Specjalistyczne metody wzmacniania gruntu wdrożone na autostradzie A4

mgr inż. Leszek Prenkiewicz, mgr inż. Marcin Pomierny Keller Polska Sp. z.o.o. Specjalistyczne metody wzmacniania gruntu wdrożone na autostradzie A4 W ostatnich latach Polska stała się dużym placem budowy dróg, w skali dotychczas niespotykanej w naszym kraju. Tempo budowania nowych dróg oraz konieczność prowadzenia tras przez tereny położone na słabonośnych gruntach skłoniły projektantów i wykonawców do zastosowania specjalistycznych technologii. W artykule przedstawiono wdrożone przez Keller Polska Sp. z o.o. sposoby wzmocnienia podłoża gruntowego w celu posadowienia nasypów autostradowych i obiektów mostowych zrealizowanych w ramach budowy autostrady A4 na odcinku Szarów Korczowa. Autostrada A4, po ukończeniu trwających prac, będzie przebiegać od dawnego przejścia granicznego z Niemcami w Jędrzychowicach k. Zgorzelca do granicy polsko-ukraińskiej w Korczowej, przez Wrocław, Opole, Kraków, Tarnów i Rzeszów. Łączna długość trasy wyniesie ok. 670 km. Podstawowym zadaniem inwestycji jest zapewnienie szybkiego i sprawnego połączenia komunikacyjnego w ruchu międzynarodowym na osi wschód zachód. Budowany obecnie brakujący odcinek autostrady o długości ok. 224 km przebiega przez województwa małopolskie i podkarpackie (rys. 1). Małopolski odcinek A4 o dł. ok. 57 km, od węzła Szarów do węzła Krzyż leżącego na granicy województw małopolskiego i podkarpackiego, podzielono na trzy kontrakty realizacyjne. Odcinek podkarpacki o długości ok. 167 km od węzła Krzyż do Korczowej podzielono na siedem kontraktów realizacyjnych. W tab. 1 zestawiono informacje o generalnych wykonawcach robót, projektantach oraz firmach zarządzających i sprawujących nadzór nad realizacją robót. Na odcinkach I, IV, V, VI, IX, X fi rma Keller Polska Sp. z o.o. wykonała roboty specjalistyczne polegające na posadowieniu Summary In recent years Poland has become a major road construction site, on an unprecedented scale in our country. The pace of building new roads and the necessity of conducting highways through areas of soft soils has prompted the designers and contractors to use specialised technologies. The article presents selected methods of ground improvement, applied by Keller Poland Ltd. to support highway embankments and bridges constructed along the A4 motorway, between Szarów and Korczowa. obiektów mostowych na palach Jet Grouting oraz na wzmocnieniu podłoża pod nasypy autostradowe za pomocą wibrofl otacji, kolumn żwirowych, żwirowo-betonowych i kolumn kamiennych DR. 42

Rys. 1. Przebieg autostrady A4 przez województwa małopolskie i podkarpackie (www.gddkia.gov.pl) Posadowienie obiektów mostowych na palach Jet Grouting Metoda iniekcji strumieniowej Jet Grouting polega na wykonaniu w gruncie zeskalonej kolumny (lub innej bryły) cementowogruntowej, która przenosi obciążenia na niżej położone i nośne warstwy podłoża. Wykonanie kolumny Jet Grouting odbywa się przez wprowadzenie w podłoże rury wiertniczej zakończonej specjalnym monitorem wyposażonym w dysze. Z dysz wylotowych, dzięki stosowaniu wysokiego ciśnienia i koncentracji wiązki strumienia, wydostaje się z dużą prędkością zaczyn cementowy, często dodatkowo otulony sprężonym powietrzem, który doprowadza do rozluźnienia struktury gruntu. Poprzez kontrolowany ruch rury wiertniczej (podciąganie i obrót) uzyskuje się pożądany kształt i zasięg zeskalenia. Grunt po wymieszaniu z cementem i po związaniu przybiera formę tzw. cementogruntu. Skład i ilość pompowanego zaczynu dostosowuje się do wymaganych wytrzymałości cementogruntu na ściskanie. Szczegółowe informacje na temat iniekcji strumieniowej można znaleźć w (1, 2). Na odcinku IV wykonano ok. 12 157 sztuk pali Jet Grouting o średnicy Ø 400 mm, które posłużyły do posadowienia wiaduktów, przejść dla zwierząt oraz przepustów gospodarczych, łącznie na 38 obiektach inżynierskich. Najkrótsze pale, o dł. 3 m, wykonano pod przepustami, a najdłuższe, 20-metrowe, dla wiaduktów WA-106A i WD-107A. Zgodnie z projektem każdy pal uzbrojono kształtownikiem stalowym HEB100, a wymagana wytrzymałość cementogruntu Fot. 1. Realizacja pali Jet Grouting w ramach posadowienia obiektu inżynierskiego oraz wzmocnienie podłoża na dojazdach w technologii wibrowymiany wyniosła 5 MPa. Łącznie wykonano ok. 109 670 mb pali Jet Grouting i zużyto ok. 2000 ton stali. Przebieg robót ilustruje fot. 1. Na odcinku IX wykonano posadowienie sześciu wiaduktów autostradowych. Dwa z nich posadowiono na palach Jet Grouting Ø 800 mm i długości ok. 9 m, a cztery kolejne na palach Jet Grouting Ø 1000 mm, o długości od ok. 6 do 11 m. Zbrojenie pali stanowiły kształtowniki HEB 200 lub HEB 220. Łącznie wykonano 323 szt. pali Ø 800 mm, o długości ok. 2900 mb, oraz 650 szt. pali Ø 1000 mm, o długości ok. 5400 mb. Technologie zastosowane do wzmocnienia podłoża pod nasypami Kolumny żwirowe i żwirowo-betonowe Kolumny żwirowe i żwirowo-betonowe są wykonywane w technologii wibrowymiany za pomocą wibratora wgłębnego z wewnętrznym, www.autostrady.elamed.pl 43

Generalny wykonawca Projektant Nadzór nad realizacją Odcinek I: węzeł Szarów węzeł Brzesko (długość ok. 23,1 km) Polimex Mostostal SA, Doprastav a.s., Metrostav a.s Dróg i Mostów Sp. z o.o., COMPLEX PROJEKT Sp. z o.o. Odcinek II: węzeł Brzesko węzeł Wierzchosławice (długość ok. 20,8 km) NDI S.A. Sopot, SB Granit S.A. Skopje Macedonia, GDDKiA odstąpiła od umowy z wykonawcą budującym odcinek. Po przetargu na dokończenie robót prace powierzono konsorcjum: HELIT+WOERNER Budowlana Sp. z o.o. STRABAG Sp. z o.o., POLDIM SA, Przedsiębiorstwo Inżynieryjne IMB PODBESKIDZIE Sp. z o.o. DRAGADOS S.A. HYDROBUDOWA POLSKA S.A., SIAC CONSTRUCTION Ltd., PBG S.A., APRIVIA S.A. GDDKiA odstąpiła od umowy z wykonawcą budującym odcinek. Obecnie trwa przygotowywanie postępowania przetargowego na dokończenie robót Budimex S.A. Radko Sp. z.o.o., Autostrada Wschodnia Sp. z o.o., Punj Lioyd Ltd. GDDKiA odstąpiła od umowy z wykonawcą budującym odcinek został ogłoszony przetarg na dokończenie robót Mostostal Warszawa S.A. Acciona Infraestructuras S.A. Polimex Mostostal SA Doprastav a.s. Budimex S.A.; Ferrovial Agroman S.A. (odcinek realizowany w systemie Projektuj i buduj ) J&P AVAX S.A (odcinek realizowany w systemie Projektuj i buduj ) Dróg i Mostów Sp. z o.o. Odcinek III: węzeł Wierzchosławice węzeł Krzyż (długość ok. 12,9 km) Dróg i Mostów Sp. z o.o. Odcinek IV: węzeł Krzyż węzeł Dębica Pustynia (długość ok. 34,8 km) COMPLEX PROJEKT Sp. z o.o., MGGP S.A., MOSTY Katowice Sp. z o.o., ARCADIS Profil Sp. z o.o. Odcinek V: węzeł Dębica Pustynia węzeł Rzeszów zachód (długość ok. 32,7 km) COMPLEX PROJEKT Sp. z o.o., MGGP S.A. MOSTY Katowice Sp. z o.o., ARCADIS Profil Sp. z o.o. Odcinek VI: węzeł Rzeszów zachód węzeł Rzeszów centralny (długość ok. 4,0 km) Mott MacDonald Limited Sp. z o.o. Odcinek VII: węzeł Rzeszów centralny węzeł Rzeszów wschód (długość ok. 6,9 km) ECM Group Polska Sp. z o.o., AECOM Sp. z o.o., AECOM Ltd. ECM Group Polska Sp. z o.o., AECOM Sp. z o.o., AECOM Ltd. Zakład Budownictwa Mostowego Inwestor Zastępczy Sp. z o.o., ECM Group Sp. z o.o. Zakład Budownictwa Mostowego Transprojekt Warszawa Sp. z o.o. Inwestor Zastępczy Sp. z o.o., ECM Group Sp. z o.o. Odcinek VIII: węzeł Rzeszów wschód węzeł Jarosław-Wierzbna (długość ok. 41,2 km) Tebodin SAP-Projekt Sp. z o.o., APIA XXI S.A., APIA XXI IAK Sp. z o.o., MP MOSTY Sp. z o.o. Odcinek IX: węzeł Jarosław-Wierzbna węzeł Radymno (długość ok. 24,5 km) Odcinek IX: węzeł Radymno Korczowa (granica państwa; długość ok. 22,6 km) Tab. 1. Generalni wykonawcy, projektanci oraz nadzór dla poszczególnych odcinków autostrady A4 tzn. śluzowym, podawaniem materiału, przy wspomaganiu transportu kruszywa lub betonu sprężonym powietrzem. Podawanie materiału odbywa się przez kosz zasypowy, poruszający się wzdłuż masztu specjalnej palownicy (fot. 2). W pierwszej fazie wibrator wypełnia się kruszywem i pogrąża w podłoże przy udziale wibracji i docisku maszyny. Po osiągnięciu głębokości projektowej następuje formowanie stopy z kruszywa w gruncie nośnym, czemu towarzyszy dodatkowe dogęszczenie rodzimych gruntów piaszczystych lub przyspieszona konsolidacja nawodnionych gruntów spoistych. W drugiej fazie następuje formowanie trzonu kolumny w obrębie gruntów słabych, wymagających wzmocnienia. W tym celu do wibratora wsypuje się od góry, przez zamykaną śluzę, kruszywo lub beton. W trakcie podciągania wibratora materiał wypływa spod jego ostrza przy udziale sprężonego powietrza i wypełnia przestrzeń zwolnioną przez wibrator. Ponowne zagłębienie wibratora rozpycha materiał na boki i zwiększa efektywną średnicę kolumny. Posuwisto-zwrotny ruch wibratora kontynuowany jest na całej długości kolumny, aż do poziomu roboczego. W trakcie formowania trzonu średnica kolumny dostosowuje się do podatności bocznej gruntu i wynosi ok. 0,6-0,8 m, tzn. w gruntach słabych jest większa, a w gruntach bardziej wytrzymałych mniejsza. Dodatkowym efektem, jaki towarzyszy formowaniu trzonu kolumny, jest poprawienie parametrów mechanicznych otaczającego gruntu. Kolumny żwirowe stosuje się do wzmocnienia słabych gruntów spoistych lub uwarstwionych, zdolnych do zmobilizowania odpowiedniego odporu bocznego, który zapewnia stateczność żwirowego trzonu. Odpowiada to minimalnej wytrzymałości gruntu na ścinanie około 10-15 kpa, jakkolwiek znane są również pozytywne rezultaty zastosowania kolumn żwirowych w gruntach o wytrzymałości nawet 4-5 kpa. W bardzo słabych gruntach organicznych, jak namuły i torfy, i przy dużej ich miąższości, stosuje się kolumny kombinowane, żwirowo-betonowe. W takich przypadkach w obszarze występowania gruntów organicznych wykorzystuje się, zamiast kruszywa i w celu uzyskania wewnętrznej wytrzymałości trzonu kolumny, półsuchy beton o specjalnej recepturze. Umożliwia to rozpychanie/zagęsz- 44

czanie betonu za pomocą wibratora, podobnie jak to się odbywa w przypadku kruszywa. Zaletą specjalnych palownic systemu Kellera jest szybka możliwość zmiany rodzaju podawanego materiału w czasie robót, co pozwala na dostosowywanie długości trzonu żwirowego i betonowego każdej kolumny do aktualnych warunków gruntowych dzięki stałej obserwacji i rejestracji oporu gruntu podczas pogrążania wibratora w podłoże. W praktyce ma to bardzo duże znaczenie dla optymalizacji kosztów wzmocnienia podłoża, co znalazło potwierdzenie na budowie autostrady A4. W zależności od warunków gruntowych oraz wysokości nasypów kolumny rozmieszczono w siatce trójkątów równobocznych o boku od 1,8 do 2 m. Długości kolumn, dostosowywane do warunków gruntowych i przy założeniu penetracji wibratora co najmniej 1 m w grunty nośne, wynosiły od ok. 4 m do 19,5 m. Kontrola kolumn żwirowych, oprócz automatycznej rejestracji parametrów produkcyjnych (tzn.: zagłębienie w podłoże, ilość zużytego materiału, opór gruntu na podstawie pomiaru natężenia prądu i czas wykonania), obejmowała sprawdzenie ciągłości trzonu za pomocą sondowania dynamicznego. W przypadku kolumn żwirowo-betonowych i części betonowej dodatkowo kontrolowano wytrzymałość użytego betonu, wykonując normowe badania na próbkach sześciennych. Łącznie na czterech odcinkach autostrady wykonano: odcinek IV: ok. 33 670 szt. kolumn żwirowych o łącznej długości ok. 297 800 mb oraz ok. 6700 szt. kolumn żwirowo-betonowych o łącznej długości ok. 40 800 mb; odcinek V: ok. 62 750 szt. kolumn żwirowych o łącznej długości ok. 614 040 mb oraz ok. 21 062 szt. kolumn żwirowo-betonowych o łącznej długości ok. 206 210 mb; ponadto na dojeździe do mostu MA-127 wykonano najdłuższe kolumny na autostradzie A4 o długości 19,5 m; odcinek VI: ok. 15 540 szt. kolumn żwirowych o łącznej długości ok. 132 000 mb; odcinek X: ok. 9170 szt. kolumn żwirowych o łącznej długości ok. 79 050 mb oraz ok. 5000 szt. kolumn żwirowo-betonowych o łącznej długości ok. 39 070 mb. Podsumowując roboty wykonane przez firmę Keller, można zauważyć, że całkowita długość wszystkich kolumn wykonanych w technologii wibrowymiany wyniosła ok. 1 400 000 mb i dwukrotnie przekroczyła długość autostrady A4 na odcinku od granicy z Niemcami do granicy z Ukrainą w Korczowej. Były to największe tego typu roboty wykonane dotychczas w Polsce. Zagęszczenie gruntu metodą wibroflotacji Wibroflotacja jest bardzo skuteczną metodą zagęszczania luźno zalegających gruntów piaszczystych, również pod wodą. Wykonywana jest za pomocą wibroflotu w kształcie torpedy, zawieszonego na dźwigu lub palownicy. Wibroflot pogrąża się w grunt do planowanej głębokości pod wpływem wibracji oraz ciężaru własnego, stosując ewentualnie dodatkowo płuczkę wodną lub powietrzną. Zagęszczenie gruntu wykonuje się od dołu do góry, ruchem posuwisto-zwrotnym, z określonym postępem pionowym. Wokół wibratora tworzy się lej na skutek osiadania gruntu, który wypełnia się materiałem dowiezionym z zewnątrz. W strefie oddziaływania wibratora następuje przemieszczanie i upakowanie ziaren gruntu, prowadzące do wzrostu jego zagęszczenia. Fot. 2. Palownica systemu Kellera, wykonująca kolumny żwirowe i żwirowobetonowe Technologię wibroflotacji zastosowano w miejscach, gdzie występował wysoki poziom wód gruntowych i grunty słabonośne, przewidziane do powierzchniowej wymiany (do głębokości ok. 4 m). Wymianę gruntu wykonano metodą bagrowania od czoła, częściowo pod wodą (tj. bez odwodnienia). Wykop sukcesywnie wypełniano gruntem piaszczystym, o wysokich parametrach wytrzymałościowych. Po zakończeniu wymiany gruntów słabonośnych wykonano zagęszczenie luźnego zasypu z pospółki metodą wibroflotacji. Na odcinku IV zagęszczono w ten sposób ok. 80 000 m 3 gruntu. Rozstaw punktów wibroflotacji dostosowano, po serii prób wykonanych na początku prac, do wymaganego stopnia zagęszczenia zasypu, wynoszącego min. ID = 0,55. Ostatecznie przyjęto prostokątną siatkę 2,5 x 2,5 m oraz 3,0 x 3,0 m. Kolumny kamienne (DR) Technologia wymiany dynamicznej gruntów DR (ang. Dynamic Replacement) polega na wykorzystaniu energii spadającego ubijaka do formowania w podłożu krótkich kolumn z grubego kruszywa i kamieni o dużej średnicy. Kolumny kamienne stosuje się w przypadku płytkiego (maksymalnie do 4-6 m) zalegania w podłożu gruntów nienośnych. W pierwszej fazie specjalny ubijak, zrzucany za pomocą dźwigu, wybija krater w podłożu, do którego wsypuje się materiał tworzący trzon kolumny. Następnie, w wyniku kolejnych uderzeń oraz sukcesywnego uzupełniania materiału, kruszywo przemieszcza się w dół oraz na boki, tworząc krępą kolumnę. Ubijanie prowadzi się do zaobserwowania redukcji przyrostów osiadania materiału w trzonie kolumny podczas kolejnych uderzeń albo do zanotowania podnoszenia gruntu wokół formowanej kolumny. Średnica i kształt kolumn DR zależą od energii uderzeń, wymiarów i kształtu ubijaka oraz od podatności wzmacnianego podłoża gruntowego. fot. Ł. Juraszek www.autostrady.elamed.pl 45

Fot. 3. Przykładowy obiekt inżynierski z odsłoniętymi palami Jet Grouting Ø 400 mm, zbrojonymi HEB 100 Na odcinku I, w pięciu lokalizacjach, wykonano wzmocnienie słabego gruntu spoistego metodą kolumn kamiennych. Łącznie wykonano 2534 szt. kolumn DR, o średnicy Ø 1,8 m, rozmieszczonych w siatce trójkątnej o boku 3,5; 4,0 i 4,5 m, zależnie od warunków gruntowych. Długości poszczególnych kolumn wahały się od ok. 4,5 do 6 m, a ich całkowita długość wyniosła prawie 12 000 mb. Ograniczenia w stosowaniu ubijanych kolumn kamiennych, analogicznie jak w przypadku działającego na podobnej zasadzie zagęszczania dynamicznego, mogą wynikać z drgań (wstrząsów), jakie przenoszą się na sąsiednie obiekty lub instalacje podziemne. W czasie robót prowadzonych na autostradzie A1 (3) negatywne oddziaływanie zanotowano nawet w odległości 300 m od pracującego dźwigu, co można uznać za odosobniony ale jednak stwierdzony przypadek. Trzeba także pamiętać, że nawet na terenach wolnych od przeszkód zastosowanie tej technologii w projektach drogowych może hamować ze względu na strefę bezpieczeństwa i oddziaływanie tempo wykonywania innych robót budowlanych na sąsiednich obiektach inżynierskich. Podsumowanie Opisane roboty, związane z posadowieniem obiektów mostowych oraz ze wzmocnieniem podłoża gruntowego pod nasypy autostrady A4, rozpoczęto w czerwcu 2010 r. Zasadnicze prace wykonano do jesieni 2011 r. Wiosną 2012 r., po przełożeniu dróg powiatowych, na jednym z odcinków wykonano jeszcze kolumny w technologii wibrowymiany. Odliczając przerwę w okresie zimowym 2010/2011, wykonanie prawie 120 km pali Jet Grouting oraz ok. 1400 km kolumn żwirowych i żwirowo-betonowych, ok. 12 km kolumn kamiennych i zagęszczenia ok. 80 tys. m 3 luźnego nasypu w technologii wibroflotacji było niezwykłym wyzwaniem logistycznym, sprzętowym i materiałowym. W szczytowym okresie, przypadającym na wiosnę 2011 r., na budowie autostrady A4 pracowało 31 specjalistycznych palownic firmy Keller oraz 27 inżynierów, którzy nadzorowali pracę 164 pracowników produkcyjnych. Piśmiennictwo 1. Topolnicki M.: Podchwytywanie i podnoszenie obiektów budowlanych za pomocą kontrolowanych iniekcji geotechnicznych. XXV Konferencja Naukowo-Techniczna Awarie Budowlane, Międzyzdroje, 24-27.05.2011 r. 2. Topolnicki M.: Iniekcja strumieniowa podstawy procesu i zastosowanie przy modernizacji Dworca Głównego we Wrocławiu. Mat. XVI Krajowej Konferencji Mechaniki Gruntów i Inżynierii Geotechnicznej, Wrocław, 4-6.09.2012 r. 3. Prenkiewicz L., Strojek D., Rusinek M.: Specjalistyczne technologie na A1. Magazyn Autostrady, nr 12/2010. 46