Vývoj metody pro nedestruktivní stanovení tloušťky vnitřní stěny tunelu

1. Úvod

Po haváriích, které v posledních letech postihly dopravní tunely (statistika Havárie ražených silničních a železničních tunelů v ČR v letech 1990–2010 uvádí 12 případů zaviněných konstrukčními nebo technologickými vadami při celkové délce těchto tunelů 34 740 m; pro srovnání ve stejném období v Rakousku je registrováno 8 havárií dopravních tunelů při celkové délce 314 841 m; v roce 2012 se v Japonsku za plného provozu zřítila cca stometrová sekce dálničního tunelu Sasago, apod.), se klade stále větší důraz na kontrolu kvality výstavby a zvýšenou bezpečnost provozu. Zvláště nové tunely jsou vybavovány stále modernější a dokonalejší zabezpečovací technikou pro monitorování a zabezpečení plynulého a bezpečného provozu v tomto prostředí, kde je zpravidla velmi problematický rychlý přístup záchranné techniky v případě vzniku havarijní situace. Na jejím vzniku však nemusí být na vině vždy jen neopatrní řidiči, ale může být zapříčiněna i skrytými vadami ve vlastní konstrukci tunelu – může to být nenadálá vodní překážka vzniklá průsakem vody v konstrukčním spoji, nebo i defekty vzniklé nedostatečnou tloušťkou vnitřní vrstvy konstrukce. Kontrola dodržení předepsaných parametrů konstrukce – počínaje vrchní vrstvou konstrukce, přes řádné uložení izolační vrstvy, po tloušťku vlastní nosné vnitřní vrstvy betonu s výztuží je velice problematické. V ražených tunelech není přístupná vnější strana konstrukce stěny, což většina NDT metod kontroly vyžaduje. Použití destruktivních metod, jako je např. provádění kontrolních vývrtů je velmi problematické, neboť hrozí nebezpečí jak porušení kompaktnosti výztuže, tak porušení izolací. Z tohoto důvodu byla snaha vyvinout metodu, kterou by bylo možno provádět kontrolu správného dodržení předepsaných parametrů konstrukce bez jejího porušení z vnitřního povrchu tunelu. Na vývoji a vhodné aplikaci takovéto metody pracovali výzkumní pracovníci několika firem po řadu let. Na základě mnoha porovnávacích měření vyplynulo jako optimální použití přístrojů pracujících na principu ultrazvukové impulzní odrazové metody (ultrasonic puls echo), případně bylo odzkoušeno měření odrazu tlakových vln vyvolaných nárazem (impact echo).

2. Uplatnění nedestruktivních metod

Stěny dopravních tunelů jsou zpravidla konstruovány ve dvou vrstvách, za použití ukládání betonu torkretováním. Po dobu konstrukční fáze slouží dočasná vnější vrstva torkretového betonu k zajištění efektivního zatížení z okolní horniny. Ve finálním kroku je zhotovena vnitřní stěna z vyztuženého betonu, která přebírá hlavní nosnou funkci. Mezi těmito dvěma stěnami bývá zpravidla vložená plastická izolační a těsnící vrstva, aby se zabránilo průniku podzemní vody.

Nová rakouská tunelovací metoda (NRTM) uvádí obdobný postup, kdy ostění tunelů je konstruováno ve dvou vrstvách. Primární ostění se provádí torkretováním a slouží k zajištění stability výrubu. Jako definitivní ostění se provádí sekundární ostění, většinou jako železobetonová skořepina. Mezi oběma vrstvami je vložena hydroizolační a těsnící vrstva, která zabraňuje průniku podzemní vody.

Je snahou, aby pomocí nedestruktivní zkušební metody bylo možno detekovat defekty ve vnitřní stěně konstrukce tunelu. Může se jednat např. o plochu nedostatečného krytí, nebo odhalenou výztuž v důsledku chybné betonáže (obr. 1a, 1b). Pokud by se dostala výztuž mimo beton na straně výrubu, nebo by byla zmenšená tloušťka vnitřní vrstvy nosného betonu, mohl by nárůst tlaku vody způsobit proniknutí vody izolační vrstvou (obr. 2) a následným přímým působením na betonovou konstrukci by mohlo dojít k jejímu porušení. Nedostatečná tloušťka vnitřní vrstvy snižuje předepsanou celkovou nosnost konstrukce.

Obr. 1a, 1b Obnažené pruty ocelové výztuže v dutině ostění v důsledku nesprávné betonáže

Obr. 2 Vznik trhliny v izolační vrstvě způsobuje průsak vody v konstrukčním spoji ostění

Nově navržená a odzkoušená ultrazvuková odrazová impulzní metoda měření je založena na principu přístupu pouze k jedné straně konstrukce, kde sondou vysílané ultrazvukové impulzy se odrážejí od zadní (nepřístupné) stěny, které přijímá speciální sonda a po zpracování signálů se na vyhodnocovací jednotce přímo zobrazují jak hodnoty tloušťky stěny, tak se i vizuálně lokalizují trhliny, dutiny, atd.

3. Využití nedestruktivního měření v Německu

V ČR platí metodický pokyn ministerstva dopravy „Provádění hlavních prohlídek tunelů podzemních komunikací“ z roku 2013. Dokument mimo jiné definuje jak rozsah prohlídek stavebně – technické části tunelu (vizuálně či poklepem kladívkem), tak i např. vybavení pro hlavní prohlídku tunelu, kde je v seznamu předepsané výbavy co se týká měřícího a zkušebního zařízení uveden svinovací metr (délka 5 m), posuvné měřidlo (čtení 0,1 mm) nebo trhlinová měrka a tesařské kladivo 400–800 g, ev. sekáč na beton. Kontrola se provádí po jednotlivých blocích betonáže a o každém bloku (pasu) se vyhotoví samostatný protokol.

V Německu bylo použito první systematické měření tloušťky tunelové konstrukce použitím nedestruktivní metody v r.&1996. Poznatky z tohoto měření vedly ke zpracování a vydání směrnice pro používání nedestruktivních zkušebních metod pro tunelové konstrukce s označením RI-ZPF-TU v roce 2001, která byla následně revidována v roce 2007. Od této doby jsou tato měření pro všechny dopravní tunely v Německu povinná.

Tloušťka tunelové konstrukce speciálně v horní části a v oblastech spojů se sousedními konstrukčními prvky (viz obr. 3a, kde je uvedena síť měření po celé ploše stropu a obou stranách spojů se sousedními bloky) se musí měřit dvojdimenzionálně, aby se lokalizovaly případné defekty a plochy s nedostatečnou tloušťkou stěny. Doba pro měření a posouzení jednoho tunelového bloku (viz obr. 3b – délka 10 m) je cca 5 hodin.

Postup měření podle směrnice RI-ZFP-TU

• Pro měření lze použít přístroje na principu metody ultrazvukové impulzní odrazové, nebo impact echo.
• Přístroj ultrazvukový impulzní odrazový má mít frekvenci > 20 kHz.
• Měření má být provedené pokud možno předtím, než je vyplněna stropní vrstva, aby v případě potřeby bylo možno provést doplňující práce – nápravná opatření.
• Přístroj před použitím má být zkalibrován na prvku známé tloušťky. Přístroj lze např. zkalibrovat na testovacím vzorku vyrobeném ze stejného betonu jako je vnitřní stěna tunelu a uskladněném v tunelu do doby kalibrování.
• Základní měřící síť (obr. 3a, b) se doporučuje v definovaném rozměru 80 × 80 cm mezi body měření. V místech, kde je zjištěna nedostatečná tloušťka, se měřící síť zmenšuje na 40 × 40 cm a v místech zjištěných jiných anomálií pak až na 10 × 10 cm.
• Místo měření je definováno ve vrcholu konstrukce a v místech konstrukčních spojů.

Obr. 3a Příklad měření v síti

Obr. 3b Příklad měření v praxi

4. V současnosti používané přístroje

V současné době jsou na trhu nejvíce rozšířeny ruské přístroje ACSYS A1220 Monolith (obr. 4b) a příp. ACSYS MIRA (obr. 4a) pracující na principu měření ultrazvukovém impulzním odrazovém a případně přístroje Olson Freedom Data PC (obr. 5), resp. Olson NDE 360 od australského výrobce pracující na principu měření impact echo. Tyto přístroje jsou vzájemně obdobné, co se týká základních parametrů – barevný displej, rozlišení, apod., ale výrazně se liší např. mobilitou (např. hmotnost až 10,5 kg), obsluhou sondy aj.

Obr. 5 Olson Freedom Data PC

Obr. 4b ACSYS A1220 Monolith

Obr. 4a ACSYS MIRA

V poslední době přichází na trh švýcarská firma PROCEQ SA se zcela novými výrobkem – přístrojem PUNDIT PL-200PE. Nově vyvinutý přístroj pro měření odrazu ultrazvukového impulzu (ultrasonic puls echo) vychází z mnohaleté tradice ultrazvukového přístroje této značky. Základem přístroje je robustní indikační přístroj s dotykovým barevným displejem nové generace chráněný průmyslovým vzorem, konstruovaný pro použití v náročném prostředí v terénu. K indikačnímu přístroji jsou dodávány buď ultrazvukové sondy pro snímání podélných vln (od 24 kHz do 500 kHz), nebo pro snímání příčných vln (250 kHz) – ozn. PUNDIT PL-200 (obr. 6), nebo lehký a ergonomicky tvarovaný snímač odrazu ultrazvukových impulzů – ozn. PUNDIT PL-200PE (obr. 7).

Obr. 6 PUNDIT kompletní jednotka PL

Obr. 7 Vysílač i snímač odrazu UZ impulzů

Obr. 8a PUNDIT PL-200PE – měření tloušťky desky

Obr. 8b PUNDIT PL-200PE – měření tloušťky stěny

Obr. 9 B-sken – Průřezový pohled kolmý na povrch skenování

Přístroj PUNDIT PL-200PE svými parametry plně vyhovuje požadavkům směrnice RI-ZPF-TU, lze jím měřit tloušťku stěny konstrukce z jedné strany (obr. 8a, 8b) a nabízí mnoho dalších speciálních funkcí, jako je pokročilá technologie pro sledování bočních (parazitních) odrazů impulzu, pomáhající při identifikaci hlavního odrazu. Dále automatický odhad rychlosti impulzu, optická zpětná vazba přímo na snímači zvyšující účinnost měření, možnost nastavení jak napětí impulzů, tak zisk přijímače včetně možnosti regionálního nastavení jednotek i více než deseti jazykových mutací. Porovnáním s výše uvedenými přístroji je nutno konstatovat, že jak parametry, tak nabízeným komfortem obsluhy včetně snímače vážícího pouhý 1 kg, lze v současné době tento přístroj hodnotit jako špičkový. Přístroj lze využít jak pro režimy skenování A-sken (A-sken umožňuje přímou analýzu původního signálu, digitální filtry pro lepší viditelnost odrazu a potlačení hluku, automatické měření tloušťky konstrukce – sledování odrazu) i B-sken (Průřezový pohled kolmý na povrch skenování – obr. 9, usnadnění tak hledání prasklin, dutin, apod., moderní zpracování obrazu pro jeho lepší kvalitu, umístění kurzoru umožňuje přímé změření tloušťky konstrukce a lokalizaci skrytých objektů či vad; snadné měření B-skenu pomocí středové značky a měřítek přímo na snímači) s přímým zobrazením na displeji indikačního přístroje. Přístroj je specialisty na celém světě za podpory výrobce (který má své filiálky např. v USA, Anglii, Brazílii, Singapuru, Rusku, Číně, Arabských Emirátech) podrobně testován v různých pracovních podmínkách i prostředí, aby uživatelům mohla být poskytnuta co nejvyšší podpora z hlediska aplikace a správného vyhodnocování. Z tohoto důvodu nabízí výrobce uživatelům i odborné školení.

5. Závěr

V současné době jsme svědky prudkého rozvoje techniky a především mikroelektroniky, který umožňuje ze získaných výsledků „vytěžit“ daleko více údajů, nežli při použití dosud běžně používaných metod. Tento trend je zřejmý obzvláště v oblasti přístrojového vybavení pro nedestruktivní metody. Netýká se to jen ultrazvukové metody, ale i metody magnetického indikátoru výztuže, mikrovlnných metod a nových metod záznamu v radiografii. Zavádění těchto metod vyžaduje však interdisciplinární spolupráci, aby jednotlivé metody mohly být plně a hodnověrně využity, a klade zvýšené požadavky na odbornou kvalifikaci obsluhy.

Literatura

1. Mähner D., Rath E., Willmes M.: Zerstörungsfreie Dickenbestimmung von Tunnellinnenschalen; Tunel 8/2007
2. Bundesanstalt für Strassenwesen: Richtlinie für die Anwendung der zerstörungsfreien Prüfung von Tunnelinnenschalen (RI-ZFP-TU), Ausgabe 2007
3. Metodický pokyn MD „Provádění hlavních prohlídek tunelů podzemních komunikací“
4. Srb M.: Průzkumné štoly a Havárie tunelů; Havárie podzemních staveb Ostrava 2010
5. Technická dokumentace výrobce PROCEQ SA, Švýcarsko
6. Základní přehled přístrojů ultrasonic puls echo a impact echo – internetový zdroj