Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Hornina jako stavební konstrukce

Kotvy a injektáže v podzemí
 |  15. 1. 2009
 |  Vesmír 88, 38, 2009/1

Při výstavbě podzemních děl, ať již jde o tunelové stavby, podzemní kaverny nebo důlní díla, hraje důležitou roli výztuž. Zajišťuje bezpečnost podzemního výrubu (chrání před vtlačováním a vypadáváním okolních hornin do prostoru díla), brání přítoku vody apod. Běžně používané podpěrné výztužné konstrukce mají různé rozměry, životnost i účel, vesměs však využívají základní stavební materiály – beton a ocel. Výztuže jsou navrhovány jako stavební konstrukce na základě statických výpočtů tak, aby odolaly účinkům tlaků působících z okolního horninového masivu.

Kvalita mechanických vlastností, především pevnost v tlaku, bývá v neporušené skalní hornině 1) poměrně vysoká, většinou vyšší než ve výztužném či konstrukčním betonu. Koneckonců z kamene se v minulosti stavěla většina velkých povrchových staveb. Stabilita hornin bývá oslabena především systémy nespojitých ploch (puklinami či vrstevnatostí), které snižují tahovou i smykovou pevnost horninového masivu.

Není divu, že již v minulosti horníci zpevňovali masiv dřevěnými klíny zaráženými do trhlin po obvodu chodby. Také moderní technologie výstavby podzemních děl dnes využívají vlastnosti horninového masivu, které umožňují zpevnit blízké i vzdálenější okolí díla. Jejich cílem je vytvořit z hornin kolem stavby zpevněnou konstrukci, která podzemnímu dílu zajistí stabilitu, nebo alespoň výrazně sníží požadavky na dimenzování podpěrné výztuže, a tím i náklady.

V technické praxi se dnes uplatňují dvě metody zpevňování hornin – kotevní prvky a injektáže – někdy i obě souběžně.

Kotevní výztuž

Jako kotevní výztuž se používají tyče nebo lana, jež se upevňují do vývrtů v hornině. Tyčové kotevní prvky se zpravidla označují jako svorníky. Zatímco klasická podpěrná výztuž jen pasivně podepírá uvolněné vrstvy v okolí díla, kotevní výztuž zvyšuje soudržnost vrstev v blízkosti výrubu, snižuje jejich deformace, přejímá tahová napětí v hornině a brání narušení hornin hlouběji do masivu. Aktivně využívá pevnostní a přetvárné vlastnosti okolních hornin. Hlavní funkcí kotevní výztuže je snížit nebo vyloučit vliv ploch porušujících horniny, a tím zvýšit pevnost horninového masivu tak, aby hornina sama pomáhala obnovit rovnováhu porušenou vyražením důlního díla, popřípadě aby byla schopna čelit i dalším vlivům souvisejícím s podzemní výstavbou nebo důlní činností. Když se podpěrné výztužné konstrukce úplně nahradí kotevní výztuží, spotřebuje se na výztuže mnohem méně materiálu. 2) Výztuž je navíc umístěna v horninovém masivu – vyražený profil důlního díla je shodný s využívaným průřezem.

Principy dimenzování svorníkové výztuže se odvozují od různých konceptů stability podzemních výrubů, jako je ukotvení jednotlivých horninových bloků proti pádu, vytvoření horninového nosníku spojením několika vrstev či vytvoření nosné vrstvy za obrysem podzemního díla. Žádná z teorií ale nevystihuje působení kotevních prvků 3) úplně dokonale. Totéž lze říci o metodách matematického modelování kotevní výztuže. Jedním z cílů současné mechaniky hornin zůstává výzkum stabilizačního působení svorníkové výztuže. 4)

Zpevňující injektáže

Další z možností geotechnických zásahů do horninového masivu, používaných k jeho stabilizaci, jsou tlakové injektáže. Injektáž horninového masivu je proces, při němž je médium tlakovým spádem 5) vtlačováno do horninového masivu. Injektážní látka pak v hornině ztuhne, vytvoří vazby se stavebními prvky masivu a změní jeho vlastnosti.

Z hlediska prostředí rozlišujeme injektáže zemin a injektáže hornin skalního typu. Pórovitost zemin (objem pórů k celkovému objemu zeminy) se pohybuje v rozmezí 15–50 %. Póry jsou zpravidla vzájemně propojeny, injektáž zemin tedy představuje vyplnění pórového prostoru médiem. Pórovitost a velikost pórů určují propustnost (permeabilitu) zemin, která je jedním ze základních parametrů pro posouzení, zda lze dané prostředí vybraným médiem injektovat. Druhou skupinou jsou horniny skalního typu, což jsou více či méně homogenní materiály s velmi nízkou pórovitostí (1–10 %). Poněvadž jsou póry většinou izolovány, zabraňují proudění kapalin, a jejich propustnost je tedy zanedbatelná. V podmínkách injektování skalních hornin vyplňuje médium trhliny a vrstevní spáry v hornině, čímž vytváří kostru spojující jednotlivé úlomky a bloky.

Geokompozity

V injektážních technologiích se vedle suspenzí (cementové, bentonitové aj.) používají chemická injektážní média, která mají charakter pravých roztoků. 6) V posledních asi 20 letech se v injektážních technologiích významněji používají chemická injektážní média na bázi polymerů. V průběhu injektáže vznikají nové kompozitní materiály (geokompozity), jejichž vlastnosti se od vlastností původní horniny výrazně liší. 7) Geokompozity můžeme definovat jako materiály, které vznikají v procesu tlakové injektáže na bázi hornin a injektážního média jakožto pojiva.

Jestliže vpravíme chemické injektážní médium s vysokou deformační schopností8 do porušené uhelné hmoty, změníme chování i vlastnosti křehké uhelné hmoty při tlakovém namáhání. Uhelné geokompozity na rozdíl od uhelné matrice (hmoty) vykazují odlišné přetvárné chování a vykazují reziduální pevnost za mezí tlakové pevnosti. Uhelné zkušební těleso po dosažení pevnosti v jednoosém tlaku ztratí stabilitu a prudce se rozpadne, zatímco uhelný geokompozit nikoli.

Z výsledků výzkumu vlastností geokompozitů ošetřených injektáží vyplývá, že takto lze horninový masiv výrazně zpevnit. 9) Míra zpevnění je závislá jak na použitém injektážním médiu, tak na kvalitě (drsnosti) zpevňovaných ploch a na jejich vlhkosti.

Poznámky

1) Tj. magmatických, metamorfovaných i sedimentárních.
2) Klesne jak hmotnost, tak objem výztužného materiálu. Např. v uhelných dolech v důlní chodbě průřezu 16 m2 činí hmotnost podpěrné ocelové obloukové výztuže zhruba 350 kg na 1 m díla, hmotnost adekvátní svorníkové výztuže nepřesahuje 60 kg.
3) Zejména se to týká nepředpínaných svorníků kotvených po celé délce, které jsou lepeny a opatřeny speciálními závity zvyšujícími tření.
4) Tento výzkum je též součástí výzkumného záměru Ústavu geoniky AV ČR, v. v. i.
5) Převážně pomocí tlakových injektážních čerpadel, v injektážním médiu (tj. Binghamově nebo Newtonově kapalině).
6) Například Newtonova kapalina.
7) Chování nových injektážních materiálů a míra ovlivnění vlastností horninového masivu vyvolala v Ústavu geoniky AV ČR zájem o výzkum vlastností geokompozitů vznikajících na bázi nesoudržných zemin i hornin skalního typu.
8) Například dvousložkovou polyuretanovou pryskyřici.
9) Výsledné hodnoty přilnavostí v příčném tahu, naměřené u nejpoužívanějších polyuretanových injektážních systémů, dosahují asi 50–70 %, u epoxidových systémů až 100 % průměrných hodnot pevností v příčném tahu zjištěných na neporušených horninových vzorcích.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Fyzika

O autorech

Kamil Souček

Richard Šňupárek

Doporučujeme

Přemýšlej, než začneš kreslit

Přemýšlej, než začneš kreslit

Ondřej Vrtiška  |  4. 12. 2017
Nástup počítačů, geografických informačních systémů a velkých dat proměnil tvorbu map k nepoznání. Přesto stále platí, že bez znalosti základů...
Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné