Monitoring geotechnických objektov pri výstavbe rýchlostných komunikácií

V uplynulých desiatich rokoch sa budovalo niekoľko úsekov rýchlostných komunikácií R1, R2, R3 a R5 v rámci cestnej siete SR, ktoré­ zahŕňali­ náročné geotechnické objekty – predovšetkým hlboké zárezy a vysoké násypy. Príspevok predstavuje geotechnický monitoring­ týchto objektov počas výstavby.

Geotechnický monitoring stability hlbokých zárezov
Realizáciou hlbokého zárezu sa výrazne zasiahne do pôvodného stavu horninového prostredia. Výkopom sa zmení nielen napätosť masívu, ale v mnohých prípadoch aj hydrogeologické pomery a s nimi súvisiace vlastnosti zemín. Stabilitu zárezu je potrebné zabezpečiť v každej fáze výkopu. Koncepcia monitoringu hlbokých zárezov vychádza preto z kontroly stability budovaných svahov v jednotlivých etapách stavebných prác, kontinuálneho merania pórových tlakov vody a sledovania prejavov na samotných stavebných konštrukciách (zárubných múroch, kotvách a podobne).

Na meranie deformácií na povrchu sa využívajú štandardné geodetické metódy – optické polohové merania alebo špeciálna geotechnická inštrumentácia. Napríklad na stavbe R3 Oravský Podzámok – Horná Lehota (zhotoviteľ Váhostav–SK) sa pri výstavbe hlbokého obojstranného zárezu (obr. 1) využívalo konvergenčné pásmo a prenosný elektronický náklonomer. Týmito technikami sa overovali prejavy podpovrchových svahových pohybov zistených inklinometrom na deformačné správanie sa zárubných múrov.

Pri stavbe úseku R1 Rudno nad Hronom – Žarnovica bolo treba stabilizovať odrez zosuvného skalného svahu v km 2,20 – 2,30 (zhotoviteľ Geostatik). V marci 2005 bol vybudovaný monitorovací systém pozostávajúci z troch inklinometrických vrtov s hĺbkou 21 m, siedmich geodetických pozorovaných bodov na povrchu a dvoch pozorovacích hydrovrtov. Okrem základného merania sa v lokalite vykonalo 10 etapových inklinometrických meraní v období od apríla 2005 do novembra 2006. Meraniami sa vyšetrili maximálne podpovrchové deformácie v hĺbke okolo 12 m, a to do hodnoty 2 mm/m. Súčtovým priebehom deformácií pozdĺž celej hĺbky vrtu sa zaznamenali deformácie na povrchu do 20 mm (obr. 3), čo preukázalo splnenie statických požiadaviek kladených na vybudovaný zárubný múr.

Obr. 3: Výsledky meraní deformácií skalného odrezu (R1, Rudno n/Hr. – Žarnovica)

V obojstrannom záreze na budovanom úseku R2 Ožďany – obchvat (zhotoviteľ Strabag) bolo vybudovaných pred začatím výstavby 7 inklinometrických vrtov hĺbky od 14 do 22 m. Etapovými meraniami sa zisťovali možné polohy šmykových plôch (obr. 4) a sledovaním rýchlosti podpovrchových pohybov sa overovala účinnosť prijatých opatrení.

Obr. 4: Výsledky meraní deformácií hlbokého zárezu (R2, Ožďany – obchvat)

Geotechnický monitoring sadania vysokých násypov
Na sledovanie stláčania mäkkého podložia násypov sa pri výstavbe rýchlostných komunikácií aplikovali dve meracie metódy – hydrostatická nivelácia a vodorovný inklinometer.

Hydrostatická nivelácia sa použila na meranie sadania násypu v km 1,425 na stavbe R2 Ožďany – obchvat. Meracia rúra v dĺžke 52 m bola v máji 2005 uložená do podložia (obr. 5 vpravo), následne sa vykonal zásyp štrkopieskom. Na meranie hydrostatickou niveláciou sa použilo meracie zariadenie na princípe strunového snímača americkej firmy Geokon „Settlement Profiler 4651-1-70kPa“ a odčítacia jednotka zhodného výrobcu „GK-403“. Samotný snímač má presnosť 7 mm, presnosť celého systému je ale nižšia. Pri meraní sa postupovalo v dvojmetrovom intervale. Nulté meranie sa vykonalo 16. 6. 2005. Celkovo sa vykonalo sedem etapových meraní, posledné v júni 2006. Od 6/2005 do 11/2005 sadlo podložie násypu 20 cm, od 11/2005 do 5/2006 ďalších 5 cm. V priebehu mesiaca jún 2006 nedošlo k ďalším relevantným prírastkom sadania podložia násypu. Priebeh krivky signalizoval rovnomerný symetrický priebeh sadnutia podložia.

Vodorovný inklinometer sa aplikoval na dvoch násypoch stavby R2 Figa – obchvat: objekt 102 v km 0,5 a objekt 101 v km 2,0 (zhotoviteľ Strabag). Naprieč násypmi sa uložili v úrovni 1. vrstvy inklinometrické plastové profily s vodiacimi drážkami, ktoré boli zabezpečené kovovými platňami proti pootočeniu. Meracie profily s dĺžkou 3 m boli pospájané prostredníctvom prírub a zaizolované proti prenikaniu nečistôt do profilu (obr. 5 vľavo). Meracie profily vyúsťovali do šácht tvorených betónovými skružami vybavenými nivelačnými značkami, aby sa  relatívne inklinometrické meranie mohlo vzťahovať na pevné vzťažné body. Nakoľko päta násypu v km 0,5 na objekte 102 bola prístupná len z jednej strany, pri meraní sa využívalo hliníkové sútyčie na zasúvanie meracej sondy.

Celková meraná dĺžka bola 50 m pri objekte 102, resp. 44 m pri objekte 101. Použila sa meracia technika firmy Slope Indicator (USA). Meranie sa vykonávalo v krokoch 0,5 m v dvoch polohách meracieho prístroja. Aj keď presnosť meracej sondy sa udáva v stotinách mm/m, presnosť meracieho systému ako celku na dĺžke 50 m predstavuje reálne hodnotu do 5 mm. Výsledky meraní horizontálnym inklinometrom sú uvedené na obr. 6.

Obr. 6: Priebeh sadania násypu na stavbe R2 Figa – obchvat

Monitoring podzemnej vody
Najviac aplikovaným monitorovacím objektom sú pri výstavbe rýchlostných komunikácií pozorovacie vrty. Inštalujú sa v rámci inžinierskogeologického prieskumu a vy­užívajú sa najmä v rámci monitoringu zložiek životného prostredia. Ich využitie pre geotechnický monitoring býva obmedzené, nakoľko majú veľký priemer a disponujú príliš dlhými filtrami. Tým nie sú schopné poskytovať rýchlu odozvu na zmenu pórových tlakov vo formácii, ktorá je predmetom záujmu.

V nehomogénnych zeminách, ako aj v rozpukanom skalnom masíve uprednostňujeme meranie pórových alebo puklinových tlakov vody piezometrami. Piezometrické merania sú merania bodové, ktoré môžeme vykonávať otvoreným alebo uzavretým systémom. Rozhodujúcim aspektom výberu je priepustnosť prostredia. Otvoreným systémom označujeme merania voľných hladín vody v otvorených rúrkach s krátkym filtrom; uzavretým systémom oz­na­čujeme meranie prostredníctvom snímačov pracujúcich na rôznom princípe.
Štandardným meraním pri výstavbe je meranie výdatnosti odvodňovacích vrtov (obr. 7).

Obr. 7 Výstup z merania výdatnosti odvodňovacích vrtov v hlbokom záreze (R5, Skalité)


Odporúčania pre výstavbu ďalších úsekov rýchlostných komunikácií
Hlboké zárezy a vysoké násypy sú geotechnickými objektmi, pri ktorých možno zvoliť pozorovaciu metódu výstavby. Jednak preto, že v prípade zaznamenania limitných hodnôt možno vykonať protiopatrenia, ale aj preto, že miera rizika sa dá ohodnotiť meraním a medzi zaregistrovaním varovného signálu a aktiváciou havárie je reálne dostatočný časový interval na aplikáciu predmetného opatrenia. Pri apliká­ciách geotechnického monitoringu v zmysle pozorovacej metódy treba postupovať metodicky čo najkomplexnejšie a neobmedzovať sa na subjektívne vybrané scenáre. Pri aplikácii pozorovacej metódy je dôležité merať v rozumných intervaloch; pri malom počte meraní nedostaneme dostatočne spoľahlivé podklady pre fázu rozhodovania, naopak pri častom meraní sa v množstve dát stratia aj tie skutočne podstatné. Pozorovaciu metódu treba chápať ako efektívne odskúšanie konštrukčných a technologických alternatív v dostatočne bezpečnej oblasti.

V oblasti meracích metód a inštrumentácie pri výstavbe slovenských rýchlostných komunikácií projektanti aplikujú najmä vertikálne inklinometrické profily na určenie polohy možných šmykových plôch a pozorovacie vrty na sledovanie hladiny podzemnej vody. Kontrolné merania sadania podložia násypov sa aplikujú len v ojedinelých prípadoch. Na tento účel sa odporúča v hojnejšej miere po­užívať horizontálny inklinometer, ktorý vedie k presnejším výsledkom ako hydrostatická nivelácia. Úplne absentuje meranie pórových tlakov v mäkkom podloží vysokých násypov, ale aj v nestabilných svahoch. Často sa zamieňa s meraním hladiny podzemnej vody. Pórový tlak vody však vo väčšine geotechnických úloh zohráva kľúčovú úlohu, preto má sledovanie jeho veľkosti nezastupiteľné miesto v koncepcii geotechnického monitoringu zárezov a násypov.

Snímače pórových tlakov sa umiestňujú do oblastí, kde očakávame vznik šmykových plôch alebo do miest, v ktorých očakávame najväčšie zmeny hodnôt. Nové technológie inštalácie vibračných piezometrov (metóda úplného zaliatia vrtu BC-zálievkou) sú  v porovnaní so štandardnými aplikáciami s pieskovými obsypmi časovo a finančne menej náročné.

Ing. Vladimír Gróf, PhD., Ing. František Turovský
Foto: GeoExperts, spol. s r. o.

Vladimír Gróf je konateľom spoločnosti GeoExperts, spol. s r. o.
František Turovský je špecialistom pre líniové podpovrchové merania spoločnosti GeoExperts, spol. s r. o.

Článok bol uverejnený v časopise Inžinierske stavby/Inženýrské stavby.