2016/2: közút, vasút, városi vasút, alagút, geológia, híd, aluljáró, felüljáró, vízépítési műtárgy, csatornahálózat, anyagvizsgálat, szigetelés, zsalurendszer, tároló
2016. július 26.

Szerző:
Andráskay Ede okl. építőmérnök andraskay1@bluewin.ch ETH/SIA Zürich


Fotó:
Képek forrása: https://www.alptransit.ch Ábrák forrása: Andráskay Tunnelberatung Zürich

Tervezés, kivitelezés és a megvalósítás tapasztalatai

Gotthárd-bázisalagút – a világ leghosszabb alagútja

Ez év június elsején – húsz évig tartó munkálatok után – avatták fel a Gotthárd-bázisalagutat. Az 57 km hosszú alagút menetrend szerinti üzemeltetésére december 11-én kerül sor. Az alagút építése sok szempontból úttörő teljesítményt kívánt. Az extrém alagúthossz és a mélység különleges, eddig nem ismert mérnöki munkát és kivitelezési technikát követelt. Mivel sehol a világon nem voltak ezzel kapcsolatos tapasztalatok, több probléma esetén műszaki és politikai vakmerőséget is be kellett vállalni. A cikk az „évszázad projektjének” problémáit és technikai nehézségeit ismerteti.


Miért építünk bázisalagutakat?

Egy bázisalagút építésével egy hágóalagúthoz viszonyítva a 400–600 m-rel mélyebben elhelyezkedő legmagasabb ponttal (1. ábra) a következőket lehet elérni:

  • nagyobb sebesség és ezzel rövidebb utazási idő;
  • a vonalvezetés egyszerűbb, vagyis nagyobb görbületi sugarak (Rmin. = 5000 m) lehetségesek, és az emelkedések lényegesen kisebbek (azaz 12,5‰);
  • A mai tehervonatok súlya eléri a 4000 t-t, hosszuk kb. 1500 m. A hágóalagút esetében a hozzá tartozó emelkedések (27‰-ig) miatt így második – sőt harmadik – mozdonyt is rá kell a vonatra kapcsolni.
  • Természetesen nem elhanyagolható az alacsonyabb energia­fogyasztás, különösen a tehervonatok esetében!
    1. ábra. Hágó- és talpalagutak

Projektismertetés

Az Alpokat átszelő új vasútnak (Neuen Eisenbahn Alpen Trans­ver­salen = NEAT) két vasúttengelye van a svájci Alpok alatt: az egyik Gotthárdnál (keleten), a másik Lötschbergnél (nyugaton). A két összeköttetés a vasúti forgalmat szolgálja Észak- és Dél-Európa között. A vonatok maximum 250 km/h sebességgel haladhatnak majd át az alagúton. A két létesítmény egyenként két párhuzamos, egy nyomsávos alagútból áll, köztük 325 m-enként összekötő vágatok vannak. Minden esetben körülbelül az alagúthossz harmadrészénél multifunkcionális állomásokat (MFS) létesítettek.

Sávváltás az MFS állomásnál

Ezek az állomások az üzemeltetési fázisban a vasúttechnikai berendezések elhelyezésére, alagútváltásra (áthajtók), továbbá vészhelyzetben vészmegállóként szolgálnak a vonaton utazók védelme és mentése (óvóhelyek, vészszellőzés és tűz esetén szellőzés), valamint annak érdekében, hogy ki tudják őket juttatni a felszínre (2. ábra).

2. ábra. A Gotthárd-alagút rendszermodellje

Normál profil

A vonatok 200–250 km/h-s sebessége miatt az alagútprofil kb. 41 m² „szabad felületet” kell, hogy biztosítson. Erre azért van szükség, hogy csökkenjen a vonatok „dugattyúhatása”, és ezzel csökkenjen az energiafelhasználás. A TBM-alagúthajtás esetében ez 8,83–9,58 m-es kitörési átmérőt eredményez (3. ábra).

3. ábra. Mintakeresztmetszet

A vágatbiztosításhoz a geológiai viszonyok függvényében horgonyok, hálók, lőttbeton, esetleg beépített acél ívtámok szükségesek. A lőttbetonos, ideiglenes vágatbiztosításra drénréteget és egy szigetelőfóliát helyeznek a vízbeömléstől függően.

Acélháló
Szigetelőfólia

Ezután építenek be egy kb. 30 cm vastag belső (általában vasalatlan) betonboltozatot. A szerkezeti kiépítés felszereléseihez tartoznak még egyebek között: mindkét oldalon járda korláttal, víztelenítő vezetékek, kábelcsatornák, kábelek, vágány-talplemez, vágányok stb.

Betonboltozat

Geológiai áttekintés

A három alaphegység között négy nagyobb kritikus zóna található: az Intschi, TZM, Urseren-Garvera zónák és a Piora völgye (4. ábra). Az első három zónában nagyon erősen tektonizált palák, gneiszek és fillitek fekszenek, míg Piora Muldénál erősen porladó, úgynevezett „kristálycukor-dolomittal” és 1000 m víznyomással kellett számolnunk! Valódi hegynyomással elsősorban a TZM-ben számoltunk, ahol a konvergencia 60–80 cm is lehet.

4. ábra. Geológiai hosszprofil

Az alagútszakaszok 90%-ában problémamentesek a geológiai viszonyok, és naponta 15 m-ig terjedő vágathajtási teljesítménnyel kalkuláltunk (TBM-módszerrel). A fennmaradó 10%-ban (5,7 km!) a viszonyok olyan rosszak, hogy naponta legfeljebb 1 m vágathajtást engedtek meg.
A hidrogeológiai becslések szerint a portáloknál az állandó vízbefolyás elérheti a 150–550 l/s értéket az északi portálnál, és a 300–800 l/s értéket a déli portálnál. Nem zárható ki teljesen, hogy a rendkívüli vízbeömlés eléri az 1500 l/s mennyiséget! Az alagút hajtásakor 40–50 °C-os kőzethőmérséklet volt várható.

Építési koncepció és vágathajtási módszerek

Az olyan hosszú alagutak esetében, mint ez a bázisalagút (57 km), a vágatokat nem csak a két portál felől lehet hajtani, hiszen ez túl hosszú építési idővel járna. Ennek érdekében vertikális, illetve horizontális köztes nyitópontokat alakítanak ki.

Gotthárd-bázisalagút

A Gotthárd-bázisalagútnál az északi portál (Erstfeld) és a déli portál (Bodio) mellett három köztes nyitópontot alakítottak ki. Így az 57 km-es alagutat öt szakaszra osztották, ezzel alagutanként hét kihajtási lehetőség adódott. Az amstegi megközelítő alagúton keresztül kb. 11,4 km hosszú szakaszt hajtottak ki két alagúthajtó géppel (TBM). A sedruni köztes nyitópontnál egy megközelítő és egy szellőzőtárót, valamint két, 800 m mély függőleges aknát mélyítettek. A talpponttól kiindulva két egy nyomsávos alagút kihajtására került sor hagyományos módszerekkel északra és délre egyaránt. A szakasz hossza kb. 6,4 km. Ugyaninnen kiindulva építették a sedruni multifunkcionális állomást (MFS).
A faidói megközelítő vágat főleg a faidói multifunkcionális állomás kialakítására szolgált. A Bodio portálnál két TBM indult észak felé (5. ábra).

5. ábra. Vonalvezetés helyszínrajza

A vágathajtási módszerek kiválasztása

A beruházók különböző meggondolások, számítások, egyeztetések stb. alapján mérlegelték, hogy milyen előnyei és milyen hátrányai vannak a robbantásos alagúthajtásnak (SPV) és a fúrásos alagúthajtásnak az alagúthajtó géppel (TBM) az egyes alagútszakaszokra.
A legfontosabb szempontokat Az alagúthajtás módszerének kiválasztása című bekezdés tartalmazza.

Az alábbi alagúthajtási módszereket alkalmazták:
Az alagút, a vágatok, az aknák teljes hossza 153 km, ha csak a főalagutakat (ahol a TBM bevetése lehetséges) számítjuk, akkor az alagutak 80%-a TBM vágathajtással, 20%-a pedig robbantási módszerrel készült.

TBM alagúthajtás

A két vasúti tengely mind a négy TBM-jének hasonló a koncepciója, mégpedig:

  • nyitott keménykőzet-alagúthajtó gép (Gripper-TBM) Ø = 8,83–9,58 m
  • vésőkorong: Ø = 17“, 58–60 db
  • vágónyomtávolság: 78–90 mm
  • a kb. 400 m-es utánfutón az összes szükséges gépi berendezés elfér: gépek, műhelyek, iroda, raktár stb.
  • a kitört kőzet szállítása sínen történik.
    TBM alagúthajtás

Robbantásos alagúthajtás

A két bázisalagút robbantásos vágathajtása is nagyon hasonló volt, és megfelel a Svájcban bevált SPV „high-tech rendszereknek”, melyek általában a következők:

fúró jumbo: számítógéppel vezérelt, a pozicionáláshoz és a fúrási tervhez; nagy teljesítményű fúrókocsik;
robbantás: folyékony és emulziós robbantóanyagok; számítógéppel vezérelt robbantómobil a folyékony robbantóanyagok bepumpálására;
vágatbiztosítás: nedves lőttbeton; betonlövő robot; acéltámívek; Swellex-horgony.

Robbantásos alagúthajtás

A bázisalagút fő problémái

Problémák az alagút nagy hossza miatt

A vonalvezetést (5. ábra) úgy kellett meghatározni, hogy köztes nyitópontokat (megközelítő alagutakat vagy aknákat) lehessen kialakítani. A legalkalmasabb vonalvezetés keresésekor a geológiai és a hidrológiai viszonyokat is figyelembe kellett venni.

Üzemeltetési, fenntartó és biztonsági rendszer

A napjainkban tervezett vagy épített bázisalagutak szerkezeti kialakítása üzemeltetési, gazdasági és biztonságtechnikai okokból az alábbi elemekből áll (2. ábra):

  • 2 db egy nyomsávos alagút;
  • a két alagutat kb. 300 m-enként tárók – összekötő vágatok – kapcsolják össze;
  • 10–15 km-enként (általában a köztes nyitópontok talppontjánál) vészmegállók, üzemeltetési központok, fenntartó központok stb. találhatók;
  • a vészmegállóknál a vonatok egyik alagútból a másikba válthatnak (nyomsávváltás). Ez előfeltétele a fenntartási és mentési munkáknak.

Logisztikai problémák az építkezés során

Az alagútportáloknál és a hajtási munkahelyeknél lévő felvonulási területek között 10–15–30 km-es távolságot kellett leküzdeni. Éppen ezért komoly logisztikai problémát jelentett a kifejtett kőzet elszállítása, illetve a szükséges építőanyag bejuttatása.
A munkanaponként 15-20–30 m alagutat kihajtó alagútfúró gépekkel végzett vágathajtás esetén mintegy 2000–4000 m³ kifejtett kőzet keletkezett. Ezt a kőzetmennyiséget egy 10–15 km hosszú alagútból csak szállítószalaggal vagy kötöttpályás rendszerrel, csillékkel lehetett kiszállítani.

A nagy takarás okozta problémák

A bázisalagutak esetében előfordulhat 1000–2300 m közötti magasságú kőzettakarás. Az ilyen nagy kőzettömegek nyomása különleges, alapos meggondolásokat tesznek szükségessé.

Valódi hegynyomás

A nagy takarások következtében az üreg szélén a szekunder feszültségek olyan magasak, hogy meghaladják a kőzet nyomószilárdságát, ilyen módon az alagút környezetét rugalmas-képlékeny állapotba hozhatják.

Az alábbi megjelenési formákat különböztetjük meg:

  • lepattogzás (a merev, kemény kőzetben): egész kőzetlapok válnak le nagy durranással az oldalak kitörési széleinél. A lepattogzások lencse alakúak, a szélük gyakran éles, kés alakú.
  • plasztikus deformációk (a „puha”, képlékeny kőzetben): az oldalakból kiinduló erős deformációk és törési jelenségek. Ezenkívül összenyomódás is előfordulhat a főtében (az alagutat felülről határoló kőzetfelületben) és a talpban.

Ilyen kőzetben (a kitörési szél konvergenciája 40–80 cm is lehet) igen gondosan kell tervezni a vágatbiztosítást és megválasztani az alagúthajtás módszerét.
A Gotthárd-bázisalagútban az alagúthossz kb. 5–7%-a (vagyis összesen kb. 3 km!) valódi hegynyomásnak kitett zónában található.

Magas kőzethőmérséklet

Az 1000–2300 m-t meghaladó takarás esetén a kőzethőmérséklet az alagút szintjén 30–50 °C közé emelkedik. Svájcban bizonyos munkahelyeket munkahigiéniai okokból +28 °C-ra le kell hűteni. Emellett a levegő relatív nedvességtartalma nem haladhatja meg a 80%-ot. E cél elérése érdekében költséges gépi berendezéseket kell alkalmazni a szellőztetéshez és a hűtéshez. A fenti berendezések üzemeltetése és fenntartása magas költségekkel jár.

Az alagúthajtás módszerének kiválasztása

Az alagúthajtás módszerének kiválasztása a következő tényezőktől függ:

  • az alagút hossza;
  • a keresztmetszet formája/nagysága;
  • geológiai viszonyok a különböző kőzetekkel;
  • kőzettulajdonságok (nyomószilárdság, abrazivitás, szakítószilárdság, agyagtartalom stb.);
  • töredezett zónák (ezek fajtája, hossza, összes hossza);
  • hidrológia (lehetséges vízbeömlések, mennyiség az elején, folyamatosan, nyomásértékek stb.);
  • a nem biztosított üreg, az alagútfejtési homlok stabilitása;
  • gázok előfordulása; hőmérséklet stb.

Ilyen jelentős szakaszhosszok esetén az alapkérdés a következő: robbantásos hajtást vagy fúrásos alagúthajtást válasszunk. A TBM-alagúthajtás nagy alagúthosszaknál általában gyorsabb és olcsóbb, mint az SPV-módszer. Ugyanakkor nagyobb a kockázata a fúrófej esetleges beszorulásának/blokkolásának vagy a TBM betemetődésének. A beavatkozási lehetőségek korlátozottak, a jelentőstől a nagyon jelentősig terjedő műszaki ráfordítást igényelnek, és ennek megfelelő költségekkel és időráfordítással járnak.
A robbantásos hajtás általában lassúbb és drágább. Ugyanakkor jobb a rugalmassága a kitörés és a biztosítás szempontjából a rossz vagy váratlan geológiai és hidrológiai viszonyok között.
Lásd A vágathajtási módszerek kiválasztása című bekezdést is.

Duzzasztógátak veszélyeztetése

Ha a hegységben a vizet az üregekből és a hézagokból lecsapoljuk, akkor magas sziklatakarásnál ezek lassan bezáródnak. Ebből következően a hegy felső felülete még 500–1000 m takarásnál is megsüllyedhet! Az 1970-es években Svájcban egy autópálya-alagút pilotvágatának kihajtásánál és a víz levezetése után egy duzzasztógát (1,4 km-re mellette és 400 m-rel feljebb) a süllyedések miatt olyan nagy károkat szenvedett, hogy a vizet le kellett engedni és a gátat meg kellett javítani (többmilliós svájci frank volt kár!). A gát biztonsága miatt végül a svájci állam nem valósította meg az autópálya-alagutat.
A Gotthárd-bázisalagút „közelében” (500-800 m-re oldalt és 800-1000 m-rel feljebb) három duzzasztógát van. Az építtető nem akart túl nagy kockázatot vállalni, ezért monitoringrendszert építtetett ki. A gátakat télen a köd és lavinák miatt nem lehet elérni. A rendszereknek tehát önállóaknak, lavinabiztosaknak kellett lenniük, +30 °C-tól –30 °C-os hőmérsékleten is működőképesnek, hogy a mért adatokat automatikusan tudják továbbítani. Ilyen rendszert először itt szereltek fel az egész világon!

A vágathajtási munkáknál szerzett tapasztalatok

A földtani prognózis és a tényleges aspektusok leegyszerűsített összehasonlítása:

Geológia

A geológia jobb, mint amire számítottak

Erstfeld és amstegi szakaszok: ezeket a 7,4/11,8 km hosszú vágatokat a két alagúthajtó gép az előnyösebb geotechnikai viszonyok miatt problémamentesen hajtotta ki. A négy várt kritikus zóna kifejtése is egyszerűbb volt, mint ahogy a prognózisban szerepelt. A különösen kritikus és nagy nehézségű Piora-völgy alatt a vágatok aránylag kemény dolomitban, vízbetörés nélkül haladtak át.

A geológia rosszabb, mint amire számítottak

A faidói multifunkcionális állomás területén talált geológiai viszonyok lényegesen rosszabbak voltak a vártnál. A munkákat nagymértékben akadályozták lepattogzási jelenségek, a nagy hegynyomás, a 70 cm-t elérő konvergenciák, a töredezett zónák stb. Bizonyos szakaszokat – jelentős deformációk után – újra teljesen ki kellett hajtani és biztosítani. Ez körülbelül másfél éves késedelmet okozott. A fenti tények miatt az építtető úgy döntött, hogy a multifunkcionális állomás egy részét áthelyezi délre, jobb kőzettani viszonyok közé.
Annak érdekében, hogy a késedelmet be lehessen hozni,
TBM vágathajtás Bodiónál: a két, észak felé vezető 12 km hosszú alagutat két, Ø = 8,80 m átmérőjű TBM hajtotta ki. A geológiai viszonyok rosszabbak voltak a vártnál. Lényegesen több III-as és IV-es kőzetosztályt kellett harántolni. A főtebetörések, a konvergenciák, a TBM-ek beszorulása miatt a gépeket át kellett alakítani.

A bodiói építési terület

TBM vágathajtás Faidónál északi irányban: a két, észak felé vezető kb. 11 km hosszú alagútban két TBM-et vetettek be. A nagymértékű konvergenciák miatt át- és újraépítésre is szükség volt. Az elmaradás a tervhez képest kb. 12–18 hónap!

A geológia körülbelül olyan, mint amire számítottak

Speciális vágathajtás Sedrunnál (8,5 km): A speciális vágathajtás (vágathajtó gépekkel) igen jól bevált ezekben a nagynyomású kritikus zónákban. Az egymásba tolható beépített íveket előirányzó koncepció – a 80 cm-t elérő konvergenciák esetén is – a terveknek megfelelően működött.
Ennek következtében a tervekhez képest a munkálatokkal kb. 10 hónapos előnyre tettek szert. Az építtető – a szerződésben előirányzottaknak megfelelően – már megrendelt déli irányba egy 1 km-es szakaszhosszabbítást is.

Vízviszonyok

Négy szakaszban kevesebb helyen és kevesebb vízmennyiség tört be. Ez azt jelenti, hogy a vízviszonyok is jobbak voltak a vártnál. A Sedrun déli vágathajtás nyugati alagútjában 2006 októberében 8 l/s-os vízbeömlést találtak. Mivel a vágathajtás egy duzzasztótó alatt 1200 m-rel történt, két hónapon keresztül injektálást végeztek. Ezek a szigetelési intézkedések megakadályozzák, hogy a hegyből vizet vonjanak ki. Az injektálás után csupán 3 l/s vízbeömlést mértek. Csak az ersfeldi szakaszban volt nagyobb vízhozam.

Hőmérséklet

A hőmérséklet a sziklatakarás magasságától függött. Valamivel a prognózis felett, 48-50 °C körül mozgott.

Alagúthajtó gép

A nehéz döntés is beigazolódott, hogy hol vessenek be TBM-eket. A nagy nyomószilárdság, abrazivitás és konvergenciák ellenére a gépek jól beváltak. A TBM-ek napi 10-15 m kihajtást végeztek, a maximum napi 56 m volt. De a két nagy kőzetbeomlás és a gépek betemetése, valamint a sokkal több fúrófej javítás ellenére is „megérte”, mert az alagúthajtó gépek háromszor-négyszer gyorsabbak, mintha robbantásos módszerrel készült volna az alagút, ráadásul a TBM alagutak még olcsóbbak is.

Duzzasztógátak

A monitoringrendszer teljes egészében bevált. Nyáron és télen is precízen működött.
Érdekes jelenséget mértek: a völgy lejtői „lélegeznek”! Ez azt jelenti, hogy nyáron a völgy a hőmérséklet és a nagyobb víznyomás miatt 32-45 mm-rel szűkebb lesz, télen pedig fordítva!
Egy alkalommal, amikor a TBM a gát közelébe ért, nagyobb vízbetörés (11 l/s) történt. A TBM leállítása után elkészült 18 000 m fúrólyuk, amit 175 000 l cementszuszpenzióval sikeresen tömörítettek. A vízfolyás 3 l/s-ra csökkent. A duzzasztógát nem sérült meg.

Összefoglalás

Huszonöt év tervezés és megvalósítás után az alábbiakat állapíthatjuk meg:
  • a különleges adottságok úttörő teljesítményeket követeltek;
  • ezekhez műszaki és politikai vakmerőségre is szükség volt;
  • a tervezés és a kivitelezés aránylag jól zajlott;
  • az eredmény: szupergyors észak–déli összeköttetés, és a svájci Alpokon áthaladó tehervonatok kapacitása megháromszorozódott;
  • ez elsősorban környezetvédelmi szempontból (kevesebb teherautó az utakon) fontos.
Az „évszázad projektje” a Gotthárd-bázisalagút, ahol ez év decemberében indul meg a menetrend szerinti forgalom.•
Andráskay Ede okleveles építőmérnök 1990-ben osztályvezetőként, majd később az alagútépítési szakcsoport tagjaként dolgozott a Gotthárd-bázisalagút munkálataiban. A csoport feladata a tervezőmérnökök által javasolt megoldások felülvizsgálata és szükség esetén új javaslatok kidolgozása volt.
 
Innotéka Mélyépítés