Nové aplikace radaru na betonových konstrukcích a pozemních komunikacích

• Foto

Po vcelku běžných problémech při zavádění nové techniky a ověření jejích možností v co nejširším spektru aplikací od čistě geologických přes její nasazení ve stavebnictví až k okrajovým problémům, jako je kriminalistika či archeologie bylo třeba především přesvědčit odbornou veřejnost, že je výhodné začít používat tuto metodu ve své praxi. To vše je již minulostí, a dnes je tak již běžné využití radaru při průzkumu budoucích stavenišť, při vyhledávání podzemních prostor či inženýrských sítí a při kontrole předávaných pozemních komunikací a následném monitorování jejich stavu. Oceňovaným přínosem je zde nedestruktivnost metody, její poměrně snadná realizace a vysoká hustota měření (lze měřit až 1 000× za vteřinu). Stejně jak jsou známy, a naštěstí i používány, tyto výhody radaru, tak jsou známy i jeho limity:

• nemožnost průzkumu armovaných konstrukcí, které se pro elektromagnetický radarový signál chovají jako Faradayova klec;
• fakt, že neznalost skutečné rychlosti šíření signálu v konkrétních médiích, kdy je třeba navázat radarové měření na jiné, již destruktivní a bodové zkoušky (vrty) nebo použít tabulkových hodnot, sebou nese riziko systematických nepřesností v určení mocností a hloubek;
• při detailním průzkumu jsou výstupem desítky řezů a nezkušený uživatel se v této záplavě pak ztrácí a mohou mu uniknout některá podstatná zjištění nebo, a to je ještě horší, jej odradí od jejich použití a výsledky jsou pouze založeny jako „povinná součást“.

Limity jsou však i výzvou k jejich překonání a intenzivní pokrok v konstrukci přístrojů a ve zpracování naměřených dat otevřel nové možnosti. Jsme tak opět v období hledání nových aplikací a jejich limitů a zároveň před etapou uvedení těchto novinek do praxe.

Pokrok byl učiněn především díky použití nových vysokofrekvenčních antén. Byl tak odstraněn jak problém při měření na armovaných konstrukcích, tak je díky možnosti přímého výpočtu rychlosti šíření signálu v daném prostředí i zpřesněno určení hloubek. Vyvinuty byly antény s frekvencemi až 2,5 GHz, které díky potlačení do nedávna ještě běžných šumů umožňují měření armovaných konstrukcí. K odstranění nepřesností při průzkumu především méně mocných konstrukcí lze použít antény s úzce směrovaným paprskem, tzv. „horn antény“. Záplavu jednotlivých záznamů pak řeší jejich hromadné zpracování do 3D řezů.

Antény s frekvencemi v rozsahu 1 – 2,5 GHz umožňují měření železobetonových konstrukcí s roztečí armatur i méně než 10 cm. Při měření je anténa vhodně doplněna senzorem, který na základě ujeté dráhy zajišťuje equidistantní krok měření. Hloubkový dosah se pochopitelně s narůstající frekvencí signálu snižuje, ale díky nízké úrovni primárních přístrojových šumů je dostatečný pro většinu řešených problémů. Lze měřit konstrukce o mocnostech až 0,5 metru, a to i s určitou penetrací do podloží (10 – 25 cm). Získáme tak informaci nejen o stavu měřeného objektu, jako jsou homogenita betonu nebo poloha armatur a stav jejich bezprostředního okolí, ale i o jeho napojení konstrukce na okolní prostředí. Vhodnými aplikacemi, kde lze nově radarovou metodu použít, jsou vyhledávání skrytých prasklin a dutin v konstrukci, zjišťování skutečného rozložení armování a detekce zón s výskytem koroze nebo vymapování dutin či zón s akumulacemi vody za konstrukcí.

Problém zjištění rychlosti šíření radarového signálu a na něm odvislého přesného určení konstrukčních tlouštěk je dnes řešen pomocí „horn“ antén. Opět se jedná o antény s pracovními frekvencemi od 1 do 2 GHz. Oproti standardnímu řešení konstrukce antény, kdy se anténa skládá de facto pouze z vysílacího a přijímacího, prakticky všesměrového dipólu a případného stínění z horní strany kompletu, vysílají tyto antény úzce směrovaný radarový paprsek do podloží. Při interpretaci záznamu tak můžeme hodnotit nejen dobu příchodu a relativní intenzitu odrazu od jednotlivých rozhraní, ale i využít znalost skutečné hodnoty vysílané energie a energie následně odražené od jednotlivých vrstev. Signál je díky své čistotě zpracováván prakticky bez předběžných matematických úprav, jako jsou např. vlnové filtrace nebo dekonvoluce, nutných při vyhodnocení standardních dipólových antén. Na základě vlnových rovnic z poměru energie vysílané a následně odražené, lze pak metodou per partes stanovit pro jednotlivé vrstvy jak rychlost šíření signálu, tak jejich skutečnou tloušťku. Dalším kladem tohoto typu antén je skutečnost, že při měření je zde poměrně velká volnost ve výškovém umístění antény, na rozdíl od antén původních, které je nutné umístit nejlépe přímo na povrch zkoumaného objektu nebo v krajním případě do velmi přesně definované a pokud možno neměnné výšky. Anténu se nyní umisťuje nad povrch měřeného objektu a okno pro tuto polohu je dostatečně široké. Anténa je přibližně půl metru nad terénem a jak primární nastavení této výšky, tak její oscilace v řádu + 10 cm v průběhu měření neovlivňují kvalitu záznamu. „Horn“ antény jsou proto vhodné především pro průzkum na pozemních komunikacích. Při umístění radarového setu na vhodné vozidlo ve spojení s určováním aktuální polohy pomocí GPS a případně i s pořízením souběžného záznamu vysokorychlostní kamery lze bez výrazného omezení provozu zjistit aktuální stav komunikace a při periodických měřeních tak i sledovat její časové změny.

Teoretické základy zpracování signálu jsou u nových antén, stejně jako při interpretaci klasických antén, poměrně složité. Výrobci však zároveň s anténami většinou dodávají vhodný software. Ten již řeší i v případě rozsáhlých nebo velmi detailních měření jak primární zpracování radarového záznamu, tak jeho následné výstupy. Standardními se staly automaticky generované výstupní tabulky s daty připravenými podle specifických požadavků odběratele a polohově přesná 3D zobrazení zkoumaných objektů. Při zpracování interpretátor nemusí složitě řešit matematické úlohy a může se soustředit na vlastní zpracování. Snadnost těchto postupů a případně i možnost „automatického“ vyhodnocení je však zavádějící. Bez pochopení principů jednotlivých úprav a jejich praktického významu při zpracování signálu lze velmi jednoduše i s nejlepším přístrojovým vybavením, nebo naopak díky němu, zcela znehodnotit libovolné měření. Dostatečná zkušenost a využití dalších doplňujících informací o zkoumaných objektech jsou zárukou, že radarový průzkum bude přínosnou a ne z hlediska odběratele pouze investorem požadovanou zbytečnou metodou. Z praktických měření, které jsme realizovali v poslední době, bych zde uvedl výsledky testů v metru pro zjištění stavu výrubu za ostěním, určení polohy přepínacích lan v prefabrikované trámové mostovce a zjišťování konstrukčních vrstev komunikace. Při měření byla používána aparatura SIR20 s příslušnými anténami.

TEST VÝRUBU ZA OSTĚNÍM
Testovací měření bylo realizováno na budované trase metra A mezi šachtou na Vypichu a stanicí na Petřinách. Problémem, který se zde řešil, nebyl pochopitelně průzkum nově instalovaných železobetonových tubinků, ale zjištění stavu výrubu za nimi. Technologický postup předpokládal injektování nadvýrubu za razícím štítem betonovou směsí, aby za tubinkem nedocházelo k pohybu podzemních vod. K měření byla použita anténa klasické konstrukce s pracovní frekvencí 1,5 GHz. Jednalo se jen o testovací měření, a tak byly měřeny pouze spodní části tří tubinků, které byly v dosahu pracovníka stojícího na dně tunelu. Nutnou podmínkou úspěšné interpretace je s ohledem na komplikovanou geologickou situaci v místě ražby těsná spolupráce geofyzika a inženýrského geologa.

GEOLOGICKÉ PODKLADY
Geologická situace na lokalitě byla hodnocena v závěrečné zprávě SG Geotechnika evidenční číslo ČGS 2019/2008. Geologické poměry ve sledovaném úseku jsou dle této zprávy následující:

Ražený úsek bude mít nadloží 36 m, z toho 2 m v zeminách gt typu E, nebo N. Pak 17 m v horninách gt typu S, dále 17 m v gt typu P. Strop a polovina jádra bude v gt typu P, druhá polovina jádra a dno bude v gt typu J, kde nelze vyloučit ve dně ani zastižení gt typu B. Ražba bude probíhat těsně pod hladinou podzemní vody nebo bude voda ve stropě tunelů, íniciální přítoky do výrubu orientačně hodnotíme jako V2-V3 (V5). Rizikem pro ražbu by zde mohly být přítoky vody z puklinového prostředí pískovců, které by vyplavovaly injektážní směs za montovaným ostěním tunelu. V případě nedostatečné injektáže za ostěním může dojít k ovlivnění režimu HPV (platí pro TBM). Pro ražbu NRTM platí riziko dlouhodobých přítoků ze stropních kotev, které budou zajišťovat ostění, kdy v případě nedostatečného zainjektování systematických kotev může dojít k rozsáhlému ovlivnění režimu HPV a k trvalým přítokům do tunelu. Citovaná zpráva používá v souladu s požadavky EU následující geologické typy:

S – slínovce, jílovce
P – pískovce, slepence
J – jíly, jílovce
B – břidlice

Podle v českém masívu používané klasifikace je skutečné geologické složení v daném úseku následující:

• Křídové písčité slínovce (bělohorské opuky) turonského stáří – blokově rozpadavé mají vlastní horizont podzemní vody
• Křídová vrstva jílovců l – 2 m (zóna IIIa dle Zahálkova dělení) turonského stáří na které vznikají na okrajích blokové sesuvy a která vytváří horní horizont podzemní vody. Geotechnický typ si zřejmě nezasloužily – nevíme proč přitom jsou příčinou všech problémů v zakládání v této oblasti.
• Křídová vrstva glaukonitických pískovců cenomanského stáří s vlastním horizontem podzemní vody v puklinovém systému. Obsahuje vložky uhlí.
• Ordovické horniny – které jsou podle výše citované zprávy označené jako břidlice. V daném úseku je však tvoří tři velmi rozdílné horninové typy:
  • Řevnické křemence, rozpukané často zvodnělé (3 horizont)
  • Libeňské jílovité břidlice – suché bobtnavé a styku s drobami a křemenci
  • Letenské droby a pískovce

Podle této klasifikace upravený geologický řez v daném úseku převzatý z výše uvedené závěrečné zprávy je zakreslen na obrázku 2:

Poznámka:

• jílovité zvětraliny břidlic se vyskytují v podloží druhé skupiny blokových sesuvů známých z okolních údolí;
• blokové pohyby bělohorských opukách dělaly problémy při ražbě štoly kanalizace z bílé hory v roce 1976;
• kdyby ražba probíhala v horninách ordoviku, byly by přítoky minimální.

Poruchy v masivu – nadvýlomy za výztuží mohou nastat v těchto geologických podmínkách z následujících geologických příčin:

• křížení puklinového systému v pískovcích (ve stropě ražby);
• přítomnost uhelné sloje;
• změna jílovitých břidlic na křemence, nebo droby;
• poruchové zóny v křemencích a drobách.

VÝSLEDKY RADAROVÉHO PRŮZKUMU
K měření byla použita anténa klasické konstrukce s pracovní frekvencí 1,5 GHz. Jednalo se jen o testovací měření a tak byly měřeny pouze spodní části tří segmentů (segmenty 214, 243 a 343), které byly v dosahu pracovníka stojícího na dně tunelu. Na následujících záznamech je ukázka výstupu. Je zde dobře vidět, že radarový průzkum pod silně armovaným segmentem o tloušťce 25 cm pronikl ještě přibližně 30 cm za něj. V rámci cementované vrstvy jsou zřejmé změny v její výplni. S ohledem na poměrně malý rozsah měření (tři segmenty po 6 profilech) nebyly výsledky zpracovány do 3D výstupů. Výsledky z měření na jednom ze segmentů ukazuje obrázek 3. Jednotlivé nehomogenity jsou zakresleny červeným kroužkem a na radarogramech je patrna výztuž a okraj železobetonového ostění. Za jednotlivými segmenty byly zjištěny následující poruchy:

• segment 214 – horní část – nadvýlom v křížení puklin;
• segment 243 – dolní část – hranice mezi drobami a břidlicemi, nebo porucha, dále porucha výztuže;
• segment 343 – horní část nadvýlom nad křížením, dolní část porucha na rozhraní břidlic a křemenců – ověřeno vrtem.

Pro nezájem předpokládaného investora byly bohužel další bezplatné testy zastaveny a plánované měření celého segmentu, především jeho svrchní části, kde je možnost vzniku větších nezacementovaných partií nejreálnější, se již neuskutečnilo.

3D INTERPRETACE PŘI DETEKCI PŘEPÍNACÍCH LAN V MOSTOVCE
Podstatně komplexnější průzkum se uskutečnil ve Vídni na prefabrikovaném trámovém železničním mostě. Stavební firma zde měla na boční straně horizontálních nosníků nainstalovat ocelové patky pro budoucí signalizační zařízení, které nebylo možné s ohledem na omezený prostor nainstalovat na svrchní plochu mostu. Cílem průzkumu bylo zjistit přesnou polohu přepínacích lan v železobetonové konstrukci, aby nedošlo při upevňování patek k jejich narušení. Použita byla opět anténa 1,5 GHz. Profily byly vedeny ve vertikálním směru s rozestupem 25 cm a krok měření byl 0,5 cm (200 měření na jeden metr délky profilu). Výsledky byly zpracovány do 3D modelu. Zákazníkovi byly pak předány přehledné plošné řezy v hloubkových úrovních jednotlivých armatur – viz následující obrázky. Následná instalace jednotlivých patek proběhla bez komplikací a následně byla pomocí radaru situována i další signalizační zařízení na ostatních mostech železniční trati.

POUŽITÍ "HORN" ANTÉNY NA POZEMNÍCH KOMUNIKACÍCH
Předchozí příklady ukazují výsledky, kterých lze dosáhnout při použití moderních antén klasické konstrukce. Významným kvalitativním skokem je zavádění směrových „horn“ antén. Jak bylo uvedeno, umožňují zjišťovat rychlost šíření signálu v prostředí. Mimo přesnější hloubkové informace získáváme i další parametr – relativní permitivitu e. Její hodnota charakterizuje jednotlivé materiály. Je to bezrozměrná veličina a běžně se pohybuje v hodnotách 4 – 15. Krom vlastního složení zkoumaného materiálu má na její hodnotu především vliv množství vzduchových pór (e = 1) a obsah vody (e = 81). Časové změny permitivity tak postihují změny v kompakci materiálu – s nárůstem či poklesem objemu vzduchu se její hodnota zmenšuje, resp. zvyšuje. U vody je tomu obráceně, vysoká hodnota relativní permitivity vody způsobuje, že při vzrůstajícím obsahu vody v prostředí roste i jeho celková relativní permitivita. Anténa typu „horn“ s pracovní frekvencí 1 GHz byla použita při průzkumu nově vybudované vozovky. Dobře diferencovala konstrukční vrstvy až do hloubky 0,5 metru a při doplnění standardní anténou 400 MHz pak byl možný průzkum do hloubky až 2,5 metru. Jak je z následujících obrázků zřejmé, její instalace na běžném vozidle je v dostatečné výšce nad vozovkou, a rychlost měření proto může být přes 50 km/hod. Výstupy prezentované za fotografiemi ukazují jednak primární radarové záznamy po semi-automatické interpretaci a dále pak výsledný konstrukční řez komunikací. Vzhledem k tomu, že vozovka byla nově otevřena, nejsou zde žádné výraznější změny v kvalitě konstrukce. Všechny vrstvy odpovídají plánovaným tloušťkám a nejsou nijak deformovány. Vozovka je odběratelem určena k testovacím monitorovacím měřením.

New Applications of Radar on Concrete Structures and Roads
The radar surveying method has been a part of geological and geotechnical survey for more than twenty years. From the first experiments with simple devices (they were in fact primitive radio antennas with graphic or analogue recording), very soon devices of commercial use came to the market together with development of component base and computer technology.

Autoři

• RNDr. Hrubec Karel
• RNDr. Svoboda Bohumil