Vrtné práce používané ve stavebnictví jsou soustředěny do dvou hlavních skupin:
Důvody vzniku speciálních metod zakládání staveb jsou především následující:
Výchozí podmínkou pro použití speciálních metod zakládání staveb a v podzemním stavitelství je, že speciální inženýrsko - geologický, resp. geotechnický průzkum je zaměřen na:
Metody zakládání staveb a v podzemním stavitelství se rozdělují na:
Zakládání na vrtaných pilotách, betonovaných na místě, zatlačilo téměř úplně používání prefabrikovaných ražených pilot, u nichž, nehledě k jiným nedostatkům, je zvyšování únosnosti ražené piloty stanovena praktická hranice vzhledem k poměru hmota piloty ke hmotě beranidla. Tento poměr je limitujícím faktorem i při uplatnění metody zakládání staveb na předrážených pilotách, formovaných na místě, i když hranice únosnosti proti raženým pilotám je daleko vyšší a v některých geologických poměrech pro přenos středních i větších zatížení je aplikace této metody zakládání výhodnější než zakládání na pilotách vrtaných.
Při aplikaci metod zakládání staveb na pilotách se vychází ze zásady, že neexistuje univerzální metoda, kterou by bylo možno uplatnit optimálně ve všech podmínkách určovaných především geologickými poměry a stavbou. Použití jednotlivých metod hloubení pilot má tyto specifické aspekty:
Tyto práce jsou více rozšířeny při vytváření tzv. pilotového roštu pod základovou deskou. Principiálně se do této skupiny pilot zařazují i piloty s ochrannou pažnicí, jež zůstává v pilotě jako ochranný plášť. Jinou technologií lze zajistit i vytvoření vazby tělesa piloty mezi pažnicí a zeminou, a tím získání plášťového tření pro zvýšení únosnosti této piloty. Při této technologii lze uplatnit metodu zapažnicové cementace.
Uvedené stroje pracují metodou velkoprůměrového rotačního vrtání s omezenou možností zajištění stěn vrtu ochrannou pažnicí. Prakticky lze uvést, že zapažení pomocí velkoprůměrových svařovaných pažnic je možné asi do 10 m, avšak těžení pažnic je ještě obtížnější než vlastní zapažování. Je tedy nutné zajistit pro složitější případy zakládání, zvláště v terénech s vysokou hladinou podzemní vody, komplexní zapažení až do dna vrtu pomocí hydraulických pažicích zařízení. Jedině tento způsob však zajistí kvalitu piloty betonáží do vrtu plně chráněného kolonou velkoprůměrových dvouplášťových pažnic. Mimo to jsou uplatněny i jiné metody velkoprůměrového pažení vrtů, zvláště pomocí těžkých vibrátorů, např. metodou Hochstrasser-Weise.
Kromě rotačního velkoprůměrového zakládání je v omezené míře uplatněna i metoda zakládání na velkoprůměrových drapákových vrtech. Tato metoda je sice z vrtně technického hlediska daleko pomalejší než rotační vrtání, avšak vzhledem k volné výšce v ose vrtu je vhodnější pro použití hydraulického pažícího zařízení, i vhodnější pro vrtání v sutích, popř. zahloubení piloty do pevnější horniny.
Kromě příznivého případu, kdy lze takovou úpravu provést úpravou dna báňským způsobem, je nutno věnovat pozornost strojnímu rozšiřování dna pilot přibíráky. Zajímavých výsledků bylo dosaženo při rozšíření paty piloty u maloprůměrových pilot střelnou prací, a to jak u pilot vibračních, tak i rotačně vrtaných.
Nejpoužívanějšími metodami, jež zaručují kvalitu provedeného velkoprůměrového zakládání ve všech typech zemin, jsou metody s předražením pažnicové kolony až do žádané hloubky piloty. Tyto metody umožňují u velkoprůměrových pažnic zakládání ve zvodnělých nesoudržných zeminách, zaručují kvalitu provedené piloty co do hutnění betonu a hlavně rovnoměrnosti pilotového dříku. Mají přednost před ostatními metodami při zakládání na pilotových stěnách a umožňují založení prakticky téměř ve všech geologických podmínkách. Vzhledem k tomu, že jako nástroje pro těžení zeminy se používá nárazových drapáků, pro rozrušení tvrdších hornin dláta, pro těžení zvodnělých písků kalovek a pískových čerpadel, probíhá vlastní těžení zeminy pomaleji než u rotačního vrtání. Ideální vrtné zařízení by tedy mělo umožňovat jak rotační velkoprůměrové vrtání, tak vrtání náběrnými drapáky i jinými nástroji za současného strojního pažení velkoprůměrového vrtu.
Účel podzemních stěn
Technologie provádění podzemních stěn je nejmladší technologie zakládání staveb. Její využití se datuje od roku 1948. Tato technologie nachází uplatnění zejména:
Z účelového hlediska lze rozdělit podzemní stěny na:
a) těsnicí stěny – uplatňují se jako souvislé těsnicí clony, zabraňující průsakům vod. Jsou to clony v přehradním stavitelství, těsnicí jímky stavebních jam, těsnicí clony zamezující šíření znečištěných a kontaminovaných vod (z chemických továren, letišť, skladů pohonných hmot apod.), protipovodňové hráze:
b) pažící stěny vytvářejí provizorní pažení stavebních jam. Používají se zejména v zastavěných územích, kde ohraničují stavební jámu a zabraňují destrukci sousedních budov:
c) konstrukční stěny – hloubkové zakládání různých objektů. Svislé stěny, přebírající funkci obvodového zdiva nebo tvoří samostatné nosné pilíře
Těsnicí stěny mají funkci pouze těsnicí. Pažící a konstrukční stěny mají statické působení často spojeno s účinky těsnicími. Tato situace se promítá i do použití výplňových materiálů. Těsnicí stěny používají jíl, jílocementový beton, beton s použitím chemických složek nebo prostý beton. Pažící a konstrukční stěny využívají zejména železobeton.
Podle technologie výroby se rozdělují na:
Účel a podstata kotvení stavebních objektů do hornin
Uplatnění kotev pro zajištění stropů a boků báňských prací je známé. Krátké skalní svorníky jsou ve vrtech upevňovány mechanickým rozepřením patky, maltou nebo jinými hmotami. Tyto volné, většinou nepředpínané svorníky mají malou únosnost a jejich použití je omezené. S rostoucími požadavky na únosnost a technologii provádění se vyvinuly různé typy kotev.
Kotvení se provádí všude tam, kde je účelné využít spolupůsobení horniny a vyvolaných napětí od zatížení stavebními nebo geotechnickými konstrukcemi. Kotvením je efektivně řešena technická i ekonomická stránka speciálního zakládání. Působení kotevních sil je projektováno na očekávané zatížení od konstrukcí. Podstatný vliv na vývoj kotevních prací má rozvoj stavebnictví, zejména obor zakládání staveb, jehož moderní metody si vynutily nové technologie kotvení.
Podstata kotvení: Kotvení stavebních objektů do hornin je stavební postup, kterým se do konstrukce objektu a přilehlé horniny vnášejí přídavné síly, které působí ve stavební konstrukci jako zatížení směrem ke styčné spáře s horninou a v hornině vytvářejí tlakové předpětí.
Kotvením tedy dochází k sepětí stavebního objektu s horninou. Pro zajištění stability objektu s vynaložením minimálních materiálních nákladů a časových nároků.
Přednost kotvení je, že umožňuje poměrně snadno na základě statického výpočtu volit velikost, směr a těžiště působení kotvících sil, aby po zavedení do soustavy sil působících na objekt zajistily účinně a co nejhospodárněji jeho stabilitu.
Definice a části kotvy – kotva je ocelová výztuž, uložená jedním koncem do horninového prostředí (únosné podloží) a upevněná v něm (většinou zainjektovaná), druhým koncem zapuštěná do kotveného objektu (stavební konstrukce), který stabilizuje. Ukázka konstrukce kotvy je na obr. 84.
Kotva – v podstatě táhlo, jehož celková délka se dělí na kořen a volnou délku. Kořen se dále dělí na kotevní a těsnicí délku. Nejspodnější část kotvy se nazývá pata, opačný konec hlava kotvy. Kořen a hlava mívají různé uspořádání podle druhu použité armatury. Po předepnutí armatury je tato v hlavě kotvy v napjatém stavu upevněna.
Účel kotev – kotvením se zajišťuje:
Jedním z hlavních problémů při řešení současné výstavby v hustě zastavených centrech měst jsou parkovací a odbavovací plochy. Tato potřeba je řešena stavbou několikaposchoďových suterénů, čímž vzniká nezbytnost pažení hlubokých stavebních jam. Při tradičním způsobu pažení je stavební jáma pro těžební a manipulační techniku velmi těžko přístupná. V případě příliš velkých rozporů stěn stavební jámy vzniká problém s tradičním způsobem rozepření. To řeší právě rozepření kotevní, spojené s pažením provedeným záporovou, pilotovou nebo podzemní stěnou. Stavební jáma je pak volně přístupná pro jakákoliv zařízení (obr. 85a).
V oblastech se zvodnělým horizontem se používá kotev pro přikotvení jímek a ostatních stavebních prvků proti vztlaku podzemní vody (obr. 85d). Kotvení nachází široké použití při ražení skalních kaveren pro podzemní hydroelektrárny nebo skladové prostoty se kotvami zajišťují klenby a stěny (obr. 85e), popřípadě se ke stěnám přikotvují nosníky tvořící základy budoucích jeřábových drah.
Velmi zajímavý způsob využití nalezly kotvy jako prvek eliminující půdní deformace při stavbě velmi hmotných konstrukcí, na sebe vzájemně navazujících. V tomto případě jsou postaveny základy, které jsou kotvami zatíženy silou rovnající se hmotnosti budoucí stavby. Po proběhnutí deformací je zahájena vlastní stavba. S narůstající hmotností stavby jsou kotvy postupně odlehčovány a vlastní stavba pak v důsledku předcházejících půdních deformací nevykazuje dodatečně žádné změny.
Použití protáčení, podvrtů nebo mikrotunelování je v dnešní době součástí téměř všech významnějších projektů líniových staveb. Jejich realizace není, při současném rozvoji strojního vybavení, omezená téměř žádnou překážkou.
Počátky používání metod protláčení a mikrotunelování se datují zhruba od 40. roků minulého století a jsou spojené s rozvojem hydraulických systémů v strojírenské praxi. Použití této technologie se z počátku vázalo výhradně na tzv. klasické protlaky ocelových rour s ručním rozpojováním horniny na čele protlačované roury. Svoje uplatnění nacházela tato technologie hlavně při křižování realizovaných inženýrských sítí s komunikacemi, zejména jednoduché tunelování malých průměrů, u nichž nebylo překopání komunikace (uložení do rýhy) možné. Mezi jednoduché tunelovací metody (simple tunneling methods) náleží systémy jako ruční tunelování (hand tunneling), nemechanický štít (non-mechanical shield) a přímé protláčení (direct pipe jacking). Tyto technologie mají v České republice dlouhou tradici. V 50. létech se začal využívat tzv. „ protláčecí krtek (earth piercing mole),“, který byl původně vyvinutý pro vojenské účely. Se zdokonalením hydraulických systémů se v 60. létech objevují na stavbách vrtné soupravy se šnekovým dopravníkem (auger machines), později vzduchová nebo hydraulická beranidla. Použití bezvýkopových technologií (trenchless technologies) se v této době stává ve vyspělých zemích bežnou praxí, hlavně v oblastech husté městské zástavby.
Podzemní vedení jsou součástí technické infrastruktury, tj. inženýrských sítí (sítí technického vybavení), jejichž úkolem je zásobovat obce a města vodou, plynem a elektrickou energií, zabezpečovat přenos informací, odvod odpadních vod a domovních odpadů aj. Do podloží mohou být inženýrské sítě ukládány:
Podzemní vedení jsou liniové stavby realizované dvěma základními způsoby (13):
Podle velikosti příčného profilu se rozeznávají podzemní vedení:
Za průlezná jsou obecně považována podzemní vedení jmenovité světlosti DN 800, resp. profily s nejmenší výškou 800 mm a s nejmenší šířkou 600 mm, pokud jejich délka nepřesahuje 50 m. Při délkách nad 50 m se za hranici průleznosti označuje DN 1 000, resp. pravoúhlý průřez 1 000/600. Za průchozí jsou považovány průřezy s nejmenší výškou 1 500 mm a s nejmenší šířkou 600 mm.
Z hlediska ukládání podzemních vedení je rozlišováno ukládání s ochrannými konstrukcemi nebo ukládání bez nich. Mezi ochranné konstrukce patří:
Podle ČSN EN 12 889/2001 Bezvýkopové provádění stok a kanalizačních přípojek a jejich zkoušení je možno bezvýkopové metody rozdělit na (Klepsatel F., et al, 2007):
ČSN EN 12 889/2001 je možno použít i pro bezvýkopové technologie obnovy kanalizačních stok a přípojek. Konvenční a jiné tunelářské metody výstavby předmětem této normy nejsou. Podle ČSN EN 12 889/2001 se za mikrotunelování považuje jen jednostupňová metoda zatlačování potrubí, s dálkovým řízením ze stanoviště mimo potrubí. Potrubí je přitom ukládáno bezprostředně za mikrotunelovacím strojem.
Odlišné rozdělení bezvýkopových metod výstavby podzemních vedení je uvedeno ve Slovníku pojmů ve výstavbě (Raclavský J., et al. 2004). Zde se mikrotunelováním (mikrotuneláží) rozumí souhrn všech metod výstavby podzemních neprůlezných vedení pomocí dálkově ovladatelných strojních zařízení bez přístupu obsluhy do čelby.
Podle této publikace se metody mikrotunelování dělí na:
Pro bezvýkopovou výstavbu potrubních vedení průlezných a průchozích průřezů, ve kterých může obsluha dočasně nebo trvale pracovat v podzemí a ražení štol se někdy uvádí pojem minitunelování. Tyto metody se dělí na:
Tyto technologie nejsou obsahem těchto učebních textů.
Mikrotunelování (microtunnnelling) je technologií posledního období. Pokrokové strojní zařízení umožňuje obsáhnout široké spektrum nasazení v rozsahu průměru do 350 mm a v déĺkách do 250 m. V zahraničí však byli touto metodou realizované projekty s průměrem okolo DN 1000.
Mikrotunelování je vhodné pro většinu geotechnických podmínek, umožňuje práci pod hladinou podzemní vody. Tato metoda není vhodná do skalních hornin nebo čistě štěrkových zemin. Zásadní výhodou této metody je možnost ovládání směru osy protlaku ve všech směrech. Metoda pracuje na principu rozšiřování a současného zatahování výhradně polyetylénového nebo podobného, svařeného potrubí do předem vyvrtaného a bentonitovou suspenzí vyztuženého pilotního vrtu. Touto metodou se zatahují jak chráničky, tak i samotné potrubí vodovodů nebo plynovodů. Mikrotunelování většinou nevyžaduje startovací jámu (může začínat i končit na povrchu) ani opěrný blok. Tato technologie je nevhodná pro protláčení, kde je požadovaná přímá osa protlaku, jako např. u kanalizace. Je náročná na investice do strojního vybavení a tomu odpovídá i cena realizovaného díla. Taktéž je při této metodě potřebné provést precizní zmapování podzemních vedení a konstrukcí.
Omezujícím faktorem použití bezvýkopových technologií jsou především geologické podmínky. Pro efektivní nasazení jsou nejvhodnější hlinité půdy a jíly bez podílu kamene, komplikací přibývá v prostředí nesoudržných půd, jako jsou hrubé štěrky, písky a kamenité půdy s vysokým podílem kamenné frakce. Vrtání v kompaktní skalní hornině vyžaduje speciální vrtné nářadí (jako např. ponorný motor) nebo aplikace jiné technologie, obvykle používané pro svislé vrtání. V případě zhoršení půdních podmínek, kdy existuje obava z poškození vtahovaného potrubí ostrými kusy horniny nebo překážkami charakteru navážky, lze provést zkušební protažení krátkého kusu potrubí vrtem a poté zkontrolovat stav jeho povrchu. V případě nepřípustného rozsahu vrypů je nutné použít chránící potrubí (chráničku) průměru o jeden řád vyššího a vlastní potrubí vodovodu pak do něj vtáhnout nebo daný úsek provést otevřeným výkopem.
Bezvýkopové metody výstavby podzemních vedení jsou zpravidla dražší než výstavba v otevřených výkopech. Proto jsou u nás zatím používány převážně jen v intravilánech měst a obcí nebo na křižovatkách jejich tras s trasou frekventovaných dopravních magistrál, kde je prioritním zájmem nenarušený provoz dopravy, resp. ochrana životního prostředí před ryze ekonomickými ukazateli.
Výstavba podzemních inženýrských sítí probíhá většinou v malých hloubkách pod povrchem – zpravidla do hloubky několika metrů. Specifikem zastavěných území (zejména centrálních částí starých historických měst) jsou geologické podmínky, které jsou v těchto hloubkách velmi složité a proměnlivé. Tato složitost je zapříčiněná mimo jiné i dlouhodobou antropogenní činností a vývojem města v různých historických obdobích.
Problémem geotechnického průzkumu pro liniové podzemní stavby v zastavěném území je také to, že jen zřídka je možno vrtný, resp. geofyzikální průzkum realizovat přímo v trase výstavby. Brání tomu existující zástavba, požadavky na minimalizaci omezení dopravy na komunikacích i nebezpečí poškození nezaevidovaného, resp. nepřesně zakresleného provozovaného podzemního vedení průzkumným vrtem.
Výhodou naopak je, že mnohá, hlavně větší města mají na základě komplexního vyhodnocení výsledků geotechnických průzkumů, vykonaných na území města pro mnohé realizované stavby, vypracovány přehledné atlasy základových půd a v některých případech i urbanistické mapy 1. a 2. podzemní úrovně, které mohou průzkumné práce značně zjednodušit. Někdy je nutné, s ohledem na stísněné podmínky na povrchu, provádět průzkumné práce i ze suterénů budov.
V žádném případě by se však před zahájením jakýchkoliv průzkumných, resp. stavebních prací nemělo zapomenout na podrobnou pasportizaci stavu objektů (zástavby, sítí technického vybavení a jiných podzemních děl) v zóně ohrožení negativními účinky výstavby.
Jak již bylo uvedeno, podle ČSN EN 12 889/2001 Bezvýkopové provádění stok a kanalizačních přípojek a jejich zkoušení, se bezvýkopové technologie pro provádění nových stok a kanalizačních přípojek dělí na metody minitunelování (s obsluhou na čelbě) a metody mikrotunelování (bez obsluhy na čelbě).
Podle možnosti kontroly a úpravy směru se metody mikrotunelování dělí na:
Dále je možné dělit jednotlivé bezvýkopové technologie pro novou pokládku trub a kabelů z více hledisek, např. podle:
Volbu metod výstavby podzemních vedení určují tyto faktory: