Przystąpienie Polski do Unii Europejskiej, a wraz z nią możliwość pozyskiwania środków na inwestycje infrastrukturalne, zdecydowanie zwiększyły liczbę znaczących projektów geotechnicznych. Większość z nich realizowana jest w miastach lub w ich bezpośrednim sąsiedztwie. Tunele, półtunele, ściany oporowe, parkingi podziemne lub budynki z wieloma kondygnacjami podziemnymi bardzo często budowane są w gęstej zabudowie miejskiej.

Zwiększająca się liczba samochodów potęguje problemy komunikacyjne, wymuszając rozbudowę istniejącej sieci drogowej i infrastruktury towarzyszącej. W takiej sytuacji „zejście pod ziemię” lub swobodne kształtowanie powierzchni terenu na styku droga-miasto staje się interesującym rozwiązaniem mającym na celu zwiększenie przepustowości istniejących ciągów komunikacyjnych bez poszerzania pasów drogowych, wykonywania drogich wykupów i wyburzeń. Ponadto budowle podziemne mogą być wykorzystywane jako zaplecza techniczne, niezbędne do właściwego funkcjonowania miasta. Umożliwiając oddzielenie strefy użytkowej od strefy technicznej, zazwyczaj zwiększają atrakcyjność obiektu.

Kolejnym powodem budowania różnego typu obiektów z kondygnacjami podziemnymi jest konieczność ograniczenia ilości kondygnacji nadziemnych. Dzieje się tak, gdy nowo projektowany obiekt musi nawiązywać wysokością do istniejącej zabudowy. Dodatkowo lokalne plany zagospodarowania często wymagają, aby nowe budynki były samowystarczalne w zakresie miejsc parkingowych. W przypadku skrzyżowań wielopoziomowych budowanych w sąsiedztwie istniejącej zabudowy często brakuje przestrzeni, aby zrealizować wszystkie potrzebne rozwiązania komunikacyjne. W takich przypadkach naturalna jest rozbudowa obiektu w głąb ziemi.

Wykopy, które towarzyszą tego typu inwestycjom, sąsiadują bezpośrednio z istniejącymi obiektami, często o charakterze zabytkowym lub w złym stanie technicznym. Stare budynki mają zazwyczaj jedną kondygnację piwniczną i są posadowienie przeważnie na ławach ceglanych na głębokości około 2,5-3 m poniżej poziomu terenu. Starym budynkom towarzyszy zazwyczaj stara infrastruktura podziemnego uzbrojenia terenu. Wykonanie głębokiego wykopu w niewielkiej odległości od takich obiektów jest zadaniem skomplikowanym i wymaga dużego doświadczenia (i odpowiedzialności) zarówno od projektanta, jak i wykonawcy robót.

Niezbędna jest też stała komunikacja między nadzorem, kadrą na budowie i biurem projektowym pozwalająca na bieżącą aktualizację założeń projektowych. W przypadku dużych kontraktów geotechnicznych optymalnym jest wykorzystanie zespołu projektowego firmy wykonawczej (system zaprojektuj i zbuduj). Pozwala to zarazem ograniczyć spory kompetencyjne i ustalić odpowiedzialność.

Tradycyjne funkcje pali i grodzic stalowych

Polska tradycja wykorzystania pali i grodzic stalowych, poza budownictwem morskim, sprowadza się głównie do obiektów o charakterze tymczasowym:

• tymczasowe obudowy wykopów z wykorzystaniem:
  - grodzic stalowych - stalowe ścianki szczelne - gdy konieczne jest odcięcie napływającej do wykopu wody gruntowej lub, gdy wymagane jest ograniczenie przemieszczeń obudowy wykopu, np. w sąsiedztwie istniejących obiektów;
  - pali stalowych - obudowy typu berlińskiego - gdy nie ma problemu z wodą gruntową i brak jest restrykcyjnych warunków dotyczących przemieszczeń i deformacji terenu w sąsiedztwie wykopu;

• fundamenty obiektów tymczasowych:
  - pale stalowe, najczęściej rurowe bez dna lub z dnem zamkniętym.

• Wspólnymi cechami wymienionych zastosowań są:
• elastyczność rozwiązań konstrukcyjnych;
• szybka realizacja robót;
• z reguły wysoka opłacalność bazująca na pełnym lub częściowym odzysku materiałów.

Znane są również (coraz częstsze) przypadki wykorzystania pali i grodzic stalowych w konstrukcjach trwałych. Są to:

• tunele i półtunele, w których grodzice stalowe w układzie wspornikowym, kotwionym lub rozpartym stanowią element zespolonej z dnem stalowo-betonowej obudowy tunelu;
• tunele i półtunele, gdzie grodzice stalowe w układzie jedno lub dwurzędowym wspornikowym, kotwionym lub/i rozpartym są wykorzystywane jako trwała docelowa obudowa wykopów komunikacyjnych lub jednocześnie jako obudowa wykopu i podpory/przyczółki wiaduktów;
• nasypy dojazdów do obiektów inżynierskich w obudowie ze ścian stalowych wspornikowych lub stężonych;
• kładki dla pieszych posadowione na grodzach wykonanych z płaskich grodzic stalowych;
• kładki i mosty posadowione na palach stalowych z dwuteowników walcowanych typu HEB lub specjalnych dwuteowników fundamentowych;
• wiadukty kolejowe i drogowe o różnych schematach statycznych, których przyczółki i ewentualnie filary wykonano z grodzic stalowych lub w postaci palisad (kombinacji profili typu H i grodzic stalowych).

Pogrążanie kształtowników stalowych może być wspomagane. W zależności od warunków gruntowych oraz metody pogrążania możliwe jest stosowanie podpłukiwania wodą pod niskim/wysokim ciśnieniem lub/i przewiercania wstępnego.

Odrębny zakres wykorzystania kształtowników stalowych stanowią mikropale, czyli pale o małej średnicy, zwykle do 300 mm. Kształtowniki stalowe wykorzystywane są w mikropalach jako:

• mikropale rurowe z głowicą wiercącą;
• mikropale wiercone i iniektowane z użyciem usuwanych rur obsadowych z rdzeniem w postaci pręta lub kształtownika o przekroju otwartym lub/i zamkniętym;
• wbijane lub wibrowane mikropale rurowe lub z kształtowników typu H wykonywane z iniekcja lub bez iniekcji;
• mikropale wciskane.

Mikropale pozwalają na posadowienie nowobudowanych obiektów oraz wzmacnianie posadowienia obiektów istniejących, np. sąsiadujących z głębokimi wykopami. Pomimo małej średnicy mikropale mogą przenosić znaczne obciążenia dochodzące do kilku meganiutonów. Zwykle są to jednak rozwiązania znacznie droższe od pali tradycyjnych.

Kształtowniki stalowe mogą również stanowić zbrojenie sztywne różnego typu pali formowanych w gruncie (np. pali lub palisad wykonywanych w technologii CFA) i kolumn modyfikujących podłoże gruntowe (np. kolumn wykonywanych w technologii DSM lub jet- grouting, gdy konieczne jest zapewnienie znacznej nośności poziomej lub nośności na wyciąganie).

Zakres wykorzystania kształtowników stalowych do fundamentowania różnego typu obiektów trwałych na świecie jest z reguły znacznie większy niż w Polsce. Wiele zależy od lokalnej tradycji. I tak na przykład:

• grodzice stalowe wciskane są wykorzystywane na masową skalę (zdecydowanie większą niż w całej Europie) w Japonii - w kraju nawiedzanym regularnie przez trzęsienia ziemi brak jest społecznej akceptacji dla metod udarowych i wibracyjnych instalacji grodzic;
• stalowe ściany szczelne stanowią zabezpieczenie większości wykopów w Holandii, Niemczech i Danii, czyli w krajach, które jednocześnie przodują w opracowaniu metod projektowania tego typu konstrukcji;
• kształtowniki stalowe są szeroko stosowane do fundamentowania obiektów mostowych w Stanach Zjednoczonych i Wielkiej Brytanii.

Z powyższego, siłą rzeczy bardzo skrótowego zestawienia jasno wynika, że w Polsce wciąż istnieje potencjał i możliwość szerokiego i różnorodnego wykorzystania kształtowników stalowych jako fundamentów obiektów trwałych szczególnie w obszarach, w których występują ograniczenia dostępności terenu, a więc przede wszystkim w warunkach miejskich.

Uwarunkowania realizacji inwestycji w miastach

Realizacja robót w ścisłej zabudowie miejskiej napotyka na liczne, nietypowe uwarunkowania wynikające z

• braku miejsca na organizację placu budowy;
• braku zgody właścicieli sąsiednich działek na ingerencję (także tymczasową) w ich
  teren (plac budowy ograniczony jest powierzchnią zabudowy nie ma miejsca na wykopy szerokoprzestrzenne );
• konieczności wykonania ratowniczych prac archeologicznych, które obejmują najczęściej podłoże całego terenu objętego planem zagospodarowania - wymagają zatem zabezpieczenia pionowych skarp wykopu wzdłuż granicy działki*;
• konieczność stosowania licznych rozwiązań tymczasowych mających na celu:
  - utrzymanie ciągłości ruchu komunikacyjnego i technologicznego;
  - konieczność stosowania rozwiązań „w pełni” rozbieralnych (kwestie ekologiczne, problem tymczasowego wykorzystywania cudzego terenu lub podłoża pod cudzą działką).
• regulowany czas realizacji robót (np. określone godziny transportów lub robót budowlanych);
• konieczność utrzymania dobrego stanu dróg dojazdowych (sprzątanie nawierzchni);
• wrażliwe sąsiedztwo, powodujące konieczność ograniczenia wpływu prowadzonych prac na otoczenie lub/i monitoring wpływów. Problemy związane z wrażliwym sąsiedztwem można podzielić na: techniczne, z którymi z reguły można sobie poradzić i społeczne, z którymi poradzić sobie jest znacznie trudniej. Ostatnie zagadnienie zostanie rozwinięte nieco szerzej w dalszej części artykułu.

dr inż. Jarosław Rybak
Politechnika Wrocławska
dr inż. Dariusz Sobala
Politechnika Rzeszowska

*Zasadniczo głębokość poszukiwań archeologicznych jest mniejsza od docelowo prowadzonych prac ziemnych. Pozwala to na wykonanie prac archeologicznych w obudowie zaprojektowanej dla docelowego wykopu, ale na pozwoleniu na wykonanie ratunkowych robót archeologicznych. W takiej sytuacji wykluczone jest w zasadzie wykonywanie obudowy, która docelowo stanowiłaby element konstrukcyjny budynku (ścian szczelinowych lub pali żelbetowych). Stosuje się zatem ścianki szczelne.

Wykorzystanie pali i grodzic stalowych w budownictwie komunikacyjnym w warunkach miejskich było prezentowane na XVII Zjeździe Drogowców Miejskich w Tarnowie, 16-18 września 2009 r.