Zkušenosti z nasazení kontinuálního monitoringu na stavbě metra V. A v Praze

• Foto

Na stavbě metra V. A v Praze byly úspěšně nasazeny metody kontinuálního monitoringu s dálkovým přenosem dat - při ražbách pod obytným komplexem Hvězda na Petřinách a výškovými obytnými budovami na Červeném vrchu. Dále byl poprvé v České republice kontinuálně monitorován stav hlavního kanalizačního řadu pod Evropskou třídou, pod kterým také probíhala ražba, a to včetně nasazení kamerového systému. Na klasických ražbách NRTM v zeminovém prostředí pod hladinou vody byla rovněž poprvé v České republice měřena extruze čelby obrácenými extenzometry s kontinuálním záznamem dat. Autoři příspěvku jsou zástupci sdružení ARCADIS – INSET zajišťujícího na stavbě metra V. A geotechnický monitoring. V příspěvku prezentují své zkušenosti s přípravou a realizací monitoringu a pokouší se formulovat poučení pro budoucí tunelové projekty.

ÚVOD
Geotechnický monitoring ražeb na stavbě prodloužení metra V.A byl zadávací dokumentací koncipován jako standardní monitoring s ručními odečty s výjimkou extenzometrických měření. Již velmi brzy po zahájení stavby však bylo patrné, že standardní ruční metodiky monitoringu nevyhovují pro všechny objekty, které měly být stavbou dotčeny. Zcela zásadní změnou oproti konvenčním ražbám je, z hlediska monitoringu, násobná rychlost postupů ražeb, při využití zeminových štítů EPB TBM. Až desetinásobná rychlost strojních ražeb oproti konvenčnímu tunelování zásadně znevýhodňuje standardní ručně prováděný monitoring ze dvou hlavních důvodů.

Prvním je, že standardní monitoring lze při strojní ražbě jen velmi obtížně využít jako jinak zcela samozřejmou součást observační metody podzemního stavitelství. Postupy ražeb jsou natolik rychlé, že při běžné četnosti měření není možné včas regulovat a optimalizovat parametry ražby. Než dojde k provedení a vyhodnocení potřebné sady měření, zpravidla se změní okrajové podmínky ražby (geologické podmínky, nadloží, objekty na povrchu aj.) a výsledky měření jsou již jen dokladem o změně určitého parametru, ale ne nástrojem k optimalizaci způsobu ražby. Druhým zásadním omezením je fakt, že relativně nízká četnost standardního měření dává při rychlém postupu ražeb pouze diskrétní údaj o změně veličiny a prakticky nelze relevantně zjišťovat důvody změn měřené veličiny, které jsou z téměř spojitého průběhu lépe odvoditelné.

Proto byla extenzometrická měření na stavbě metra V.A od již ve fázi přípravy stavby požadována a následně realizována jako kontinuální měření s dálkovým přenosem dat. Kromě kontinuálních extenzometrických měření byly na základě vyhodnocení pasportizace, stavebně technických průzkumů a dalších podmínek dodavatelem monitoringu postupně doporučena některá další místa vhodná pro nasazení kontinuálního monitoringu. Tohoto typu monitoringu bylo nakonec využito v nadloží traťových tunelů na bytovém komplexu Hvězda na Petřinách a na výškových budovách na sídlišti Červený Vrch. Dalším využitím bylo kontinuální měření extruze čelby a deformací kanalizační stoky na ražbě VZT tunelu pod Evropskou třídou. Doposud poslední aplikací je kontinuální měření posunů tubinků v traťových tunelech při provádění tryskové injektáže pro zlepšení parametrů horninového masívu v prostoru ražeb tunelových propojek.

V článku budou postupně popsány výše zmíněné oblasti použití a některá specifika kontinuálního monitoringu.

MONITORING TRAŤOVÝCH TUNELŮV ÚSEKU ZA STARTOVACÍ ŠACHTOU
Protože stavba prodloužení metra V.A byla první stavbou pro nasazení zeminových štítů EPB TBM v České republice, byla oproti zadávací dokumentaci upravena poloha pětiúrovňových extenzometrických vrtů, aby bylo možno porovnat teoretické předpoklady vlivu ražeb na povrchové objekty a skutečně naměřené hodnoty. První vrty byly umístěny cca 20 m od zahájení ražeb a absolutní naměřené hodnota nepřekročily 8 mm od obou strojů, přičemž v tomto prvním, „kalibračním“ úseku razil každý stroj v jiném režimu ražby (uzavřený mód se stabilizací čelby stlačeným vzduchem a přechodový mód). Druhý extenzometrický profil byl umístěn před křižovatkou Ankarská/Zvoníčkova, kde ražba poprvé vstupovala pod frekventované komunikace. Přesto, že výsledky na tomto profilu byly ovlivněny ražbou přístupové štoly Markéta, která byla prováděna technologií NRTM, nepřekročily poklesy od obou strojů 10 mm. Další extenzometrické profily byly umístěny před podcházené povrchové obytné objekty. Optimalizace režimu ražby strojů, která však musela respektovat také stavební stav podcházených objektů, výrazně přispěla k bezpečnosti a ekonomičnosti ražeb.

MONITORING BYTOVÝCH KOMPLEXŮ NA PETŘINÁCH A ČERVENÉM VRCHU
Směrové a výškové vedení prodloužení metra V.A bylo možné uspořádat tak, aby se bez jediné výjimky potkávalo s nadzemní zástavbou při ražbách v prostředí kvartérních uloženin. Při ražbě ve skalním prostředí však ražba na několika lokalitách přímo podcházela zastavěným územím. Přestože se v tomto prostředí neočekávaly výraznější účinky ražeb na povrch, bylo především s ohledem na význam a skutečně zjištěný technický stav objektů rozhodnuto o realizaci kontinuálního monitoringu bytového komplexu Hvězda na Petřinách a pěti čtrnácti-podlažních bytových domů na Červeném Vrchu.

Bytový komplex Hvězda na Petřinách
Kontinuální monitoring bytového komplexu Hvězda byl prováděn především z důvodu velmi špatného technického stavu tohoto rozsáhlého objektu. Přestože se jedná u luxusní rezidenční objekt, tak se poruchy, včetně těch statických, projevovaly prakticky od dokončení stavby (90. léta 20. století). Skutečný rozsah poškození byl zjištěn v rámci doplnění pasportizace. K rozhodnutí o provedení monitoringu v kontinuálním režimu přispělo i odmítnutí vlastníka objektu provést podrobný stavebně technický průzkum v místech nejrizikovější statických poruch za účelem objasnění důvodů těchto poruch. Hlavní motivací pro nasazení kontinuálního monitoringu byla možnost rychlejší reakce na případný nepříznivý vývoj deformace objektu. A kontinuální monitoring byl také jediným způsobem, jak vhodně prokázat skutečně zanedbatelné deformace objektu v důsledku ražeb, a ukázat, že ostatní vlivy na objekt, jako jsou např. teplotní změny, jsou významnější než vlastní ražba.

Systém kontinuálního monitoringu byl instalován v podzemních garážích objektu a tvořila ho trojice automatických totálních stanic, 15 ks automatických deformometrů a 15 ks náklonoměrů. Během ražeb byly na objektu zaznamenány posuny v řádu do 3 až 5 mm s minimálním rozvojem trhlin (v řádu desetin mm) a náklonů (v řádu desetin mm/m). Díky nasazení kontinuálního monitoringu se ověřilo, že deformační ovlivnění objektu teplotními změnami je stejné velikosti, ne-li větší než ovlivnění objektu vlastní ražbou.

Panelové domy na sídlišti Červený Vrch
Na sídlišti Červený Vrch podcházela ražba pět čtrnáctipodlažních panelových domů. Každý dům tvořila dvojice budov založená v nestejné úrovni. Kontinuální automatizovaný monitoring využíval 28 ks deformometrů a 31 ks náklonoměrů rozmístěných po celé výšce objektů. Dvojice totálních stanic umístěných naproti jižní a severní fasádě sledovala na každém z domů čtveřici odrazných hranolů. Obdobně jako v případě monitoringu komplexu „Hvězda“ bylo prokázáno, že deformační ovlivnění objektu teplotními změnami je větší než ovlivnění objektu vlastní ražbou. Vysoká teplotní citlivost budov se projevovala zejména na dilatačních spárách. Deformační ovlivnění objektů ražbami nepřekročilo posuny v řádu do 3 až 5 mm s minimálním rozvojem trhlin (v řádu desetin mm) a náklonů (v řádu desetin mm/m). Deformační ovlivnění povrchu ražbami nepřekročilo rovněž 10 mm.

MONITORING PŘI RAŽBÁCH VZDUCHOTECHNICKÉHO TUNELU POD EVROPSKOU TŘÍDOU
Z parku Hadovka byl pod Evropskou třídou ražen krátký vzduchotechnický tunel (SO 02-29). Tunel bude sloužit nejen jako tunel vzduchotechnický, ale také k demontáži části stroje EPB M a jako tunelová propojka mezi traťovými tunely. Specifikem tunelu je jeho mělké umístění pod rušnou komunikací v prostředí zvodnělých sedimentů. Teoretická plocha výrubu je cca 120 m² a délka tunelu cca 37 m. Ražba tunelu byla rozdělena na čtyři sekce, klenba tunelu je vedena cca 7,0 až 8,5 m pod povrchem (méně než 1 průměr výrubu) a cca 2,0 až 3,5 m pod žlábkem zděné jednotné stoky 700/1 250 mm.

Kromě standardního monitoringu vznikl s ohledem na extrémní rizika spojená s případnou ztrátou stability čelby požadavek na její kontinuální monitoring, což bylo zajištěno využitím obráceného čelbového extenzometru (hlava extenzometru umístěná v patě vrtu). Další aplikací kontinuálního monitoringu bylo sledování výše zmíněné stoky, u které by případná havárie znamenala hned několik nepřípustných dopadů včetně rizik pro stabilitu celého tunelu (průtok ve stoce nebylo možno převést jinam a ani nebylo možné zajistit přístup do stoky v dostatečné četnosti – vstupy do revizních šachet jsou přímo ve vozovce Evropské třídy).

Kontinuální monitoring extruze čelby
Nezpevněné a zvodnělé kvartérní sedimenty byly před zahájením ražeb v podélném směru vyztuženy rastrem sloupů podélné tryskové injektáže tzv. zámkovou injektáží. I přes toto a další opatření však bylo s ohledem na pozici tunelu a výrazně nepříznivé geologické podmínky potřeba kontrolovat stabilitu čelby ve všech fázích výstavby. Pro tento účel se jako nejvhodnější řešení jevilo a následně bylo zvoleno využití tzv. obráceného extenzometru. Extenzometry byly osazovány do subhorizontálních vrtů vedených souběžně s osou tunelu přibližně ve středu kaloty. Hlava extenzometrů byla uložena u paty vrtu a s postupující ražbou byly postupně ničeny jednotlivé kotvy extenzometru. Stále však bylo možné odečítat data o změně vzdálenosti zbývajících kotev vůči hlavě extenzometru.

Předepsané kritérium pro mezní extruzi čelby nebylo překročeno. Extruze se pohybovala v hodnotách do 20 mm oproti mezním 40 mm stanoveným statickým výpočtem.

Monitoring kanalizační stoky
Monitoring kanalizační stoky byl zaměřen především na období, kdy se v těsné blízkosti dna kanalizační stoky prováděly subhorizontální sloupy tryskové injektáže nad budoucí kalotou VZT tunelu. Prolomení, nebo i menší poškození stoky, které by znamenalo úniky splašků ze stoky do horninového masívu v okolí výrubu tunelu, mohly ohrozit bezpečnost ražeb.

Monitoring stoky proto byl, kromě standardního manuálního měření deformací a prohlídek stoky, doplněn o speciálně vyvinutý systém svislých konvergometrů s kamerovým záznamem dění ve stoce. Data z měření a obrazový signál z kamer byl pomocí kabeláže protažené přípojkou uliční dešťové vpusti sveden do buňky v záboru staveniště. Zde byl umístěn měřicí počítač a videorekordér. Stálá služba prováděla vizuální kontrolu obrazu, zpracování a publikování dat do informačního systému monitoringu Barab. Díky nasazení kontinuálního monitoringu stoky bylo možné kontrolovat provádění tryskových injektáží v bezprostřední blízkosti stoky a následně i vlastní ražby VZT tunelu pod stokou. Po zahájení měření bylo zjištěno, že se stoka v důsledku provádění injektáží ve svislém směru prodlužuje v řádu mm až prvních cm. Možným vysvětlením této skutečnosti bylo, na rozdíl od předpokladů, stlačení stoky ve vodorovném směru. Manuálním přeměřením dříve osazených tříbodových konvergenčních profilů bylo zúžení stoky potvrzeno.

Proto byly injektážní práce přerušeny a stoka byla preventivně vydřevena. Současně byly osazeny další konvergometry ve vodorovném směru pro sledování deformací v průběhu ražby VZT tunelu. K dalším významným deformacím stoky již ale následně nedošlo.

MONITORING DEFORMACÍ VLASTNÍCH TRAŤOVÝCH TUNELŮ
Vlastní montované ostění, které bylo využito při ražbě traťových tunelů, geomonitoring prakticky nevyžaduje. Výjimkou byly úseky traťových tunelů v místě ústí tunelových
propojek. V případě ražby propojek nacházejících se ve skalním prostředí nebylo nutné zlepšování nadloží a okolí výrubu před ražbami. Zde postačilo klasickým měřením konvergencí ověřit, že vybourávání ostění a ražba v blízkosti ústí propojky nemá negativní dopad na stabilitu přilehlého úseku traťového tunelu (tvořeného tubinky).
U propojek, kde bylo nutné provést sanaci nadloží metodou tryskové injektáže, bylo měření konvergencí zahájeno již při zlepšování masivu tryskovou injektáží. Na místě s největšími deformacemi profilu tunelu byla standardní konvergenční měření doplněna i o kontinuální kontrolu vzájemné polohové změny jednotlivých dílců ostění.Na spáry mezi jednotlivými dílci (tubinky) byly osazeny automatické deformetry s měřením relativní změny délky ve třech směrech.

MONITORING HLOUBENÝCH JAM
V rámci dalšího vývoje a zdokonalování kontinuálního monitoringu byl úspěšně zprovozněn a odzkoušen i systém automatického měření a odesílání dat na tenzometrických siloměrech na kotvách hloubených jam Veleslavín a Motol. Jako jediná nevýhoda se u takto rozlehlých děl ukázala propojovací kabeláž, která byla náchylná k poškození pokračující stavební činností. Vlastní kontinuální měření a odesílání dat opět prokázalo výhody tohoto způsobu měření a umožňovalo i zpětnou podrobnou analýzu záznamu v požadovaném období.

VYHODNOCOVÁNÍ VÝSLEDKŮ KONTINUÁLNÍHO MĚŘENÍ
Kontinuální sběr dat z jednotlivých metodik měření je samozřejmě třeba doplnit také o nástroj pro co nejvíce automatickou publikaci výsledků měření tak, aby výsledky byly téměř bezprostředně k dispozici všem účastníkům výstavby.

Četnost odečtu u kontinuálního způsobu měření je možné nastavit v podstatě libovolnou. Omezujícím kritériem je zpravidla pouze dostupná paměť sběrače dat a nároky na napájení. Proto se uplatňuje často i odečet měřených hodnot několikrát v průběhu jedné hodiny. Do databázového systému, který publikuje data, jsou však zapisována zpravidla v nižší četnosti tak, aby nebyl systém zatížen nadměrným množstvím dat. Před zápisem dat do databáze je třeba samozřejmě provést transformaci dat do formátu podporovaného databázovým systémem.

V případě anomálních výsledků a potřeby hlubší analýzy je samozřejmě možné data zkoumat i na originálním nefiltrovaném souboru měření.

ZÁVĚRY
V prostředí České republiky byl kontinuální geotechnický monitoring doposud relativně málo využívaný. Při rychlých strojních ražbách je však jeho využití prakticky nevyhnutelné pro efektivní úpravu postupů ražby a pro průkazné určení skutečného vlivu stavby na objekty. Kontinuálním monitoringem je navíc možné postihnout a eliminovat i „nestavební“ vlivy působící na konstrukci, které by standardním monitoringem nebylo možné kvantifikovat. Velice podrobný časový průběh sledování chování konstrukce může pomoci prokázat, že k progresu poruch na objektech nedochází vlivem ražeb, ale že se jedná o přirozené chování např. nesprávně založeného objektu. S tím souvisí i jedna z podmínek úspěšného nasazení kontinuálního monitoringu – je potřeba ho spustit v dostatečném předstihu před vlastními ražbami (kvůli rozpoznání a eliminaci těchto „nestavebních“ vlivů).

Na stavbě prodloužení trasy metra V. A byly kontinuálně monitorovány i konstrukce, které nebyly ovlivněny přímo strojní ražbou. U těchto konstrukcí však byly nepřijatelné především dopady případného prodlení v přenosu informací o zjištěných deformací. Informace o skokových změnách měřených veličin bylo třeba předat bez prodlevy zhotoviteli, zpravidla následovala úprava technologie nebo přerušení postupu. Dle názoru autorů by v některých případech bez využití kontinuálního monitoringu přímo hrozilo poškození konstrukce v důsledku stavební činnosti.

Kontinuální monitoring zatím stále není standardně využívaným portfoliem geotechnického monitoringu především kvůli vyšší cenové náročnosti na pořízení systému oproti manuálně prováděnému měření. Avšak i zde platí, že s rozvojem techniky a s rostoucí cenou práce brzy převáží výhody kontinuálního monitoringu na mnohem větším spektru aplikací, než bylo např. na prodloužení metra A do Motola.

Obsah článku byl publikován na konferenci Podzemní stavby Praha 2013 pořádané v květnu 2013 Českou tunelářskou asociací ITA-AITES.

Experience from Using Continuous Monitoring on Construction of V. A Metro in Prague
During construction of Metro V.A in Prague, methods of continuous monitoring with remote data transmission were successfully used – during the excavation under residential complex Hvězda in Petřiny and under residential buildings in Červenývrch. Further, for the first time in the Czech Republic, the state of main sewer system was continuously monitored under Evropskástreet, under which the excavation was undertaken, including using CCTV. During classical excavations with NATM in soil environment under the water level, face extrusion was measured with reversed extensometers with continuous data recording, again for the first time in the Czech Republic. Authors of the article are representatives of the ARCADIS – INSET group providing geotechnical monitoring at the Metro V.A construction. Their experience with monitoring preparation and implementation is presented here, and they are trying to formulate guidance for future tunneling projects.

Autoři

• Ebermann, T.
• Bohátka, J.
• Hort, O.
• S. Liška
• M. Vinter
• M. Čermák