2015. június: jegyzet, portré, tudomány, lézer, disszemináció, egyetem, innováció, ipari automatizálás, építés, zöldkörnyezet, kiállítás/konferencia, it
2015. június 9.

Szerző:
Bogdán Zoltán

Mélyépítés vizes környezetben

Még a kólán felnőtt ifjúságnak sem kell különösebben bizonygatni, hogy ivó- és csapadékvíz nélkül nincsen élet. Azzal viszont leginkább az árvízvédelmisek és az építőmérnökök szembesülnek, hogy adott helyzetben bizony a túl sok víz sem mindig okoz felhőtlen örömet. És itt nemcsak a tévéhíradók hátborzongató árvízi és belvízi tudósításaira kell gondolnunk, hanem azokra a hétköznapi mélyépítési munkákra is – alapozás, csatornázás, mélygarázs- és medenceépítés stb. –, amelyek szükségszerűen (talaj)vizes környezetben folynak. Ezekben az esetekben pedig a víz inkább ellenség, mint barát. Meg kell vele küzdeni.


Magyarországon szinte minden épület és egyéb mérnöki létesítmény korán kapcsolatba kerül a vízzel, hiszen kevés építményt alapozhatnak stabil, sziklás altalajra, a többi helyen pedig a hazai hidrogeológiai sajátosságoknak megfelelően hamarosan megjelenik a hívatlan vendég, a talajvíz. Érvényes ez azokra a családi házakra, ahol pincét, garázst vagy éppen uszodát szeretnének a földfelszín alatt kialakítani, és még inkább azokra a hatalmas létesítményekre (irodaházak, bevásárlóközpontok), amelyek több emelet mélyen nyúlnak le a felszín alá.

És még azok az építmények sem kivételek, amelyeknek nincs szükségük ilyen föld alatti termekre, hiszen minél magasabbra tör az ég felé egy építmény, annál komolyabb (és mélyebb) alapozásra van szükség a föld alatt. Ami szinte kivétel nélkül talajvizes környezetben történik.
Nem túlzás tehát kijelenteni, hogy az általános építőmérnöki (mélyépítési) tevékenység jelentős része a talajvízzel való kapcsolat következményeinek megtervezésére, figyelembevételére és leginkább annak elhárítására irányul. A többi között ár- és belvízvédelemmel, csatornázással, szennyvízkezeléssel foglalkozó vízépítés természetesen egy kicsit komplexebben közelíti meg a kérdést. A szakemberek számára – a talajvíz távoltartása mellett – az álló- és főleg folyóvizeink féken tartása a legfontosabb feladat.

Gépek, anyagok, technológiák

A mélyépítési munkák közül a laikusok számára valószínűleg az úgynevezett síkalapozás a leginkább felfogható, hiszen építkezéseken ezt látni a leggyakrabban. Arról a módszerről van szó, amikor egy hatalmas munkaárokba nagy mennyiségű, betonkeverő üzemből mixerrel odaszállított transzportbetont öntenek a helyszínen összeszerelt acélszárakra. Ezt nevezik egy darabból, egy tömbből álló, vagyis monolit vasbetonnak. A végeredmény egy igen megnyugtató méretű vasbeton tömb lesz, amelyről minden további nélkül elhisszük, hogy képes elbírni a húszemeletes irodaházat vagy az óriási ipari csarnokot. Ez a módszer egészen addig jól működik, amíg a geotechnikusok a terepszint közelében megfelelő teherbírású talajt találnak, a talajvíz nem áll extrém magasan, illetve nem fenyeget az elcsúszás vagy a megsüllyedés veszélye.
Ha e feltételek közül csak egy is hiányzik – illetve a gazdasági számítások túlzott költségeket mutatnak –, alternatív megoldás, az úgynevezett mélyalapozás lép a helyébe. Vagyis, ha a síkalapozás az adott helyen nem valósítható meg, vagy túl drága lenne, az építmény szerkezeti elemei és a mélyebben fekvő, kellő teherbírású talaj közé közvetítő elemeket építenek. A mélyalapozás legismertebb fajtái: a cölöpalapozás, a résfalas alapozás, valamint a kút- és szekrényalapozás. Közös jellemzőjük, hogy ugyanolyan, sőt még inkább talajvizes környezetbe kerülnek, mint egy átlagos síkalap, amit az anyagválasztásnál messzemenőkig figyelembe kell venni.

Cölöpalapozás

Az elmúlt évtizedekben különösen a résfalas alapozás futott be nagy karriert a mélyépítésben. A résfal valójában egy „függőleges árok” kitöltésével, egy építési ütemben létrehozott, multifunkcionális vasbeton szerkezet, amely egyaránt alkalmas munkagödör-határolási, vízzárási, teherviselési és még sok egyéb műszaki célra. Elvileg bármilyen altalajban és – a talajvíz mennyiségétől függetlenül – komoly mélységben is elkészíthető. Mindez kiváló megoldást jelenthet, viszont meglehetősen költséges módszerről van szó, tehát alkalmazása csak akkor gazdaságos, ha párhuzamosan nemcsak egy, hanem több feladatot is ellát. Elgondolkodtató, hogy bizonyos esetekben az előnye egyben a hátránya is: nagyméretű falaknál (például metróalagút, mobil árvízvédelmi fal stb.) alapvető hatást gyakorol a felszín alatti vízáramlásokra, ami káros hidrológiai következményekkel járhat.

Visszatérve a legelterjedtebb síkalapozáshoz: természetesen ennek elkezdéséhez is szükség van egy viszonylag vízmentes területre. A munkagödrök, alapgödrök körülzárásának fontos és hosszú ideig szinte kizárólagos eszközei az úgynevezett szádfalak, amelyek a talajba vert, egymáshoz vízzáró hornyokkal kapcsolódó, többnyire hullámvonal alakú, acélból készült szádpallókból állnak. A szádfal általában kettős funkciót tölt be: egyrészt megtámasztja a munka­gödör függőleges földfalait, másrészt (többé-kevésbé) megakadályozza a víz beáramlását. Ha vízzárásra nincs szükség, a kisebb költséggel elkészíthető dúcolás is szóba jöhet, bizonyos esetekben pedig a legújabb fejlesztésű, úgynevezett műanyag betétes vízzáró fal vagy éppen egy automata vákuumos víztelenítő eljárás helyettesítheti a szádfalat. A legújabb kor terméke a vegyi talajszilárdítás és a fúrt-injektált talajhorgonyzás, amelyek nagymértékben meggyorsítják az alapozási munkafolyamatokat.

Szádfalazás

Az elmúlt néhány évtizedben a szádfalazás területén is komoly technikai fejlesztések történtek. A lakott területeken szinte elviselhetetlen zajt okozó pneumatikus kalapácsos leverést nagyrészt felváltotta a jóval kisebb zajterhelést okozó vibrációs, illetve hidraulikus sajtolási technika. Ami pedig még két évtizeddel ezelőtt is elképzelhetetlen volt: az acélpallókat egyre gyakrabban helyettesíti a hasonló specifikációjú, de jóval olcsóbb műanyag (PVC) szádfal.
Az alapozás után (rendszerint még a térszint alatt) elkezdőnek a szerkezetépítési munkálatok, amelyek – ha nem előre gyártott vasbeton elemekről van szó – a hagyományos zsaluzásra és állványozásra támaszkodnak. Persze ne a falusi kőművesek fatákolmányaira gondoljunk: az elmúlt évtizedekben az állványozási és zsaluzási rendszerek is korszerűsödtek, elterjedtek a fémszerkezetű csőállványok, illetve a modulelemekből összeállítható zsaluszerkezetek és zsalu­héjak. Vagyis a korábban „alkotó munkának” számító állványozás és zsaluzás jórészt szerelő jellegűvé vált, ácsszekerce helyett villáskulccsal dolgoznak a szakemberek.

Töltések, gátak, árvízi tározók

Noha, mint említettük, szinte minden építmény kényszerűen közeli érintkezésbe kerül a talajvízzel, van egy speciális mérnöki terület, a vízépítés, ahol viszont éppen az a cél, hogy a vízzel a lehető legszorosabb és leggyümölcsözőbb kapcsolatot építsék ki, minden részfeladatot ennek rendeljenek alá.
A vízépítési mérnöki feladatkörök egyszerű felsorolása is sokáig tartana, ezek közül csak néhány izgalmasabb: ár- és belvízvédelem, vízellátás, csatornázás, vízenergia-gazdálkodás, ivóvíztisztítás, szennyvízkezelés, öntözés, a vízi közlekedés létesítményei stb. Közülük néhánnyal már lapunk hasábjain is foglalkoztunk, ezúttal elsősorban az árvízvédelem műszaki kérdéseit szándékozunk körüljárni.
A témának különös aktualitást ad, hogy az elmúlt két évtizedben egymást érték a rekordméretű árvizek a Dunán, a Tiszán és néhány kisebb folyón, és nagyon valószínű, hogy a klímaváltozás hatására ez a tendencia tovább erősödik, ma még elképzelhetetlen magasságú árvizekkel kell majd szembenéznünk. Másik aktualitás, hogy a Tiszán az elmúlt néhány évben öt jelentős árvízcsökkentő tározót is átadtak (cigánd-tiszakarádi, tiszaroffi, hanyi-tiszasülyi, nagykunsági, Szamos–Kraszna), épül a hatodik (beregi) és továbbiakat is terveznek. Mindez nagy lehetőséget kínált a magyar mélyépítési-vízépítési szakmának, hogy megmutassa tudását és felkészültségét, valamint felhasználja a legújabb technikai-technológiai fejlesztéseket.

Árvízcsökkentő tározó

A háttérről dr. Csoma Rózsát, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem (BME) Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszékének docensét kérdeztük, aki egyebek között a Vízépítés és vízgazdálkodás, a Vízhasznosítás és a Vízkárelhárítás című tantárgyakat is oktatja a jövő mérnökeinek.
A szakember elöljáróban rámutatott arra, hogy nem véletlenül hívják így a tanszéküket: a vízépítés nem öncélú fogalom, csak akkor van társadalmi haszna, ha egy nagyobb egység, a vízgazdálkodás valamely célját szolgálja. A vízgazdálkodás célja pedig tömören megfogalmazva nem más, mint hogy ott, akkor és annyi, valamint olyan minőségű vizet a társadalom rendelkezésére bocsátani, amikor és ahol arra szükség van. Soha nem többet (árvíz, belvíz) és nem kevesebbet (ivó- és öntözővízhiány, minőségi problémák) az optimálisnál. Ám ahhoz, hogy ezt a célt elérjük, értelemszerűen vízi létesítményeket, szakszóval műtárgyakat kell tervezni és megépíteni.
A közvéleményt elsősorban az árvízvédelmi gátak és töltések állapota foglalkoztatja – főleg nagy árvizek idején –, a többi vizes szolgáltatást (egészséges ivóvíz, csatornázás, szennyvíztisztítás, belvízelvezetés stb.) szinte magától értetődő szolgáltatásnak fogja fel. Pedig ezek mögött is vízépítési műtárgyak százai és ezrei állnak: csatornák, kutak, nyomócsövek, ivóvíztároló medencék, aknák, zsilipek, duzzasztóművek, átemelők, átereszek, ülepítők, derítők, és még hosszan sorolhatnánk.

Mobil árvízvédelmi fal

Az árvízvédelemre, illetve a tiszai árvíztározókra áttérve dr. Cso­ma Rózsa – a szakmai részletek ismertetése mellett – eloszlat néhány közkeletű tévhitet és félreértést is.
Ilyen például, hogy a – ma még csak feltételezett – globális klímaváltozás okozta árhullámokkal szemben tehetetlenek vagyunk itt, a Kárpát-medencében. Erről szó sincs. A dunai vagy tiszai töltéseket – szakszóval védvonalat – magasabbra emelni, a műtárgyakat pedig ehhez igazítani elméletileg nem teljesíthetetlen szakmai kihívás. Gyakorlatilag „csak” pénz és némi találékonyság kellene hozzá, és az árvízvédelmi földműveket a lakott területeken kívül néhol akár egy méterrel is meg lehetne emelni. A városokon belül pedig tökéletes, bár igen drága megoldást nyújtanának a Szentendrén már megismert mobil árvízvédelmi falak. Az aztán más kérdés, hogy nem mindig az árvíz magassága, hanem az árhullám tartóssága teszi tönkre a gátat. De ennek elhárítására is létezik műszaki megoldás.
Az árvizektől tehát nem megijedni kell, hanem fölkészülni rájuk. Ehhez az is hozzátartozik (pénz!), hogy a földműveket és a műtárgyakat nemcsak meg kell építeni, de folyamatosan fenn is kell tartani. Egy kávéfőzőt javítás helyett akár ki is dobhatunk, na de egy dunai gátat?! Márpedig ha egy árvízvédelmi gát rendszeres fenntartását elhanyagoljuk, annak védképessége fokozatosan csökken, szélsőséges esetben akár meg is szűnik, és hasonló állagromlásnak vannak kitéve a hegy- és dombvidéki víztározóink (Rakaca, Lázbérc stb.) is.

A docens asszony szakmailag kifejezetten jó megoldásnak tartja a tiszai árvíztározókat, és természetesen nem csak azért, mert az egyetem, illetve a tanszékük is részt vállalt a rendszer kidolgozásában. Négy építőmérnöki szakterület (geotechnika, vízépítés, vasbeton- és acélszerkezetek) hosszú távú, zökkenőmentes együttműködésére van szükség egy-egy ilyen projekt létrehozásához. A „geósok” a fúrási, szondázási adatok kiértékelése után – a hidrológusokkal közösen – kijelölik a tározó helyét, és nagyrészt az ő feladatuk a földmunkák levezénylése is. A vízépítők megtervezik a szükséges műtárgyakat, például a beeresztő-leeresztő zsilipet. Mivel mindegyik tározó különbözik a többitől, szó sem lehet „típustervekről”, minden műtárgy egyedi alkotás és egyben szakmai kihívás. A szerkezetesek feladata, hogy ezeket az elképzeléseket szó szerint formába öntsék: csak ők tudják, milyen cement, beton és vasalás szükséges ahhoz, hogy ezek a létesítmények évtizedekig biztonságosan álljanak, a mozgó acélszerkezetek meg tökéletesen működjenek. Természetesen óriási szerepe van az azonnali visszacsatolásnak is: egyik szakma sem vethet papírra olyan elképzelést, amelyre a másik három ne bólintana rá.
Dr. Csoma Rózsa ezzel a témakörrel kapcsolatban is találkozott már jóhiszeműen naiv elképzelésekkel: ha a Tiszán ilyen jól beválnak ezek az árvízcsökkentő tározók, miért nem építünk hasonlókat a Dunán és a többi kis folyón is? A válasz részben elintézhető azzal, hogy nincs rá pénz, hiszen a tiszai tározók egyenként is több tízmilliárd forintba kerültek. A Duna esetében viszont van egy hidrológiai „probléma” is: Európa második legnagyobb folyójának a vízhozama többszöröse a Tiszáénak, tehát az árvízi tározóknak is ennyivel nagyobb kapacitásúaknak kellene lenniük. Eltekintve a horribilis költségektől, a sűrűn lakott és mezőgazdaságilag is kiváló adottságú Duna-parton igen nehéz lenne művelésből kivett, óriási területeket találni.
A kérdésre, hogy a saját szakmájában milyen „forradalmi” változások történtek az elmúlt egy-két évtizedben, a docens asszony egyértelműen a számítástechnika fejlődését emelte ki. A mai nagy teljesítményű asztali számítógépekkel és speciális szoftverekkel a húsz-harminc évvel ezelőtti állapotokhoz képest elképesztően gyorsan és pontosan tudják az adatokat elemezni és a terveket elkészíteni.

Geotextília

Manapság már mind nagyobb teret hódítanak a különböző „geoműanyagok”, vagyis a geotextíliák, a georácsok és a geomembránok, valamint egyéb műanyagok is. Már nem számít meglepetésnek, ha egy szádfal vagy éppen egy elzárószerkezet nagy teherbírású műanyagból készül, és ebbe a kategóriába tartoznak például a tömlős gátak is.

Georács

Nem szabad figyelmen kívül hagyni a vasbetonipar folyamatos fejlődését sem: egy vízépítő mérnök ma már szinte nem tud olyan teherbírású, tartósságú, húzószilárdságú vagy éppen vízzáró képességű vasbetont betervezni, amit ne tudnának leszállítani.

Beton, vasbeton, acélbeton

A 20. századot – némi túlzással – a beton és a vasbeton évszázadának tekinthetjük, és nagyon úgy tűnik, hogy ennek a nagy szilárdságú és kopásállóságú építőanyagnak a csillaga a 21. században, a high tech korában sem hanyatlik le.
A beton adalékanyagból (általában kavics), kötőanyagból (cement) és vízből álló mesterséges kő, amely a készítésekor még lágy, alakítható, de a kötőanyag és a víz vegyi reakciója következtében örök időkre megszilárdul. A betonba ágyazott acélszerkezet segítségével vasbeton elemek készíthetők, ezekben a nyomást a beton, a hajlítást és a húzást pedig a benne lévő betonacél veszi fel. A magyar elnevezés tehát kissé megtévesztő is, hiszen a vasbeton valójában „acélbeton”, de a szakmában mindenki csak betont mond, miközben a vasbetonra gondol. Hasonló a helyzet az angol nyelvterületen is: a „concrete” egyszerre jelent betont és vasbetont.

Persze sehol sem az elnevezés eleganciája, hanem a termék felülmúlhatatlan tulajdonságai emelik ki a tömegből a vasbetont. Becslések szerint a vizes környezetben készülő műtárgyak több mint háromnegyede „concrete”, és csak a fennmaradó részen osztozik az acél, a fa és a modern műanyag.
Hogyan alakult ki ez a domináns helyzet, és milyen innovációk jelentek meg ezen a téren az elmúlt egy-két évtizedben? – kérdeztük dr. Bódi Istvánt, a BME Hidak és Szerkezetek Tanszék docensét, aki hajdan még a Vasbetonszerkezetek Tanszéken kezdte pályafutását.
Az oldott oktatói stílusáról (is) ismert szakember gyorsan rövidre zárja a választ: a vasbetonnak olyan tulajdonságai vannak (nyomó- és húzószilárdság, merevség, tartósság, víz- és tűzállóság stb.), amelyeknek a többiek a közelébe sem érnek. Ráadásul meglehetősen olcsó építőanyag, a tervezett élettartama pedig 50-70 év, de a gátak-hidak esetén meghaladja a száz évet is, hiszen a vasbeton és a víz egyáltalán nem ellenségei egymásnak. Hogyan is lehetne hát leváltani egy ilyen tökéletes építőanyagot?
Jobban belemenve a részletekbe az is kiderül, hogy ezt a „tökéletes” építőanyagot azért már hosszú évtizedek óta kutatják és tökéletesítik, hiszen egyrészt közismert néhány negatív tulajdonsága (nagy súly, lassú szilárdulás, repedési hajlam, mérsékelt vízzáróság, agresszív folyadékok és sók elleni védtelenség stb.), másrészt a modern építőipar rendre újabb és újabb kihívások elé állítja a (vas)betonosokat.
Ők válaszképpen kifejlesztettek néhány korszerű betonfajtát, mint például a nagy szilárdságú (HSC), nagy teljesítőképességű (HPC), öntömörödő (SCC) vagy éppen ultra nagy teljesítőképességű szálerősítésű (UHPFRC) betont – amelyeket nagyrészt már itthon is használnak az építőiparban. Összegzésképpen elmondható, hogy a betonipar az elmúlt néhány évtizedben óriási fejlődésen ment keresztül. A „hagyományos” beton helyébe egyre inkább a nagy szilárdságú és egyéb különleges tulajdonságú betontípusok lépnek.

Vasbeton

Megoldották például már a súlycsökkentést is: az úgynevezett közönséges kavicsbeton köbmétersúlya úgy 2200-2500 kilogramm, a hasonló tulajdonságú, ám kavics helyett különféle granulátumokat tartalmazó könnyűbeton viszont jóval 2000 kilogramm alatt marad. Nem gond ma már a fagypont alatti betonozás és a villámgyors megszilárdulás sem. A modern vasbetonipar szinte házasságra lépett a vegyiparral, korábban elképzelhetetlen mennyiségű gyorsítót, folyósítót, késleltetőt és egyéb anyagot használnak. Gyártanak már az agresszív szulfátok (a kénsav sói) és kloridok támadását visszaverő betont is, ami mögött a szulfátálló cementek kifejlesztése áll.
Létezik már hőálló, hőszigetelő, sugárvédő, kopásálló vagy éppen habbeton is. Cikkünk szempontjából különösen érdekes módon szinte csak egyetlen betonfajtát nem sikerült (egyelőre) kifejleszteni: a tökéletesen vízzáró betont. Ennek magyarázata viszont nem a kutatók ügyetlenségében, hanem a fizikában keresendő: a betonban lévő mikrorepedéseken és főleg a pórusokon keresztül mindig is átszivárog némi nedvesség. Ennek mennyiségét jelentősen lehet csökkenteni (olyannyira, hogy egy gát oldalfalán szinte láthatatlanul elpárolog), de ha valóban a tökéletes vízzárás a cél, akkor jöhetnek a szigetelőanyagok, például az évtizedek óta jól bevált bitumen.
A szakember tájékoztatásul egy óriási táblázatot is mutat a kereskedelmi forgalomban lévő betonfajtákról: ebben nyomószilárdság, cementtartalom, víz-cement arány és levegőtartalom alapján osztályozzák a betonfajtákat. Illetve a környezetkárosítás tudatosítása nyomán az elmúlt évtizedben megjelent egy új rubrika is: a környezeti osztály jele. Ma már elég azt megadni, hogy milyen környezetbe szánjuk a betont, a szabvány alapján máris kikereshetjük a megfelelő terméket. Az XA3 jelzés például a szakemberek számára egyértelműen mutatja, hogy „agresszív talajjal vagy talajvízzel érintkező, erősen korrózió- és szulfátálló betonról” van szó.

Dr. Bódi István a szakmáját érintő számos újdonság közül kettőt emel ki: a lőtt és a szálerősített betont. Az előbbi egy, már hazánkban is gyakran alkalmazott technológia, az utóbbi viszont igen ígéretes anyagfajta. Az acélhálóra vagy vasalatra nagy nyomással fellőtt betonnal két időrabló és költséges technológiai fázist: a zsaluzást és a tömörítést is ki lehet váltani. A különböző, mikro- és makroméretű műanyag és fém („acélhaj”) szálakkal megerősített betonfajta ma még inkább csak az építőipari laborok sztárja, de már készítenek belőle például kopásálló padlót is. Az alkalmazott száladagolás egyelőre a betonacélok mellett erősíti a vasbeton szerkezetet, ám folynak már olyan kísérletek is, hogy ezek a szálak teljesen kiváltsák a jól bevált, ellenben drága és nehéz acélszerkezetet.

Klímaérzékeny jövő

Ha a vasbeton és a geoműanyag nem is, de a talaj- és árvíz elleni küzdelem, illetve a speciális vízépítés már kétszáz vagy ötszáz éve is a mindennapok része volt, sőt a rómaiak már kétezer esztendővel ezelőtt víz alatt megkötő, úgynevezett „római cementet” használtak fürdők és vízvezetékek építésére. A főbb célok tulajdonképpen azóta sem változtak, legfeljebb a műtárgyak, az anyagok, a gépek és a technológiák.
És az időjárás: Magyarország egyértelműen a „fokozottan klímaérzékeny” területek közé tartozik, ahol a (közel)jövőben nagy éghajlati változások várhatók. A jelenlegi légköri rendszer minden bizonnyal „kibillen” az egyensúlyi állapotából, ami a szélsőséges időjárási események (felhőszakadás, árvíz, orkán, hóvihar, szárazság, extrém hideg és forróság) gyakoriságát hozza magával. Ami persze még a jelenleginél is jobban próbára teszi majd a folyók menti védműveket, de az 50-100 évre tervezett egyéb építményeket is. Nem ártana minderre már nemcsak műszakilag, de pénzügyileg is felkészülni.•

 
Innotéka