Mérnökgeológiai kutatások

Előzmények, kutatás - műszaki megfontolások

Budapest és ezen belül a metrónyomvonal változatai által érintett területek geológiai feltárása és vizsgálata az 1800-as évek közepétől folyamatosan gyűjtött adatokra támaszkodik. A 4-es metróvonal földtani kutatása 1967-ben kezdődött, a fúrások legnagyobb része 1977-ben mélyült, F-62 duplafalú magcső alkalmazásával és komplett geofizikai karotázs mérésekkel.

A legújabb kutatási program megkezdése előtt a meglévő adatok, korábbi feltárások alapján földtani megbízhatósági vizsgálatot készítettek a szakértők az új fúrások helyeinek kiválasztása érdekében, amely során az alábbiakat vették figyelembe:

• Hosszú szakaszon fennálló kőzetadottságok, melyek döntő hatással vannak a választandó építési technológiára.
• Rövidebb szakaszokon (néhány száz méter hosszon) jelentkező kedvezőtlen adottságok, mely az alkalmazott építési technológia mellett speciális technológia alkalmazását teszi szükségessé.
• Lokális problémák, pl. vetők környezete, néhány méteres szakaszon kedvezőtlen talajadottságok, mely az alkalmazott építési technológia kismérvű módosításával leküzdhetők.

Az új fúrások során a legkorszerűbbnek számító Geobor S magcsövet használták, amely a Wire Line fúrási technológiával és a polimer iszapokkal együtt biztosította a 102 mm átmérőjű magminták 98%-os TCR értékét (Total Core Recovery - magkihozatali %), továbbá a maganyag 'in situ' állapotának megőrzését. A magmintákon, nagyátmérőjű triaxiális vizsgálatok készültek, amelyek kiterjedtek a reziduális állapot kőzetfizikai jellemzőinek meghatározására is.

A helyszínen készített talajmechanikai, kőzetfizikai (kőzetpresszióméteres mérés), hidrogeológiai és geofizikai (karotázs, cross hole és down hole) mérések támogatták a komplex kutatómunka sikerességét. A tanulmány elkészítése során elemezték a korábbi feltárások, vizsgálatok eredményeit és azokat az újabb, pontosabb, részletesebb feltárások eredményeivel korrelálták.

Az előírásoknak megfelelően sor került a metróvonal földrengés - veszélyeztetettség és az előzetes Környezetvédelmi Hatástanulmány készítésére is, amely utóbbi a földtani, hidrogeológiai, geohidrológiai és mérnökgeológiai összefoglaló szakvélemény alapadatainak felhasználásával készült.

Földtani felépítés, mérnökgeológiai viszonyok a nyomvonal környezetében

A metróvonal által érintett terület földtani felépítése, nagyléptékű tektonikája a földtani szakemberek előtt ismeretes volt. Az újabb kutatások e nagyléptékű ismereteket a nyomvonal mentén pontosították, illetve igazolták például a Duna alatti átvezetés környezetében.

A nyomvonal által érintett terület három fő geológiai- mérnökgeológiai egységre bontható:

• "A" mérnökgeológiai egység, budai szakasz: Kelenföldi pályaudvartól a Szent Gellért térig;
• "B" mérnökgeológiai egység, a Duna alatti átvezetési szakasz: Szent Gellért tér - pesti rakpart;
• "C" mérnökgeológiai egység, pesti szakasz: Fővám tértől a Keleti pályaudvarig.

"A" mérnökgeológiai egység, budai szakasz: Kelenföldi pályaudvartól a Szent Gellért térig

A kelenföldi pályaudvartól a Szent - Gellért térig pleisztocén korú, laza, hegylábi törmelékből álló üledékek alatt középső és alsó oligocén agyag, agyagmárga található több száz méter vastagságban.

1. ábra: I. és II. mérnökgeológiai hossz-szelvények

Az 1997. és 1999. évi kutatófúrások során alkalmazott fúrástechnológia és az RQD, TCR értékek meghatározása mutatott rá a harmadidőszaki képződmények alábbi geotechnikai tagozódására:

• Expandált zóna, amely felosztható egy mállott, töredezett felső, valamint repedezett alsóbb szakaszra;
• Expandációs hatáson túli szakasz, ép kőzettömeg.

A földtörténeti folyamatok során, amikor is az oligocén felszín szárazulattá vált, több száz méteres lepusztulás következett be, melynek során a kőzetfelszín expandált, összetöredezett és az expanzió hatásának mélységéig a szilárdsági tulajdonságai is csökkentek. Az összetöredezett kőzetfelszín elősegítette a mállási folyamatot, amely mind a mai napig folytatódik a holocén, pleisztocén rétegekben áramló és tározódó talajvíz hatására.

A kissé részletesnek tűnő tagolást az indokolja, hogy a tervezett alagút megépítése és a feszültségek átrendeződése többnyire az expandált zónában történik, illetve játszódik le.
A Bieniawski (1974) által kidolgozott kőzetállékonysági diagramban ábrázoltuk a zóna jellemző helyét, RSR (31), alagútátmérő (6 m) és az állékonysági adatokkal (2. ábra). Látható az ábráról, hogy az alagút, amelyik teljes szelvényben e zónában halad, aktív biztosítás nélkül nem állékony.

2. ábra: Kőzetállékonysági diagramm, a budai szakaszon, az RSR és az alagútátmérő függvényében (Bieniawski, 1974)

A talajvíz helyenként erősen agresszív, az előforduló maximális szulfát-ion koncentráció 6000 - 7000 mg/liter.

"B" mérnökgeológiai egység, a Duna alatti átvezetési szakasz: Gellért tér - pesti rakpart

A metróvonal földtani, hidrogeológiai és geohidrológiai különlegessége a Duna alatti átvezetés, ahol is az alagutak a triász korú, meleg karsztforrások közelségébe kerülnek. Az egység mérnökgeológiai hossz - szelvényét a 3. ábrán mutatjuk be.

3. ábra: III. mérnökgeológiai hossz-szelvény

A terület erősen tektonizált. A Gellért hegy tömegét alkotó triász dolomit a felszíntől 800 - 900 m mélységre lépcsőzetesen vetődik le, mintegy 400 - 500 m-es vízszintes távolságon belül, kialakítva a jellegzetes aszimmetrikus és tektonikus sasbérces szerkezetet. Az alagút környezetében a budai oldalról a pesti oldal felé haladva a középső - alsó oligocén agyagmárga, vetők mentén először eocén korú, laza agyag - dolomit törmelékbe vált át. Ezen a 40 - 50 m-es szakaszon az alagút alsó szelvényében, a feküben megjelenik a triász felszín, dolomitpor és kataklázosodott triász dolomit kifejlődéssel, amely utóbbi csekély mechanikai hatásra poliéderekre esik szét. Az alagút ezen a szakaszon közvetlenül érinti a Pannon medencében lévő meleg karsztvíz rezervoárt, illetve annak a tektonikai vonalak mentén történő természetes, szabad és pozitív kifolyását. A karsztvíz rendszer nyomása a mindenkori Duna vízszinthez viszonyítva 1 - 1,5 m-rel magasabb, tehát természetes körülmények között a karsztvíz nem keveredhet, szennyeződhet a folyó vízével. A kifolyó karsztvíz, gyógyvíz, hőmérséklete 40 °C körüli, minőségére jellemző a kalcium - magnézium - hidrogénkarbonát továbbá a jelentős fluorid ion és metakovasav tartalom.

E környezetet elhagyva az alagút, erősen töredezett, de a felszálló meleg-karsztvizek hidrotermális hatására kovasavval átitatott eocén márgában halad. A pesti oldalhoz közelítve egy jól meghatározható nagyszerkezeti vonal mentén az eocén márgát alsó oligocén agyagmárga váltja fel, amely fokozatosan középső oligocén márgás agyag, majd a pesti Dunapart közelében felső oligocén, gyengén karbonátos kötésű finom homok, iszap, agyag rétegek jelennek meg az alagút környezetében.

A tervezett metróvonalnak több szempontból is közérdeklődésre számot tartó szakasza a Duna meder alatti átvezetés. Az egyik ok a hévízforrások megközelítése miatt újra feléledt környezetvédelmi aggodalom, másik maga a folyómeder, mint mesterséges elemekkel terhelt természeti képződmény, amely hidrológiai és hajózási szempontból kiemelten fontos.

A bonyolult és összetett földtani, hidrogeológiai és geohidrológiai viszonyok miatt különleges építéstechnológiai követelményeket kell támasztani.

Alapvető érdek a vízbetörés lehetőségének elkerülése, célszerűen biztonságos ellennyomással a fejtési homlokon és megbízható szigeteléssel a köpenyen. Az ellennyomás nagysága, vagyis a számításba veendő hidrosztatikus nyomás a mindenkori Duna vízszint 2 m, a szükséges technológiai biztonság.

A jobb oldali alagút függőleges tengelyében felülről lefelé megjelenő kőzetcsoportok %-os eloszlását a 4. ábrán adjuk meg.

4. ábra: A "B" jelű mérnökgeológiai szakaszon a jobboldali alagút függőleges tengelyében felülről lefelé megjelenő kőzetcsoportok %-os megoszlása

A laboratóriumi vizsgálatok eredményei szerint a kőzetek szilárdsági jellemzőit, jelleggörbéit, merevségét alapvetően nem a kőzetek keletkezési kora, sem nem a mélységi helyzete, hanem az elszenvedett tektonikai és hidrotermális hatások határozzák meg. Így az agyagok nagy nyomások és hidrotermális kovásodás következtében lényegesen, 2-5-ször nagyobb szilárdságúak és ugyanakkor nagyobb merevségűek is, mint a budai oldali előfordulásban.

• Eocén bázistörmelék: A bázistörmelék - és alárendelten báziskavics - kevés agyagos kötőanyagot tartalmaz. Az anyag széteső volta miatt nem alkalmas kőzetmechanikai vizsgálatokra.
• Budai márga: A budai márga világos barnásszürke, rétegzetlen, belső lemezesség nélküli kemény agyag, mely mésztartalma alapján márgának minősül. A repedésmentes kőzettömeg vízzáró, a repedezett kőzettömeg azonban alkalmas mind a fedő, mind a fekü oldalon megjelenő folyó és meleg karsztvíz szállítására.
• Tardi agyag: A jelenleg tervezett nyomvonal a korábban részletesen megkutatott nyomvonal változattól északra fekszik. A korábban mélyült fúrások adatai azt mutatják, hogy azt a területet nem érte el, vagy csak kis mértékben a hidrotermális hatás. Így a kőzetfizikai jellemzők összehasonlítása nem célszerű.
• Kiscelli agyag: Kiscelli agyag várhatóan a Duna meder bal oldala és a pesti rakpart között fog jelentkezni egy rövid szakaszon.
• Felső oligocén: A felső oligocén, kőzetek, melyek agyagos kifejlődésűek több - kevesebb homoktartalommal, a pesti rakpart közelében várhatóak. A korábbi kutatási fázisokban e mélységig néhány vizsgálat készült.

"C" mérnökgeológiai egység, pesti szakasz: Fővám tértől a Keleti pályaudvarig

A néhány méteres feltöltés alatt az egykor meanderező Ős-Duna szemcsés üledékei találhatóak, lefelé növekvő szemcsemérettel. E pleisztocén üledék vastagsága átlagosan 10 - 12 m, szélső esetekben a 15 m-t is elérheti. A talajvíz pleisztocén rétegekben áramlik és tározódik.

A pleisztocén rétegek alatt oligocén és miocén rétegek települnek. Az egység mérnökgeológiai hossz - szelvényét az 5. ábrán mutatjuk be.

5. ábra: IV. és V. mérnökgeológiai hossz-szelvények

Az alagút környezetében a Duna parttól 100 - 150 m-re a felső oligocén kőzetekre, eróziós és szögdiszkordanciával keresztrétegzett alsó miocén rétegek települnek. Az alsó miocén rétegekre jellemző az alacsony karbonát kötésű homok, homokos kavics, kavicsos agyag és a 8 - 14 % karbonát tartalmú, kemény, finomhomok és iszap szemcseméretű márgás agyag rétegek.

A miocén rétegek itteni megjelenésétől a tervezett első szakasz végéig (Keleti pályaudvar) az alagút környezetében egyre fiatalabb, középső és felsőmiocén, keresztrétegzett rétegek jelennek meg. Az alsó miocén rétegek a miocén tenger partszegélyi fáciese, míg a fiatalabb miocén rétegek a váltakozóan transzgresszív és regresszív, de folyamatában mélyülő tenger üledékei. Mérnökgeológiai szempontból ez azt is jelenti, hogy a Keleti pályaudvar felé haladva a homokos rétegek folyamatosan csökkennek és egyre jobban a konszolidálatlan agyag, bentonitos agyag jelenik meg, a néhány méterestől a 40 m-es tektonikai elvetődések mellett.

A miocén rétegekben tározódó rétegvíz néhol közvetlen kapcsolatban áll a pleisztocén talajvízzel máshol nyomás alattivá válik. A rétegvíz nyomása néhány dm-rel nagyobb, mint a talajvíz nyomása.

A harmadidőszaki miocén korú rétegek keletkezéséből eredendően a laza, kohézió nélküli rétegektől a puha agyagokon át a tömör agyag és mészmárgáig terjedően találhatók a kőzetek. A jobb oldali alagút függőleges tengelyében felülről lefelé megjelenő kőzetcsoportok %-os eloszlását a 6. ábrán adjuk meg.

6. ábra: A "C" jelű mérnökgeológiai szakaszon a jobboldali alagút függőleges tengelyében felülről lefelé megjelenő kőzetcsoportok %-os megoszlása

Az osztályozó vizsgálatok alapján a finomszemű homok ill. a kis szilárdságú homokkő rétegek - mivel a szemeloszlás megállapítása érdekében, labortechnikai okokból az eredeti szerkezetet el kellett roncsolni - iszapnak ill. iszapos homoklisztnek minősültek. Ehhez járult a viszonylag magas karbonáttartalom (16 - 36 %), mely szintén befolyásolta a vizsgálatot.

A karbonátos kötés következtében a kohézió igen tág határok között változik. A maximális kohézió finomszemű homokkőből származik. Ezen rétegek vastagsága azonban nem haladja meg a 0,5 métert.

Vízföldtani környezet

A budai oldalon szoros értelemben vett talajvíz, nagyobb kiterjedésben és mennyiségben csak a holocén/korai pleisztocén árterén belüli területeken jelenik meg. A talajvíz általában a csapadékból kapja az utánpótlódását, azonban a Duna II. teraszának vonalától (megközelítőleg a Fehérvári út vonala a II. és az I. magas ártéri terasz határa) a folyó irányába eső területeken a folyó mindenkori vízállása, vagy táplálja vagy csökkenti a talajvíz szintjét és áramlási irányát.

Az egyik fő áramlási irány a Duna, mint erózióbázis felé történő szivárgás (a Duna galériaként gyűjti magába a talajvizet). A talajvíz áramlásának másik fő iránya a Duna völgyére jellemzően É - D-i irányú.

A fenti áramlási képet némileg módosítja a dombokról lefutó kisebb patakmedreket követő áramlás. A patakok teraszvizének ezen völgyirányú mozgásai végül is a Dunában mint erózióbázisban végződnek, de helyileg attól eltérően, legtöbbször É - D-i szivárgási mezőt alkotnak.

A Duna alatti szakaszon nincs értelme talajvízről beszélni, azonban a Duna mindenkori vízszintjének hatását a környezet talajvízszintjére nem lehet figyelmen kívül hagyni. Átlagos talajvízszint esetén a talajvíz szintje a Duna felé esik, míg magas vízállás esetén a Duna vize visszatölti ill. duzzasztja a talajvízszintet. A hatótávolság, ahol a visszatöltés magassága meghaladja a normális vízszintingadozás értékét mintegy 400 m. Ezt támasztják alá az 1965 évi árvízi adatok, valamint a Miskolci Műszaki Egyetem tanulmánya, mely az É-D- i metróvonal résfalas szakaszának talajvízszintre gyakorolt hatását vizsgálta.

A pesti oldalon egy jellegzetes határvonal két különböző jellegű, származású és mozgású talajvízzel jellemzett területet választ el egymástól. A Duna pleisztocén kori teraszába bevágódott óholocén Duna K-i partjának feltételezett vonala ez. A Duna bevágódása a terasz Ny-i peremét majdnem függőleges partfallá alakította. Ettől az ős parttól a mai Duna felé található az a terület, ahol az abradált térszint az Ős -Duna holocénkori ártéri üledékei töltötték fel (alacsonyabb terasz szintek), míg e vonaltól K-re az un. magasabb terasz szinteket találjuk.

A talajvíz nagyobb része az infiltrációs csapadékvizekből, míg kisebb része a harmadkori fekű konzekvens lejtésirányával egyező oldalirányú utánpótlódás és az élő vízfolyások (Szilas patak, Rákos patak) esetleges betáplálásából származik. A terület erózió bázisa a Duna, amely általában befogadó vízföldtani elem, másrészt a folyó parti területeken magas folyami vízállás esetén táplálja a talajvizet, míg a talajvíz szinthez képest alacsony vízállásnál apasztja.

A metróvonal vízminőségi szempontból két részre bontható:

• az első rész (Budaörs állomástól - Móricz Zs. Térig ) a lejtők talajvízének és a völgyi, lapályi talajvíz elterjedési területére jelölhető ki,
• míg a Móricz Zs. tértől a pesti oldalon végig az Újpalota állomásig, ahol is Duna ártéri talajvíz jelenik meg.

Monitoring rendszer az építés alatt és után

A környezet eredeti állapotába való beavatkozások miatt szükséges azok hatásainak megfigyelése az építést megelőző, az alatti és az azt követő időszakban. Ennek érdekében monitoring rendszereket kell kialakítani és működtetni már az építés megkezdése előtt ("0" állapot mérés) a talaj-, réteg- és karsztvíz megfigyelésére.

• Rendszeres észleléssel meg kell állapítani a talajvízszint-ingadozást, ami az esetleges változások alapdokumentuma lesz.
• A felújított észlelőkutakban az eddigi rendszertelen és ritka észlelések helyett be kell vezetni a háromnaponkénti vízállásészlelést.
• A talajvíz minőségének meghatározására havonta vízmintát kell venni és vizsgálni.
• A talajvízminőség ellenőrzésére a vonal 29-31 és 39-45 hm közötti szakaszán egy-egy figyelőkutat kell építeni a beruházónak a várhatóan legnagyobb SO4 tartalmú helyre.
• A tervezett állomások környezetében 2-2 új talajvízfigyelő kutat kell létesíteni a beruházás keretében a talajvízszint-változások regisztrálására. Az állomások felszíni csatlakozásai és az egyes helyeken felszínről módosított állomásépítmények esetenként lokálisan átharántolják a talajvíztartó réteget. Lokális kiterjedése befolyásolhatja a talajvíz áramlását. Kis körzetben tartós talajvízszint-emelkedést jelenthet, melyet szükség esetén műszaki megoldással kell semlegesíteni.
• A rétegvíz a metróvonal mentén csak a Gellért-hegy Duna alatti átvezetés szakaszán kerül olyan magasra, hogy rá hathat a metró építése. Ezen a szakaszon az észlelési rendszer feladata a metró biztonságának megoldása mellett a Duna menti meleg karsztvíz-bázis változatlan megőrzése is. Erre a nagyrészt meglévő kutakat a megfigyelési rendszerbe kell állítani. Folyamatos vízszint- (nyomásszint-) észlelést biztosítanak a Gellért-, Rudas- és Rácz-fürdők térségében. A kutaknak alkalmasnak kell lennie a vízhőmérséklet és a vízminőség időszakos észlelésére is.
• A Szent Gellért téri metróállomás körzetében a karsztvízre, új figyelőkút telepítendő és rendszeres vizsgálata szükséges. Ezen tervezett karsztvíz-megfigyelő kútnak:
• a főkarsztvíz-tároló kőzetet kell elérni és észlelni;
• az úgynevezett fedett karsztvíz nyomásszintjét, vízminőségét és hőmérsékletét kell észlelnie;

A talajvízészlelést az építés alatti időben, a jelenlegi helyzetben megadott rendszerben kell folytatni.
A rétegvíz észlelése az építés alatt döntően a víz minőségére kell, hogy vonatkozzon. Ennek érdekében a nyílt homlokú építés során 50 méterenként kell vízmintát venni és elemezni a talajvíznél megadott összetevőkre.

Az összes észlelést az építés után egy évig az építés alatti előírásoknak megfelelően kell folytatni.

A felszín alatti vizek megfigyelésére vonatkozóan olyan (szabványos) figyelőkutak létesítése szükséges, amelyek segítségével a vízszintek észlelése mellett (szivattyúzott) vízminták vételére is lehetőség van. A figyelőkutak tervéhez hozzá tartozik azok műszerezettségének terve, valamint a teljes észlelőkút-hálózat észlelési utasítása is.

Forrás:
A budapesti 4. sz. metróvonal I. szakasz Összefoglaló geotechnikai-, mérnökgeológiai és hidrogeológiai jelentésben közölt Mérnökgeológiai hossz-szelvények (talajmechanikai adatok nélkül) (c) Copyright: DBR Metró - Geovil Kft. BUDAPEST Dél-Buda-Rákospalota (4.) metróvonal, I. szakasz Előzetes környezeti hatástanulmány (hiánypótlással kiegészítve) (III. kötet, Összefoglalás, 2002. június)