PRECISION GEOTECHNICAL MONITORING

English (United Kingdom)Slovenčina (Slovenská republika)
Sunday, 16 December 2018
Prístroje na geotechnický monitoring pri výstavbe v hustej zástavbe

Aby sa zvýšila kvalita života v našich mestách, bude potrebné v najbližších rokoch investovať do ich infraštruktúry. Najmä Bratislavu čakajú veľké dopravné projekty, aby bolo možné napojiť dopravné prúdy z centra mesta na nadregionálnu cestnú a železničnú sieť. Príkladom je plánované prepojenie Hlavnej železničnej stanice so železničnou stanicou v Petržalke. Treba modernizovať aj stokovú sieť vo väčšine slovenských miest, čo sa v súčasnosti deje napr. v Banskej Bystrici. Riešiť treba aj statickú dopravu výstavbou podzemných garáží v hlbokých stavebných jamách. Všetky tieto projekty si vyžadujú vykonávanie geotechnického monitoringu, aby nebola ohrozená bezpečnosť a zabránilo sa škodám na existujúcej zástavbe.

Základom geotechnického monitoringu sú geotechnické merania, ktoré sa musia vykonávať podľa projektu monitoringu. Prvým krokom pri vypracovaní hodnotného projektu geotechnického monitoringu je formulácia jeho účelu, jeho zadefinovanie v zmysle určenia kritických miest, mechanizmov a kritérií porušení, stupňov dôležitosti, medznej úrovne rizík, ako aj opatrení pri ich prekročení. Uvedené náležitosti vypracuje projektant, ktorý s nimi oboznámi investora, aby ten mohol začať už v čase prípravy stavby plánovať príslušné opatrenia. Potom projektant navrhne rozsah meraní, pričom určí poradie ich dôležitosti, lokalizuje meracie miesta a stanoví typy meraných veličín. Každému meraniu priradí časové rozpätie, počas ktorého sa má vykonávať, ako aj  periodicitu merania a intervaly podávania správ. Detailný merací program vypracuje špecializovaná firma, ktorá vlastní dostatočné know-how na vykonávanie geotechnického monitoringu. Jeho obsahom je aj výber vhodného meracieho zariadenia. Návrh a aplikácia meracieho systému v konkrétnych podmienkach stavby si vyžaduje poznať jeho princíp a vlastnosti jednotlivých častí. Merací prístroj sa zvyčajne skladá z týchto častí:

  • snímacia časť – detektor, ktorý slúži na meranie danej vlastnosti alebo údaje
  • prenosový systém – slúži na prenos nameraného údaje na miesto odčítania
  • odčítacia jednotka – číslicové alebo grafické zobrazovacie zariadenie znázorňujúce merané hodnoty

Mechanické systémy
Patria medzi najjednoduchšie, ale pritom vysoko spoľahlivé metódy. Nevýhodou je absencia prenosu údajov na diaľku, a teda obmedzené využitie v ťažko prístupných miestach. Najpoužívanejšie sú konvergenčné pásma, dilatometre a mechanické dynamometre.

Optické a elektrooptické systémy
Medzi štandardné monitorovacie techniky patria optické systémy, ktoré sa vyznačujú spoľahlivosťou a rentabilitou. Elektrooptické systémy umožňujú v pomerne krátkom čase pokryť meraním veľké plochy a dajú sa nimi zamerať aj neprístupné miesta. Presnosť optických systémov je vysoká, ale ovplyvnená okrem iného aj atmosférickou teplotou a tlakovými zmenami, čo by malo byť zahrnuté pri vyhodnocovaní merania. Kvalita merania vo vysokej miere závisí aj od kompetencie a spoľahlivosti personálu. Medzi najpoužívanejšie sa zaraďujú geodetické meracie prístroje.

Nivelačné prístroje umožňujú utvoriť zámernou osou vodorovnú rovinu, ktorou sa určujú výškové rozdiely – prevýšenia medzi jednotlivými bodmi. Z hľadiska presnosti delíme nivelačné prístroje na nivelačné prístroje na technickú niveláciu, presnú niveláciu a veľmi presnú niveláciu. Z hľadiska konštrukcie ich rozdeľujeme na libelové a kompenzátorové.

Teodolity sú prístroje na presné meranie vodorovných a výškových uhlov ľubovolnej veľkosti. Podľa presnosti merania sa rozdeľujú na teodolity:

s nižšou presnosťou (momega = 80cc)

so strednou presnosťou (momega = 20cc)

presné (momega = 6cc)

s vysokou presnosťou (momega = 1 až 2cc)

Integrované meracie systémy (IMS) slúžia na presné určenie priestorových súradníc bodov. IMS sa skladajú z integrovaného meracieho prístroja (IMP) a cieľového zariadenia (zámerného terča). IMP umožňujú merať uhlové, dĺžkové a výškové parametre potrebné na určenie priestorovej polohy bodov. Z konštrukčného hľadiska delíme IMS na stavebnicové integrované meracie systémy, pri ktorých sa dĺžkomerné zariadenie nasadzuje na ďalekohľad, a kompaktné integrované meracie systémy (KIMS). KIMS sú z hľadiska automatizácie vysoko efektívne pracujúce prístroje. Nazývame ich aj elektronické tachymetre. Vyšší stupeň automatizácie dosahujú tzv. totálne stanice a plnoautomatizované meracie systémy, tzv. roboty.

Pri geotechnickom monitoringu sa GPS prístroje nevyužívajú na určenie absolútnej polohy bodu, ale jeho polohu vzhľadom na jeden alebo viacero vzťažných bodov. Diferenciálny GPS (DGPS) vyžaduje najmenej dva prijímače: jeden je permanentnou stanicou (postaví sa nad pevný bod so známymi súradnicami), kým druhým prijímačom sa merajú pozorované body.

Fotogrametrické prístroje alebo laserové skenery nám poskytujú na základe snímok tvar, veľkosť a priestorovú polohu predmetu. Vďaka tomu možno meranie v teréne nahradiť meraním na snímke.

Pneumatické a hydraulické systémy
Tieto systémy pracujú na princípe tlakovej membrány (kompenzačného ventilu). Tlak, ktorý sa má merať, pôsobí na jednej strane poddajnej membrány zhotovenej z ocele, gumy alebo plastickej hmoty. Na druhú stranu membrány pôsobí tlak pomocou stlačeného plynu alebo hydraulického média cez tlakové vedenie, až sa dosiahne vyrovnávací tlak, ktorý sa zaznamená napr. na presnom manometri. Najpoužívanejšími meracími zariadeniami na tomto princípe sú:

  • tlakomerné krabice určené na meranie kontaktných napätí alebo napätí v betónových konštrukciách
  • snímače pórových tlakov vody v zeminách (piezometre)
  • snímače kotevnej sily (dynamometre)

Elektrické systémy
Základnou časťou každého elektrického meracieho systému je snímač. Ten buď kontaktným (dotykové snímače), alebo nekontaktným (bezdotykové snímače) spôsobom zachytí meranú fyzikálnu veličinu, ktorú spracuje na veličinu elektrickú a pomocou nej zaznamená výsledok merania. Jednou zo základných klasifikácií elektrických meracích systémov je ich rozdelenie na analógové a číslicové (digitálne). Analógový merací systém je schopný zmerať ľubovolnú hodnotu, číslicový merací systém len konečne veľa diskrétnych hodnôt. Transformáciu meranej veličiny na veličinu elektrickú realizuje v snímači senzor. V závislosti od spôsobu transformácie rozoznávame snímače odporové, kapacitné, indukčné, indukčnostné, transformátorové, piezoelektrické, optoelektronické, vibračné, magnetoelastické a magnetoelektrické. Z elektrických meracích systémov sú v geotechnike najpoužívanejšie strunové (vibračné) snímače. Fungujú na princípe zachytávania frekvenčných impulzov, ktoré sa môžu prenášať bez porúch na veľké vzdialenosti a ľahko sa odlíšia od šumov pozadia. Frekvenčný výstupný signál je stabilný a dá sa jednoducho digitalizovať. Aplikácia strunových tenzometrov je aj vďaka malému (takmer nulovému) dlhodobému driftu v stavebníctve veľmi všestranná (merania deformácií, napätí, úklonov). Vplyv teploty sa pri týchto snímačoch kompenzuje voľbou materiálu konštrukcie snímača. Rozdielna rozťažnosť materiálu struny a konštrukcie snímača sa využíva na výrobu snímačov teploty.

Vláknooptické systémy
Vláknooptické systémy predstavujú nový trend vo vývoji meracích systémov v geotechnike, založený na princípe interferometrie. Dosiaľ sa snímače z optických vlákien využívali najmä na určovanie polohy v priemyselných procesoch. Zaujímavými sa stávajú aj v stavebníctve, keďže nimi možno sledovať väčšinu fyzikálnych a chemických vlastností (teplota, dráha, napätie, ale i výskyt rôznych plynov). Imunita sklených vláken proti elektromagnetickým poruchám a chemickým reakciám (napr. korózii) umožňuje dlhodobé zabudovanie v náročných podmienkach. Nezanedbateľnou vlastnosťou je aj možnosť ich integrácie do sietí.

Výber prístrojov GTM pri realizácii líniového podzemného diela razením, resp. štítovaním v mestských podmienkach
Nad realizovaným tunelom (štôlňou) vzniká poklesová kotlina. Objekty, ktoré sa nachádzajú v tejto oblasti, treba zabezpečiť, a to buď aktívne (vhodnými technickými opatreniami, napr. podchytávaním), alebo pasívne (kontrolným sledovaníme objektov, aplikáciou geotechnického monitoringu). Pred samotnou realizáciou geotechnického monitoringu sa musí zhustiť základná polohová sieť bodov (hlavných, polygonálnych, pomocných) na danom území mesta, aby sa z nej mohol realizovať monitoring deformácií počas razenia. Na tieto meračské práce sa kladú vysoké nároky, pretože od ich kvality sa odvíja presnosť meraní počas razenia. Aplikujú sa GPS systémy, presné tachymetre s presnými odrazovými hranolmi, presné digitálne nivelačné prístroje s kalibrovanými invarovými latami. Merací program počas výstavby podzemného líniového objektu okrem meraní na samotnom vznikajúcom objekte spočíva v sledovaní:

  • povrchu a základovej pôdy v oblasti poklesovej kotliny – použiť možno napr. piezometre na meranie hladiny podzemnej vody, TRIVEC na meranie podpovrchových deformácií v troch smeroch, extenzometre na automatizované sledovanie deformácií v osi vrtu, resp. posuvný deformeter na etapové meranie deformácií v osi vrtu, nivelačné prístroje na meranie výškových posunov na povrchu (napr. koľají električkovej dráhy);
  • inžinierskych sietí v oblasti poklesovej kotliny – využiteľné sú napr. systémy hydrostatickej nivelácie, strunové tenzometre na oceľových potrubiach, vodorovný inklinometer, dilatometre a konvergenčné pásmo v stoke alebo kolektore;
  • zástavby v oblasti poklesovej kotliny – môžu sa uplatniť napr. nivelačné prístroje, snímače na hydrostatickú niveláciu, úklonomery, dilatometre, geodetické roboty – motorizované nivelačné prístroje a totálne stanice na kontinuálny monitoring deformácií.

Výber prístrojov GTM pri realizácii stavebných jám v mestských podmienkach
Stavebné jamy sa budujú pri realizácii podpovrchových líniových objektov hĺbením, pri výstavbe staníc podzemných dráh alebo za technologickým účelom (napr. štartovacie jamy pre štít). Škody na okolitej zástavbe môžu nastať v dôsledku realizácie samotnej pažiacej steny a kotevného systému alebo v dôsledku deformácií pažiacej steny počas hĺbenia stavebnej jamy. Merací program počas realizácie stavebnej jamy preto spočíva v sledovaní:

  • povrchu, inžinierskych sietí a základovej pôdy – použiť možno napr. piezometre na meranie hladiny podzemnej vody, posuvné deformetre na etapové meranie deformácií v osi vrtu (sadanie budovy, resp. dvíhanie dna stavebnej jamy), nivelačné prístroje na meranie výškových posunov na povrchu (napr. koľají električkovej dráhy), resp. v hĺbke uloženia inžinierskych sietí;
  • samotnej konštrukcie stavebnej jamy (paženie, rozpery, kotvy) – možno uplatniť napr. vertikálny inklinometer na meranie deformácie pažiacej steny, dynamometer na meranie sily v kotve, tenzometer na meranie napätia v rozpere, tachymeter na meranie deformácií venca pažiacej steny;
  • zástavby v oblasti potenciálneho ovplyvnenia – využívajú sa napr. nivelačné prístroje, snímače pre hydrostatickú niveláciu, úklonomery, dilatometre, geodetické roboty – motorizované nivelačné prístroje a totálne stanice na kontinuálny monitoring deformácií.


hosť. doc. Ing. Vladimír Gróf, PhD.
Foto: autor

Autor po ukončení vysokoškolských štúdií a štvorročnej praxi v Pozemných stavbách, š. p. pôsobil v rokoch 1988 – 1997 ako vysokoškolský učiteľ na Katedre geotechniky SvF VŠDS Žilina, neskôr ako externý prednášajúci a vedúci diplomových prác na Katedre geotechniky Žilinskej univerzity v Žiline, kde od roku 2006 prijal titul hosťujúceho docenta. Je spoluzakladateľom a konateľom spoločnosti Geoexperts spol. s r. o., ktorá sa už vyše dvanásť rokov zaoberá problematikou geotechnického monitoringu.

Literatúra:
GRÓF, V.: Vibračné snímače a skúsenosti s ich využitím v praxi. Stavebnícka ročenka 2007. Bratislava: JAGA GROUP, s. r. o, 2006.
KOPÁČIK, A.: Meracie systémy v inžinierskej geodézii. Bratislava: Edičné stredisko STU, 1998.