Az alagútépítés
Korszerű pajzsos alagútépítés alkalmazása a 4-es metrónál
Napjainkban az alagutak a legváltozatosabb kőzetviszonyok között, élővizek alatt, hegységek alatt nagy kőzetnyomásban, városbelsőkben, a pályaudvarok közelében kis takarással épültek. Ezért a legkülönbözőbb pajzstípusok, és építéstechnológiák kialakítása vált szükségessé. Az építési tapasztalatok alapján egyre több újabb megoldás született. Ma már kimondható, hogy a legkülönösebb helyzetek megoldására is van bevált gyakorlati módszer.
A budapesti 4-es metróvonal első szakaszának építésénél tervezett alagútépítő pajzsok is lényegesen különböznek majd a korábban Magyarországon a K-Ny-i, illetve az É-D-i vonalon alkalmazott nyitott homlokú alagútépítő pajzsoktól.
A ma gyártott korszerű alagútépítő pajzsok, amelyek a 4-es metró alagútjainak kiépítésénél számításba jöhetnek, gyakorlatilag minden, hajtás közben előforduló probléma kezelésére alkalmasak, ahogy azt a nemzetközi gyakorlatban a tengerek alatt nagymélységben, folyók alatt, és az Alpok alatti nagynyomású karsztvizeken keresztül sikeresen hajtott alagútépítések igazolják.
Az alagútépítő pajzsokkal szemben támasztott, a részletes feltárások eredményeiből fakadó speciális követelményeinket a majdani kivitelezővel kötött szerződésen keresztül tudjuk és fogjuk érvényesíteni, a helyi adottságoknak megfelelő, szigorúan megfogalmazott, műszaki specifikációban.
Milyen technológiát kell majd alkalmazni?
A pajzstípus kiválasztásának egyik legfontosabb szempontja az, hogy a pajzs az indulási (Kelenföld pályaudvar állomás) és érkezési pont (Keleti pályaudvar állomás) közötti szakaszon harántolandó összes talajfajták fejtésére alkalmas legyen. Mivel a budai oldalon az altalaj áltatában kemény (márga) és vízbetörés sem várható, ezen a szakaszon un. nyitott homlokú, keresztfejtős pajzs is alkalmazásba jöhet. Ezzel szemben a Duna alatt és a pesti oldalon ún. zárt homlokmegtámasztású pajzzsal kell az alagutat kihajtani.
Hasonló talajkülönbség egy alagúton belül máshol is előfordul, emiatt fejlesztették ki a többcélú alagútépítő pajzsokat ("Mixshield", "Polyschield"). Ezeket úgy lehet átalakítani nyitott homlokúról zárt homlokmegtámasztásúra, hogy a pajzsot közben nem kell kiemelni. Ezt az átállítást a 4-es metróvonal esetén a tervező a Szent Gellért tér állomásnál irányozta elő. Innen tehát a pajzsok zárt homlokmegtámasztással haladnak át a Duna alatt és végig a pesti szakaszon. A zárt homlokmegtámasztás biztosíték arra, hogy sem kőzetbetörés, sem nagy mennyiségű, bármilyen eredetű víz nem áraszthatja el a pajzsot.
A pajzs külső szerkezete egy zárt acélhengerből és egy fejtő-homlokmegtámasztó tárcsából áll. A forgó tárcsa fejti a homlok előtti kőzetet, ami a tárcsán lévő szabályozható nagyságú ablakokon át bejut a munkakamrába, mely a pajzs hátsó részétől vízzáró acélfallal van lezárva. A munkakamrában a kifejtett kőzet a bentonitos zaggyal elkeveredik. Onnan a kifejtett földet is tartalmazó zagy csak a zárt szállítócsövön át tud távozni, az alagúton keresztül vezetve, a felszínen lévő szeparátorba. A zárt szállítócső tolózárakkal bármikor lezárható. A friss zagy utánpótlás is zárt csövön jön a felszínről az alagúton át a zárt homlokkamrába. A zagy túlnyomása szabályozható. A szabályozással érhető el a homlokon jelentkező föld és víznyomás ellentartása a mindenkori hidrosztatikus nyomásnak megfelelően.
A rendszer azonnal reagál arra is, ha a homlokon hirtelen nagymennyiségű, nyomás alatt álló víz, nevezetesen karsztvíz jelentkezik. A zárt rendszerbe ilyen módon esetleg bekerülő víz legfeljebb azt eredményezi, hogy megnövekszik a kamrában a nyomás. Ez a körülmény azonban nem akadálya a pajzs továbbhajtásának. A pajzs továbbhaladásával együtt jár a homlokon jelentkezett vízér elzáródása. A pajzs és az alagútfalazat együttesen úgy működik, mint egy dugó, amely elzárja a víz útját a pajzs/alagút falán belül.
A pajzs hátsó részén elhelyezkedő erektorral az elemekből álló alagútfalazatot a pajzs faroklemezén belül szerelik össze, gyűrűnként. Az elemek között csavarkapcsolat van és egyúttal olyan gumi, vagy műanyag tömítő rendszer, amely a falazatnak azonnali vízzáróságot biztosít. Víz tehát a falazaton keresztül sem juthat be az alagútba.
A pajzsot mindig a legutolsó szerelt elem-gyűrűre támaszkodva nyomják előre a pajzsba beépített sajtók. A pajzs faroklemez és az alagútfalazat közötti hézagot csúszó vízzáró tömítés, és különleges helyzetben egy gyorsan felfújható második vésztömítő gyűrű zárja le.
A homlokkamrát leszámítva, a pajzson belül nincs túlnyomás. Az ismertetett rendszer gyakorlatilag kizárja, hogy szivárgási mennyiséget meghaladó vízmennyiség jusson be az alagútba.
A fentitől eltérő, de eredményeit illetően hasonló másik pajzstípus az úgynevezett aktív földmegtámasztású (EPB) pajzs. A homlokot a kifejtett kőzetből és a kondicionáló anyagokból álló földmassza támasztja meg. A fejtés és a kiszállítás megkönnyítése érdekében a kamrában lévő kifejtett földhöz kondicionáló anyagot adnak, amely a szükség szerint lehet víz, bentonit, habképző anyag.
Vízbetöréssel szemben ez a pajzstípus is megfelelő biztosítékot nyújt. A különbség a zagyos, hidro-pajzzsal szemben az, hogy az, hogy itt lassabban történik meg a hirtelen geológiai, hidrogeológiai változásokhoz (vízbetörés) alkalmazkodó nyomásváltozás kiegyenlítése. A pajzs átállítására nyitott keresztfejtős módról EPB módra, a zagyos módszernél ismertetett módon történik.
A közvetlen pajzs előtt 8-10 méterre helyezkedő kőzet helyi feltárása a pajzsköpenyben kialakított tömszelencés szerkezeten keresztül feltáró fúrással történik. Az így közvetlenül megismert kőzetviszonyoknak megfelelően, lehetőség van még időben a megfelelő intézkedések megtételére.
A pajzsköpenyben körben kialakított tömszelencés fúró, injektáló nyílásokon keresztül lehetőség van - ha szükséges - a pajzs köré egy vízzáró köpeny, vagy ernyő injektálására. A fentebb ismertetett zagyos alagútépítési technológia két olyan anyagot hasznát, amely a harántolt kőzettel-karsztvízzel közvetlen érintkezésbe kerülhet: a bentonitos zagy és az alagút hátűrének kitöltése céljából beinjektált cementhabarcs. A betonit, mivel hogy agyagásványokból áll, környezetszennyezést nem jelent, hiszen az adott szakaszon található kőzet is döntően agyag.
A betonitos zagy támasztja meg folyamatosan a pajzs fejtőtárcsája előtti kőzetfalat és gátolja meg az esetleges vízbetörést. A zagy nyomása sűrített levegővel szabályozható. A benyomott zagy, és az elszállított anyag mennyisége ugyancsak folyamatosan ellenőrzött így a káros üregképződés kizárt.
Mivel nincs nagyobb kitámasztó nyomásra szükség, mint a homlokon jelentkező föld- és víznyomás, a rendszer gyakorlatilag folyamatosan egyensúlyban van. Bentonitos zagy csak akkor kerülhetne be az alagút környezetébe, ha a zagyot a szükségesnél nagyobb nyomás alá helyeznék. Ezt azonban a technológiai szabályok és az emberi hibákat kizáró automatikus vezérlés nem engedi.
Az aktív földmegtámasztásos (EPB) rendszernél a marótárcsával kifejtett kőzethez a fejtés és a könnyebb szállíthatóság érdekében kondicionáló, homogenizáló habosító adalékanyagot adnak, ha erre szükség van. Az így kezelt, vagy kezeletlen földanyag zárt csőrendszerben távozik az alagúton keresztül a felszínre. A habképző anyagok nemzetközi gyakorlatban elterjedten használt, környezetbarát anyagok, amelyek kémiailag és biológiailag lebomlanak.
Az alagútfalazatot körülvevő hátűrt gyorsan kötő cementhabarccsal töltik ki, közvetlenül az után, hogy az összeszerelt tübbing-gyűrű a pajzs előresajtolása révén a pajzs faroklemezéből kikerült.
Maga az injektáló habarcs összetétele úgy van megválasztva, hogy az csak nagyobb üregeket tudjon kitölteni, és hogy beinjektálás után a megfelelő időben szabályozottan megkössön. Adalékként kimosás-gátló anyagot is lehet a habarcsba adni. Ez alatt az idő alatt a habarcs legfeljebb az alagút közvetlen közelében lévő kisebb-nagyobb repedéseket, tudja kitölteni, távolabbra nem juthat.
(Egyébként a Gellért fürdő legközelebbi, a termeltetésből 1979-ben kivont I. forráscsoport helyétől az alagút legalább 170 m távolságra van.)
A Duna alatti szakaszon a nagyobb biztonság érdekében az alagútfalazó falazó elemek (tübbingek) csavaros kapcsolata a szokásosnál hosszabb ideig, a mért alagúti konszolidáció befejezéséig, vagy véglegesen is bennmaradhat.
A vízzáró betonból és szulfátálló cementből előregyártott falazó elemek teljes vízzáróságát, a homloklapokon horonyban elhelyezkedő neoprén anyagú szigetelés biztosítja. Másodlagos szigetelésként, és egy esetleges alagúti tűz fellépése eseten a neoprén szigetelés védelmeként a falazó elemek hornyai hő és tűzálló anyag kitöltésével kerülnek kialakításra. Az alagútfalazó elemek (tübbing) kialakítása biztosítja szükség esetén az utólagos vízzáró injektálás lehetőségét.
A fentiekből következtethető, hogy a korszerűen épített zárthomlokú alagútépítő pajzsokkal a gyakorlatban bevált építéstechnológiák, felhasználásával az elektronikus vezérlőrendszer, a pajzsba beépített legújabb geofizikai megfigyelőrendszerek, a kiépített és üzemeltetett karsztvíz megfigyelő monitoring rendszer együttesen alkalmazásával megépíthetők a 4-es metró alagútjai. Megépíthető a különleges helyzetben lévő Duna alatti alagútpár, annak kockázata nélkül, hogy vízbetörés történjen, és a karsztvíz bázis mennyiségileg és minőségileg változzon. Az építéstechnológia biztonságot ad arra, hogy a pesti változó talajviszonyokban is a jelen lévő talajvízben, és a nem nagy mértékű takarás ellenére is minimális felszíni süllyedésekkel, és vállalható építési kockázatokkal építhetők a metrók alagútjai.
A 4-es metró építéstechnológiája kiválasztásának szempontjai
- A kőzet környezet geológiai, mérnökgeológiai, geotechnikai adottságok
- A hidrogeológiai viszonyok (talajvíz, rétegvíz, karsztvíz helyzete, tulajdonságai)
- Az alagút, a műtárgyak feletti takarás mértéke
- A magassági és vízszintes vonalvezetés (lejtviszonyok, stb.)
- Az alagút, a műtárgyak geometriája (kitörési szelvény, vonalszakaszok hossza) - Az épített környezet adottságai (felszín beépítettsége, stb.)
- A természeti környezet szempontjai
- A humán környezet elvárásai (zaj, rezgések, por, közlekedés, stb.)
- A gazdaságossági szempontok
- Az építési idő
- Az építési és környezetvédelmi előírások (Metró tervezési irányelvek, Országos vasúti szabályzat, hatósági előírások. stb.)
Az alagútépítési technológia kiválasztásának szempontjai alapján, a tervezett nyomvonal felosztása
- "A" A budai vonalszakasz
- "B" A Duna alatti átvezetés
- "C" A pesti vonalszakasz
"A" A budai vonalszakasz
A kőzet a következő építéstechnológiák alkalmazására ad lehetőséget a vonalalagutak építésénél a budai oldalon:
- Bányászati módszer, lőttbetonos építési technológiával
- Pajzsos építési technológia
- Kombinációk
"B" A Duna alatti átvezetés
Ezen a szakaszon zárt homlokú aktív megtámasztású pajzsok két típusának alkalmazása is számításba vehető:
- Bentonitzagyos-hidropajzs
- Földmegtámasztású pajzs
- Kombinált pajzsok ("Polyshield", "Mixshield" stb.)
"C" A pesti vonalszakasz
Ezen a szakaszon - a Duna alatti átvezetéssel megegyezően - zárt homlokú aktív megtámasztású pajzsok alkalmazandók:
- Bentonitzagyos-hidropajzs
- Földmegtámasztású pajzs
- Kombinált pajzsok ("Polyshield", "Mixshield" stb.)