GEOTECHNICKÝ MONITORING

 

Geotechnický monitoring je soubor různých metod a měření, včetně vizuálního sledování stavu horninového prostředí, zaměřených na sledování horninového prostředí a spolupůsobení horninového prostředí se stavbou včetně prognózy. Využívá se různých metod (inženýrskogeologické, geotechnické, geodetické, geofyzikální, hydrogeologické, metody dálkového průzkumu Země apod.)

Geotechnický monitoring se provádí jednak jako součást průzkumu při ražbě průzkumných štol, dále pak jako součást ražby tunelu v rámci observační metody. V tom případě má charakter doplňkového průzkumu. Geotechnický monitoring může být i součástí provozního monitoringu provozovaného tunelu.

Geotechnický monitoring tunelu je nedílnou součástí řízení rizik a řízení výstavby liniové stavby na potenciálně nestabilním území. U tunelů u portálů a příportálových zářezů. Konkrétní metody, četnost měření, rozsah a komplexnost měření, databáze výsledků měření a přenos dat k uživatelům, je dán projektem geotechnického monitoringu.

CÍLE MONITORINGU

 

Základní cíle monitoringu

Základním cílem monitoringu je porovnávání skutečného vývoje chování sledovaného systému ostění tunelu – hornina – postup ražeb – vývoj poklesové kotliny na povrchu terénu – deformace objektů na poklesové kotlině (dále jen sledovaného systému) s předpoklady, které byly uvažovány při zpracovávání DSP či ZDS stavby.

Dalším základním cílem monitoringu je předpověď dalšího chování sledovaného systému a získání podkladů pro přijímání opatření, jejichž úkolem je udržet chování sledovaného systému v mezích

stanovených v ZDS, případně po odsouhlasení objednatelem stavby upřesněných v RDS a dále

kontrola účinnosti těchto opatření.

K základním cílům monitoringu patří i sledování případných vlivů ražby tunelu na životní prostředí, zejména změn vodního režimu.

 

Konkrétní cíle monitoringu

Konkrétní cíle monitoringu je třeba stanovit v ZDZ individuálně pro jednotlivé tunelové projekty a pro jednotlivé objekty stavby. Konkrétními cíli monitoringu jsou obvykle:

• Ověření a zpřesnění geotechnického modelu použitého pro projekt tunelu.
• Kontrola stability výrubu z hlediska bezpečnosti provádění podzemního díla.
• Ověření funkčnosti navrženého technologického postupu výstavby a opatření k zajištění stability výrubu (definovaného např. technologickou třídou výrubu) či zajištění přípustných deformací nadloží a nadzemních objektů.
• Příprava podkladů pro případné změny technologického postupu výstavby a opatření k zajištění stability výrubu na základě interpretace výsledků monitoringu a skutečně zastižených geotechnických podmínek.
• Příprava podkladů pro ověřování a zpřesňování numerického a geomechanického modelu použitého pro návrh prvků zajištění stability výrubu a technologie ražeb nebo dimenzování definitivního ostění.
• Kontrola vlivu ražeb na práva třetích stran (zejména nadzemní zástavba, inženýrské sítě, režim podzemní vody atp.).
• Průkaz kvality prováděného díla. (Rozumí se v rozsahu monitoringem sledovaných parametrů a jejich projektem předepsaných mezních hodnot (viz kritéria varovných stavů).

VYBRANÉ METODY MONITORINGU

Měření napjatosti

 

Měření napětí mezi horninou a primárním ostěním (tlakoměrné buňky)

Měření kontaktního napětí (zatížení ostění) je prováděno pomocí hydraulických tlakových buněk (HTB), viz Obr. 1. Jedná se o zařízení (měřidlo), v němž je tlak kapalinového media převáděn na jinou měřitelnou veličinu, jejíž vztah k měřenému tlaku (tahu) je znám. Měřidlem je plochá kapalinová buňka o průměru cca 150 mm. Uvnitř je dutina s minimálním objemem pro hydraulickou náplň s vlastnostmi zajišťujícími minimální tepelnou (objemovou) závislost. Z těla buňky je vyvedena kapilára, která přechází v kovové pouzdro s polovodičovým tenzometrickým čidlem. K dispozici je několik konstrukčních modifikací s možností volby převodníků tlakového rozsahu (0-100 kPa až 0-10 MPa). Z pouzdra vychází kabel k odečítací jednotce.

 

Konstrukce a instalace HTB musí zajišťovat stálý kontakt, jak s horninovým prostředím, tak s primárním ostěním, možnost měření napětí v rozsahu tah – tlak a vyloučení vlivu smykových napětí.

Uvedení do kontaktu mezi horninu a ostění a následné zmonolitnění s horninou se provádí tak, že určené místo v hornině se vyrovná podkladní vrstvou z cementové malty, do ní se buňka zamáčkne a přichytí se pomocí kovových hmoždinek. Vlastní fixaci zajišťuje krycí vrstva stříkaného betonu.

Měření kontaktního napětí je vhodné provádět pomocí automatizované ústředny (centrály), která představuje zařízení určené pro automatické měření většího počtu HTB buněk v delším časovém období, s volitelným intervalem odečtu (10 min. – 10 hod.). Jako výchozí interval odečtu bývá požadována 1 hodina. Výsledky kontinuálního měření jsou zaznamenávány do paměti, odkud jsou přenášeny do počítače (IBM PC) po sériové lince (např. pomocí notebooku). Přesnost měření maximálně do 3 kPa.

 

Měření namáhání v primárním ostění (strunové tenzometry)

Jako měřidla mohou být použity vibrační strunové tenzometry (viz Obr. 2), které jsou přes distanční výztuž fixovány do armatury primárního ostění, a to ve směru předpokládaných maximálních normálových namáhání.

Měření probíhá nepřímou metodou pomocí elektronického rozkmitání struny tenzometru, kde snímač speciální aparatury odečítá frekvenci kmitání. Odečtené hodnoty po přepočtení udávají poměrné délkové přetvoření v konstrukci (microstrain [mm/m]). Napětí se z nich určuje pomocí deformačních charakteristik materiálu (ocel, beton). Z těchto důvodů je vhodný přepočet pouze na napětí ve výztuži, kde je vždy jasný modul pružnosti. V betonu se modul pružnosti s časem mění a do výpočtu by dále musely vstupovat hodnoty přetvoření od dotvarování a smrštění betonu a změny teploty. Tyto parametry je však velmi složité určit, respektive jejich odhad může být stanoven až na základě většího počtu měření na větším počtu odpovídajících si měřících míst. Přepočtené hodnoty napětí ve výztuži je i přesto nutné uvažovat jako hodnoty orientační.

 

Důležitým výstupem je dále průběh namáhání v příčném řezu (mezi vnitřním a vnějším lícem ostění) a časový nárůst hodnot. Měřit lze jak tahová, tak i tlaková namáhání. Přesnost měření maximálně do 3 kPa.

Měření deformací

 

Geodetické měření deformací povrchu

Pro stanovení deformace povrchu terénu existují dvě metody geodetických měření:

 

Trigonometrické měření – u osazených geodetických bodů jsou v předepsaných intervalech opakovaně kontrolovány změny absolutní polohy ve všech třech směrech (x, y, z). Tato metoda je při „ručním“ měření poměrně drahá a bývá používána jen v odůvodněných případech. Její uplatnění se však v poslední době rozšiřuje, a to díky použití automatických stanic, které umožňují měřit velké množství bodů v téměř libovolném intervalu. Změřená data jsou následně odesílána pomocí mobilní sítě do databáze monitoringu. Obdobnou formou je měření pomocí GPS. Přesnost těchto měření se pohybuje řádově okolo 1-2 milimetru, velké množství změřených dat však umožňuje spolehlivě odhalit trendy změn deformací.

 

Nivelační měření – v tomto případě je měřena pouze svislá složka deformace bodů. Výškové změny jsou určovány opakovaným měřením metodou geometrické nivelace ze středu. Všechny etapy opakovaných měření jsou vztaženy k referenčním bodům, které jsou osazeny vně předpokládané poklesové kotliny, tedy do míst ražbou nezasažených.

Stabilizace sledovaných bodů bývá provedena dle možností buď vetknutou trubkou nebo roxorem s upraveným zhlavím. Přesnost tohoto typu měření se pohybuje okolo 0,1 mm.

Geodetické měření deformací primárního ostění (konvergenční měření)

Měření konvergencí je nejdůležitějším měřením z komplexu měření, která tvoří neoddělitelnou součást technologie NRTM. Výsledky měření dávají možnost nejrychleji posoudit, zda očekávané hodnoty deformací odpovídají hodnotám skutečným.

Při významnějších rozdílech mezi projektovanými hodnotami a naměřenými hodnotami jsou výsledky tohoto měření základním podkladem pro změny technologie ražby nebo k úpravám výstroje díla.

Tvarové změny ostění výrubu jsou sledovány na bodech stabilizovaných v rovině měřícího (konvergenčního) profilu, jehož staničení je určeno projektem. V jednotlivých konvergenčních profilech je umístěno několik bodů. Vektor prostorové změny polohy sledovaných bodů je pak určován opakovaným trigonometrickým měřením se současným určením délky.

Metodika měření musí být volena tak, aby bylo možné odvodit z měřených hodnot statistické veličiny informující o kvalitě měření.

Sledované body jsou stabilizovány pomocí roxorů se speciálně upraveným zhlavím, které slouží k upevnění reflektorů s kardanickým kloubem umožňující otáčení reflektoru do všech směrů podle potřeb měřiče. Reflektor je zhotoven z plastu, který zabraňuje poškození roxoru i samotného reflektoru. Tímto je zajištěna stabilita roxoru, potažmo sledovaného bodu při případném poškození reflektoru. Roxory se na konstrukci primárního ostění upevňují tak, aby po následném nastříkání betonu bylo vidět pouze jejich zhlaví.

Podstatnou podmínkou sledování deformací ostění je, aby stabilizace sledovaného bodu proběhla co nejdříve po otevření výrubu – z tohoto důvodu je nutné všechny konvergenční body osazovat bezpodmínečně ihned při aktivaci ostění záběru procházejícím staničením konvergenčního profilu.

Pro měření deformací výrubů jsou používány totální optické automatické stanice s minimální přesností odečtu úhlu 0.15 mgon pro měření směrů a 1+1 ppm pro měření vzdáleností. Skutečná přesnost výsledků měření v poloze bývá do 2 mm a ve výšce více než 1 mm.

 

Extenzometrická měření

Úkolem extenzometrických měření je získání informací o rozdělení vertikálních deformací po výšce nadloží podzemního díla.

Extenzometrická měření se provádějí ve vrtech provedených z povrchu, ve kterých jsou fixovány v daných hloubkách kotvy extenzometrů, vytvářející pevné body. Kotvy jsou spojeny laminátovou tyčí se snímačem pohybů – měřící hlavou, upevněnou na výpažnici, ke které je zvenčí navařena geodetická polohová značka.

Měřící zhlaví obvykle umožňuje odečet deformací v rozsahu ± 25 mm, jeho konstrukce však zajišťuje možnost přestavení a kontinuálního měření v nové poloze po přestavení. Možné je tedy sledovat deformace řádu několika decimetrů. Přesnost odečtu je 0,1 mm. Vlastní odečet je prováděn buď manuálně mechanickým hloubkoměrem s digitálním displejem nebo automaticky s elektronickým odečtem dat.

V každém vrtu bývá osazeno několik kotev v různých výškových úrovních. V extenzometrických vrtech, umístěných nad osou tunelu se spodní kotva extenzometru obvykle osazuje ve výšce 1,0 m nad ostěním tunelu. Ve vrtech mimo tunel se spodní kotva osazuje v úrovni dna tunelu. Za fixní je možné považovat u vrtů mimo tunel spodní kotvu, u vrtů umístěných nad osou vrtu není žádný fixní bod a absolutní výšky je nutné vztahovat ke geodetickému polohovému měření.

Extenzometry jsou obecně instalovány do jádrových vrtů ø 112 mm, zapažených v nestabilní neměřené oblasti nadloží tunelu při povrchu terénu ocelovou pažnicí ø 108 mm. U vrtů v obtížných podmínkách je možné ukončit vrt ø 76 mm.

Kotvy jsou fixovány cementovou směsí s přísadou cca 10 % bentonitu. Cementované úseky jsou dilatovány polyuretanovou pěnou, čímž jsou oddělovány sledované úseky. Měřící zhlaví je připevněno k úvodní ocelové pažnici v chráněné uzavřené šachtici pod povrchem terénu a kryto uzamykatelným poklopem.

 

Inklinometrická měření

Inklinometrické vrty slouží ke stanovení změn deformací horninového prostředí v rovinách kolmých k ose inklinometrického vrtu. Jeho délka musí být taková, aby dno vrtu bylo v oblasti neovlivněné ražbou tunelu, protože za stabilní měřenou úroveň, k níž jsou další měření ve výše položených hloubkových úrovních vrtu vztahována, se pokládá dno vrtu. Z tohoto důvodu jsou inklinometrické vrty navrhovány až cca 10,0 m pod úroveň dna tunelu. Inklinometrie se měří metodou přesné inklinometrie, která umožňuje sledování vodorovných pohybů osy vrtu, a to mezi body vzájemně výškově vzdálenými 0,5 m.

Po vystrojení vrtu a zatvrdnutí směsi se provádí nulové měření projížděním náklonoměrnou sondou vedenou drážkami ve vodící trubici. Ve fixních hloubkových úrovních daných délkou sondy (0.5 m) je od dna vrtu k povrchu změřen náklon sondy, který lze přepočítat na vodorovnou odchylku. Ve stanovených časových intervalech daných předpokládanou rychlostí pohybu se měření ve stejných hloubkových úrovních opakuje. Vzrůstá-li progresivně vodorovná odchylka, je indikována aktivní zóna pohybu.

Vzhledem k tomu, že sonda je osazena dvěma čidly měřícími náklon v navzájem kolmých rovinách, lze vypočítat směr pohybu a z časových intervalů mezi proměřováním vrtu i jeho rychlost. Načítáním rozdílů deformací mezi nulovým a následným měřením od dna k povrchu lze získat deformační křivku osy vrtu.

Průběh deformace lze sledovat až do jeho zneprůchodnění ohybem. Maximální měřitelný posun závisí na mocnosti poruchové zóny a tvaru deformace vodící trubice. Činí 6 až 10 cm na každých 0,5 m hloubky vrtu.

Pro měření je používána speciální aparatura, skládající se z náklonoměrné sondy délky 0,5 m a odečítací aparatury. Přesnost odečtu je 0.0001 sinu měřeného úhlu.

Přesnost metody při určování náklonu je minimálně 2 mm na každých 30 m vrtu.

Inklinometry jsou instalovány do jádrových vrtů ø 112 mm, zapažených v nestabilní (avšak měřené) oblasti nadloží tunelu při povrchu terénu ocelovou pažnicí ø 108 mm.

Při instalaci výstroje do vrtu jsou osazeny polyetylénové (PE) inklinometrické trubice opatřené vnitřními vodícími drážkami. Mezikruží stěny vrtu i ocelové úvodní pažnice a vnější stěny trubice se zhomogenizuje injektáží jílocementovou směsí. Měřící zhlaví je ukončeno v chráněné uzavřené šachtici pod povrchem terénu a je kryto uzamykatelným poklopem jehož součástí je geodetická polohová značka.

 

Klouzavé deformetry

Měření klouzavými deformetry umožňuje v jednom vrtu měřit v intervalu 1,0 m svislou deformaci a zároveň náklon „inklinometrické“ sondy, ze které lze stejně jako v případě inklinometrů při přesném stanovení polohy sondy postupně získat vodorovné deformace horninového prostředí.

Klouzavé deformetry jsou instalovány do jádrových vrtů ø 112 mm. Při instalaci výstroje do vrtu jsou osazovány polyetylénové (PE) pažnice, nebo pažnice ze slitiny s vnitřními vodícími drážkami. V odůvodněných případech jsou používány ocelové pažnice umožňující vyšší třídu přesnosti měření.

Délka pažnic je 1 m a jsou spojovány teleskopickými spojkami, ve kterých jsou měřící dorazy pro přesnou fixaci sondy v měřící poloze. Pažnice jsou do sledovaného prostředí osazeny tak, že díky plášťovému tření přenášejí horizontální i vertikální deformace okolního prostředí. Maximální možná hloubka instrumentovaného vrtu je dána délkou kabelu od sondy (cca 100 m).

Mezikruží stěny vrtu a vnější stěny pažnice se zainjektuje jílocementovou směsí. Měřící zhlaví je ukončeno v chráněné uzavřené šachtici pod povrchem terénu a je kryto uzamykatelným poklopem jehož součástí je geodetická polohová značka.

Měření sil v kotvách

Měření sil v kotvách se provádí prostřednictvím siloměrů různých typů.

Výsledky měření informují o skutečném zatížení kotvy a o vývoji kotevní síly v čase. Na základě interpretace výsledků lze usuzovat o únosnosti kotev a stabilitě celé kotvami osazené konstrukce. Siloměry jsou osazené mezi hlavou kotvy a lícem konstrukce zajišťující povrch výrubu, paženou konstrukci nebo vlastní svah u portálu tunelu.

Měří se přetvoření těla siloměru. Ze známé závislosti mezi přetvořením a zatížením, která se pro každý siloměr určuje kalibrací, se určuje příslušná síla.

Při volbě typu siloměru se přihlíží k době měření, předpokládanému rozsahu měřených hodnot, požadavkům na přesnost měření, spolehlivost měření a odolnost vůči vnějším vlivům.

 

Měření seismických, dynamických a akustických účinků

Při použití trhacích prací při ražbě tunelu nebo při strojním rozpojování, např. při použití impaktoru, frézy, tunelovacích strojů apod., se monitorují seismické a dynamické účinky na okolní stavební konstrukce a nadzemní zástavbu. Měření je mnohdy nutné provádět i na objektech podél odvozových tras zatížených těžkou staveništní dopravou.

Měření se provádí tříosými vibrografy či seismografy na mobilních základnách umísťovaných podle aktuální polohy zdroje seismických, dynamických a akustických účinků (polohy čelby). Lze též použít stacionárních seismických stanic trvale osazených na jednotlivých ovlivněných objektech.

Měření a jeho vyhodnocování se provádí operativně tak, aby umožňovalo korigovat projektem trhacích prací stanovenou velikost náloží a to s ohledem na životní prostředí v okolí tunelu s ohledem na dodržení limitů nastavených OBÚ a na nezhoršení vlastností horninového masivu v místech ražby.

 

Měření teploty

Teplota se měří vždy, kdy může ovlivňovat výsledky jiných typů měření (například napětí) nebo může být sama příčinou nežádoucího vzniku trhlin.

Vždy se kontroluje teplota v sekundárním ostění z monolitického betonu, a to na jeho vnějším a vnitřním líci a vývoj hydratačního tepla během tuhnutí betonu v ostění. Ve zvláštních případech se kontroluje teplota záměsové vody, u velmi hlubokých staveb i teplota vzduchu a horniny.

 

Měření vodního režimu

Změny polohy hladiny podzemní vody v přilehlém horninovém masivu

Dlouhodobé sledování změn polohy hladiny podzemní vody se provádí v pozorovacích hydrovrtech. Měření se dělá hladinoměry s ručním nebo s automatickým záznamem.

Před zahájením ražeb musí být provedena pasportizace všech vodních zdrojů, které mohou být stavební činností ovlivněny. V případě, že je součástí geotechnického průzkumu i průzkumná štola, bere se jako výchozí stav měření před zahájením ražby průzkumné štoly.

Objektivní údaje o poloze hladiny podzemní vody a jejich změnách v průběhu ražeb je třeba zajistit vybudováním sítě pozorovacích hydrovrtů v dostatečné době před zahájením ražeb tunelu.

Vlastní měření je nutno zahájit s takovým předstihem, aby mohl být zjištěn přirozený režim hladiny podzemní vody ještě bez jejího ovlivnění podzemní stavbou. To zn. optimálně 1 rok před zahájením všech stavebních prací. (Jednoroční předstih instalace pozorovacích vrtů je třeba pro vysledování přirozených oscilací hladiny podzemní vody v průběhu roku).

Měření probíhá po celou dobu ražeb v pravidelných intervalech podle realizační dokumentace monitoringu. Při průchodu ražby v blízkosti sledovaného objektu je vhodné interval odečtu polohy hladiny podzemní vody zkrátit dle předpokládané míry ovlivnění a charakteru sledované zvodně.

Měření pokračuje i po skončení stavební činnosti až do stabilizace vodního režimu. To se předpokládá minimálně l rok po dokončení díla.

 

Měření hydrostatického tlaku na ostění tunelu.

Měření je prováděno měřidly hydrostatického tlaku nebo měřidly pórového tlaku (viz kap. 2.2.6.4). Měření hydrostatického tlaku na sekundární ostění tunelu je dlouhodobé. Pohybuje se v řádu let. Měření hydrostatického tlaku se provádí vždy u tunelů s celoplášťovou izolací, kde se předpokládá nastoupání hladiny podzemní vody na původní úroveň. V případě tunelů s deštníkovým systémem hydroizolace se měření neprovádí.

 

Měření přítoků vody do tunelu

Toto měření se provádí s pomocí odměrných nádob osazovaných přímo na místo přítoku vody do tunelu, na čelbě nebo na ostění, případně se přítoky soustředí a měří se na přepadu.

Při měření průtoku vody na přepadu je nutné zajistit, aby byly měřeny pouze přítoky podzemní vody a nikoli také technologická voda. To znamená, že je nutno odečíst spotřebu technologické vody na přívodních potrubích technologické vody pomocí vodoměrů.

K měření přítoků vody do tunelu lze použít průtokoměry (např. indukční) osazené na odpadní potrubí. Při volbě průtokoměru je třeba respektovat rozměry a konstrukci potrubí, předpokládané množství protékající vody a také předpokládané složení odpadní vody (chemismus, obsah pevné frakce apod.).

 

Měření pórových tlaků

Ve speciálních případech se měří pórové tlaky> vody v jemnozrnných horninách v rozsahu reakce horninového masivu na ražbu.

Správná činnost piezometru osazeného do vrtu závisí na dobrém propojení měřidla pórového tlaku s okolní horninou či zeminou. To se děje prostřednictvím pískového obsypu bezprostředního okolí porézního prvku měřidla pórového tlaku a jeho následného utěsnění..

Další podmínkou dobré činnosti piezometru je spolehlivé utěsnění vrtu nad měřidlem.

Vlastní odečítání může být buď občasné vizuální nebo průběžné s automatickým odečtem, automatickým záznamem a skladováním odečtených dat.

 

Měření chemismu vody

Chemické rozbory podzemní vody jsou prováděny referenčními zkušebními metodami podle tab. 2 ČSN EN 206-1, Beton část 1 Specifikace vlastností, nebo metodami na ně přímo navázanými, s cílem ověřit agresivitu vody na stavební konstrukce. Součástí rozborů podzemní vody je i stanovení jejího pH.

Rozbory jsou prováděny vždy při změně geologického prostředí, která by mohla způsobit změnu chemismu podzemní vody. Měření pH je nutno provádět vždy, pokud je použit stříkaný beton, nebo jiné materiály, které by mohly hodnoty pH vody negativně ovlivnit.

Vyhodnocení vlivu prostředí na beton (stupně agresivity) se provádí podle tab. 2 – Mezní hodnoty pro stupně chemického působení zeminy a podzemní vody na beton v ČSN EN 206-1 .

V odůvodněných případech, zejména při ražbě tunelů v městské zástavbě, se provádí další rozbory dle očekávaného ovlivnění chemismu podzemní vody (např. NEL apod.).

Vzorky podzemní vody jsou zásadně odebírány z nezajištěného výrubu tak, aby nedošlo ke kontaminaci vody výluhy z použitých stavebních materiálů.

Pro účely úpravy pH vody se provádí odběry vody na výtoku z tunelu před úpravnou pH a následně na výtoku z úpravny pH, aby bylo možné posoudit správnou funkci úpravny a zaručit dodržení hygienicky přípustných limitů.