2015/1: városi vasút, támfal, csatornahálózat, töltés, szigetelés, alapozás, alagút, metró
2015. augusztus 18.

Szerző:
Juhász Miklós, az ÁKA 2012 Konzorcium geotechnikai felelős tervezője top@taupe.hu Taupe Kft.


Rendkívüli süllyedési követelmények teljesítésére szolgáló speciális, világszínvonalon is újdonságnak számító alapozási megoldások

A szegedi szuperlézer létesítésének geotechnikai vonatkozásai

A Szeged melletti Öthalomnál, az egykori szovjet laktanya helyén épülő lézerkutató központ épületeinek szerkezete – főleg süllyedési és rezgésvédelmi kritériumai – olyan feladatot jelentettek, amelynek megoldásához nemcsak Magyarországon, de Európában, sőt bizonyos vonatkozásban a világon is egyedülálló elemeket kellett tervezni és építeni.


A hazai médiában időről időre hallani, hogy jelenleg is zajlik az utóbbi évek legjelentősebb tudományos beruházása Szegeden, az ELI-ALPS, a hírekből azonban nem mindig derül ki, hogy milyen, világszínvonalon is új technológiák honosításáról van szó, nemcsak a lézertechnológiában, de az épületek tervezésében-kivitelezésében is, elsősorban a geotechnika területén.

Az Extreme Light Infrastructure (ELI) projekt egy európai kutatási program, célja a fény és anyag kölcsönhatásának nagy intenzitások melletti vizsgálata. A projekt keretében Csehországban az ultranagy intenzitású és röntgen-, Romániában fotoindukált nukleáris, Mgyarországon pedig nagyon kis idejű és rendkívül erős lézerfénnyel folynak majd kísérletek.

A természettudományos érdeklődés jegyében annyit azért még építőmérnökként is el kell mondani a kísérletekről, hogy itt olyan – a világon legerősebb, még kifejlesztés előtt álló – lézerberendezéseket használnak majd, amelyektől azt várják, hogy egyrészt többet tudhatunk meg az atommagon belüli struktúrákról, sőt talán az anyag-fény kölcsönhatás új fajtáit is sikerül felfedezni.

Az egyedülálló fizikai kutatásokhoz szükséges rendkívüli körülmények biztosítása elsősorban a kísérletnek helyet adó (a tervezők által időnként „fekete doboz”-ként emlegetett) A épülettel szemben támasztottak rendkívüli követelményeket (1. kép).

1. kép. Látványkép az ELI épületeiről

A „ház a házban” elvvel a tervező, az ÁKA 2012 Konzorcium biztosította, hogy az ún. lézerbeamekben gerjesztett fénynyalábok mintegy 100 m-nyi út után eltalálják a körülbelül színes gombostűfejnyi céltárgyat. Ehhez nemcsak rendkívül szigorúan (±0,5 °C-ra) klimatizált tisztaterek, de az anyag szétrombolásából származó sugárzás elleni védelmet biztosító mobil sugárcsapdákon kívül a két intenzívebb sugárzású célterület részére egy-egy vasbeton bunkert is el lehet helyezni az épületben.

Az igen szigorú rezgésvédelem (maximumsebesség 6 μm/s) miatt minden, a kísérleteket kiszolgáló gépészetet a kísérleti tér fölé (a tetőre kötött podesztekre) kell elhelyezni.
A tervezés minőségileg és mennyiségileg is szokatlanul nagy feladat volt (2. kép).

2. kép. Az elkészült kivitelezési tervcsomagok összeállítása

A feladat és az adottságok

A legnagyobb kihívás az volt, hogy az ún. technológiai fő-, azaz az A épület külső ~80 × 80 × 20 m-es csarnokrészét, beleértve az egy jelentős (>12 000 kN-os terhű) központi pillérét és a belső speciális, parafákból és rugókból álló rezgésszigeteléssel védett 1,13 m vastag padlólemezt oly módon kellett alapozni, hogy az annak két sarka közelében elhelyezett ~35,4 × 35,4 × 8,9 m-es befoglaló méretű, 2,0 m-es falvastagságú és a ~30 × 25 × 8,5 m-es méretű 1,0 m-es falvastagságú vasbeton bunkerek okozta aszimmetrikus terhelés ellenére a lézerkísérletek alatti rendkívüli, az áthajlásból és lehajlásból eredő süllyedéskülönbség:
Δs ≤ 50 μm/~50 m/1 hét
biztosítható legyen. (A merevtestszerű süllyedés, elforgás nem befolyásolja a célzás pontosságát.)
Érdemes megjegyezni, hogy ez a süllyedési kritérium lényegében azonos a CERN-ével, csakhogy azt hegyek alapkőzetére támasztva építették.

Mivel ez a nagyságrend nem a mindennapos építőmérnöki gyakorlat része, egy hasonlattal lehet érzékeltetni annak rendkívüliségét. A fenti követelmény teljesítése olyan süllyedési kritériumot jelent, mintha Budapest belvárosából egy Szentendrén lévő pingponglabdát kellene eltalálni, illetve egy összefüggő felületen a torzulás miatt ennyi lehetne csak a magasságkülönbség.
A néhány szintes kiszolgálóépületek mélyalapozása szintén megoldandó volt, de ez inkább rutinfeladatnak számított a főépületéhez képest.

A szegedi altalaj közismerten az egyik legkedvezőtlenebb az országban, bár az eddigi építkezések inkább csak a felső 10–20 m-t érintették. A talajmechanikai feltárások azt mutatták, hogy ennél mélyebben sem javulnak a talajparaméterek, sőt (3. kép).

3. kép. Folyamatos magmintafúrásból származó agyag

Az ELI területének talajmechanikai adottságairól grosso modo, azaz nagy általánosságban elmondható, hogy a felszínt borító 1–1½ m-nyi kemény, humuszos, agyagos „kéreg” alatt –5 ÷ –6 mR-ig puha kötött talajösszlet található. Alatta előbb 8–12 m-nyi iszapos homok-homokos iszap rétegek; majd a (lézercsarnok lemezének szempontjából kritikus) kompresszibilis kötött talajösszlet következik, amelynek felső 17–20 m-e felül gyúrható, lejjebb merev, sőt kemény finomhomok lencsés (helyenként rendkívül) laza agyag (a zavartalan magmintákon mért e > 1,1 sem volt ritka!), alsó 2½–6 m-e inkább homokos iszap. A –41±½ mR szinttől egy 4½–5 m vastag, nagyobb nyírási ellenállású (qC ≅ 15–25 MPa), kevéssé összenyomódó, helyenként agyaglencsés, kissé iszapos finomhomok-réteget találtunk. Alatta – egészen a feltárások aljáig, tehát akár 80 m-ig – tovább folytatódik a réteges laza üledék.

A zömmel a felső átmeneti, illetve szemcsés talajösszletekben mozgó talajvíz
várható átlagos szintje: 78,3 mBf
(= –2,4 mR)
becsült minimális szintje: 75,5 mBf
becsült maximális szintje: 80,0 mBf
mértékadó szintje: 80,5 mBf (= –0,2 mR)
volt az FTV Zrt. által készített hidro­geológiai szakvélemény szerint. Ráadásul az agyagon belüli homokos rétegek több (a cölöpökkel harántolt zónában összesen öt!) emeleten nyomás alatti rétegvizeket is tartalmaznak.

A mérnöki megoldás

A néhány szintes, alapvetően pillérvázas ki­szolgálóépületek – a kiegészítő, tudományos-műszaki, B épület, a központi fogadó, C épület (az igen látványos „agy”-gyal), a karbantartási, D épület (és egy E jelű portaépület) – alapozása, az altalajadottságok, a bekerülési költség és a kivitelezési időt is figyelembe véve a folyamatos spirállal fúrt (ún. CFA) cölöpözéssel történt. Ezekre összesen 5,50 km-nyi 60-80-100 cm átmérőjű cölöpfúrást jelentettek.

Mint várható volt, az A épület alapozása nemcsak speciális megoldásokat tartalmazott, de több olyan eleme is volt, ami nemcsak Magyarországon, de Európában is újdonságnak számít, összességében – a süllyedéskülönbségi kritériummal és a talajadottságokkal együtt – pedig a világban ilyenre még nem volt példa.

Az alapvető feladat a süllyedéskülönbségnek egy adott ideig tartó limitálása volt. Ezt egyrészt az összenyomódást okozó feszültségkülönbség csökkentésével és az összenyomódó összlet kompressziós paramétereinek javításával terveztük elérni. Elemei pedig „fentről lefelé” az ábrán láthatóak (értelemszerűen az építési sorrend fordított volt).

Ábra. Az A épület alapozási rendszerének vázlata

1.) A padlólemez (zömmel speciális parafa lapokból álló) rezgésvédelmi rendszere egy dobozalapra, az ún. vakpincére került. Ennek funkciója az, hogy eltérő magasságával csökkentse a rendkívül változó terhek alapozásra jutó különbségét, és minél merevebb legyen. Ennek megfelelően a műtárgy teljes magassága 2,23–7,43 m között változik, és belső megtámasztó-merevítő rendszere méhsejtszerűen kialakított vasbeton falakból áll. Ez utóbbiak kivitelezésére a vállalkozó, a Strabag–Swietelsky Konzorcium azt a megoldást választotta, hogy előre gyártott kéregpanelok közé öntött falak közé helyezett, ugyancsak előre gyártott zsalupanelokra, illetve a méhsejtfalcsoportokon kívül zsaluzott felületen készült a 35–40 cm vastag monolit födém. Az alaplemez vastagsága 40–50 cm volt.

2a) A vakpince alá (és mellé) az innen kiemelt nagyon kompresszibilis iszap, agyag­talajok helyére kevéssé összenyomódó, tömörített homokos kavics feltöltés került.
2b) A –10,5 m-es mélységtől a meghagyott termett talaj kompresszióját csökkentendő, 244 db Ø75 cm-es, 31,0 m-es hosszúságú védőcsöves talajerősítő, fúrt cölöp készült (összesen 7,6 km hosszban). A kiosztás rasztere a vakpince alsó síkján ébredő feszültségeloszlás függvényében 7 × 7 és 3 × 3 m között változott.

A fenti három elem alkotja a nemzetközi geotechnikai gyakorlatban már ismert, de Magyarországon még nem alkalmazott, ún. rigid inclusion alapozási rendszert. Erre itt azért volt szükség, mert a cölöpök a legalább 1,8 m vastag durvaszemcsés talajon keresztül lesznek terhelve (és nem közvetlenül a vasbeton szerkezet által), ezért a választott megoldás kiküszöböli a cölöpöknél a negatív köpenysúrlódás kialakulásának veszélyét (ami a rendkívül laza agyagban kialakulhat, kockáztatva ezzel a konszolidációs kritérium teljesíthetőségét), másrészt az altalaj harántolásával alkalmas a (részletes feltárások után sem teljesen ismert) inhomogenitások kiegyenlítésére.

3.) Az alapozás kivitelezésének végzésére egy –10,5 mR fenékszintű, megfelelő munkagödröt kellett biztosítani, ami egy –1,0 m-es lavírsíkról kivitelezett, egy sorban szádfalakhoz hátrahorgonyzott (a sarkokban kidúcolt) –20,0; –21,0 mR-es talpsíkú, 60/65 cm-es résfallal történt.
Mint a rezgéssel kapcsolatos számítások kimutatták, a résfal döntő szerepet játszik a külső rezgések csillapításában is (4. kép).

4. kép. Réselés a szegedi „nyárban”

4.) Az alapozási rendszer része a feltöltésben működtetett szivárgórendszer is, amivel nemcsak a vakpince felúszása előzhető meg (e hatás ellen egyébként, havária esetére, belső szifonokat is beépíttettünk), hanem a Tisza árterében lévő területen meglévő talajvízszint-ingadozásnak (amit a hidrogeológia >1,5 m-re adott meg) az épületmozgásra gyakorolt hatását is kiiktatja. Ez a hatás szintén akadályozná a süllyedési kritérium teljesítését (5. kép).

5. kép. Kivitelezés a munkagödörben

5.) Mivel az épület 80 × 80-as tetőszerkezetét középen alátámasztó központi pillért is alapozni kellett, ezért egyrészt a pillérnek és a vakpincének a független mozgását kellett biztosítani, másrészt a jelentős alapozása „nem zavarhat bele” a rigid inclusion rendszer erőjátékába. Emiatt a középső főpillér alapozását úgy oldottuk meg, hogy a lemez alatti nagy (≈22 m) vastagságú, erősen kompresszibilis agyagtömb ne legyen túlterhelve; mert ez ellenőrizhetetlen süllyedéseket válthatna ki a környező talajerősítő cölöpöknél. Ennek érdekében az itteni 4 db 180 cm-es átmérőjű, –47,0 m-es csúcsszintű fúrt cölöp köpenyét a –39,6 m-es szintig olyan speciális elemmel kellett burkolni, ami minimálisra csökkenti köpenysúrlódást, de lehetővé teszi a föld megtámasztó hatásának átadását. Magyarországon ilyen dimenziójú cölöpök még nem készültek, a köpenysúrlódást csökkentő elemet pedig eddig csak a Közép- és Távol-Keleten használtak, Európában még nem.

Ennek megfelelően a műszaki ellenőr, az Oviber két próbacölöp készítését is előírta, ami hasznos intézkedésnek bizonyult, mivel a szerkezeti cölöpök minden probléma nélkül készültek el a terv szerinti méretekkel (6. és 7. kép).

6. kép. Szerkezeti cölöp speciális köpenyelemmel borított armatúrájának beemelése


Az A épület külső részét a csarnok tartószerkezetének pereme alá 8,2–13,4 m hosszú egyedi és csoportba rendezett, Ø80, 100 és 120 cm-es, összesen 1,0 km-nyi CFA cölöpökre alapoztuk.

7. kép. Köpenyelemmel borított próbacölöp kiásása

Kivitelezés, tapasztalatok

Mivel a cikk írásakor az épület együttes kivitelezése zajlik (a bunkerek betonozásának előkészítése van folyamatban), így teljes körű tapasztalataink még nincsenek.
Az határozottan állítható, hogy a tavalyi időjárás – az utóbbi 100 év legcsapadékosabb nyarával – nem várt nehézségeket jelentett a kivitelezésben. A munkaterület esetenként még hónapokkal a kezdés után is alig volt járható, a megemelkedett talajvízszint is gondokat okozott, amiket végül is sikerrel vettünk (8. kép).

8. kép. Kivitelezési nehézségek a rendkívüli időjárás miatt

Akkor is a hírekbe került az építkezés, amikor ősállatlelet került elő a rámpa elbontásakor (9. kép).

9. kép. Jégbölény szarva

Az eddigi ellenőrző süllyedésmérések a számított értékekkel korrelálnak, de még előttünk van a „neheze”, a nagy terhelésű bunkerek megépítése utáni konszolidáció lefolyása.

10. kép. Vakpince (kis magasságú részének) kivitelezése
11. kép. Az A épület vakpince (méhsejtes) tartószerkezetének építése

Az ezt felügyelő nagy pontosságú süllyedési monitoring rendszer beépítése szintén most zajlik (10. és 11. kép).•

 
Innotéka Mélyépítés