AWARIA STALOWEJ ŚCIANY KOMBINOWANEJ PODCZAS BUDOWY NABRZEŻA PORTOWEGO. PRZYCZYNY I SPOSOBY NAPRAWY.pdf

Mgr inŜ. Paweł KWARCIŃSKI, pawel.kwarcinski@arcelor.com

Arcelor Commercial Long Polska Sp. z o.o.

AWARIA STALOWEJ Ś CIANY KOMBINOWANEJ

PODCZAS BUDOWY NABRZE ś A PORTOWEGO

– PRZYCZYNY I SPOSOBY NAPRAWY

STEEL COMBINED WALL FAILURE DURING CONSTRUCTION OF QUAY WALL

– REASONS OF FAILURE AND REPAIR METHODS

Streszczenie W pracy opisano awarię przy budowie nowego 3.5 kilometrowego nabrzeŜa kontenerowego

w Stanach Zjednoczonych. WaŜnym elementem konstrukcji nabrzeŜa była kotwiona ściana kombinowana

HZ/AZ. W trakcie wykonywania zasypki za ścianą i pogłębiania dna przed nią, doszło do przemieszczenia

poziomego ściany o 1.20 m. Doszło równieŜ do przemieszczenia ścianki kotwiącej. Awaria wystąpiła jedynie

na 35 metrowym odcinku nabrzeŜa w miejscu, w którym wody małej rzeki wpadały do morza. Przeprowadzone

dochodzenie pokazało, Ŝe projekt nabrzeŜa był wykonany na podstawie danych jedynie z 6 otworów

badawczych rozmieszczonych wzdłuŜ 3.5 kilometrowej inwestycji(!). W artykule omówione są przyczyny,

opisany jest stan awaryjny i podany sposób naprawy nabrzeŜa.

Abstract Article describes a failure of new build 3.5 km long quay wall in United States. Part of the quay is

constructed with anchored HZ/AZ steel combined wall. During backfilling and dredging works around combined

wall a 1.20 meter horizontal deflections of HZ/AZ wall has appeared. Also the anchorage system was displaced.

That deflections happened only on 35 m long part of quay wall in place were waters from small river were

earlier falling into the sea. The studies after failure showed lacks in ground investigations in place of failure.

Only 6 bore holes made on 3.5 km long quay wall(!). So lack of the data in design stage was main reason

of failure. Article describes actions undertaken after failure in order to repair wall.

1. Opis inwestycji

Inwestycja obejmuje budowę nowego nabrzeŜa kontenerowego w USA. NabrzeŜe ma mieć

całkowitą długość 3.5 kilometra. Na Rys. 1. przedstawiono przekrój poprzeczny

przez nabrzeŜe. Płyta nabrzeŜa (w formie pomostu) jest posadowiona na 4 rzędach

Ŝelbetowych pali. Od strony lądu pomost jest ograniczony zakotwioną ścianką kombinowaną

HZ/AZ.

Zadaniem ściany kombinowanej jest przejęcie obciąŜeń poziomych od parcia gruntu,

wywołanego 12 metrowym uskokiem. Ścianka ta składa się z głównych profili HZ775B

o wysokości 775 mm i długości 27 m oraz z profili wypełniających AZ18 o długości 21 m.

Zakotwienie zostało zrealizowane poprzez połączenie ścianki kotwiącej z 6 metrowych profili

AZ18 ze ścianą kombinowaną przy uŜyciu stalowych cięgien. Odległość pomiędzy ścianą

kombinowaną, a kotwiącą wynosi 20 m.

Prace budowlane przebiegały w następującej kolejności. Po oczyszczeniu i przygotowaniu

placu budowy przystąpiono do pogrąŜania 27 metrowych profili HZ775B. Zgodnie

437

z zaleceniami w trakcie pogrąŜania wykorzystano specjalne kleszcze. Kleszcze to sztywna,

przestrzenna, stalowa rama z prowadnicami dla profili HZ na dwóch poziomach. Zadaniem

kleszczy jest zapewnienie odpowiedniej pionowości ścianki i odległości pomiędzy

pogrąŜanymi profilami HZ. Początkowo profile HZ pogrąŜano wibromłotem,

a gdy zachodziła konieczność dobijano je przy uŜyciu młota. W następnym etapie, juŜ

wyłącznie przy uŜyciu wibromłota, pogrąŜano pomiędzy profilami HZ profile wypełniające

AZ. Cała ścianka kombinowana była pogrąŜana od strony morza z pływających platform.

Po wykonaniu fragmentu nabrzeŜa inne ekipy przystępowały do pogrąŜania ścianek

kotwiących i montaŜu cięgien. Następnie wykonywano zasypkę z gruntów sypkich pomiędzy

ścianą kombinowaną i kotwiącą. W dalszej kolejności przystępowano do prac

głębiarskich, których celem było obniŜenie dna przy ścianie kombinowanej o 10 m.

Po pogłębieniu i umocnieniu dna, naleŜało wybudować płytę nabrzeŜa, jednak wcześniej

doszło do awarii budowlanej.

Rys. 1. Przekrój poprzeczny przez nabrzeŜe

2. Przebieg awarii

W chwili awarii wykonano juŜ około 200 mb ściany kombinowanej nabrzeŜa wraz z jego

zakotwieniem, wykonaniem zasypki i pogłębieniem dna. Po wykonaniu zasypki, na kolejnym

odcinku ściany nabrzeŜa, doszło do większych niŜ zwykle, na tym etapie prac, przemieszczeń

korony ściany. Przemieszczenia te nie przekraczały jednak wartości dopuszczalnych.

Wykonawca przystąpił więc do kolejnego etapu prac, czyli do pogłębiania dna o 10 m

przed ścianą nabrzeŜa. Pod koniec tych prac ściana kombinowana zaczęła się znacznie

przemieszczać. Doszło takŜe do obrotu ścianki. Wraz ze ścianą główną przemieściła

się ścianka kotwiąca. W trakcie awarii nie doszło w Ŝadnym miejscu do zerwania cięgien.

Awaria miała miejsce na odcinku nabrzeŜa o długości około 35 m. Przeprowadzone

pomiary wykazały, Ŝe maksymalne przemieszczenia korony ścianki wyniosły 1.20 m od osi

teoretycznej ściany. Na Rys. 2. pokazane jest to odchylenie.

438

Rys. 2. Widoczne odchylenie ściany kombinowanej od jej osi o 1.20 m

3. Przyczyny awarii

Powodem duŜych odkształceń ściany kombinowanej i kotwiącej była utrata stateczności

ogólnej. Mechanizm awarii wraz z płaszczyzną poślizgu został przedstawiony na Rys. 3.

Projekt nabrzeŜa był taki sam jak na wcześniej wykonanym bezawaryjnym 200 metrowym

odcinku. Dlaczego więc doszło do awarii na tym fragmencie? Jeśli projekt nabrzeŜa i sposób

jego budowy był do momentu awarii identyczny, to najbardziej prawdopodobną przyczyną

były błędnie przyjęte do obliczeń parametry gruntowe.

Rys. 3. Mechanizm awarii

Przypuszczenie to w trakcie sprawdzania obliczeń nabrzeŜa okazało się słuszne. Awaria

wystąpiła w miejscu, w którym znajdowało się ujście rzeki (Rys. 4). Trudno w to uwierzyć,

ale na przyszłym placu budowy wykonano jedynie 6 otworów badawczych. Daje to 1 otwór

badawczy na około 600 m nabrzeŜa. Inwestor ze względu na „wysokie koszty” badań

geotechnicznych nie zgodził się na wykonanie większej ich ilości. Niestety Ŝaden

439

z tych otworów nie został wykonany w miejscu dawnego ujścia rzek, pomimo, Ŝe takie

miejsce, aŜ „prosi się” o bardziej kompleksowe zbadanie. Projektant, mając tak marne

informacje, podjął się ryzyka wykonania projektu.

Rys. 4. Na fotografii lotniczej miejsca awarii widoczne jest ujście rzeki do morza

Po zaleconych dodatkowych badaniach geotechnicznych okazało się, Ŝe w miejscach

w których projektant spodziewał się piasków znajdowały się głównie warstwy gruntów

spoistych w stanie plastycznym i miękkoplastycznym.

Główną przyczyną awarii jest więc chęć zaoszczędzenia pieniędzy przez inwestora, który

nie zgodził się na dodatkowe odwierty badawcze, pomimo, stanowiłyby one jedynie ułamek

procenta wartości całej inwestycji.

Ale odpowiedzialność leŜy takŜe po stronie projektanta, który za mało stanowczo domagał

się owych badań. Projektant powinien uznać za mało wartościowe, wartości parametrów

gruntowych do sprawdzenia nośności ścianki w miejscu przyszłej awarii.

Jak mogło dojść do tego, Ŝe projektant nie uwzględnił faktu występowania wzdłuŜ

projektowanej ściany nabrzeŜa ujścia rzeki? Mógł przecieŜ, nie posiadając parametrów gruntu

z tego obszaru, przyjąć znacznie większe współczynniki bezpieczeństwa. MoŜliwe więc, Ŝe

projektant nie miał w tym zakresie odpowiedniego doświadczenia. MoŜliwe jest takŜe,

chociaŜ w tą wersję trudno jest uwierzyć, Ŝe nie wiedział on o tym zagroŜeniu, gdyŜ nie

dokonał wizji lokalnej w miejscu przyszłej inwestycji lub nie posiadał odpowiednich map i

zdjęć lotniczych. Najprawdopodobniej nigdy nie poznamy odpowiedzi na pytanie

o świadomość projektanta o istniejącym zagroŜeniu awarią.

4. Sposób naprawy

Działania podjęte w celu naprawy nabrzeŜa moŜna podzielić na dwa rodzaje. Pierwszy

to działania doraźne, których celem było niedopuszczenie do dalszego narastania odkształceń

ściany kombinowanej oraz umoŜliwienie przyszłej naprawy. Drugi rodzaj działań to działania

naprawcze, których celem była ostateczna i trwała naprawa nabrzeŜa tak, aby było one

dopuszczone do uŜytkowania i mogło spełniać wszystkie załoŜone w projekcie funkcje.

440

Zaraz po zaistnieniu awarii podjęto następujące działania doraźne:

- wyciągnięto częściowo grodzice wypełniające AZ18, znajdujące się pomiędzy profilami

głównymi HZ775B; dzięki temu zmniejszyło się parcie gruntu i wody na ścianę

kombinowaną,

- zza ściany nabrzeŜa wybrano koparką 5 m gruntu w celu zmniejszenia jego parcia na ścianę,

- dokonano miejscowej wymiany gruntu przy ściance kotwiącej,

- wykonano pionowy drenaŜ w nasyconych gruntach spoistych celem polepszenia ich

parametrów wytrzymałościowych,

- ściankę kotwiącą z profili AZ18 o długości 6 m wzmocniono, pogrąŜając przy nich

dodatkowe grodzice o długości 15 m.

Oczywiście, aby przystąpić do działań naprawczych, trzeba było zaprojektować nową,

mocniejszą konstrukcję nabrzeŜa. Podjęto więc prace nad poszukiwaniem najbardziej

optymalnego rozwiązania. W pierwszej kolejności przystąpiono do stworzenia modelu MES

ścianki kombinowanej wraz z zakotwieniem.

Do modelu MES wprowadzono dane z przeprowadzonych dodatkowych badań gruntu.

Obliczone MES-owskim numerycznym programem komputerowym wyniki napręŜeń

i przemieszczeń zgadzały się z tymi zaobserwowanymi w trakcie awarii. Było to dowodem

na to, iŜ dobrze wykalibrowano model nabrzeŜa i ośrodka gruntowego. Na Rys. 5. widać

wyraźnie powierzchnię poślizgu w gruncie.

Rys. 5. Model MES nabrzeŜa w miejscu wystąpienia awarii

Posiadając dobry model MES nabrzeŜa moŜna było przystąpić do poszukiwania

moŜliwych sposobów trwałej naprawy. Zaproponowano pięć rozwiązań, które są wymienione

w poniŜszych podpunktach:

a) zakotwienie ściany kombinowanej w palowym koźle kotwiącym (Rys. 6),

wykonanym z pali Ŝelbetowych lub z profili stalowych typu HP (specjalne profile

do zastosowań geoinŜynieryjnych o takich samych grubościach ścianek półek

i środników); w tym rozwiązaniu wykorzystuje się juŜ wcześniej uŜyte elementy

ściany kombinowanej i te same ściągi,

b) pierwotne rozwiązanie, ale z dłuŜszymi i mocniejszymi grodzicami ścianki kotwiącej,

z dłuŜszymi ściągami kotwiącymi oraz z dłuŜszą i głębiej pogrąŜoną ścianką

kombinowaną (Rys. 7.); w tym rozwiązaniu naleŜałoby wydłuŜać wszystkie istniejące

elementy przez dospawanie nowych fragmentów profili,

441

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: