Sledování procesu stárnutí tunelového ostění pomocí bezdrátového přenosu dat

Katedra geotechniky ČVUT v Praze se podílí na mezinárodním výzkumném projektu, jež se zaměřuje na metody zjišťování stavu konstrukcí in situ s užitím měření i v mikroměřítku, a to sledováním vývoje přetvoření míst s koncentrací napětí a mikrotrhlin v čase. V nejcitlivějších místech vybraných úseků tunelů pražského metra jsou prováděny instrumentace s užitím standardních metod sledování přetvoření ostění s cílem vystihnout vývoj přetváření celku a detailu a vybraných míst pomocí kombinace měření na základnách řádu 10-100 mm. Nově také pomocí vyvíjených mikrosnímačů přetvoření Micro Electro Mechanical Sensors (MEMS).
Snímače MEMS pracují na principu strunových snímačů a zatím jsou ve stadiu funkčních vzorků. Velikost vlastního snímače - měřicího prvku je cca 0,40 mm a tyto jsou zatím sdruženy na křemíkové destičce o rozměrech cca 4,60x4,80 mm pro snímání podélného a příčného přetvoření. MEMS jsou vyrobeny technologií podobnou výrobě integrovaných obvodů, a proto lze předpokládat, že jejich uživatelská cena nebude v budoucnosti vysoká. Vyvíjená technologie měření bude umožňovat kontinuální snímání s bezdrátovým přenosem dat a po dalším vývoji též bez nutnosti vnějšího zdroje energie.
Pro zajištění většího množství informací o přetváření vybraných profilů jsou současně užívány i prvky standardního sledování přetvoření a teploty souběžně s nedestruktivními metodami určování stavu ostění tunelů.
Proces stárnutí je, jak bylo uvedeno, u podzemních staveb citlivější než u staveb pozemních, přestože jeho projevy jsou špatně identifikovatelné pro ztížený přístup ke konstrukci. Proces stárnutí urychlují i poruchy a vady nosné konstrukce. Průsaky vody do tunelů přes ostění nebo střídání vlhka a sucha nejsou výjimkou a způsobují postupnou korozi ocelové výztuže, kvůli které se mohou tvořit trhliny v betonu. Expanzí rzi výztuže a bobtnáním v okolí trhliny dochází k odpadávání úlomků betonu a k postupnému odhalení výztuže. Degradační proces se dále prohlubuje, a pokud se mu nevěnuje pozornost, může v krajním případě vyústit až v havarijní stav.
Podzemní stavby nemohou být většinou z bezpečnostních důvodů prohlíženy za provozu. Mezi v současnosti užívané metody zjišťování stavu podzemních konstrukcí patří vizuální prohlídky, ať už vykonané člověkem nebo dálkově ovládanou technikou, speciální nedestruktivní metody, měření vývoje přetvoření a měření geodetická. I když se tyto metody vyvíjejí v souvislosti s potřebami údržby, přesto představují vysoké pořizovací náklady, nejsou zcela výstižné pro identifikaci vývoje stárnutí. Měřicí technika má v podzemí ztížené použití, proto se hledají automatizované monitorovací systémy.

Výzkumný projekt zjišťování stavu konstrukcí in situ s užitím měření i v mikroměřítku

Spolu s Katedrou geotechniky Fakulty stavební ČVUT v Praze jsou do řešení projektu inovací metod zjišťování stavu konstrukcí in situ s užitím měření i v mikroměřítku dále zapojeny univerzity z Velké Británie a Španělska, výzkumný ústav v Itálii a provozovatelé dopravních sítí v Londýně, Barceloně, Madridu a Praze. Hlavním cílem projektu je vývoj automatického bezdrátového systému, který bude schopen získávat data pro hodnocení stavu ostění a jeho vývoj v čase i řešit jejich přenos až do počítače uživatele. Systém Underground M3 tedy zahrnuje dvě monitorovací složky: mikro-detekci a mikro-monitoring a bezdrátový přenos dat.

Vývoj nejvhodnější metody detekce mikrotrhlin a jejich chování v čase
V rámci projektu se v první řadě pracuje na vývoji nejvhodnější metody detekce mikrotrhlin a jejich chování v čase. V současné době jsou využívány následující možnosti:

• počítačová vizualizace - zpracování snímků klasického fotoaparátu či videokamery a jejich porovnávání v čase;
• přesné měřicí metody sledování ostění - náklonoměry, trhlinoměry a konvergenční měření;
• měření chování mikrotrhlin pomocí mikro-elektromechanických snímačů (MEMS);
• geofyzikální měření sledování ostění pomocí snímačů typu mikro-strain.

Zajištění přenosu dat od jednotlivých snímačů k uživateli
Druhou fází je zajištění přenosu dat od jednotlivých snímačů k uživateli, a to od napojení kabelů na snímače v blízkosti stanic až po bezdrátový přenos využitím sítě GSM.
Data pro počítačovou vizualizaci jsou získávány pomocí videokamery a fotoaparátu s rychlým sběrem dat. Předností je i automatická registrace snímků do systému prostorových souřadnic pomocí ?camera pose system? nedávno vyvinutého na univerzitě v Cambridgi (obr. 1). Systém umožňuje registraci obrázku nezávisle na aktuální pozici kamery, tzn., že kamera nebo fotoaparát nemusí být ve stejné poloze při každé prohlídce, na rozdíl od současných technologií typu statických fotoaparátů. Vizualizace umožňuje nejen snadnější detekci mikrotrhlin, ale poskytuje i celkový obraz o sledované konstrukci v čase.

¤ Obr. 1. Princip prostorových souřadnic "camera pose system"

Oblast konstrukce se zjištěnými mikrotrhlinami se sleduje nejlépe měřením přetvoření. U pozemních staveb se na nosných prvcích často používají bodová měřidla přetvoření např. na sloupech a nosnících, pokud se podél prvku přetvoření významně nemění. Toto neplatí u podzemních liniových staveb, kde se napětí v důsledku interakce mezi konstrukcí a zeminou významně mění podél ostění i na krátké vzdálenosti zejména kvůli značné variabilitě prostředí stavby, což vyžaduje hustou síť měřicích bodů. Takový požadavek by v budoucnu mohla splnit síť tvořená uzly schopnými vzájemné bezdrátové komunikace, která by uměla vybudit snímače a provést odečet dat. Data budou odesílána do centrálního sběrného místa a odtud přes GSM bránu do kanceláře k dalšímu zpracování. Přenos získaných informací bude zajišťovat podzemní bezdrátový komunikační systém jednak mezi jednotlivými snímači a měřicí ústřednou (horninovým prostředím), tak i mezi měřicí ústřednou a střediskem monitoringu (vzduchem). Kvůli omezenému přístupu do podzemí by měl přenosový systém využívat princip nízké spotřeby energie pro svůj provoz a tu získávat z okolního prostředí jako jednotlivé snímače a jejich mikro-sítě. Největším omezením bezdrátových technologií je v současnosti horninové prostředí jako přenosové medium, proto bude v projektu využita podzemní bezdrátová přenosová technologie nedávno vyvinutá v Japonsku (Sakata Denki). Předností této technologie je schopnost přenosu vodou nebo horninou na vzdálenost až 100 m pomocí nízkofrekvenčních magnetických vln (méně než 30 kHz). Prototyp tohoto komunikačního systému využívá technologii, která umožňuje propojení snímačů s malým procesorem obsahujícím minioperační systém tak, aby se v případě výpadku jednoho nebo několika snímačů sám překonfiguroval. Každý snímač bude fungovat jako ?router?, tzn. bude schopen přenášet data na další snímače (obr. 2). V současné době se sleduje na dálku činnost snímačů v blízkosti stanice metra Dejvická pomocí GSM brány současně na počítači na univerzitě v Cambridgi a v Praze.

¤ Obr. 2. Schéma bezdrátového komunikačního systému

Úlohou týmu katedry geotechniky je aplikovat jednotlivé součásti systému ve vybraných částech pražského metra. Dále pak tam, kde je to možné, provádět srovnávací měření pomocí standardních metod. Ve vybraných místech tunelu pražského metra jsou prováděny instrumentace jednak s užitím standardních metod sledování přetvoření ostění s cílem vystihnout vývoj přetváření celku a detailu pomocí kombinace měření na základnách řádu 10-100 mm a nově vyvíjených mikrosnímačů přetvoření Micro Electro Mechanical Sensors (MEMS).
Vzhledem k obsáhlosti dané problematiky a rozsahu projektu se další text zaměří pouze na popis MEMS a na konkrétní příklad sledování přetváření tunelového ostění ve vybraném profilu trasy metra C 2. koleje ve staničení 18,725 km.

Sledování přetváření tunelového ostění ve vybraném profilu trasy metra C 2
Mikrosnímače se základnou měřicího prvku cca 0,40 mm pracují na principu strunových snímačů. Přetvoření přenesená na destičku vyvolají posun rezonančních frekvencí jednotlivých snímačů. Zcela nová je konstrukce snímačů a jejich velikost. Snímače jsou dosud provedeny v prototypu ve tvaru dvojité vidlice, která je hladká. Příklad rezonančního snímače přetvoření typu MEMS a výsledky měření jsou na obr. 3. Variantou snímače se zvýšenou citlivostí je provedení dvojité vidlice s labyrintem na vnější straně (ve tvaru dvojice hřebenů), který je ve stadiu návrhu a ověřování.

¤ Obr. 3. Schéma a princip prototypu snímače MEMS

Pracovní diagram snímače vykazuje velmi dobrou linearitu v předpokládaném rozsahu měření. Změna frekvence vynuceného kmitání je v řádu cca 200 kH při vlastní frekvenci 2,14 MHz. Testované funkční prototypy snímačů umožňují měřit jak prodloužení, tak zkrácení základny jako standardní strunové snímače. V rámci projektu budou zkoumány i jiné typy levnějších snímačů přetvoření včetně piezoelektrického křemíkového snímače. Ovládací a bezdrátová přenosová elektronika může být zabudována uvnitř matrice snímače, nejlépe na obvodu kontaktní destičky. V závislosti na zvoleném principu snímače, řídících obvodech a výstupním tlumiči se obvykle přidávají ještě zesilovače. Napojení na podklad, který tvoří v současnosti křemíková destička o rozměrech cca 4,60x4,80 mm, je předmětem zkoušek. Současně jsou zkoušeny metody napojení destičky na sledované prostředí/konstrukční prvek. Předpokládá se obdobné napojení jako u fóliových tenzometrů. Rozměry základní destičky jsou dostatečně velké pro osazení jednak snímačů transverzálních (jako na kombinovaných foliových tenzometrech), tak i elektroniky. Cílem dalšího vývoje je i zajištění autonomního prvku, který umožní vybuzení snímačů, následný odečet kmitočtů a předání dat nadřazené úrovni. V současnosti jsou na základní destičce osazeny pouze snímače a vstup/výstup je přes konektor na straně destičky, obr. 4. Kromě rozměrů a při sériové výrobě i ceny, je hlavní výhodou snímačů MEMS jejich nízká spotřeba energie. Předmětem vývoje je i integrální jednotka pro výrobu energie pro snímače a systém. Energie by se měla získávat z okolního prostředí, u podzemních drah je možný sběr energie např. z kolísání tlaku při průjezdu vlaků. Dalšími zdroji by mohly být kolísání teploty, noční osvětlení a různé vibrace. Snímač potřebuje robustní hermeticky uzavřený obal s účinným mechanickým spojením s nosnou podložkou tak, aby byl citlivý na přetvoření konstrukce při dostatečné mechanické odolnosti. Plastová matrice musí být flexibilní a lehce adaptabilní na různé tvary povrchu konstrukce. Oboustranná mechanická ochrana musí odpovídat náročnému prostředí, ve kterém bude snímač užíván. Zkušební princip ochrany je tvořen dvěma nosiči z tenké plastové fólie. Horní fólie chrání snímač před vnějším prostředím a zároveň zajišťuje elektrické propojení přes kuličkový spoj. Spodní fólie je opatřena vhodným adhezním materiálem, který ji mechanicky spojí se snímačem a horní fólií.

¤ Obr. 4. Příklad uspořádání snímačů MEMS na podkladní destičce

Pro makroměření přetváření tunelového ostění byl vybrán profil trasy metra C 2. koleje ve staničení 18,725 km. V profilu probíhá měření náklonů ostění, trhlin, konvergenční měření a měření geofyzikální. K měření náklonů ostění je využíván systém od firmy Slope Indicator, který se skládá z příložné sondy, čtecí jednotky a bronzových náklonoměrných desek. Rozsah měření sondy je ±53° od svislice a rozlišení 8 arc sekund, tj. 0,04 mm/m. Výhodou systému je obslužnost neomezeného počtu desek jednou sondou. Na druhou stranu se musí čtení provádět ručně bez jakékoliv automatizace. Přesnost měření je přitom značně ovlivněna přiložením sondy na měřicí hroty desky. To vyžaduje podle dosavadních zkušeností určitou míru manuální zručnosti. Aby se minimalizovaly možné nepřesnosti, je každé čtení prováděno třikrát.
Po obvodu ostění je rozmístěno pět náklonoměrných desek o vnějším průměru 140 mm v přibližně pravidelných odstupech. Profil tubusu metra a rozmístění náklonoměrných desek a konvergenčních bodů je na obr. 5. U čtyř desek umístěných na ostění se provádí měření náklonů v podélném směru dvojím čtením pootočením sondy o 180°. U desky v koleji se provádí měření v podélném i příčném směru vždy dvojím čtením. Sonda je napojena na čtecí jednotku, kde se zobrazují hodnoty čtení jako konstanta přístroje . sinus sklonu desky. Sklon desky se počítá podle následujícího vztahu:

kde:
α = sklon náklonoměrné desky,
DIFF = rozdíl kladného a záporného čtení v jednom směru,
k_p = konstanta přístroje 25 000.
Desky jsou připevněny čtyřmi plastovými natloukacími hmoždinkami a opatřeny poklopy z pozinkovaného plechu. Kvůli nerovnému povrchu ostění bylo potřeba tři náklonoměrné desky v dolní části profilu po čase osadit do rychle tuhnoucího cementového tmelu. Měřicí hroty desky jsou chráněny odnímatelnými plastovými krytkami. Na obr. 6 je ukázka měření náklonů příložnou sondou.

¤ Obr. 5. Rozmístění náklonoměrných desek a konvergenčních bodů ve vybraném profilu

¤ Obr. 6. Měření náklonů ostění sondou a stabilizovaný bod pro konvergenční měření
Na obr. 7 jsou vidět změny náklonů náklonoměrných desek 2.02 a 2.03 pod vrchlíkem klenby (viz obr. 5) v jednom až několika měsíčních intervalech v roce 2007. Změny jsou nepatrné v řádech setin stupňů. I když se přírůstky náklonů na obou stranách klenby liší, mají stejnou konvenci, což je ze statického hlediska příznivé.
Vedle každé náklonoměrné desky je osazen stabilizovaný bod pro konvergenční měření. Body tvoří tyčová ocel s pozinkovanou úpravou povrchu trvale osazená do předvrtaného otvoru v ostění. Body jsou opatřeny plastovými snímatelnými krytkami (obr. 6). Měření vzdáleností mezi jednotlivými body se provádí konvergenčním pásmem KM-30 (Boart Longyear Interfels) s reprodukovatelností měření 0,05 mm. Princip konvergenčního měření spočívá v měření relativní vzdálenosti mezi dvěma pevnými body na konstrukci a sledování její změny v čase. Na stabilizované body se pomocí čepů a kloubových spojek připojí konvergenční pásmo a po jeho natažení pomocí páky předem definovanou silou 200 N se provede na pásmu a displeji odečet vzdálenosti. Před a po každém měření by se mělo konvergenční pásmo kalibrovat v kalibračním rámu.
Aby bylo možné sledovat a eliminovat případný vliv teploty, je při každém měření zaznamenána povrchová teplota ostění zvlášť u každé náklonoměrné desky příložnou sondou. Teplota vzduchu je měřena teplotní sondou uprostřed profilu. Sondy jsou napojeny na čtecí jednotku ALMEMO 2290-8 (Kayteck Instruments).

¤ Obr. 7. Kumulativní změny náklonů ve stupních pod vrchlíkem klenby v roce 2007

K měření rozevírání, resp. zavírání trhlin v oblasti postižené vodorovnými trhlinami přes celou šířku tubingu, tj. 990 mm v blízkosti náklonoměrné desky č. 2.02 jsou používány strunové trhlinoměry od firmy Geokon (Model 4420 Crackmeter). Trhlinoměry délky 318 mm o měřicím rozsahu 12,5 mm dosahují přesnosti 12,5 μm. Princip měření spočívá v napojení struny a tažné pružiny na ocelový prut, který se může volně pohybovat v podélném směru v ochranné trubici. Frekvence signálu je kabelem přenášena do čtecí jednotky. Díky zabudovanému teplotnímu čidlu je možno sledovat i průběh teploty. Konstrukce z nerezové oceli a vodotěsnost až do 1,7 MPa zajišťují spolehlivou a dlouhodobou funkci v daném prostředí. Na obr. 8 je vidět schéma uspořádání MEMS a strunového trhlinoměru Geokon pro srovnávací měření. MEMS je osazen přímo na trhlině, kdežto trhlinoměr ji přemosťuje na dvou ocelových kotevních trnech.
Na obr. 10 je zapojení čtyř trhlinoměrů a plánované polohy čtyř snímačů MEMS v místě výskytu podélných trhlin přes celou šířku železobetonového tubingu. Vodorovně instalovaný trhlinoměr a MEMS mimo trhlinu slouží pro sledování vlivu teploty na funkci obou snímačů. Každý trhlinoměr ve sledovaném profilu je napojen na vlastní programovatelný jednokanálový záznamník dat Geokon - Model 8002 LC-2. Ten je uložen v robustním obalu o rozměrech 122x120x91 mm ze skleněného vlákna a připevněn na ostění plastovými hmoždinkami pod vodovodním potrubím nad pracovní lávkou (obr. 9). Záznamník dat je napájen dvěma alkalickými bateriemi typu D. Programování a stahování dat je prováděno připojením přes USB kabel k počítači pomocí programu Logware, kde je možno na monitoru sledovat v reálném čase průběh vzdáleností, teploty čidla v trhlinoměru i v záznamníku dat a stav napájecích baterií. V této oblasti probíhá i geofyzikální měření pomocí pozorovacího bodu vybaveného elektrodynamickým snímačem (geofonem). Do ostění tunelu byly instalovány dva geofony. Jeden v oblasti trhlin a druhý na sousedním neporušeném tubingu. Cílem měření je zachytit změny dynamického chování dílce ostění při průjezdech vlakových souprav metra při běžném denním provozu. Výstupní napětí z geofonů, resp. snímačů vibrací je vedeno stíněným kabelem délky 350 m do technických prostor ve stanici Nádraží Holešovice. Na dílci porušeném podélnými trhlinami se provádí i akustická měření šíření pružných vln v pevné síti 16 bodů ve vzájemných vzdáleností cca 200 mm (obr. 10).
Instalace uvedených měřicích prvků a počáteční fáze měření ve vybraném profilu tunelu metra proběhly kromě mírných technologických překážek úspěšně. Propojenost jednotlivých systémů detekce a měření mikro-deformací se ukazuje jako velmi užitečné a funkční. Doposud zjištěné deformace ve sledované oblasti jsou velmi malé a dokazují dobrou tuhost železobetonového ostění i přes výskyt systému povrchových mikro-trhlin. V plánu je nyní osazení dalších mikro-snímačů MEMS pro ověření jejich funkce a dlouhodobé spolehlivosti v daném prostředí. Získaná data budou použita pro zpracování numerických analýz našimi partnery ve Španělsku.

¤ Obr. 8. Princip osazení trhlinoměru Geokon a snímače MEMS na thlině

¤ Obr. 9. Záloha dat ze záznamníků Geokon umístěných nad pracovní lávkou

¤ Obr. 10. Zapojení thlinoměrů, MEMS a pole pro akustická sondování v oblasti trhlin

Článek vznikl v rámci řešení projektu GAČR 103/06/1257 Výzkum stárnutí podzemních konstrukcí s použitím monitorovacích a mikro-měřicích systémů.

Použitá literatura
[1] Macháček, J., Vaníček, M., Záleský, J.: Sledování tunelového ostění pro hodnocení jeho technického stavu. Sb. konference Zakládání staveb Brno 2007. ČGTS ČSSI, s. 177-182
[2] Vaníček, M., et al.: Prognosis of Underground Structures Deterioration Based on In-Situ Measurements. Sb. konference WTC 2007, Underground Space - the 4th Dimension of Metropolises, Prague. Taylor & Francis Group, Vol. 2, s. 933-938
[3] Záleský, J., Bubeníček, M.: Nové mikrosnímače pro sledování přetvoření geotechnických konstrukcí. Sb. semináře Polní geo- technické metody 2006, Ústí nad Labem, 2006. AZ Consult s.r.o., s. 155-158