Wgłębne wzmocnienie podłoża na Trasie Sucharskiego w Gdańsku

Budowana w Gdańsku Trasa Sucharskiego stanowić będzie drogowe połączenie Portu Gdańskiego, a w szczególności Portu Północnego, z krajową siecią dróg, w tym z drogą ekspresową S7, autostradą A1, Obwodnicą Południową Gdańska i Trasą Słowackiego. Inwestycja jest realizowana w trzech oddzielnych zadaniach: Budowa Obwodnicy Południowej Gdańska – od węzła „Olszynka” (inwestor – Generalna Dyrekcja Dróg Krajowych i Autostrad), Budowa Trasy Sucharskiego Zadanie I i Zadanie II – do węzła „Ku Ujściu” (inwestor – Gdańskie Inwestycje Komunalne sp. z o.o.). Całkowita długość odcinka, na którym realizowana jest inwestycja wynosi około 8,3 km, z czego 6,1 km jest realizowane w ramach Zadania I i II budowy Trasy Sucharskiego. Projekt obejmuje budowę trasy dwujezdniowej klasy głównej przyśpieszonej o przekroju 2  2 i nawierzchni bitumicznej, zlokalizowanej w obrębie równiny deltowej Wisły, na obszarze Żuław Wiślanych. Ze względu na fakt, iż działania w ramach tej inwestycji prowadzone są na obszarze bezpośrednio zagrożonym powodzią, niweletę trasy zasadniczej wyniesiono do rzędnej 2,7 m n.p.m. w celu ochrony przed powodzią morską i podtopieniami powstałymi na skutek podniesienia się wód gruntowych. Dokumentacja geotechniczna wskazuje na to, iż na tym obszarze w podłożu gruntowym występują piaski o różnej granulacji oraz utwory organiczne i próchnicze, wykształcone głównie w postaci namułów i torfów, lokalnie gytii, pyłów próchniczych oraz piasków próchniczych. Ustabilizowane zwierciadło wody gruntowej stwierdzono na głębokości około 0,5 – 6,3 m p.p.t, tj. na rzędnych około -0,2 do -0,8 m n.p.m. Na większych głębokościach rozpoznano zwierciadło napięte, gdzie warstwami napinającymi są warstwy słabo przepuszczalnych gruntów organicznych i mułków.

Projekt wzmocnienia podłoża i wybór technologii wzmocnienia

Warunki odbiorowe określone przez zamawiającego zakładały ograniczenie osiadań do 5 cm podczas okresu gwarancyjnego, trwającego 5 lat od chwili zakończenia budowy. Maksymalne osiadania w okresie 30 lat założono do wartości 10 cm. Wstępne obliczenia wykazały, że dla występujących w podłożu niekorzystnych warunków gruntowych, tj. gruntów organicznych (namuły, torfy) i słabonośnych (pyły, gliny w stanie plastycznym lub miękkoplastycznym) i przy uwzględnieniu zmienności konstrukcji nasypu (wysokość), konieczne jest zastosowanie wzmocnienia podłoża gruntowego, aby spełnić wymagania odbiorowe. Przedstawione w dokumentacji geotechnicznej warunki gruntowe występujące w ramch przedmiotowej inwestycji charakteryzują się dużą zmiennością i miąższością warstw słabych (rys. 1). W celu odpowiedniego dobrania metody wzmocnienia podłoża gruntowego do panujących warunków, cały odcinek podzielono na dwa główne profile geologiczne:
– warstwy słabe znajdują się bezpośrednio pod powierzchnią terenu;
– warstwy słabe znajdują się na pewnej głębokości (min. 3 i więcej metrów od poziomu terenu).
Projekt wykonawczy wzmocnienia podłoża gruntowego zakładał użycie przemieszczeniowych kolumn betonowych dla pierwszego profilu geologicznego oraz technologii jet-grouting (JG) do wzmocnienia podłoża dla drugiego profilu. Przyjęte rozwiązanie musiało być zoptymalizowane, gdyż stosowanie czasochłonnej technologii kolumn JG nie spełniało wymogów  szacunku techniczno-ekonomicznego. Ostatecznie, do wzmocnienia podłoża gruntowego należącego do pierwszego profilu geologicznego została użyta metoda betonowych kolumn przemieszczeniowych typu CMC oraz przeciążenia nasypem z użyciem prefabrykowanych drenów pionowych (VD). Do wzmocnienia podłoża gruntowego należącego do drugiego profilu założono metodę kolumn kombinowanych (MCC). Ze względu na znaczą miąższość przypowierzchniowej warstwy piasków nie występuje problem ze statecznością nasypu, dlatego głównym celem zastosowania technologii MCC jest ograniczenie osiadań budowanej trasy.

 Wykonawstwo robót wzmocnienia podłoża gruntowego

Pod niskimi nasypami (do wysokości 3 m) trasy zasadniczej zastosowano przeciążenie nasypem wraz z drenami pionowymi. Wzmocnienie tą technologią polega na aplikacji w określonej siatce prefabrykowanych drenów pionowych w grunty słabo przepuszczalne, a następnie przeciążenie nasypem. Dzięki temu następuje wyciśnięcie wody z porów gruntowych z równoczesnym zagęszczeniem cząsteczek gruntu. W ten sposób poprawiają się parametry mechaniczne warstwy słabej. Dreny pionowe natomiast umożliwiają szybki wypływ wyciśniętej wody i tym samym skrócenie czasu konsolidacji. Do aplikacji drenów pionowych służy specjalnie zaprojektowany maszt, który umożliwia pogrążenie profilu stalowego (wewnątrz którego znajduje się prefabrykowany dren pionowy) na głębokość nawet 30 m. Jako nośnika masztu używano koparki typu PC350 Komatsu. Dreny pionowe zastosowano na około 60 000 m2 obszaru Trasy Sucharskiego. Aplikowane w siatce kwadratowej o boku 1 do 1,5 m na głębokość 10–12 m skracały czas konsolidacji do około 3 miesięcy z 1,5–3 lat. Wielkość przeciążenia określono w taki sposób, by uwzględniało przyszłe obciążenie użytkowe drogi oraz zjawisko pełzania gruntu. Wymuszone osiadania, jakie zrealizowały się podczas przeciążenia, wynosiły od 0,25 do 0,6 m. Do wzmocnienia podłoża pod najazdy do obiektów inżynierskich zastosowano technologię kolumn przemieszczeniowych typu CMC. W strefie przejściowej wzmocnienie kolumnami betonowymi polegało na utworzeniu w podłożu sztywnych inkluzji betonowych, zapewniających ograniczenie osiadań oraz zwiększenie współczynnika stateczności podłoża gruntowego. Do wykonywania kolumn CMC stosuje się specjalnie zaprojektowany świder przemieszczeniowy, zainstalowany na maszynie wyposażonej w głowicę o dużym momencie obrotowym i statycznym nacisku pionowym. Przemieszcza on grunt w kierunku poziomym do osi otworu. Poprzemieszczaniu gruntu poza obręb kolumny wykonywana jest pod ciśnieniem iniekcja mieszanki betonowej. Iniekt doterenu i nie generuje niebezpiecznych dla otoczenia wibracji. Kolumny CMC wykonuje się do spągu warstwy nienośnej wraz z technologicznym zakotwieniem w warstwie nośnej (min. 0,5 m). Długość zakotwienia zależy od oporu (zagęszczenia) gruntu nośnego w danej lokalizacji i jest weryfikowana na bieżąco. Jakość wykonania wzmocnienia określano na bieżąco na podstawie metryki kolumny, w której znajduje się m.in. jej profil, pobór energii podczas wiercenia, moment obrotowy, objętość mieszanki betonowej i ciśnienie podczas jej podawania. Do sprawdzenia po wykonaniu kolumn służą metody badania ciągłości (PIT) lub obciążenia próbnego (rys. 4), którego celem jest potwierdzenie zakładanej nośności kolumny lub weryfikacja osiadania kolumny pod zadanym obciążeniem. Kolumny mają zazwyczaj średnice 0,4 m, a w pewnych szczególnych przypadkach stosuje się kolumny średnicy 0,25 do 0,6 m.