Grodzice stalowe w podporach zintegrowanego wiaduktu drogowego

Projekt i budowa wiaduktu wykonanego w korpusie al. Krakowskiej w Rzeszowie.

Wiadukt umożliwia bezkolizyjne połączenie dużych rzeszowskich osiedli mieszkaniowych Baranówka III i Krakowska Południe oraz nowego centrum handlowego (rys. 1). Istniejąca w Rzeszowie sieć ulic pomiędzy osiedlami Baranówka III i Krakowska Południe już w czasie ich powstania była niekompletna. Na etapie projektowania układu komunikacyjnego w tym rejonie miasta przewidywano konieczność budowy wiaduktu w ciągu al. Krakowskiej wraz z łącznikiem pomiędzy ulicami Kotuli i Ofiar Katynia. Tymczasowo problem rozwiązano, budując łącznice przyszłego skrzyżowania bezkolizyjnego i dodając możliwość przejazdu w poprzek al. Krakowskiej. W miejscu tym dochodziło do wielu wypadków. Administrator podejmował próby poprawienia układu komunikacyjnego poprzez likwidację niektórych kierunków przejazdu, dobudowę lewoskrętów oraz budowę sygnalizacji świetlnej (krótko przed rozpoczęciem budowy wiaduktu). Ostateczne rozwiązanie problemu przyśpieszyła budowa centrum handlowego w bezpośrednim sąsiedztwie planowanego od dawna wiaduktu. Prywatny inwestor zobowiązał się wobec miasta do wybudowania wiaduktu, który umożliwiał bezkolizyjne skomunikowanie obiektu handlowego z sąsiadującymi osiedlami mieszkaniowymi. Ze względów formalnych (protesty mieszkańców budynków mieszkalnych zlokalizowanych w sąsiedztwie) inwestorowi centrum handlowego nie udało się doprowadzić procedury projektowania do końca. Ostatecznie, korzystniejsze okazało się zrealizowanie inwestycji przez miasto Rzeszów przy refundacji kosztów budowy przez właściciela centrum handlowego. Jako sposób realizacji przyjęto, coraz częściej wykorzystywaną w budownictwie komunikacyjnym, formułę „projektuj i buduj”. Jest ona bardzo korzystna dla inwestora, ponieważ przerzuca wszelką odpowiedzialność i obowiązki na wykonawcę robót, ale jednocześnie pozwala wykonawcy wpływać bezpośrednio na proces projektowania, co nie jest bez znaczenia dla parametrów ekonomicznych i technologicznych realizowanego zadania. Omawiana inwestycja jest przykładem efektywnego wykorzystania procedury „projektuj i buduj” oraz uzasadnionego technicznie, ekonomicznie i organizacyjnie wykorzystania grodzic stalowych jako fundamentów obiektu mostowego.

Rys. 1. Lokalizacja obiektu

Mosty zintegrowane są popularnym na świecie rozwiązaniem technicznym zapewniającym zwiększenie trwałości obiektów mostowych poprzez likwidację łożysk i dylatacji nad podporami skrajnymi. Obiekty tego typu nazywa się również obiektami z przyczółkami zintegrowanymi ze względu na fakt, że różnice w projektowaniu i budowie tego typu obiektów dotyczą przede wszystkim rozwiązania konstrukcyjnego przyczółków i właściwego etapowania robót. W zależności od długości obiektu, jego lokalizacji i funkcji dobiera się odpowiednie rozwiązanie przyczółka zintegrowanego. Najczęściej podpory skrajne wtapia się w korpusy i opiera na żelbetowych palach małych średnic lub dwuteowych palach stalowych. W przypadku wiaduktów budowanych w istniejących korpusach drogowych przyczółki można wykonać z grodzic stalowych pełniących jednocześnie funkcje obudowy wykopu, korpusu podpory, a po przedłużeniu na boki również skrzydeł obiektu.

Aktualne normy, dostępne metody projektowania i programy do analizy konstrukcji pozwalają na efektywne projektowanie i bezpieczne budowanie tego typu obiektów.

Rys. 2. Koncepcja wiaduktu – wyciąg z programu funkcjonalno-użytkowego z elementami rozwiązań konstrukcyjnych poddanych weryfikacji w trakcie projektowania budowlanego i wykonawczego

Rys. 3. Projekt obiektu – widok z boku/przekrój podłużny

Wytyczne projektu 

Dokumentem stanowiącym podstawę organizacji przetargu był program funkcjonalno-użytkowy (PFU), będący z jednej strony opisem oczekiwań inwestora, a z drugiej stanowiący koncepcję obiektu (rys. 2), do realizacji którego przygotowywał się wykonawca i jego projektant. Był to zasadniczy dokument, na którego podstawie przygotowywano ofertę przetargową.

W ramach planowanej inwestycji do wykonania był wiadukt w ciągu istniejącej al. Krakowskiej wraz z niezbędną korektą jej niwelety, łącznik drogowy z rondem na włączeniu do istniejących ulic, przekładki sieci oraz zabezpieczenia środowiskowe (ekrany akustyczne).

W PFU opisane zostały wymagane szerokości użytkowe skrajnie projektowanych budowli i rozwiązania materiałowe poszczególnych głównych elementów konstrukcji oraz oczekiwany sposób skomunikowania obiektu z istniejącymi ciągami drogowymi i pieszymi. Program z jednej strony zabezpieczał interesy inwestora, a z drugiej pozostawiał wykonawcy możliwość wykorzystania wiedzy i doświadczenia w realizacji zadania. Częstym błędem jest traktowanie przez inwestorów PFU jako zamkniętej koncepcji projektowej, którą wykonawca ma zrealizować. Rozwiązania projektowe powstające na tym etapie przygotowania inwestycji nie są gruntownie analizowane pod względem statyczno-wytrzymałościowym, a formuła „projektuj i buduj” musi wiązać się z pewną swobodą wykonawcy w doborze rozwiązań technicznych i technologicznych w ramach obowiązujących przepisów prawa. Zawarte w programie funkcjonalno-użytkowym propozycje są ogólnym opisem możliwych i akceptowanych przez inwestora rozwiązań, które należy dostosować do wymagań lokalizacji obiektu, projektu szczegółowego, możliwości technologicznych wykonawcy oraz zakładanego czasu realizacji robót.

Fot. 1. Wciskarka hydrauliczna pogrążająca grodzice

Rys. 4. Powierzchnia podstawy i obrys pobocznicy grodzicy uwzględnione w obliczeniach nośności pionowej grodzicy typu U

Zgodnie z obowiązującym prawem po ogłoszeniu przetargu, zebraniu i sprawdzeniu pięciu ofert na wykonawcę obiektu wybrana została firma Skanska, zobowiązała się ona zaprojektować i wybudować wiadukt za najniższą cenę w ciągu zaledwie 11 miesięcy. Oferowana cena znacząco odbiegała w dół od średniej z przetargu. Średnia oferowana wartość robót przewyższała zwycięską ofertę o około 50%, a najwyższa ponad 2,5-krotnie. Realizacja kontraktu o takich parametrach ekonomicznych w formule „projektuj i buduj” była niewątpliwie wyzwaniem. Wykonawca opracował napięty harmonogram, którego dokładna realizacja stała się podstawą działania uczestników procesu inwestycyjnego. Harmonogram zakładał bardzo wąskie marginesy czasowe na ewentualne odstępstwa na poszczególnych etapach przygotowania (projektowania) i realizacji inwestycji.

Projekt obiektu

W opracowaniu projektu wykonawczego czynny udział brał wykonawca robót, korygując i dostosowując do swoich możliwości technicznych i technologicznych proponowane przez projektanta szczegółowe rozwiązania konstrukcyjno-technologiczne. W proces projektowania wykonawczego zaangażowano również projektantów podwykonawcy odpowiedzialnego za pogrążenie grodzic stalowych (fundamentów i korpusów przyczółków oraz skrzydełek), który dysponował niezbędną wiedzą i doświadczeniem w projektowaniu i realizacji tego typu robót. W efekcie powstał projekt, który na etapie wykonania nie podlegał praktycznie żadnym zmianom.

Rys. 5. Wyniki sondowania CPT w rejonie budowanego wiaduktu

Rys. 6. Lokalizacja badanej grodzicy i rury inklinometrycznej

W projekcie budowlanym i wykonawczym główne rozwiązania materiałowe przyjęto zgodnie z programem funkcjonalno-użytkowym. Zmieniono jednak schemat statyczny na bardziej efektywną statycznie i ekonomicznie ramę jednonawową na podatnych podporach z grodzic stalowych z ryglem w postaci betonowego przęsła wiaduktu.

Zmiana schematu statycznego (rys. 3) umożliwiła rezygnację z wykonania kotew gruntowych, łożysk, dylatacji, urządzeń lub przekryć dylatacyjnych oraz zmniejszenie wymaganego minimalnego wskaźnika wytrzymałości grodzic stalowych w korpusach przyczółków.

W celu podtrzymania wysokich, nierozpartych przęsłem skrzydełek z grodzic stalowych zaprojektowano wykonanie ściągów stalowych. Na odcinkach mniejszej wysokości skrzydełka z grodzic mają schemat wspornika. Dla przeniesienia obliczonych pionowych reakcji z przęsła wiaduktu zaprojektowano zagłębienie grodzic poniżej dna wykopu docelowego na minimum 6 m. Przeniesienie sił poziomych zapewniała górna część ścianki stalowej zamocowana dołem sprężyście w gruncie i górą rozparta przęsłem wiaduktu. Wyliczone długości grodzic wymagane dla przeniesienia sił poziomych i pionowych po odpowiednim zsumowaniu określiły ich całkowitą długość przyjętą w projekcie.

Zaprojektowano przęsło płytowe o rozpiętości teoretycznej Lt = 17,5 m z belek strunobetonowych typu Kujan NG 18 umonolitycznionych betonem wylewanym na mokro. Przęsło połączono ze ścianką z grodzic stalowych oczepem żelbetowym wykonywanym etapami na budowie. Siły wewnętrzne w elementach nośnych wiaduktu wyznaczono, wykorzystując złożony model numeryczny konstrukcji wiaduktu (przęsła, podpory z grodzic stalowych i ściągi), który dokładnie odwzorowywał projektowane etapowanie robót. Przyjęty schemat statyczny i szczegółowe obliczenia metodą MES pozwoliły wykonać ściany korpusów z grodzic o wskaźniku wytrzymałości Wx = 2006 cm³/m zamiast przewidywanego w programie funkcjonalno-użytkowym Wx = 4800 cm³/m. Pozwoliło to zredukować ciężar grodzic o około 34% w stosunku do założeń wstępnych.

W wyniku przeprowadzonej analizy statyczno-wytrzymałościowej określono maksymalne pionowe obciążenie pojedynczej grodzicy równe Qr= 320 kN.

Ze względu na lokalizację obiektu w pobliżu istniejącej zabudowy miejskiej przewidziano pogrążanie grodzic bezwibracyjną metodą wciskania hydraulicznego (fot. 1).

Zastosowanie tej technologii pozwoliło uniknąć drgań i nadmiernych poziomów hałasu w trakcie budowy wiaduktu. W projekcie wykonawczym przewidziano wykorzystanie grodzic o profilu typu U. Przyjęty rodzaj grodzic i technologia zagłębiania pozwoliły wykorzystać do przeniesienia obciążeń na grunt zarówno pobocznice, jak i podstawy grodzic, poprzez wykorzystanie ukształtowanego w trakcie pogrążania „korka” gruntowego (rys. 4).

Nośność pionową grodzic wyznaczono na podstawie wyników dodatkowo wykonanych sondowań CPT (rys. 5) zgodnie z zaleceniami francuskiego Centralnego Laboratorium Dróg i Mostów w Paryżu opublikowanymi m.in. w broszurze Arcelor Mittal „Fascicule 62 titre V”. Nośność pionową pojedynczej grodzicy oszacowano na poziomie 0,9 Nt = 430 kN. Dla sprawdzenia modelu obliczeniowego przewidziano wykonanie próbnego obciążenia statycznego pojedynczej grodzicy, wykonanej dodatkowo poza ścianą przyczółka pod konstrukcją wiaduktu (rys. 6). Wykonanie próbnego obciążenia metodą statyczną przewidziano po minimum 30 dniach od pogrążenia badanej grodzicy. Badania przeprowadzono po wykonaniu wykopu docelowego pod wiaduktem, tak aby poziom terenu w trakcie badań odpowiadał poziomowi przyjętemu w obliczeniach.

Rys. 7. Wykres pomierzonych przemieszczeń poziomych stalowej ściany przyczółka

Wynik badania wykazał nośność mniejszą niż obliczona, ale wystarczającą do przeniesienia przewidywanych obciążeń pionowych. Prawdopodobną przyczyną takiego stanu było zastosowanie podpłukiwania wspomagającego pogrążanie grodzicy w górnych warstwach gruntu.

W obliczeniach statyczno-wytrzymałościowych grodzic przyjęto parcia i odpory o wartościach dostosowanych do spodziewanych przemieszczeń ściany oraz pochodzące od oddziaływania taboru samochodowego znajdującego się na naziomie. Sprawdzenie naprężeń w grodzicach wykonano z uwzględnieniem ubytków korozyjnych, które mogą wystąpić w przyjętym 100-letnim okresie użytkowania konstrukcji. Zgodnie z PN-EN 1993-5 Eurokod 3 Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 5 Palowanie i grodzice, dla nienaruszonych gruntów rodzimych przyjęto dwustronny ubytek korozyjny równy 2,4 mm.

Uwzględniając obliczone siły wewnętrzne i ubytki korozyjne, zaprojektowano grodzice ze stali S355 z profili VL606 (Wx = 2006 cm³) w ścianach głównych pod przęsłami wiaduktu oraz VL606, VL605A (Wx = 1808 cm³), VL604 (Wx = 1620 cm³) w skrzydłach. W przekroju zamocowania grodzic w żelbetowym oczepie, w celu ograniczenia wpływu korozji, przyjęto wykonanie dodatkowego obustronnego zabezpieczenia antykorozyjnego grodzic na wysokości 1.5 m poniżej oczepu.

W projekcie przewidziano również kontrolę przemieszczeń poziomych ścianki z grodzic stalowych. Przewidziano zainstalowanie rur inklinometrycznych i wykonanie pomiarów kontrolnych. Celem zaplanowanych długookresowych badań jest obserwacja i kontrola zachowania się podpór wiaduktu oraz ewentualna przyszła weryfikacja założeń przyjmowanych do projektowania tego typu konstrukcji.

Obliczone maksymalne przemieszczenia poziome grodzic wynoszą około 23 mm. W czasie budowy, na etapie wykonywania drugiej nitki wiaduktu, zmierzone przemieszczenia poziome przy częściowym odsłonięciu ściany wyniosły około 2 mm. Kolejny pomiar inklinometryczny wykonano podczas budowy drugiej nitki wiaduktu, po wykonaniu wykopu do maksymalnej zakładanej głębokości. Maksymalne poziome przemieszczenie ścianki o wartości około 6 mm pomierzono w poziomie dna wykopu (rys. 7). Kolejne pomiary będą wykonywane po oddaniu obiektu do eksploatacji i okresowo w trakcie jego użytkowania.

Rys. 8. Etapy budowy wiaduktu

Realizacja robót

Roboty budowlane podzielono na dwie fazy, aby zapewnić ciągłość ruchu na al. Krakowskiej. W pierwszej kolejności zbudowano wiadukt południowy. Cały ruch drogowy odbywał się po istniejącej jezdni północnej. Po zakończeniu budowy przęsła i uzyskaniu pozwolenia na jego użytkowanie ruch samochodowy przeniesiono na oddaną część obiektu i przystąpiono do budowy wiaduktu północnego. Roboty na obu nitkach wiaduktu realizowano w ten sam sposób, stosując etapowanie (rys. 8) zgodnie z wytycznymi projektu.

Realizacja robót ściśle według założeń projektowych miała za celu odciążenie węzła ramy w fazie technologicznej (etap I i etap II). Newralgiczny element konstrukcji zintegrowanej – węzeł podporowy – zaczął pracować na zginanie/obrót praktycznie dopiero w fazie użytkowej. Duże obciążenia związane z ciężarem masywnego przęsła (belki z betonem wypełniającym) zostały przekazane jako pionowe w schemacie przęsła swobodnie podpartego. Zamykający węzeł podporowy został wykonany jako ostatni element ramy.

Fot. 2. Wiadukt Krakowska: a) po zakończeniu budowy nitki południowej, b) po zakończeniu robót budowlanych

Wnioski końcowe

Projekty infrastrukturalne realizowane w formule „projektuj i buduj” to skuteczna metoda realizacji inwestycji. W przypadku opisanej inwestycji projekt wymagał bardzo dobrego przygotowania merytorycznego i efektywnej, zespołowej współpracy pomiędzy inwestorem, wykonawcą i projektantem w celu zrealizowania wspólnego zadania, jakim była budowa wiaduktu wraz układem drogowym.

Grodzice stalowe, a szerzej konstrukcje stalowe w gruncie, są uzasadnionym technicznie, ekonomicznie i  organizacyjnie rozwiązaniem dla obiektów mostowych realizowanych w warunkach silnych obostrzeń czasowych i konieczności ograniczenia negatywnego oddziaływania robót budowlanych na otoczenie. Dostępne w Polsce technologie pogrążania grodzic i pali stalowych pozwalają na dopasowanie rozwiązań projektowych do lokalizacji obiektu i przenoszonych obciążeń.

Przyjęte przez projektanta i wykonawcę obiektu prawidłowe rozwiązania konstrukcyjno-technologiczne pozwoliły w krótkim czasie zaprojektować i zbudować w pełni funkcjonalny, trwały i jednocześnie stosunkowo tani (około 7000 zł/m²) obiekt bez przerywania ciągłości ruchu na drodze krajowej.

Omawianej inwestycji nie udałoby się zrealizować bez dobrej woli i współpracy zdeterminowanego inwestora, doświadczonego i dobrze zorganizowanego wykonawcy, wspieranego przez zespół doświadczonych projektantów, oraz właściwej interpretacji obowiązującego prawa. W budownictwie, jak w życiu, bardzo dużo zależy od dobrej woli i zaangażowania konkretnych ludzi, a ta inwestycja miała do nich szczęście.

dr inż. Dariusz Sobala

Politechnika Rzeszowska

Pracownia Projektowa Aarsleff Sp. z o.o.

dr inż. Wojciech Tomaka
Pracownia Projektowa Aarsleff Sp. z o.o.

mgr inż. Piotr Maksim
Pracownia Projektowa Aarsleff Sp. z o.o.

Artykuł oparty na referacie prezentowanym na seminarium „Konstrukcje stalowe w geotechnice”, w Warszawie 18 listopada 2010 r.