podsumowanie Konieczne jest czasem nietypowe spojrzenie na obiekt. Jest rama żelbetowa, czyli konstrukcja nieprzystosowana do przeniesienia górniczych deformacji terenu tu jednak posiada cechy, które jak pokazały analizy, pozwalają na przejęcie wpływów eksploatacji górniczej planowanej w rejonie obiektu. Konieczna jest głęboka analiza uszkodzeń w czasie (określenie, kiedy powstały), powiązanie ich w czasie z dokonaną eksploatacją górniczą, trochę rola detektywa nie można oceniać pochopnie, bo tam fedrują. W przedmiotowym przypadku elementem takich dociekań są pęknięcia ścianek zaplecznych. Literatura [1] Wytyczne techniczno-budowlane projektowania i wykonywania obiektów mostowych na terenach eksploatacji górniczej. Ministerstwo Komunikacji, Warszawa 1977. [2] Instrukcja przeprowadzania przeglądów drogowych obiektów inżynierskich. Załącznik do Zarządzenia Nr 14 GDDKiA z dnia 7 lipca 2004 r. Warszawa 2005. [3] PN-85/S-10030. Obiekty mostowe. Obciążenia. [4] Sprawozdanie z monitoringu obiektu mostowego. Wiadukt drogowy w Pawłowicach w ciągu DW 933 km 32+993. Biuro Techniczne Piotr Bętkowski, listopad 2011. [5] Ocena stanu technicznego. Wiadukt nad torami PKP w Pawłowicach w ciągu DW 933, km 32+993. SITG Rybnik, luty 2010. THE PROBLEM OF IDENTIFICATION OF MINING DAMAGES ON THE EXAMPLE OF THE FRAME ROAD BRIDGES In this paper is described the read bridge located on coal mining area. This concrete frame is atypical: high, limp pillars and stiff girders alter on the possibility of devolved vertical displacement. There was coal mining but lack of mining damages. There are large cracks of concrete but their reasons are not area deformations. 18