7 godzin temu
Plany budowy metra w Krakowie rozbudzają wyobraźnię i naturalne obawy. Czy podziemne tunele będą zagrożeniem dla zabytków i mieszkańców? Jak zminimalizować wpływ drgań podczas budowy i eksploatacji metra na jego otoczenie? O naukowych i inżynierskich fundamentach inwestycji rozmawiamy z prof. dr hab. inż. TADEUSZEM TATARĄ z Politechniki Krakowskiej – ekspertem ds. wibroizolacji i członkiem Rady Naukowo-Technicznej ds. Budowy Metra w Krakowie.
Budowa metra w Krakowie budzi zrozumiałe zainteresowanie społeczne. Dyskutujemy o przebiegu pierwszej linii, o głębokości tuneli, o przepustowości czy taborze. O tym jak jak drgania wywoływane budową i eksploatacją metra wpłyną na jego bezpośrednie otoczenie mówimy mniej …
Prof. dr hab. inż. Tadeusz Tatara, kierownik Katedry Mechaniki Budowli i Materiałów Wydziału Inżynierii Lądowej PK: – A temat jest bardzo istotny, co zresztą zauważyło Ministerstwo Infrastruktury. W 2011 roku resort wydał, a w 2023 znowelizował dokument, który określa między innymi warunki, jakim powinny odpowiadać parametry drgań dla Metra Warszawskiego [rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać obiekty budowlane metra i ich usytuowanie]. W Krakowie także będzie to ważne wyzwanie, warto już o nim mówić, także w przestrzeni publicznej. Drgania są naturalnym skutkiem tego typu przedsięwzięć jak budowa metra. Mieszkańcy powinni wiedzieć, co może się z tym wiązać, zwłaszcza w Krakowie – mieście o wyjątkowym dziedzictwie architektonicznym.
Jakie zagrożenia mogą stwarzać drgania generowane przez budowę i eksploatację metra dla różnych typów budynków – od zabytkowych po nowoczesne wieżowce?
Mamy do czynienia z dwoma zagadnieniami ściśle związanymi ze sobą. Jest to wpływ na konstrukcje budynków oraz wpływ drgań na ludzi w nich przebywających i biernie te drgania odbierających. Każdy budynek reaguje na wibracje w zależności od tak zwanych charakterystyk dynamicznych obiektu. To coś w rodzaju numeru PESEL każdego budynku, w ramach którego wyróżniamy częstotliwości drgań własnych, odpowiadające tym częstotliwościom formy drgań, oraz tłumienie drgań. Inaczej będą te cechy wyglądały w budynku wysokim, zbudowanym z żelbetu, a inaczej w budynku, który jest skonstruowany z cegły, jeszcze na dodatek starej, która jest po części już skorodowana, nie mówiąc już o stanie technicznym fundamentów. jeżeli chodzi o wpływy drgań na ludzi w budynkach mieszkalnych lub użyteczności publicznej, tutaj znowu wszystko zależy od konstrukcji stropów. Stropy drewniane, przykładowo, są bardziej reaktywne niż stropy płytowe żelbetowe. Musimy mieć to dobrze rozeznane, jeżeli chcemy uchronić mieszkańców i użytkowników budynków znajdujących się w ciągu linii metra przed uszkodzeniami elementów konstrukcyjnych np. ścian nośnych oraz negatywnym wpływem drgań na ich organizm.
Jak określić bezpieczne poziomy wibracji komunikacyjnych?
Możemy tutaj iść dwiema drogami. Jedna to korzystanie ze skal wpływów dynamicznych (SWD), które traktują o sytuacjach wpływu drgań na budynki w zależności od ich konstrukcji, stanu technicznego, podłoża gruntowego. Im budynki są starsze, bardziej uszkodzone, tym ostrzejsze są wymagania co do redukcji drgań. o ile nie możemy stosować SWD, bo na przykład nie pozwala na to geometria budynku albo typ konstrukcji – na przykład skale się nie odnoszą do budynków szkieletowych – wtedy musimy stosować analizy symulacyjne, które polegają na budowie modeli numerycznych. Takie modele musimy następnie zweryfikować, skalibrować i dopiero wtedy przystąpić do analiz, których wynikiem będzie dobór odpowiednich rozwiązań wibroizolacyjnych. W obu podejściach niezbędne jest określenie obciążenia dynamicznego wynikającego z planowanej eksploatacji metra. Podstawą określenia dodatkowych obciążeń dynamicznych są wyniki analizy propagacji drgań w uwarstwionym ośrodku gruntowym na linii tor – fundament budynku. Możemy również skorzystać z bogatej bazy archiwalnych zapisów przebiegów, drgań zarejestrowanych przez działające na Politechnice, akredytowane Laboratorium Badania Drgań na przykład przy realizacji metra warszawskiego.
Jakie analizy należy przeprowadzić jeszcze na etapie projektowania, przygotowań do inwestycji, by adekwatnie ocenić ryzyko drgań w obszarze przyszłej linii metra?
Przede wszystkim musimy ustalić strefę wpływów dynamicznych. W rozporządzeniu, o którym mówiłem na początku, ta strefa jest ustanowiona w odległości 40 metrów w lewo i w prawo od skrajnej ściany najbliższego tunelu lub stacji metra. Mowa tutaj o Metrze Warszawskim, więc w Krakowie ta strefa może być inna, ale choćby w takiej strefie – o całkowitej szerokości 80 metrów – budynków będzie bardzo wiele. Trudno wyobrazić sobie, żebyśmy analizowali każdy z nich, dlatego musimy dokonać pewnego podziału tych budynków na klasy i wybierać potem w ramach tych klas reprezentantów, by w końcu przenosić rozwiązania dla tych reprezentantów na całą klasę budynków o podobnej charakterystyce.
Czy należy przeprowadzić inwentaryzację stanu technicznego wszystkich budynków przed inwestycją, by potem móc ocenić, iż dana rysa na ścianie ma związek z drganiami „odmetrowymi”?
Zdecydowanie tak. Dokładne rozpoznanie stanu zerowego budynków będących w strefie wpływów dynamicznych jest koniecznie z punktu widzenia późniejszych ewentualnych roszczeń właścicieli tych budynków. W przypadku na przykład obszarów górniczych miałem do czynienia z sytuacjami, gdzie zakłady górnicze okresowo notowały każde uszkodzenie, każdego budynku. Mrówcza, czasochłonna praca, ale potem –po zaistnieniu zjawiska wstrząsowego – okazywało się, iż zgłaszane przez użytkowników budynków zniszczenia czy pęknięcia były tam od wielu lat i praca górnicza nie miała z nimi nic wspólnego.
Jakie są w tej chwili najskuteczniejsze technologie tłumienia drgań w miastach – zarówno podczas budowy, jak i po oddaniu inwestycji do użytku?
Maty wibroizolacyjne wkładane w układ torowy. Jest wiele różnych typów takich mat w zależności od materiału, stosowanego do ich produkcji. Może to być np. guma lub poliuretan. W obu przypadkach często wykorzystuje się materiał pochodzący z recyklingu, co jest działaniem proekologicznym.
Czy można stosować inne typy mat w zależności od budynków znajdujących się w ciągu danego odcinka metra?
Można, a choćby trzeba różnicować sztywności mat na odcinkach metra. Wszystko zależy od wyników analiz. o ile otrzymamy rezultaty, które nie spełniają wymagań – czy to normowych, czy takich, które stawiamy przy analizach symulacyjnych – to wtedy na danym odcinku zastosujemy adekwatny rodzaj maty, o odpowiednio dobranej sztywności.
Prowadzenie metra w tunelu zmniejsza zagrożenie związane z propagacją drgań?
Na pewno tak. Wszelkiego rodzaju przegrody – a tunel niewątpliwie jest taką przegrodą – stanowią dodatkowy “tłumik” drgań wynikających z pracy metra. W Katedrze Mechaniki Budowli i Materiałów Wydziału Inżynierii Lądowej Politechniki Krakowskiej realizowaliśmy projekt z Narodowego Centrum Badań i Rozwoju, gdzie analizowaliśmy właśnie wpływ przegród na propagację drgań w gruncie. Po dokładnych badaniach jako budulec przegród zaproponowaliśmy mieszankę betonową z dodatkiem granulatu gumowego. Skuteczność takiego rozwiązania spełniła nasze przyjęte założenia. w tej chwili jest ono przedmiotem zgłoszenia patentowego.
Zapewne najbardziej “drgającym” etapem budowy metra będzie jego drążenie.
Tak, zwłaszcza wtedy, gdy natrafi się na jakiś bardzo duży okruch skalny, bo przecież nie będziemy tylko wiercić w piasku. Litografia gruntu pod Krakowem jest zróżnicowana i musimy brać to pod uwagę, ale nie wszystko da się przewidzieć. Tutaj dochodzimy do bardzo istotnego elementu, jakim jest monitoring drgań już na etapie realizacji inwestycji. Monitoring ten będziemy musieli zamontować na wybranych budynkach. o ile mamy ustalony pewien poziom bezpieczeństwa, to system daje sygnał, gdy zbliżamy się do tej granicy. Wówczas mówimy “stop” i na przykład wdrażamy system polegający np. na zwolnieniu biegu maszyny drążącej tunel. Do tego dochodzi jeszcze aspekt wywożenia z tunelu ogromnych mas ziemi. To będą olbrzymie, kilkunastotonowe ciężarówki, które również będą generowały drgania. Strategicznie rozmieszczony monitoring pozwoli dynamicznie reagować na wszelkie nieprzewidziane niedogodności dla mieszkańców. Dodać należy, iż prace związane z monitoringiem drgań powinny wykonywać jednostki akredytowane z wieloletnim doświadczeniem.
Zespół naukowców Politechniki zajmujących się tematyką drgań uczestniczył w budowie warszawskiego metra, w tym właśnie w procesie zabezpieczeń budynków i ludzi przed wibracjami, uczestniczył też w tworzeniu takich zabezpieczeń przy budowie linii tramwajowych w Krakowie, m.in. tramwaju do Mistrzejowic. Jak te doświadczenia można wykorzystać w przy budowie krakowskiego metra?
Eksperci Politechniki Krakowskiej z Katedry Mechaniki Budowli i Materiałów Wydziału Inżynierii Lądowej oraz Laboratorium Drgań Budowli PK biorą udział w konstrukcji i eksploatacji Metra Warszawskiego od początku jego historii, co dostarczyło nam znakomitego poligonu doświadczalnego. Prace te dotyczyły projektowania wibroizolacji i monitoringu drgań. Nasi eksperci pracowali też przy projektowaniu wibroizolacji w Tunelu Średnicowym w Łodzi. W przypadku linii Krakowskiego Szybkiego Tramwaju IV mieliśmy do czynienia z odcinkami naziemnymi oraz jednym rozwiązaniem tunelowym o długości około 900 metrów, ale trzeba pamiętać, iż mówimy o tunelu tramwajowym. W części tunelowej i poza tunelem szerokość strefy wpływów dynamicznych wynosiła 40 m. Tunel metra będzie w oczywisty sposób znacznie głębszy, także ze względu na uwarunkowania hydrotechniczne, w znaczący sposób wpływające na obszar oddziaływań wibracji na powierzchnię. Niezależnie jednak od ostatecznej głębokości tunelów krakowskiego metra, bardzo pomocne będą doświadczenia jakie mamy ze współpracy z Metrem Warszawskim. Tam wykonaliśmy już na przykład prace przedprojektowe dla trzeciej linii metra. Uważamy, iż można je częściowo zastosować w krakowskich warunkach.
Jeszcze nie mamy stuprocentowej pewności jak krakowskie metro będzie przebiegać, ale czy mimo to możemy już – w oczekiwaniu na rozpoczęcie adekwatnych prac analitycznych i budowlanych – robić coś w temacie ochrony przed drganiami?
Właśnie zaczynamy, choćby poprzez tę rozmowę. Możemy już teraz informować krakowian, rzetelnie i dokładnie, o tym jak będą wyglądały prace przedprojektowe, projektowe i w końcu budowlane. Rozmawiać o tym jakie są zagrożenia, jak zamierzamy im przeciwdziałać i upewniać mieszkańców w tym, iż najważniejsza krakowska inwestycja komunikacyjna XXI wieku jest w dobrych rękach, a jej realizacja i eksploatacja nie przyniesie nikomu żadnego dyskomfortu, jeżeli chodzi o integralność istniejącej infrastruktury. Przedstawiciele prawie całego środowiska naukowego Krakowa w ramach Rady Naukowej ds. budowy metra są zaangażowani w to planowane największe przedsięwzięcie inwestycyjne. Potencjał naukowy jednostek naukowych Krakowa przyczyni się do poprawy dobrostanu mieszkańców Krakowa oraz rozwoju inwestycji.
