Uszkodzenia barier ochronnych i krawężników drogowych na terenach górniczych – przyczyny i profilaktyka

Wpływ eksploatacji górniczej na elementy liniowe o dużej sztywności osiowej

Eksploatacja górnicza prowadzi do powstania deformacji na powierzchni terenu [12]. Szczególnie spektakularne i powszechnie kojarzone z eksploatacją górniczą są osiadania terenu (w). Wiele szkód jest związanych z tworzeniem się lokalnych górniczych niecek osiadań, powstawaniem lokalnych zalewisk. Powstanie niecki górniczej wiąże się ze zmianą krzywizny terenu (k), na zboczu niecki teren się pochyla (T). Wszystkie wymienione powyżej czynnik są widoczne i bardziej odczuwalne dla ludzi niż odkształcenia powierzchniowe (ε) (spełzania/rozpełzania).

Odkształcenia powierzchniowe (ε) mają istotny wpływ na funkcjonowanie dróg, np. [13], prowadzą do obniżenia trwałości nawierzchni, powstania spękań i uszkodzeń nawierzchni, lokalnych garbów, np. [14]. O ile uszkodzenia podatnej nawierzchni drogowej następują powoli, dlatego są możliwe do kontroli i na ogół nie stanowią istotnego zagrożenia dla bezpieczeństwa użytkowników dróg, o tyle uszkodzenia barier ochronnych krawężników drogowych pojawiają się nagle i mogą stanowić zagrożenie [15] dla bezpieczeństwa kierowców i pieszych.

Odkształcenia powierzchniowe są przypisane do kategorii terenu górniczego [16], i tak: zerowej kategorii terenu górniczego odpowiada odkształcenie |ε| < 0,3 mm/m; pierwszej kategorii terenu górniczego odpowiada odkształcenie 0,3 ≤ |ε| < 1,5 mm/m; drugiej kategorii terenu górniczego odpowiada odkształcenie 1,5 ≤ |ε| < 3,0 mm/m; trzeciej kategorii terenu górniczego odpowiada odkształcenie 3,0 ≤ |ε| < 6,0 mm/m; czwartej kategorii terenu górniczego odpowiada odkształcenie 6,0 ≤ |ε| < 9,0 mm/m; piątej kategorii terenu górniczego odpowiada odkształcenie |ε| ≥ 9,0 mm/m.

W przypadku konstrukcji nawierzchni drogowej niszczące i obniżające trwałość są zwłaszcza rozpełzania podłoża, tzn. odkształcenia powierzchniowe o charakterze rozciągań, rozluźniające podbudowę, zmniejszające wartości modułów sprężystości i prowadzące do powstania spękań nawierzchni. Górnicze spełzania terenu w przypadku konstrukcji drogi mogą prowadzić do wypiętrzenia nawierzchni w strefie odkształceń dogęszczających, generalnie takie wypiętrzenia/garby/progi można frezować, co umożliwia doraźną poprawę parametrów użytkowych drogi. Uszkodzenia nawierzchni są szeroko opisane w literaturze, np. [14].

Dla barier ochronnych i krawężników drogowych szczególnie niebezpieczne są odkształcenia poziome (ε) (spełzania/rozpełzania) podłoża, teren zmienia swoje wymiary liniowe. Te odkształcenia powierzchniowe są słabiej spostrzegane i odczuwalne przez człowieka niż np. zmiany nachylenia terenu czy lokalne obniżenia terenu.

Bariery ochronne i krawężniki drogowe to elementy o dużej sztywności osiowej. Sztywność tych elementów wyznaczona w osi podłużnej drogi jest znacznie większa niż typowych nawierzchni drogowych podatnych i półsztywnych (z mieszanek mineralno-asfaltowych) [11], co wiąże się z mniejszą odkształcalnością barier i krawężników niż podatnej nawierzchni i podbudowy drogowej.

Taki przykład: na odcinku l = 12 m, na którym można wykonać 3-4 pola barier ochronnych lub ułożyć 12 krawężników, teren w przypadku spełzań odpowiadających trzeciej kategorii górniczej (ε ≈ 6,0 mm/m) potrafi ulec skróceniu aż o ∆l = 7,2 cm, gdzie: ∆l = ε*l = 6*12 = 72 mm (wg [16, 17]).

Na Śląsku nie brakuje odcinków dróg wojewódzkich i powiatowych poddanych wpływom trzeciej i lokalnie nawet czwartej kategorii terenu górniczego.

Propagacja uszkodzeń na słabych gruntach

Trudne warunki gruntowe (wg [1] §4, punkt 22) to warunki wynikające z istniejącego ukształtowania lub zagospodarowania terenu, ze stopnia złożoności warunków gruntowo-wodnych lub z konieczności ograniczenia oddziaływania drogi na środowisko, które przy zachowaniu podstawowych warunków uniemożliwiają zastosowanie rozwiązania standardowego lub powodują, że koszty zastosowania rozwiązania standardowego w cyklu życia drogi byłyby rażąco wysokie względem rozwiązania alternatywnego. Powyższy zapis ustawodawcy wskazuje na konieczność indywidualnego podejścia do projektowania elementów drogi na terenach górniczych, zwłaszcza na gruntach słabonośnych.

Eksploatacja węgla kamiennego koncentruje się w Polsce głównie na obszarze Górnego Śląska. Rejon ten w wielu miejscach to tereny pagórkowate o układzie warstw gruntu ukształtowanym przez lodowiec.

Podobnie grunty słabonośne zalegają na obszarze górnictwa miedzi, deformacje powierzchni terenu związane z eksploatacją złóż miedzi są w Polsce w odniesieniu do infrastruktury drogowej podobne jak w przypadku eksploatacji złóż węgla kamiennego.

Słabe podłoże można definiować jako warstwy gruntu niespełniające wymagań wynikających z warunków nośności lub stateczności albo warunków przydatności do użytkowania w odniesieniu do rozpatrywanego obiektu budowlanego lub elementu konstrukcji.

W budownictwie drogowym istotny wpływ na realizację inwestycji ma podłoże gruntowe (fot. 1). W przypadku gruntów słabonośnych konieczna jest wymiana warstw zalegających pod konstrukcją drogi lub wzmocnienie podbudowy, np. geomateracami wypełnionymi kruszywem mineralnym. Metod wzmacniania podłoża jest wiele, decyzje o wyborze konkretnej metody są podejmowane indywidualnie, przy uwzględnieniu kategorii drogi w oparciu w wyniki badań geotechnicznych.

Celem podejmowanych działań jest w uproszczeniu ulepszenie słabego podłoża, jego wzmocnienie lub modyfikacja w przekrojach poprzecznych nasypów wraz z technologią ich wznoszenia, tak aby spełnione były określone kryteria odnośnie do rodzaju gruntów i uziarnienia, wskaźnika zagęszczenia Is, wtórnego modułu odkształcenia E₂ oraz stosunku wtórnego i pierwotnego modułu odkształcenia E₂/E₁.

Poza terenami górniczymi działania związane ze wzmocnieniem słabego podłoża są na ogół łatwe do analizy i skuteczne.

Na terenach objętych eksploatacją górniczą warunki gruntowe, zwłaszcza w przypadku słabego podłoża, ulegają zmianie. W wyniku prowadzonej eksploatacji górniczej tworzy się niecka osiadań, zmieniają się stosunki wodne, na przykład: podnosi się zwierciadło wody lub powstaje zwierciadło napięte, woda przesącza się przez warstwy gliny, grunty plastyczne ulegają nawodnieniu, aktywizują się dawne polodowcowe podziemne cieki wodne, co w wielu przypadkach prowadzi do powstania na niewielkim fragmencie pasa drogowego lokalnych odkształceń podobnych do deformacji nieciągłych [18], dlatego lokalnie możliwe są przemieszczenia poziome, większe niż wynikające z prognozy górniczej.

Należy mieć również na uwadze, że sama prognoza górnicza oparta jest na stosunkowo prostych założeniach geometrycznych powiązanych z funkcją opisującą osiadanie terenu, dlatego podane w prognozie górniczej powierzchniowe odkształcenie terenu „ε” należy wg [16] zwiększyć o współczynnik bezpieczeństwa γ = 1,3.

Grunt słabonośny, zwłaszcza grunt plastyczny, inaczej odkształca się w trakcie ściskania (tj. górniczego spełzania terenu) niż grunt budowlany niespoisty, w trakcie ściskania grunt plastyczny się odkształca, na jezdni mogą pojawiać się garby i progi, skrócenie odcinka terenu może być większe niż wynikające z prognozy górniczej.

Typowe uszkodzenia barier ochronnych i profilaktyka

W Polsce najbardziej popularne są bariery ochronne stalowe, dlatego w artykule pokazano uszkodzenia tylko barier stalowych i dla takich barier podano zalecenia związane z profilaktyką górniczą. Dla barier ochronnych linowych i sztywnych barier betonowych w artykule podane są tylko ogólne uwagi związane z odpornością na wpływy górnicze.

W przypadku barier ochronnych do istotnych uszkodzeń dochodzi w wyniku spełzania podłoża, tzn. odkształceń powierzchniowych o charakterze ściskań. Spełzanie terenu powoduje istotne przemieszczenia elementów barier ochronnych (fot. 2). Te odkształcenia, zwłaszcza przemieszczenia prowadnic w kierunku pasa ruchu (fot. 3), mogą stanowić zagrożenie dla bezpieczeństwa użytkowników ruchu.

Bariery ochronne stosuje się w celu poprawy bezpieczeństwa ruchu drogowego, dlatego powinny być projektowane i montowane w taki sposób, aby uniemożliwiać lub łagodzić skutki zjechania pojazdu z jezdni bądź korony drogi w chwilach przymusowych, chronić przed uderzeniem pojazdu w stałą przeszkodę znajdującą się na koronie drogi oraz zabezpieczać przed przejechaniem pojazdu na jezdnię o przeciwnym kierunku ruchu. Bariera ma chronić zdrowie i życie uczestników ruchu drogowego. Tymczasem bariery ochronne zdeformowane nie tylko nie pełnią swojej funkcji prewencyjnej, ale stanowią zagrożenie dla uczestników ruchu drogowego, dlatego projektant powinien przyjąć na etapie projektowania (zgodnie z ustawą prawo budowlane [15]) rozwiązania uniemożliwiające deformacje barier w wyniku oddziaływań górniczych.

Jednym z rozwiązań spotykanych na terenach górniczych na śląskich drogach jest podział długich odcinków barier ochronnych na mniejsze odcinki. Odcinki zachodzą na siebie mijankowo (fot. 4). Bariera od strony najazdu i zakończenia powinna posiadać nachylone do powierzchni korony drogi odcinki końcowe zagłębione i zakotwione poniżej poziomu gruntu lub inne zakończenia spełniające wymagania normy PN-EN 1317 [4].

Podział na mniejsze odcinki jest możliwy przy zachowaniu ogólnych warunków technicznych dotyczących odcinków końcowych barier [1, 5].

Na drogach krajowych wprowadza się obowiązek stosowania jednolitej formy początkowych i końcowych odcinków drogowych barier ochronnych (zwanych zgodnie z normą PN-EN 1317 „końcówkami”). Każda bariera ochronna od strony najazdu i zakończenia musi być wyposażona w odcinki początkowe i końcowe (końcówki). Odcinki te mogą być albo odcinkami barier nachylonymi do powierzchni korony drogi na odpowiedniej długości oraz zagłębionymi i zakotwionymi poniżej poziomu gruntu, albo specjalnymi, pochłaniającymi energię konstrukcjami, spełniającymi wymagania normy PN-EN 1317. Nachylenie początkowych i końcowych odcinków barier powinno być możliwie łagodne (dokonane na jak największej długości). Na drogach krajowych z zasady wyklucza się możliwość stosowania zakończeń barier ochronnych wystających ponad powierzchnię gruntu [2].

Należy pamiętać, że przerwy w barierach ochronnych są dopuszczalne wyłącznie w uzasadnionych przypadkach. Taka przerwa zwiększa ryzyko odniesienia obrażeń w przypadku uderzenia w barierę. Uszkodzenie bariery w wyniku górniczych deformacji podłoża nie tylko zmniejsza poziom powstrzymywania, ale w przypadku istotnych odkształceń prowadnic w stronę pasa drogowego może zagrażać bezpieczeństwu użytkowników ruchu, dlatego stosowanie przerw w barierach ochronnych jest uzasadnione. Rozstaw przerw powinien wynikać z prognozy górniczej i konstrukcji zastosowanej bariery ochronnej i powinien być indywidualnie obliczony przez projektanta. Podział barier ochronnych na segmenty pozwala dostosować je do przeniesienia wpływów dowolnej kategorii terenu górniczego.

Przerwy w barierach ochronnych projektuje się także poza obszarami szkód górniczych, np. [8]: „W przypadku konieczności zastosowania przerw w barierze ochronnej należy ukształtować odcinki czynne bariery w taki sposób, aby zachodziły one na siebie na długości co najmniej 6,0 m przy zastosowaniu odchylenia poprzecznego zewnętrznej linii bariery nie większego niż 1:20, a w szczególnych przypadkach odchylenia 1:12. Dopuszcza się zastosowanie odcinków początkowego i końcowego o długości 4,0 m” (rys. 1).

Zamiast dzielić bariery ochronne na niezależne odcinki, można zastosować łącznik dylatacyjny. Łącznik dylatacyjny to element konstrukcyjny prowadnicy, który pozwala na realizację przemieszczeń w zakresie długości owalnych otworów w prowadnicy. Aby zmniejszyć możliwość wyboczenia bariery (prowadnicy) z jej płaszczyzny w przypadku stosowania łączników dylatacyjnych, odległość słupków powinna być mniejsza niż w przęsłach normalnych. Na fot. 5 i 6 pokazano przykład z drogi powiatowej zlokalizowanej na terenach górniczych.