GPR merania pre prieskum podložia železničných tratí

Na stav železničnej infraštruktúry, jej efektívnu údržbu a úzko súvisiace opravy sa v súčasnosti zameriava veľká pozornosť odbornej aj laickej verejnosti. Pre efektívne investovanie financií do údržby či obnovy železničnej infraštruktúry je však nevyhnutné poznať čo najlepšie stav jednotlivých prvkov tejto rozsiahlej siete.

Spoznanie aktuálneho stavu železničných tratí možno dosiahnuť len dôkladným prieskumom (diagnostikou) , ktorý je mimoriadne dôležitý prvý krok k navrhnutiu efektívnych riešení údržby či opráv.

Prieskum železničných tratí by sa dal rozdeliť do dvoch väčších celkov, a to na invazívny a neinvazívny prieskum. Invazívny prieskum zahŕňa tradičné geotechnické či inžinierskogeologické metódy, bez ktorých by zmysluplný prieskum nemal význam, pričom neinvazívne geofyzikálne metódy majú potenciál výrazne vylepšiť takýto prieskum a nakoniec ho aj zlacniť.

Neinvazívny prieskum

Neinvazívny prieskum zahŕňa pomerne veľkú skupinu metód založených na princípoch geofyzikálneho prieskumu. Zámerom ich použitia je rýchlo pozbierať zmysluplné dáta, a to bez poškodenia, resp. zásahu do skúmanej konštrukcie alebo skúmaného prostredia. Z tejto skupiny sa v súčasnosti javí ako najefektívnejšia metóda georadarového prieskumu (GPR).

GPR predstavuje pomerne rýchlu metódu geofyzikálneho prieskumu založenú na princípe vysielania vysokofrekvenčného elektromagnetického vlnenia do skúmaného horninového alebo antropogénneho prostredia a následnej registrácie prechádzajúcich a odrazených vĺn od telies a rozhraní.

Zaznamenané dáta sa potom spracujú a výsledný signál sa analyzuje viacerými spôsobmi – kvalitatívne aj kvantitatívne. Dôležitou súčasťou meracieho systému je lokalizačné zariadenie, ktoré identifikuje pozíciu každého merania v rámci meraného úseku – môže to byť meracie koleso (odometer) alebo GPS.

Prieskum sa zväčša realizuje v rámci geotechnického či inžinierskogeologického prieskumu ako jeho doplnok. Cieľom je interpolovať vrstvy identifikované invazívnym prieskumom, prípadne vytypovať miesta oslabenia či rozvoľnenia pod skúmanou železničnou traťou.

Geofyzikálny prieskum je však veľmi vhodné realizovať ako prvý v poradí, a až následne sa invazívnym prieskumom zamerať na miesta, ktoré indikujú v predbežnom neinvazívnom prieskume zmeny v prijímanom signáli. Tie môžu byť dôsledkom prirodzenej geologickej odozvy prostredia, alebo indikovať neočakávané zmeny, ktoré by mohli signalizovať aj problematický úsek.

Oblasť prieskumu

V článku je prezentovaný georadarový prieskum kvôli geotechnickému posúdeniu podložia železničnej trate na Záhorí. Železničná trať Bratislava – Kúty – Břeclav (SŽDC; v cestovnom poriadku pre verejnosť označená ako železničná trať číslo 110) je elektrifikovaná dvojkoľajná železničná trať, ktorá vedie na Slovensku a spája jeho hlavné mesto Bratislava a české mesto Břeclav (obr. 2).

Trať je súčasťou Paneurópskeho dopravného koridoru č. 4 spájajúceho Drážďany a Istanbul. Už od roku 1848 viedla trať z Bratislavy do Devínskej Novej Vsi, Marcheggu a Gänserndorfu v Rakúsku, kde sa spájala s traťou Viedeň – Břeclav, vybudovanou v roku 1839. Budovanie trate medzi Bratislavou a Břeclavou prebiehalo až v rokoch 1889 – 1891, keď bol Železničnou spoločnosťou Moravskej doliny vybudovaný úsek z Devínskej Novej Vsi do Skalice.

Trať bola dokončená vybudovaním úseku Kúty – Brodské – Břeclav v roku 1900, keď bol dokončený most cez Moravu. Po prvej svetovej vojne bola na celom úseku vybudovaná druhá koľaj a trať bola v roku 1967 ako prvá na Slovensku elektrifikovaná napäťovou sústavou 25 kV, 50 Hz.

Kvôli GPR prieskumu v podmienkach železničnej trate bolo nevyhnutné skonštruovať pomocný koľajový vozík (PKV; obr. 1 a 2), ktorý je možné pripnúť za motorový univerzálny vozík (MUV) alebo motorový vozík (MV), alebo sa dá tlačiť aj pešo. PKV bol skonštruovaný tak, aby bolo možné kontinuálne meranie pri vyššej rýchlosti, približne až do 60 km/h.

Na PKV je možné umiestniť rôzne GPR aparatúry s rozličnými anténnymi systémami. Na merania sa použilo zariadenie GSSi SIR 20 s anténnymi systémami 200 MHz a 400 MHz, ktoré sú vhodné na detekciu nehomogenít od veľkosti približne 0,25 m. Pre potreby prieskumu sa volí zvyčajne hĺbka interpretácie 3 m.

Väčšiu hĺbku prieskumu možno dosiahnuť použitím antény s nižšou frekvenciou, no je to na úkor kvality signálu. Rozmerovo menšie anomálie sa v zázname nemusia prejaviť, no na druhej strane, negatívny vplyv železobetónových podvalov sa potlačí.
V skúmaných úsekoch trate boli profily umiestnené do osí koľají, antény teda boli vedené ponad železničné železobetónové podvaly (obr. 1), ktoré merania negatívne ovplyvňujú.

Tento vplyv možno v postprocessingu odstrániť, no takýto postup je zväčša časovo náročný a nie vždy prinesie očakávaný výsledok. Na druhej strane, kvalita dát je zväčša dostačujúca pre štandardné spracovanie a interpretáciu. Merania je možné realizovať aj mimo osi koľaje tak, aby záznam nebol ovplyvnený odozvou na železobetónové podvaly (obr. 2).

Je vhodné ich vykonávať v čase dlhšieho sucha, pretože vlhkosť ma negatívny dosah na kvalitu signálu. V prostredí s veľkým podielom ílovitej frakcie v skúmanom prostredí nepomôže ani dlhšie obdobie bez zrážok.

Geológia skúmanej oblasti

Celý meraný úsek sa nachádza v geologickom útvare kvartéru. Úsek charakterizujú najmä fluviálne alebo deluviálno-fluviálne sedimenty, ale na niekoľkých miestach železničná trať pretína aj eolické alebo antropogénne sedimenty. Ide o sedimenty s rôznou zrnitosťou od tých najjemnejších ílovitých frakcií cez hliny, ílovité piesky, piesčité íly, piesky, piesčité štrky, štrkopiesky až po štrky.

Výsledky prieskumu

Vhodná kombinácia invazívnych a neinvazívnych metód prináša množstvo užitočných poznatkov o študovanom území a zároveň môže výrazne zlacniť prieskum. Už vo fáze prvotného prieskumu dokáže GPR prieskum nasmerovať nasledovný invazívny, tradičný prieskum do miest, ktoré vykazujú zmeny, sú neznáme, alebo by mohli znamenať negatívne javy v podloží skúmanej železničnej trate.

Invazívny prieskum sa môže zacieliť na tieto miesta a, naopak, môže sa vyhnúť miestam, ktoré sú homogénne a vykazujú podobné vlastnosti na homogénnom úseku. Takto môže byť invazívny prieskum buď presmerovaný do problematických miest, alebo sa môže aj vynechať, čo vedie k úspore nákladov.

Georadarové merania spracované v prezentovanom prieskume nereflektujú do detailu komplexnú stavbu podložia železničnej trate, kde sa môžu často striedať sedimenty s rôznou genézou a zrnitosťou. Výsledky georadarového prieskumu však zjednodušeným spôsobom potvrdzujú nehomogénne prostredie skúmanej oblasti. Vo všeobecnosti je možné konštatovať viacvrstevné prostredie, pričom prvá vrstva reprezentuje konštrukčné vrstvy železničnej trate, ďalšie vrstvy predstavujú násypy alebo samotná geológia skúmaného prostredia.

Spracovanie nameraných dát metódou GPR na študovaných profiloch sa vykonalo pomocou programu ReflexW. Následne sa spracované dáta importovali do grafického softvéru CorelDRAW X8, kde sa vykonala kvalitatívna interpretácia. Výstupom sú zväčša grafické prílohy priložené ku správe, ktoré musia byť dobre čitateľné. Je veľmi vhodné prezentovať aj čisté spracované dáta, ktoré sa môžu následne v budúcnosti reintepretovať, či účelovo interpretovať nanovo (obr. 3a).

Ako podklad na interpretáciu sa použili archívne práce aj súčasný geotechnický prieskum. Na obr. 4a sa nachádzajú spracované dáta v integrovanom reze pre oba použité anténne systémy 200 MHz a 400 MHz, cez ktoré sú priesvitnými farbami prekryté vrstvy obsahujúce interpretáciu. Nad radargramami sa nachádzajú farebné pruhy pozdĺžnej interpretácie označujúce homogénne sekcie so známymi vedomosťami o skúmanej oblasti, ako sú piesčitá sekcia alebo násyp.

Pod nimi a pod metrážou sa ešte nachádzajú červené pruhy označujúce anomálne oblasti s kvalitatívnou interpretáciou. Ak je interpretácia dostatočne kvalitná, môže byť ďalším krokom aj kvantitatívna interpretácia. Tá spočíva vo vyčíslení hrúbok pre jednotlivé identifikované fyzikálne rozhrania, ktorým je priradená geologická realita. Kvantitatívna interpretácia musí byť založená na kvalitnom základe invazívneho prieskumu.

V ľavom dolnom rohu na obr. 3b je interpretovaná anomálna zóna, ktorá je spôsobená zmenou materiálu v podloží železnice, zrejme zmenou prímesi v piesčitej vrstve (vrt V37). V pravom dolnom rohu sa prejavuje vzdušný odraz od stĺpu trakčného vedenia. Na radargrame na obr.

4b je interpretovaná ohraničená anomálna oblasť obsahujúca škvaru potvrdenú vrtným prieskumom (vrt V39) a penetračnými sondami P24 a P25. V dolnej časti obrázka sú zreteľné falošné anomálie vznikajúce vzdušným odrazom, v tomto prípade od stĺpov trakčného vedenia. Konštrukčné vrstvy koľajového lôžka sú na oboch obrázkoch takmer subhorizontálne, nevykazujú zmeny vo vrstevných parametroch, resp. znaky degradácie, porušenia.

Vyhodnotenie prieskumu

Cieľom georadarového prieskumu je doplniť geotechnický alebo inžinierskogeologický prieskum v zmysle interpolácie identifikovaných rozhraní či vrstiev skúmaných úsekov železničnej trate. GPR prieskum je však veľmi vhodné použiť hneď ako prvú metódu prieskumu ešte pred použitím iných tradičných metód.

Takto realizované bádanie môže výrazne pomôcť pri návrhu umiestnenia tradičných invazívnych diel, ako sú kopané sondy, odkrytia, vrty či penetračné sondy. Zároveň je možné neskôr sa k dátam vrátiť a doplniť interpretáciu o získané poznatky. Tieto poznatky môžu, samozrejme, obsahovať aj archívne diela.

V interpretácii je nevyhnutné počítať so všetkými získanými prameňmi, čo vedie často k protichodným alebo chybným interpretáciám, no aj v archívnych dielach sa neraz vyskytnú chyby.

Ukážkový prieskum identifikoval jednu homogénnu sekciu, dve miesta s výskytom škvary v podloží koľajového kameniva a jedno miesto s neistou, kvalitatívnou interpretáciou. Geologické prostredie študovaného úseku železničnej trate má kvartérny sedimentárny charakter.

Prostredie ako toto, so zmenami v zrnitosti, no s prítomnou meniacou sa jemnozrnnou či ílovitou zložkou, ktoré nie je výrazne členené z pohľadu elektromagnetických vlastností, je veľmi náročné na spoľahlivú interpretáciu a rozlíšenie jednotlivých vrstiev.

Rozhrania sa v radargramoch prejavujú často len veľmi nenápadne a na niektorých miestach je ich veľmi ťažké rozlíšiť. Ťažkosti pri interpretácii spôsobuje aj meniaca sa prítomnosť vody/vlhkosti v skúmanom prostredí. Z prieskumu vyplýva, že skúmaný úsek je charakteristický najmä piesčitými polohami v podloží koľajového lôžka. Hrúbka vrstvy kameniva koľajového zvršku sa na relatívne dlhom skúmanom úseku významne nemení, pohybuje sa v intervale od 70 po 90 cm.

Na profile je jediné miesto porušujúce monotónny charakter radargramu, kde dochádza k výraznejšej odozve signálu, ktorá znamená materiálovú zmenu. Rozhranie sa nachádza v hĺbke okolo 2 m od povrchu. Takéto miesto môže indikovať zmeny geologického prostredia alebo výraznejšie zmeny vo veľkosti častíc či prítomnosti/neprítomnosti vody v rámci piesčitej vrstvy.

Text: RNDr. Michal Grinč, PhD.