Úlohy geotechnického monitoringu vo Švajčiarsku a na Slovensku

V posledných dvoch desaťročiach výrazne vzrástol význam kontrolných meraní počas výstavby. Pre inžinierov a geológov sa stal štandardom geotechnický monitoring, ktorým sa overujú predpoklady interakcie medzi stavbou a geologickým podložím. V prípade zistenia symptómov kritického správania ohrozujúceho budovanú konštrukciu sa tak môžu včas implementovať primerané nápravné opatrenia.

Monitoring sa aplikuje čoraz častejšie aj vzhľadom na vývoj nových meracích zariadení a nových metód merania. Automatizovaným záznamom nameraných hodnôt a vizualizáciou výsledkov sa dosiahol prelom v oblasti geotechnického monitoringu. Firma Solexperts AG začala ako prvá používať komplexné geotechnické automatizované meracie systémy, a to od roku 1995.

Geotechnický monitoring sa na Slovensku v uplynulých dvoch desaťročiach uplatňoval pri sledovaní hlbokých stavebných jám, pri výstavbe dopravnej infraštruktúry, prevádzke vodných diel a inžinierských sietí. Hlboké stavebné jamy sa budovali najmä v Bratislave, kde významné geotechnické riziko predstavuje napätá podzemná voda vo vrstvách neogénu. Priepustnosť neogénu je malá, ale v hĺbkach asi 17 až 25 m sa vyskytujú tenké priepustnejšie vrstvy s vysokým pórovým tlakom vody, ktorého piezometrická výška leží vyššie ako hladina podzemnej vody v priepustných vrstvách kvartéru. Vodné dielo (VD) Gabčíkovo je vzdialené od Bratislavy len 60 km, kvartér tu ale siaha až do hĺbky 400 m. Vysoká priepustnosť štrkových vrstiev s hladinou podzemnej vody plytko pod povrchom terénu predstavovala náročné geotechnické podmienky pri výstavbe a prevádzke elektrárne a plavebných komôr na Dunaji.

V súčasnosti je v prevádzke na VD Gabčíkovo komplexný automatizovaný systém geotechnického monitoringu GeoMonitor II. Na území Slovenska sa vyskytuje veľmi vysoký počet zosuvných území. Najvýznamnejšie je v tomto ohľade územie karpatského flyšu, oblasť neogénnych depresií, neogénne vulkanity a jadrové pohoria. Budovanie dopravnej infraštruktúry v týchto územiach prináša so sebou významné geotechnické riziká. V súčasnosti sa buduje najmä diaľničné prepojenie Bratislavy a Košíc a modernizuje sa aj železničná trať na tejto trase. Zintenzívnila sa aj výstavba rýchlostných komunikácií [1]. Plánuje sa výstavba diaľnice D3 spájajúca Žilinu s hranicou SR/Poľsko. Flyš na tomto území podlieha erózii, svahová erózia deluviálnych sedimentov s vysokým obsahom ílovitej zložky sa pri náhlych zmenách nasýtenia hornín vodou často prejavuje intenzívnym rozvojom plošných a prúdových zosuvov. Veľmi aktívne sú aj zosuvy na Hornej Nitre ohrozujúce obyvateľstvo. Potenciálom nepredpokladaného správania sú aj početne zastúpené objemovo nestále horniny, popri sprašiach sú to najmä horniny so zastúpením ílových minerálov skupiny smektity. V dôsledku zmeny vlhkosti alebo zmenou napätosti dochádza pri týchto horninách k objemovým zmenám, zmenám mechanických vlastností, či dokonca až k rozpadu ich štruktúry.

Geotechnický monitoring vo Švajčiarsku
Západné Karpaty vyznačujúce sa veľmi premenlivou geológiou a tektonikou vznikli v rovnakom období ako Alpy (asi pred 64 miliónmi rokov). Alpy svojou výškou predstavujú pri realizácii geotechnického monitoringu pred výstavbou značné nároky na prístrojovú techniku. V súvislosti s výstavbou tranzitných alpských tunelov AlpTransit Gotthard, ­Lötschberg, Brenner alebo Lyon – Turín sa museli vykonať in situ hydrogeologické skúšky vo vrtoch hlbokých až 2 000 m, systémy viacnásobných obturátorov pre dlhodobý monitoring tlaku vody a pre odber vzoriek vody sa aplikovali v hĺbkach viac ako 1 000 m. Meranie primárneho napätia v masíve pomocou skúšky Hydro-Frac sa realizovalo až do hĺbky 4 000 m. Modul deformácie vo vrtoch pomocou dilatometra bol vyšetrený až do hĺbky 1 300 m [2] (obr. 1).

Obr. 1 Stanovenie modulu deformácie dilatometrom	Obr. 2 Extenzometer s reverznou hlavou MRHX©

Uvedené skúšky pre etapu pred výstavbou sa používajú v ťažkých hydrogeologických a geotechnických podmienkach aj pri razení tunelov, napríklad v tlačivých horninách. Na hydrogeologické prieskumy sa horizontálne vrty vykonávajú z rozrážok alebo čelby, hydrogeologické parametre sa stanovujú na báze systému obturátorov Pump Down Packer System (PDPS). Na vyšetrenie deformačného správania pred čelbou razeného tunela sa vo vrtoch dlhých až 30 m vykonávajú merania pomocou posuvných deformetrov alebo vo vrtoch až do 100 m pomocou inovatívneho extenzometra s reverznou hlavou (MRHX©). Takéto merania poskytujú v predstihu informácie o možných deformáciách čelby a empirické hodnoty konvergencie. Tak zabezpečujú základné informácie na posúdenie potreby stabilizácie čelby pomocou kotiev. Prvýkrát sa extenzometer MRHX© použil pri výstavbe tunela AlpTransit Gotthard v masíve Tavetcher. Zariadenie pozostáva z reťazca jednoduchých extenzometrov (až 20 prvkov). V koncovej časti vrtu je zbernica dát, ktorá trvale ukladá namerané hodnoty v stanovených časových intervaloch (obr. 2). Odčítanie nameraných hodnôt možno vykonať kedykoľvek pomocou prenosového kábla a PC. Získané informácie poskytujú nepretržitú informáciu o rozložení deformácií [3].

Príkladom geotechnického monitoringu v mestských podmienkach je severný obchvat v Bazileji, ktorý je súčasťou švajčiarskej diaľničnej siete. Spája francúzsku diaľnicu A35 so švajčiarskou diaľnicou A2. Podzemné spojenie sa realizovalo pod hladinou podzemnej vody v štrkovej terase Rýna, ktorá sa skladá z veľmi uľahnutého štrku a štrkopiesku, neobsahujúcich jemnozrnnú frakciu. Rozsiahle stavenisko bolo uzavreté štetovnicovými stenami, voda sa odčerpávala zo šiestich studní. Tunel sa razil v smere A2 zo štartovacej stavebnej jamy s priemerom 25 m zabezpečenej pilótovými stenami. Väčšinou sa meralo automaticky pomocou soft­véru GeoMonitor II. Namerané hodnoty sa prenášali cez zbernicový kábel do kancelárie monitoringu. Osobitnú pozornosť si vyžadovalo sledovanie sadaní, respektíve nerovnomerných sadaní železničnej stanice St. Johann, železničných tratí, mosta Luzernerring s vysokou hustotou premávky a priľahlých domov v ulici Hüning. Išlo predovšetkým o automatické merania. V prípade, že sa prekročili zadané limitné hodnoty, spustili sa rôzne alarmy. Automatizovaná bola táto meracia technika:

• 2 teodolity monitorujúce ulice a chodník, oporné múry a piliere mosta Luzernerring, ako aj rad domov Hüning – presnosť merania 2 mm,
• 1 motorizovaný nivelačný prístroj na sledovanie sadania na stanici St. Johann – meranie s presnosťou 0,3 mm,
• 5 dvojnásobných až trojnásobných extenzometrov v oblasti železničných tratí – presnosť merania 0,2 mm,
• 2 horizontálne inklinometre v dáždnikoch pre tunel smer Francúzsko – presnosť merania 0,2 mm/m,
• 5 tlakových senzorov v pozorovacích vrtoch na sledovanie hladiny podzemnej vody – presnosť merania 2 cm,
• 2 prístroje na meranie vibrácií.

Na vizualizáciu nameraných dát sa po­užil softvér WebDavis s rýchlym prístupom k veľkému množstvu hodnôt meraných automatizovane aj manuálne. Pomocou tohto softvéru sa cez kódové heslo všetkým zúčastneným na projekte umožnil okamžitý prístup k vyhodnoteniu správania konštrukcie. Na obr. 4 je prehľad projektu s rozmiestnením meracích staníc tak, ako sú zobrazené na obrazovke počítača. Kliknutím na ktorúkoľvek stanicu sa graficky zobrazí priebeh veličín meraných prístrojom, vplyvové čiary alebo akékoľvek zvolené spôsoby prezentácie hodnôt.

Geotechnické merania na Slovensku
Výrazným pokrokom na Slovensku bola aplikácia geodetických robotov na kontinuálny automatizovaný monitoring povrchových deformácií na plavebných komorách VD Gabčíkovo v roku 1997. Systém GeoMonitor, v rámci ktorého sa sprevádzkovali dve totálne stanice Leica TCA 1800, bol inovatívnym produktom na úrovni vtedajšieho svetového poznania a techniky a zmyslom jeho aplikácie na plavebných komorách bolo doplniť poznatky o správaní plavebných komôr v nestacionárnych podmienkach ich prevádzky. V oblasti inštrumentácie na bodové merania sa v ostatných rokoch na Slovensku presadili snímače na princípe kmitajúcej struny. Najčastejšie sa používajú piezometre na meranie pórových tlakov vody, tenzometre zalievané do betónu a tenzometre privárané na oceľové konštrukcie. Súčasnou signifikantnou aplikáciou strunových (vibračných) snímačov v SR je inštrumentácia tranzitného plynovodu v zosuvných územiach Slovenska. Na vysokotlakové potrubie sa v jednom priečnom reze inštalujú tri vibračné tenzometre a hodnoty pomerných deformácií z nich sa prenášajú na diaľku (obr. 3). Pri automatizácii meraní sa na stavbách často využívajú strunové náklonomery a dilatometre s tým, že sa vopred zadefinujú hraničné hodnoty, pri dosiahnutí ktorých sa vyvolá alarm prostredníctvom zvukového alebo svetelného signálu, prípadne zaslaním krátkej správy.

Obr. 3 Inštalácia vibračných snímačov na vysokotlakový plynovod v zosuvnom území	Obr. 4 Bazilej, most Luzernerring, náhľad projektu, softvér WebDavis, prezentácia na PC monitore

Inováciou od roku 1998 bolo na Slovensku meranie troch zložiek podpovrchových deformácií pozdĺž meranej priamky vo vrtoch, a to kombináciou merania vertikálnym inklinometrom a posuvným deformetrom. Takou­to metódou sa monitoroval ako prvý železničný násyp pri Devínskej Novej Vsi. Úlohou monitoringu bolo vyšetriť príčinu vertikálnych posunov koľají, keďže vizuálnym pozorovaním nebolo možné jednoznačne určiť model porušenia. Vyhodnotením trojvektorových meraní možno posúdiť, či ide o stabilitný problém (∆x, ∆y), alebo problém sadania (∆z), a tak zvoliť optimálny spôsob sanácie násypu. V súčasnosti sú trojvektorové merania podpovrchových deformácií bežnou súčasťou geotechnického monitoringu v portálových oblastiach tunelov, v zosuvoch pri stanovení ich mechanizmu a pri budovaní geotechnických objektov v historických centrách miest. Samotné meranie posuvným deformetrom (∆z) sa presadilo predovšetkým pri meraní odľahčenia a nového priťaženia základovej pôdy pod vysokými budovami v Bratislave, ktoré sa zakladali v hlbokých stavebných jamách. Meraním expanzie a kompresie vrstiev s hrúbkou 1 m až do hĺbky 25 až 35 m pod dno výkopu stavebnej jamy získavame cenné informácie o skutočných deformačných moduloch základovej pôdy.

Takýmto vyšetrovaním modulov v reálnej mierke 1 : 1 zaznamenávame v porovnaní s laboratórnymi oedometrickými skúškami aj vplyv existujúcich pórových tlakov vody v zeminách, a to pri skutočných zmenách napätosti vplyvom hĺbenia stavebnej jamy, respektíve výstavbou výškovej budovy. Takýchto deformetrických vrtov sa v Bratislave realizovalo asi 30 a syntézou poznatkov z nich možno veľmi výstižne opísať inžinierskogeologické pomery Bratislavy z pohľadu navrhovania stavieb na 2. medzný stav použiteľnosti. Štandardom sa v ostatných rokoch stalo aj meranie sadania podložia vysokých násypov horizontálnym inklinometrom, ktoré z praxe vytlačilo menej presné meranie hydrostatickou niveláciou (obr. 5). Pri výstavbe tunelov Branisko, Horelica, Sitina a Bôrik sa aplikovali 3D optické konvergenčné merania, tyčové extenzometre zo skleného vlákna s hydraulicky upínateľnými koreňmi a tlakové podušky (tzv. krabice) na merania kontaktných napätí a napätí v striekanom betóne (obr. 6).

Obr. 5 Inštrumentácia na meranie vodorovným inklinometrom na stavbe diaľnice D1 Sverepec – Vrtižer	Obr. 5 Inštrumentácia na meranie vodorovným inklinometrom na stavbe diaľnice D1 Sverepec – Vrtižer

Záver
Starostlivo plánované a cielené predbežné terénne prieskumy v návrhovej etape poskytujú hodnotné predpovede správania budúcej stavby. Znížením rizika nepredvídaných udalostí sa zvyšuje bezpečnosť počas výstavby. Predstavené meracie metódy poukazujú na význam sledovania deformácií a pórových tlakov vody počas výstavby, ako aj monitorovania správania okolitých konštrukcií. Sú preukázaním interakcie hornina – konštrukcia v mierke 1 : 1 a poskytujú potrebný podklad na posúdenie predpokladov návrhu konštrukcie a v prípade potreby aj na aplikáciu nápravných opatrení.

Literatúra
1.  Gróf, V. – Turovský, F.: Monitoring geotechnických objektov pri výstavbe rýchlostných komunikácií R1, R2, R3 a R5. In: Konferencia Geotechnický monitoring 2009, Bratislava.
2.  Bühler, Ch. – Thut, A.: Hydraulische und felsmechanische Bohrlochversuche. Vorerkundung und Prognose der Basistunnel am Gotthard und Lötschberg. In: Symposium, Zürich, 15.-17. Februar, 1999.
3.  Steiner, P. – Yeatman, R.: New Instruments Improve Site Characterisation with Time Based measurements. Rock Engineering in Difficult Ground Conditions – Soft Rock and Karst. London: Taylor and Francis Group, Vrkljan (ed), 2010.

TEXT: Dr. Ing. Arno Thut,
Ing. Vladimír Gróf, PhD.
FOTO: Geoexperts, Solexperts

Arno Thut je riaditeľ spoločnosti Solexperts AG, ­Švajčiarsko.

Vladimír Gróf je konateľ spoločnosti Geoexperts, spol. s r. o., Žilina.

Článok bol uverejnený v časopise Inžinierske stavby/Inženýrské stavby.