INŽ.BLOG

Zapisi iz prakse: gostota geološko-geomehanskih in hidrogeoloških preiskav pri napovedovanju geotehničnih razmer pri gradnji predorov v Sloveniji

1. Geološko-geomehanske in hidrogeološke preiskave – kdo jih sploh potrebuje?

Čeprav je zavedanje o pomenu geološko-geomehanskih in hidrogeoloških preiskav (odslej GGHG) še posebej pri projektantih, inženirjih in investitorjih na velikih in pomembnih objektih že prisotno, pa se nemalokrat še vedno srečujem z vprašanjem – zakaj jih sploh potrebujemo. In tu se začne velika večina problemov, ki spremljajo gradbene/infrastrukturne projekte do konca njihove življenjske dobe.   
Dokler ne bomo gradbenih objektov temeljili v zraku, smo pač obsojeni na to, da temeljimo v tleh, ki jih sestavljajo zemljine, kamnine, zrak in voda. V svoji strokovni praksi se srečujem z inženirji različnih panog – pretežno gradbeniki, ampak tudi s strojniki, elektroinženirji, kemijskimi tehnologi… in večina njih je navajena imeti opravka z umetnimi materiali, katerih lastnosti so znane, napovedljive, ponovljive in pogosto standardizirane. Tla, ki jih generalno delimo na zemljine in kamnine, pa so nastala skozi kontinuirane geološke procese, v stalno spreminjajočem se okolju. Zato so nehomogena. Njihove lastnosti se v prostoru hitro spreminjajo in že znotraj navidezno homogene geološke enote, se lahko vrednost določenih parametrov na razdalji samo nekaj metrov bistveno spremeni. Vsakomur je jasno, da desetkrat nižje vrednosti elastičnega modula na enem delu pod temelji lahko bistveno vplivajo na končno uporabnost in stabilnost samega objekta.
In dokler razmišljamo samo na ravni stanovanjskih hiš in manjših poslovnih objektov, umeščenih na relativno urbaniziranih območjih, kjer že obstaja zgodovina gradnje podobnih objektov, vse skupaj še ne deluje zelo problematično. Večinoma so naša naselja umeščena na ravninske dele, ki jih prekrivajo različno debeli sloji zemljin. Vendar se že tu lahko vmes pojavljajo lokalno zelo problematični sloji in različni nivoji podzemne vode (arteški tlaki), ko pa se dotaknemo vznožja pobočij in se zakopljemo globlje, pa se srečamo še s kamninami, kar še dodatno popestri dogajanje. In nikjer ni to bolj očitno kot pri načrtovanju in izgradnji večjih linijskih infrastrukturnih projektov (ceste, železnice, HE itd.).
Pa si poglejmo en primer. Pred približno 20 leti, ko se je potegnila dokončna trasa drugega tira, je že bežen pogled na ortofoto pokazal (Slika 1 levo), da je umeščena na močno poraščenem, slabo poseljenem terenu.

Slika 1. Trasa drugega tira – prikaz poteka na ortofoto posnetku (levo) in na DMT (desno)

Ko pa položimo njen potek na digitalni model terena – DMT (Slika 1 desno), pa vidimo, da se iz Divače do Kopra, brez tega, da se večji del trase izvede v predorih in dveh viaduktih, enostavno ne da priti. Vhodne podatke o tem, kakšne GGHG razmere lahko pričakujemo in na osnovi katerih geomehanskih parametrov lahko projektanti načrtujejo objekte, pa je mogoče pridobiti le s pomočjo obsežnih GGHG preiskav. Koliko pa je potrebno teh preiskav?

2. Koliko preiskav je dovolj?

V odvisnosti komu se postavi to vprašanje, naročniku ali izdelovalcu GGHG preiskav, dobimo navadno diametralna odgovora. V svetovni inženirski praksi obstaja neposredna korelacija med višino vlaganj v raziskave in končno vrednostjo investicije (1). Statistične analize kažejo, da bi morali stroški GGHG preiskav znašati med 5 % in 6 % celotne vrednosti projekta. Takšen vložek omogoča zmanjšanje nepredvidenih stroškov na raven pod 10 %.
Raziskava na 51 študijah primerov je pokazala (2), da so izdatki za raziskave pogosto znašali le 1 % ali manj, kar je vodilo v povprečno 77-odstotne prekoračitve stroškov gradnje, za primer predora pod Rokavskim prelivom so geotehnične preiskave v fazi razpisa znašale le 1,9 % vrednosti projekta. Posledica pomanjkljivega poznavanja geoloških detajlov je bila 78-odstotna prekoračitev skupnih stroškov. Najlepše soodvisnost med skupnim povečanjem stroškov investicije in deležem sredstev vloženih v GGHG preiskave glede na skupno vrednost investicije kaže Slika 2 (3).

Slika 2. Povečanje investicijske vrednosti projekta v odvisnosti od vloženih sredstev v preiskave

Podobne razmere so tudi pri nas. Skozi vse projektne faze večjih infrastrukturnih projektov se strošek GGHG preiskav navadno giblje med 1 in 3 %, pri čemer smo v večini primerov na spodnji strani razpona. Iz Slike 2 izhaja, da to lahko povzroči do 80% povečanje stroška investicije. Nezadostna gostota preiskav vodi v t.i. "geološka presenečenja", ki se v praksi odražajo pri predorih predvsem kot:

1. Spremembe zasnove: Potreba po spremembi tehnologije izkopa ali tipa podpiranja sredi gradnje, kar je vedno bistveno dražje od načrtovanih ukrepov.
2. Zamude in zastoji: Vsak nepredviden dogodek (npr. vdor vode, kaverna) ustavi dela, medtem ko mehanizacija in delovna sila povzročata fiksne stroške.
3. Varnostna tveganja: Nepredvideni zruški ali deformacije na površju lahko ogrozijo življenja in obstoječo infrastrukturo.

Poglejmo si primer, kako je preiskan predor T1 na projektu 2TDK. Na Sliki 3 (zgoraj) vidimo njegov vzdolžni prerez z lokacijami vseh 9 vrtin (niveleta predora je označena z rumeno barvo). Kar je iz tega prereza nemudoma jasno, je, da mi z gotovostjo vemo, kaj nas čaka pri izkopu 6 km predora v samo v devetih točkah, vse vmes je pa prazno, torej neznano. 

Slika 3. Lokacije vrtin na predoru T1 (zgoraj) z vrisanimi litološkimi mejami in prelomi določenimi s pomočjo geološkega kartiranja (spodaj)

Sicer to praznino nekoliko dopolnimo s podatki, ki jih pridobimo na površju s kartiranjem (slika 3 spodaj), a če ponovno pogledate Sliko 1 vidite, da je teren je poraščen, prekrit in težko prehoden, tako da teh podatkov ni veliko. Na naslednji sliki so z rdečo prikazane predvidene ploskve prelomov in naše predvidevanje, kako posamezne plasti v prostoru povijajo. Ampak to je samo modelna napoved in še to samo v tej osi - 50 m levo ali desno je slika skoraj gotovo že drugačna. 
Na osnovi analize tega in še nekaterih drugih večjih infrastrukturnih projektov ocenjujem, da lahko s 100 % gotovostjo napovemo, kaj nas čaka pod površjem, na do maksimalno 3 % celotnega »vplivnega« volumna, ki ga predor ali na primer trasa tangirata. Največkrat pa s polno gotovostjo poznamo veliko manj kot 1 odstotek prostora, v katerega posegamo. 
K sreči lahko na osnovi uporabe geoloških znanj in zakonitosti v velikem številu primerov to negotovost precej zmanjšamo in določimo, kot je to v primeru GGHG preiskav predorov, posamezne odseke, kjer z deleži opišemo razpone GGHG razmer in posledično geotehničnih obnašanj, ki jih lahko projektant nato pri načrtovanju tudi upošteva.
Vseeno pa je za to potrebno zagotoviti neki minimalen obseg preiskav, kar pa določa Eurokod EC7 – SIST EN 1997-1 (4) in predvsem TSPI – P.14.101: 2025: Geotehnika - Minimalne zahteve za načrtovanje in izvedbo preiskav tal in podzemne vode (5).

3. Zahteve o raziskanosti predorov po EC7 in TSPI – P.14.101: 2025

Evrokod 7 (EC 7) in predvsem TSPI – P.14.101: 2025: Geotehnika - Minimalne zahteve za načrtovanje in izvedbo preiskav tal in podzemne vode določata stroga minimalna merila za obseg preiskav tal in podzemne vode. Po EC7 se geotehnični objekti razvrščajo v tri geotehnične kategorije (GK) glede na zahtevnost projekta, geološke razmere in tveganje. 
Namen razvrstitve je določiti obseg raziskav, projektiranja, preverjanja in nadzora. Za predore velja, da so to objekti z visokimi tveganji in posledicami, zato kategorija GK1 za predore ne obstaja, tako da se vsi predori uvrščajo v:

• GK2: Običajne razmere in zahtevnost.
• GK3: Zahtevne geološke razmere, visoki vodni tlaki, velika nadkritja ali prisotnost narivov in krasa.

Za ustrezno preiskovanje predorov je ključna izvedba strukturnih vrtin, ki morajo segati pod profil predora premera D za vsaj 1 D pri GK2 oziroma 2 D pri GK3. Gostota vrtin pa je v odvisnosti od geotehnične kategorije (GK) in višine nadkrijta podana v Preglednici 1. Število vrtin se lahko z uporabo komplementarnih metod (geološko kartiranje, geofizika ipd. ali izvedbo poskusnih rovov) zmanjša, vendar v praksi vrtine še vedno predstavljajo osnoven podatek o GGHG razmerah na niveleti predora.  
Preglednica 1. Minimalni obseg preiskav za načrtovanje predorov na trasah prometnic brez portalnih območij (5) 

4. Nekaj primerov iz prakse

Omeniti je treba, da navadno predstavljajo najbolj zahtevni del predorov portalna območja in območja z zelo nizkim nadkritjem, ki pa jih v tem prispevku ne obravnavam. Gostota preiskav na teh območjih se določa po usmeritvah za globoke vkope (5). V prispevku se bom osredotočil le na preiskanost tras štirih najdaljših predorov na trasi drugega tira in dveh predorov na trasi III osi odseka Velenje Slovenj Gradec. Predori na trasi drugega tira (T1, T2, T7 in T8) so že v celoti izvedeni, predora na III osi (Pusta gora in Vodriž) sta pa ravno v izvajanju. 

V nadaljevanju na kratko povzemam geološke razmere po posameznih predorih:

• Dvocevna predora T1 (6.7 km) in T2 (ca 6.1 km) na trasi drugega tira (6): Trasa obeh predorov prečka zaporedje krednih in paleogenskih mestoma visoko zakraselih karbonatnih kamnin (apnenci), ki se proti jugu prevesijo v eocenski fliše. Trasa preči več narivnih enot, kjer so starejši apnenci narinjeni na mlajši fliš. Podzemna voda v kraškem sistemu kaže ekstremna nihanja in visoke pritiske (tudi do 99 m vodnega stolpca nad niveleto predora). Predora lahko uvrstimo v GK3.
• Enocevni predor T7 (6.7 km) in dvocevni predor T8 (ca 6.1 km) na trasi drugega tira (7): Celotna trasa obeh predorov poteka v flišnem zaporedju, ki ga sestavlja menjave laporovcev in peščenjakov. Trasa preči številne narivne pasove, kjer so flišne sekvence narinjene druga na drugo v smeri proti jugozahodu. V narivnih conah in ob številnih prelomih so plasti močno porušene nagubane in preperele. Posamezne dele predorov lahko uvrstimo v GK3, pretežno pa sodi v GK2.
• Dvocevna predora Pusta gora (1.2 km) in Vodriž (ca 0.7 km) na trasi III osi (8,9): Oba predora v celoti potekata skozi miocenske sedimentne kamnine (ivniške plasti), ki jih zaznamuje gosto menjavanje konglomeratov, peščenjakov in meljevec. Območje je bilo podvrženo močni kompresiji v smeri sever-jug, kar je ustvarilo značilne nagubane strukture ter prelome. Predora lahko uvrstimo v GK2.

Glede na podane razmere in skladno z zahtevami podanimi v Preglednici 1 je v Preglednici 2 podana stopnja ustreznosti preiskanosti posameznih predorov.

Preglednica 2. Stopnja preiskanosti posameznih predorov ob upoštevanju maksimalnega nadkritja

Na osnovi prikazanih primerov, bi lahko zaključil, da so z izjemo predorov Pusta gora in T8 (mejno) preostali predori neustrezno preiskani. Vendar pa je pri tem treba upoštevati:

• Da je analiza opravljena na osnovi maksimalnega nadkrijta in da je pri večini predorov dejansko nadkrijte precej manjše (Slika 4).
• Da so globoke strukturne vrtine zelo drage in časovno zamudne, v določenih primerih pa jih zaradi nedostopnosti terena enostavno ni mogoče izvesti. Zato si za izdelavo geološke napovedi pomagamo s komplementarnimi metodami. Ob upoštevanju strukturno-geoloških zakonitosti pridobljenih s kartiranjem površja in detajlnim popisom vrtin ter rezultati drugih metod (geofizika) lahko iz obstoječih vrtin, kot je razvidno iz Slike 4, izdelamo veliko bolj natančno »geološko prognozo«.

Slika 4. Vzdolžni geološko-geomehanski prerez predora Vodriž

Bodite pozorni, da je beseda »geološka prognoza« v narekovajih. Ko neizšolano oko vidi profil, kot je podan na Sliki 4, lahko hitro pride do zaključka, da je vse znano in da geotehničnega rizika ni in ob tem pozabi, da je to samo napoved in da bo v realnosti pri izkopu lahko prišlo do bistvenih odstopanj.

4. Obvladovanje geotehničnega rizika – Geotehnični nadzor