Marek Cała, Agnieszka Stopkowicz: Budowa tuneli jest wyjątkowym wyzwaniem

Prof. dr hab. inż. Marek Cała, Dziekan Wydziału Inżynierii Lądowej i Gospodarki Zasobami Akademii Górniczo-Hutniczej wraz z dr inż. Agnieszką Stopkowicz, pracownikiem Katedry Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki na Wydziale Inżynierii Lądowej i Gospodarki Zasobami AGH, w rozmowie z redakcją czasopisma „Mosty” omawiają aktualną kondycję branży tunelowej, kwestie włączenia uprawnień tunelowych do mostowych, a także oceniają przygotowanie naszego kraju do budowy tuneli w kontekście doświadczenia i kompetencji ich wykonawców.

Może zaczniemy od pytania, jaka jest aktualnie kondycja branży tunelowej w Europie i na świecie.

Agnieszka Stopkowicz: Aktualnie branża tunelowa jest w bardzo dobrej kondycji. Niewątpliwie jest to efekt rosnącej potrzeby silnie zurbanizowanych terenów na usprawnienie transportu, a także dzięki rozwojowi inwestycji drogowych i kolejowych w Europie. Dużym impulsem w tym zakresie były działania UE w zakresie rozwoju Transeuropejskiej Sieci Transportowej – TEN-T. Rozwój sieć TEN-T ma zapewnić usprawnienie przepływu osób i towarów, a także łączność i dostępność wszystkich regionów Unii. Ukończenie podstawowej sieci TEN-T przewidziane jest do 2030 r., a sieci kompleksowej do 2050 r. W efekcie rozwoju sieci transportu, aby usunąć brakujące ogniwo w korytarzu transportowym pomiędzy Skandynawią a Morzem Śródziemnym, realizowany jest tunel Fehmarnbelt między Danią a Niemcami. Niebawem rozpocznie się drążenie Brenner Base Tunnel. Tunel ten przebiega częściowo w Austrii, a częściowo we Włoszech i będzie miał łącznie 64 km długości, co czyni go najdłuższym tunelem kolejowym na świecie. Być może pozycję lidera piastować będzie krótko, bo projektowany w ramach Rail Baltica tunel, który ma połączyć stolice Finlandii i Estonii, będzie liczyć 100 km. Jeżeli zostanie wykonany, to będzie to najdłuższy kolejowy tunel na świecie. Podobny trend obserwuje się na świecie. Szczególnie dużą popularnością budownictwo tunelowe cieszy się w Chinach, Japonii czy Turcji.

Przed II wojną światową w Polsce wybudowano 25 tuneli, głównie kolejowych. Po wojnie nastąpił zastój w budowie tego typu obiektów. Dlaczego?

Marek Cała: Wynikało to z kilku czynników. W pierwszej kolejności niezbędne było odbudowanie zniszczonych dróg w czasie wojny. W następnych dekadach mimo ambitnych planów budowano niewiele dróg, a też należy mieć świadomość, że po drogach jeździło wtedy znacznie mniej samochodów. Dopiero w latach 70. wraz z większą dostępnością samochodów wzrosło zapotrzebowanie na drogi. W latach 80. i 90. realizowano plan budowy dróg, ale były to drogi dość kiepskiej jakości. Dopiero w XXI wieku rozpoczęły się duże inwestycje drogowe, a co za tym idzie, powstało także zapotrzebowanie na tunele.

W 2018 r. prof. Antoni Tajduś w wywiadzie opublikowanym na łamach czasopisma „Mosty” powiedział, że „w najbliższym czasie liczba tuneli budowanych w Polsce znacznie wzrośnie i powszechne stanie się przekonanie, że tunele są ważne i po prostu trzeba je budować”. Czy te prognozy się sprawdziły? Faktycznie tak jest?

A.S.: Tak, zdecydowanie. Tunele są szczególnie atrakcyjne w miastach, gdzie istnieje zwarta zabudowa. Poprowadzenie pod ziemią kluczowych dróg transportowych, znacznie zmniejsza oddziaływanie transportu na otoczenie i co ważne – w dużym stopniu usprawnia przejazd. Dotyczy to przede wszystkim rozbudowy sieci metra i transportu szynowego, ale także dróg. Tunele są także atrakcyjne w terenie górzystym, gdzie poprowadzenie drogi pod ziemią skraca czas przejazdu i zapewnia minimalizację wpływu warunków atmosferycznych na warunki przejazdu.

Budowa tuneli w Polsce to duże wyzwanie?

A.S.: Budowa tuneli to generalnie bardzo duże wyzwanie, z którym wiąże się wiele ryzyk niewystępujących w innych dziedzinach budownictwa. Szczególnie dużym wyzwaniem są zmienne warunki geologiczno-inżynierskie i hydrogeologiczne. Znaczenie warunków geologicznych dla budowy tunelu najlepiej odwzorowują zasady metody budowy tuneli, jak np. NATM, w których przyjmuje się, że otaczający masyw skalny jest elementem obudowy.

Inną kwestią jest strona prawna, gdyż budowa tuneli realizowana jest w zakresie dwóch ustaw, tj. Prawo geologiczne i górnicze oraz Prawo budowlane. Aktualnie w Polsce brak jest unormowań i wytycznych w zakresie chociażby doboru metod projektowania. Wszystko to sprawia, że budowa tuneli jest wyjątkowym wyzwaniem.

Jak wygląda budowa tuneli w Polsce, biorąc pod uwagę warunki geologiczne?

M.C.: W 2019 r. zarządzeniem nr 22 Generalnego Dyrektora Dróg Krajowych i Autostrad wdrożone do stosowania zostały Wytyczne wykonywania badań podłoża gruntowego opracowane w ramach projektu RID przez Konsorcjum PIG-PIB, AGH oraz PW. Wytyczne te usystematyzowały wymogi w zakresie rozpoznania warunków geologiczno-inżynierskich, w tym także w zakresie rozpoznania na potrzeby budowy tuneli. W efekcie w znacznym stopniu poprawiła się jakość uzyskiwanej informacji o warunkach geologiczno-inżynierskich. Jednakże tunele realizowane w warunkach fliszu karpackiego wiążą się z działaniem w bardzo trudnym ośrodku. Charakteryzuje się on nie tylko dużą zmiennością warunków geologiczno-inżynierskich oraz hydrogeologicznych, ale także znacznym zaangażowaniem tektonicznym czy występowaniem procesów osuwiskowych. Stwarza to duże wyzwanie przed projektantami i wykonawcami.

Na łamach naszego czasopisma publikujemy teksty o tunelach, bo to właśnie mostowcy mają uprawnienia do ich projektowania. Jak oceniają Państwo przygotowanie naszego kraju do budowy tuneli w kontekście doświadczenia i kompetencji ich wykonawców?

M.C.: Włączenie uprawnień tunelowych do mostowych nie jest dobrym pomysłem. Dlaczego? Projektując mosty, możemy określić konkretne wymogi co do właściwości stali czy właściwości betonu, a jedynym punktem styku mostu z podłożem jest przyczółek mostu czy podpora. Natomiast w przypadku tuneli na otaczający ośrodek musimy patrzeć jak na ważny element obudowy, a są to warunki, na jakie nie mamy wpływu, i oddziałują one na całej długości obiektu tunelowego. A metody rozpoznania warunków gruntowych mają swoje znaczne ograniczenia i najczęściej dostarczają jedynie punktową informację. Tunele realizowane są w warunkach dużej niepewności. Duże znaczenie będzie miała także metoda drążenia, która może znacznie wpłynąć na zmianę właściwości ośrodka i jego współpracę z obudową. Z tego względu nie da się przenieść doświadczeń z budowy mostu na budowę tunelu.

Ze względu na to, że budownictwo tunelowe ma na przykład dużo większe tradycje w takich krajach jak Włochy, Austria czy Turcja, to wykonawcy z tych krajów mają większe doświadczenie. Na świecie powstało kilka dużych firm wyspecjalizowanych w budowach tuneli. Nasi rodzimi wykonawcy oraz inżynierowie właśnie teraz budują swoje doświadczenia i rozwijają kompetencje. Wydział Inżynierii Lądowej i Gospodarki Zasobami AGH stara się stworzyć przestrzeń do wymiany doświadczeń i wiedzy poprzez dedykowane studia podyplomowe „Budownictwo i Bezpieczeństwo Tunelowe”. Staramy się także aktywnie uczestniczyć w życiu branży, przedstawiając nasze doświadczenia jako ekspertów i naukowców uczestniczących w realizacji projektów tunelowych.

Posiadają Państwo doświadczenie praktyczne poprzez udział w konsultacjach technicznych realizacji tunelowych. Jaki był najbardziej skomplikowany projekt, przy którym brali Państwo udział?

A.S.: Tu możemy wspomnieć o dwóch takich przypadkach, to drążenie tunelu w ciągu drogi S7, rejon portalu południowego. Drugim przypadkiem było przejście strefy zawału w tunelu TD-2.1 w Węgierskiej Górce (droga ekspresowa S1). W obu przypadkach problemy z drążeniem wiązały się z realizacją tunelu w ośrodku naruszonym procesami osuwiskowymi.

Budowanie tunelu nierozerwalnie wiąże się z wpływem na powierzchnię i wykonawcy narażeni są na szereg zagrożeń. Jak skutecznie zminimalizować to ryzyko?

A.S.: Aby minimalizować ryzyko związane z budową tuneli, musimy dążyć do uzyskania miarodajnego rozpoznania warunków geologiczno-inżynierskich. W celu minimalizacji wpływów na otaczający ośrodek bardzo duże znaczenie ma dobór właściwych (w danych warunkach) metod projektowania. Podczas drążenia informację o ośrodku możemy uszczegóławiać poprzez stosowanie rozpoznania wyprzedzającego wykonywanego z czoła przodka. Do oceny bezpieczeństwa i minimalizacji ryzyk niezbędny jest także właściwy monitoring umożliwiający nie tylko analizę wyników przemieszczeń i konwergencji, ale także obserwację zachowania obudowy i przemieszczeń powierzchni terenu. Bardzo istotny jest także dobór właściwej metody drążenia i obudowy. I co najważniejsze: dobór wykonawców z doświadczeniem w tunelowaniu w danych warunkach geologiczno-inżynierskich.

Na jakie trudności najczęściej napotyka się podczas tego typu realizacji?

M.C.: Podczas realizacji tuneli kluczową kwestią jest zapewnianie bezpieczeństwa podczas drążenia. W tym przypadku trudności wiążą się przede wszystkim ze zmiennymi warunkami geologiczno-inżynierskimi, nieprzewidzianym nagłym ich pogorszeniem czy wystąpieniem niespodziewanych warunków hydrogeologicznych. Dużą trudnością jest także znaczne rozłożenie w czasie poszczególnych etapów projektowania i realizacji inwestycji. Niektóre z aktualnie realizowanych inwestycji bazują na przykład na dokumentacjach geologiczno-inżynierskich wykonanych w 2010 r. W tym czasie zmianie uległy normy i wytyczne w zakresie rozpoznania. Dodatkowo funkcjonowanie na granicy styku dwóch ustaw powoduje pewne trudności formalno-prawne i organizacyjne. W przypadku wykonawców z innych krajów realizujących inwestycje w Polsce dużą trudnością jest nieznajomość polskich przepisów.

Gdyby mieli Państwo wskazać, co jest kluczowe przy budowie tunelu, to co by to było?

A.S.: Moim zdaniem kluczowymi elementami podczas budowy tunelu są:

• Właściwe rozpoznanie ośrodka i określenie parametrów wytrzymałościowo-odkształceniowych. W tym przypadku rozpoznanie powinno być realizowane przez firmy geologiczne z doświadczeniem w danych warunkach geologiczno-inżynierskich.
• Dobór odpowiednich do danych warunków metod projektowania.
• Wykonawcy z doświadczeniem tunelowym i w podobnych warunkach geologicznych. Nie da się przenieść doświadczeń np. z górnictwa węgla kamiennego na budowę tuneli.
• Nadzór z doświadczeniem w danych warunkach geologicznych i rozumiejący specyfikę budowy tuneli i warunków geologiczno-inżynierskich.
• Duże znaczenie ma też rola samego inwestora, w Polsce jest to przede wszystkim GDDKiA i jej oddziały. Tu należy bardzo pozytywnie ocenić działania GDDKiA, która podejmuje czynności mające na celu wymianę doświadczeń z poszczególnych realizacji inwestycji tunelowych, nie tylko w obrębie swoich oddziałów, ale także szerszym gronie w tym wykonawców.

Jak Państwo sądzą, z jakimi wyzwaniami będzie musiała sobie poradzić branża tunelowa w najbliższym czasie?

M.C.: Wyzwaniem będzie niewątpliwie tunelowanie we fliszu karpackim. Flisz karpacki to ośrodek bardzo złożony, charakteryzujący się znaczną zmiennością warunków geologicznych i hydrogeologicznych. Cechuje go duży stopień naturalnej niejednorodności i licznie występujące nieciągłości. Dodatkowo w obrębie fliszu karpackiego można spotkać krańcowo różne utwory skalne. Występują tu zarówno bardzo słabe materiały, które mogą zostać nawet zaliczone do gruntów (ang. hard soil), jak i bardzo mocne skały. Flisz karpacki jest też bardzo podatny na działanie wody, która wywołuje gwałtowną degradację jego parametrów wytrzymałościowych.

Każdy tunel budowany we fliszowym masywie skalnym stanowi dla projektantów i wykonawców osobne wyzwanie. Tunel pod Luboniem Małym na trasie S7 był budowany metodą ADECO-RS (ang. Analysis of Controlled Deformations in Rock and Soils), tunel Emilia pod Sobczakową Grapą oraz tunele na obejściu Węgierskiej Górki (Przybędza – Milówka) w ciągu drogi ekspresowej S1 budowane były/są na podstawie metody NATM (ang. New Austrian Tunnelling Method). Każdy z tych tuneli był drążony nieco inną metodą (chociaż ADECO-RS i NATM mają dużo podobieństw, ale też i różnic) w dość zbliżonych (bardzo zmiennych) warunkach geologicznych oraz przez innych wykonawców. Specyfika budowy i lokalizacja tuneli narzuciły dodatkowe uwarunkowania i dlatego właśnie inżynierowie zajmujący się ich budową zawsze będą stawali przed kolejnymi wyznaniami. Takim właśnie wielkim wyzwaniem będzie budowa tunelu na trasie S19 za pomocą tarczy TBM.

Dziękuję za rozmowę

przeczytaj również: Waldemar Gajeski: Mosty łączą ludzi