Praktické využití GPS technologie na stavbách

• Foto

Satelitní nivelační systém TOPCON 3D-GPS byl v roce 2003 poprvé využit při stavbě Pila Paskov (M&M Säge Paskov), která byla jednou z největších staveb svého druhu v ČR. Stavba byla specifická v tom, že bylo nutné srovnat zemní pláň a následně všechny podkladní vrstvy  až po živičné plochy do mnoha menších ploch v rozličných malých spádech v různých směrech. Po ukončení stavebních prací vedení stavby konstatovalo, že by nebylo možné dokončit práci v požadovaném termínu a s takovou přesností bez využití nivelačního systému 3D-GPS.

LINIOVÉ STAVBY

Přehled liniových staveb, kde byl a bude použit systém 3D-GPS:

• 2004–2006 – Dálnice D11, stavba 1104 Dobšice – Chýšť, stavba 1105 Chýšť – Osičky a SO 121
• 2004–2007 – Dálnice D47, stavba 47091/1 Hrušov – Bohumín, 1. stavba, km 155,140 – 159,620
• 2006 – Mimoúrovňové křížení v Lipníku nad Bečvou
• 2006–2007 – Dálnice D47, stavba 4704 Lipník nad Bečvou – Bělotín
• 2006–2008 – Silnice I/11 Jablunkov – obchvat
• 2007–2009 – Silniční okruh kolem Prahy, stavba 513 Vestec – Lahovice
• 2008–2009 – Dálnice D1, stavba 0135 Kroměříž – Říkovice
• 2008–2010 – Dálnice A 1 Polsko (km 448,900 – st. hr. PL/ČR) – 18 km

(Přehled nespecifikuje postavení ALPINE CZ v dodavatelském systému ani rozsah prací této firmy u uváděných staveb.)

PŘÍNOSY NIVELAČNÍHO SYSTÉMU 3D-GPS V PRAXI
Nárůst produktivity – Produktivita práce se zvýší v závislosti na aplikaci až o 300 %. 3D-GPS systém poskytuje přesné výsledky nezávisle na počasí a na denní nebo noční době. Při současném využívání signálů ze satelitní sítě GPS a GLONASS je prakticky možné pracovat  4 hodin denně. Organizace přesunu materiálů se dá velmi dobře plánovat a neexistují zbytečné prostoje. Čím jsou terénní úpravy větší a komplikovanější, tím větší výhody 3D-GPS systém přináší.

Úspora pracovní síly – Pila Paskov – úspora 4–5 pracovníků (shlížení laviček a výškových křížů, navigování strojníka); Liniové stavby – úspora 2–3 pracovníci.

Zvýšení kvality a přesnosti – Systém 3D-GPS přináší zvýšení kvality a přesnosti terénních úprav. Technologie GPS RTK aplikovaná při řízení zemních strojů umožňuje dosáhnout homogenní přesnosti terénních úprav do 2 cm v rozsahu několika km.

Úspora materiálu – Pokud je k dispozici digitální model terénu přímo v kabině stroje, je možné začít srovnávat pláň a přesouvat zeminu počínaje již prvním pojezdem stavebního stroje. Díky přesnému dodržování výšky předchozí vrstvy dojde k výraznému snížení spotřeby drahých materiálů.

Snížení nákladů na geodetické práce – Geodetické práce mohou být redukovány na minimum, a to zejména u činností souvisejících s opakovaným vytyčováním a kontrolami prováděných během realizace jednotlivých etap stavebního projektu.

Mžnost současného řízení více stavebních strojů – V dosahu radiomodemu může využívat vysílané korekce libovolné množství stavebních strojů a geodetů, kteří provádějí kontrolní nebo vytyčovací práce. V současné době ALPINE CZ využívá osm nivelačních systémů TOPCON 3D-GPS na grejdrech, dva nivelační systémy TOPCON 3D-GPS na rypadlech a dva nivelační systémy TOPCON 3D-GPS na dozerech.

NOVÉ VYUŽITÍ – 3D-mmGPS DUÁLNÍ NIVELAČNÍ SYSTÉMY PRO FINIŠERY A SILNIČNÍ FRÉZY
Ačkoliv je technologie GPS velmi přesná při určování polohy v horizontální rovině, je její mezní přesnost ve výšce „pouze“ asi 2 cm. Tato nižší výšková přesnost řídicích systémů GPS znemožňuje použití této technologie v mnoha přesných aplikacích, jako jsou finální  pokládky vozovky, zakládání obrubníků nebo 3D geodetické výškové měření. Tyto aplikace doposud vyžadovaly použití optických měřicích systémů.

Firma TOPCON Europe B. V. ve spolupráci s firmou Vögele vyvinula duální 3D nivelační systém využívající satelitní navigaci s milimetrovou přesností pro řízení výšky hladicí lišty, šířky pokládané vrstvy a směru pojezdu finišeru přímo podle digitálního modelu pokládané vrstvy. Jedná se o kombinaci satelitního a laserového nivelačního systému. Na každé straně hladicí lišty finišeru je umístěna jedna GPS anténa. Levá GPS anténa slouží pro určení výšky a pravá pro určení pojezdu finišeru. Satelitní a laserové signály jsou zpracovávány nivelačním systémem TOPCON 3D-mmGPS a současně porovnávány s projektovanými hodnotami. Výsledek je následně přenesen z nivelačního systému TOPCON do systému NAVITRONIC od firmy Vögele.

Odsud přebírá řízení finišeru NIVELTRONIC, který provede prostřednictvím hydraulických válců opravu odchylek od požadované výšky a příčného sklonu pokládané vrstvy. Malé odchylky od směru pokládky a šířka pokládané vrstvy jsou automaticky korigovány výsuvnými díly hladicí lišty finišeru. Při větších směrových odchylkách, nebo při průjezdu zatáčkou zasáhne NAVITRONIC do řízení finišeru a automaticky zajistí, aby finišer i hladicí lišta byly vedeny v požadovaném směru. Právě automatické řízení šířky pokládané vrstvy a směru pojezdu jsou oproti jiným nivelačním systémům jedinečné.

První test 3D-mmGPS v České republice a ve Slovenské republice
ALPINE CZ společně s firmou GEODIS Brno, spol. s r. o., jako první v České republice a ve Slovenské republice provedla v listopadu 2008 test finišeru Vögele Super 2100-2 vybavený nivelačním systémem TOPCON 3D-mmGPS. Pro práci finišeru nebyla vybrána jednoduchá stavba. Záměrně nebyl zvolen žádný dálniční úsek, který ALPINE CZ realizuje. Jednalo se o silnici III/0487 Starojická Lhota – Palačov – Lešná (délka úseku 2,5 km), která je vzdálena cca 5 km od Valašského Meziříčí.

Přípravu podkladů a realizaci projektu provedli pracovníci firmy ALPINE CZ ve spolupráci s firmou Autodesk spol. s r. o. Přípravu podkladů pro finišer, úpravu sklonů vozovky, podélných sklonů a šířek řešili rovněž pracovníci provádějící firmy za spoluúčasti zástupců společností GEODIS Brno, spol. s r. o., TOPCON Europe B. V. a Vögele. Pokládka proběhla v listopadu 2008 za vhodných technologických podmínek, navzdory lehkému sněhovému poprašku.

Popis projektu
Délka realizovaného úseku je 2,5 km, šířka vozovky dosahuje 5,5 m, v přímých úsecích s oboustranným sklonem 2 %. V obloucích je vozovka rozšířena až do 6,0 m o jednostranném sklonu do 4 %. Podstatným problémem byl fakt, že silnice prochází z 80 % alejí ovocných vzrostlých stromů, které komplikovaly přímou viditelnost nutnou pro přenos signálu (laserového). Požadavek závodu ASFALT ALPINE CZ zněl, aby byla pokládka provedena na jeden pojezd, tzn. bylo nutné měnit oboustranný sklon na jednostranný a naopak. Mezi „živičáři“ je známo, jak je pro jakýkoliv nivelační systém komplikovaná a složitá pokládka asfaltové směsi v oboustranném sklonu (protože střechovitý sklon je nastavován manuálně, výška středu hladicí lišty je odvislá od jejího seřízení a přesnosti nastavení).

Hlavní komponenty systému

• Vögele Super 2100-2 (finišer),
• Vögele Navitronic (řídicí jednotka Vögele),
• GX-60 (řídicí jednotka Topcon),
• Duální ethernetový Roverbox 2.5 (Topcon),
• 2 × mmGPS přijímač (GPS anténa s laserovým příjímačem),
• 2 × Vögele držák s tyčí na antény,
• 1 × SATEL 3AS UHF – radiomodem,
• HiPER PRO (referenční stanice),
• HiPER PRO s mmGPS přijímačem,
• 2 × PZL-1(laserový vysílač) s 3m stativy.

Laserový vysílač PZL-1
Laserový vysílač Laser-Zone není klasický rovinný nebo sklonový laser, který vysílá úzký laserový svazek v horizontální nebo skloněné rovině. Laser-Zone vysílá modulovaný laserový svazek s výškou 10 m. To znamená, že všechny přijímače mohou být použity v tomto desetimetrovém vertikálním rozsahu a okamžitě určují svoji výškovou odchylku vzhledem k laserovému vysílači. V rozsahu jednoho vysílače může pracovat současně neomezený počet geodetických GPS RTK nebo strojů vybavených potřebnými přijímači. Jakákoliv aparatura Laser- Zone může rozlišit signály od čtyř různých vysílačů, které jsou schopné pokrýt pracovní území o rozsahu až 2 km. GPS RTK Rover nebo přijímač umístěný na stavebním stroji se může bez jakéhokoliv zásahu obsluhy hladce pohybovat v celé pracovní oblasti od jednoho vysílače ke druhému.

Shrnutí testu
Mezi hlavní výhody můžeme zařadit automatický pojezd finišeru, tzn., že pojezd finišeru je automaticky řízen podle nadefinované řídicí přímky, která je zadaná v digitálním modelu nahraném v řídicí jednotce nivelačního systému. Další nespornou výhodou, kterou ocenila i obsluha stroje, je automatické řízení šířky pokládané vrstvy. To bylo patrné hlavně v zatáčkách, kdy byl oblouk pěkně vytočený, netvořily se tzv. „zuby“ a navíc hladicí lišta finišeru neustále dodržovala požadovanou šířku pokládané vrstvy nadefinovanou v digitálním modelu.

Problémy nastaly tehdy, když se finišer dostal do zatáčky s malým poloměrem. Nákladní automobil s asfaltovou směsí, který najel před finišer, „neudržel směr řídicí přímky“, brzdil finišer a vytlačoval ho ze směru. Tyto problémy mohou být vyřešeny změnou naváděcího bodu nebo změnou rychlosti odezvy hydrauliky pojezdu finišeru.

Signál z laserového vysílače PZL-1 nebylo možné vyzkoušet na co možná největší vzdálenost vzhledem k místu zkoušky. V každém případě je však nutné zajistit kvalitní příjem signálu z PZL-1. Občas se signál přerušil kvůli zdvižení korby nákladních automobilů, popřípadě přejetí válce z druhé strany finišeru. Pokud se signál přeruší na krátkou dobu cca 4–5 s, hydraulika finišeru Vögele zablokuje výšku hladicí lišty do té doby, než nivelační systém obdrží opět signál s laserového vysílače. K přerušení signálu také došlo, když těsně kolem laserového vysílače projel válec se zapnutou vibrací.

Rozechvěl tím laserový vysílač, který se automaticky, a to zcela správně, vypnul. Zapnul se opět, až když válec popojel do větší vzdálenosti. Tyto problémy se dají řešit změnou pozice laserového vysílače (komplikace umístění laserového vysílače způsobené v místě testu hustotou stromořadí).

U dálničních staveb tyto problémy z 80 % odpadají, neboť laserové vysílače se mohou umístit na vhodnější pozici. Problém se stromy, příp. s dalšími překážkami, je minimalizován. Přesnost ve výšce se pohybovala kolem 2–5 mm. U jednostranného sklonu v zásadě žádný problém nebyl, ten nastal při už zmiňovaném střechovitém spádu. Protože se výška uprostřed finišeru nastavovala manuálně, chyba ve výšce byla kolem 15–25 mm. Na krajích byla přesnost výšky stále do 5 mm.

ZÁVĚR
Vzhledem ke složitosti projektu, konfiguraci terénu a k vnějším podmínkám nefungoval systém při realizaci na 100 %. Přesto byla realizovaná akce pro další vývoj 3D nivelačních systémů velkým přínosem, jak pro přítomné odborníky z TOPCON Europe B. V., Vögele, GEODIS Brno, spol. s r. o., tak hlavně pro firmu ALPINE CZ jako dodavatele živičných povrchů. Zatímco v Německu již téměř rok tyto systémy používají, nebyly zatím nasazeny v tak specifických a obtížných podmínkách.

Veškeré získané zkušenosti a poznatky budou vývojáři v TOPCON Europe B. V. za spoluúčasti expertů z Vögele řešit. Na základě názoru všech přítomných odborníků lze konstatovat, že test tohoto typu, míněno zejména komplikované podmínky pro realizaci, byl první nejen v České republice ale v celé Evropě. Systém využití 3D-mmGPS je určitě vhodný pro pokládku živičných směsí při výstavbě nových dálnic, případně letištních ploch. Jestliže se v dohledné době vyřeší některé nedostatky, můžeme se těšit na nový převratný systém řízení stavebních strojů, využívající jedinečnou satelitní navigaci s milimetrovou přesností.

Practical use of GPS technology on the constructions
Satellite levelling system TOPCON 3D-GPS for controlling construction mechanisms started to be first used in 2003 in the Czech Republic and Slovakia by the ALPINE construction company CZ, s. r. o. The new thing in this area was developed by TOPCON Europe B. V. in cooperation with the company Vögele. It is a dual 3D levelling system (3D-mm GPS) using satellite navigation with millimetre precision for managing the height of smoothing bar, the length of laying layer and the direction of finisher travelling directly according to digital model of laying level. It is a combination of satellite and laser levelling system.

Autoři

• Mgr. Hamanová Jitka
• Farana Stanislav
• Ing. Hrbáč Petr
• Ing. Šafář Václav