Výstavba nových liniek podzemnej železnice vo Viedni

Článok sa zaoberá výstavbou nových liniek podzemnej železnice v husto zastavanej oblasti centra Viedne. Opisuje všetky nevyhnutné opatrenia, ktoré zhotoviteľ prijíma na monitorovanie a prevenciu negatívnych dosahov spôsobených razbou tunelov na úseku 17-21 trate U2 viedenskej podzemnej železnice.

V roku 2020 získalo konzorcium zložené zo spoločností PORR a STRABAG od spoločnosti Wiener Linien zákazku na doteraz najväčší komplexný stavebný projekt viedenského metra, ktorý je súčasťou rozšírenia siete existujúceho metra o linku U2 a výstavbu linky U5. Hodnota stavebného úseku U2/17-21 (predĺženie linky metra U2) a U5 je vyčíslená na 481 miliónov eur. So stavbou sa začalo v marci 2021 a potrvá do mája 2028.

Spevnenie budov

Vzhľadom na veľmi hustú zástavbu a malú hrúbku nadložia v oblasti trasy tunela bolo nutné vykonať dôkladný monitoring konštrukcií nachádzajúcich sa v dotknutej oblasti. Boli monitorované základy niekoľkých stoviek budov a stanovené maximálne prípustné deformácie. Na základe predpokladaných deformácií v dôsledku výstavby tunela bolo nutné v predstihu vystužiť približne 159 budov. Realizovali sa nasledujúce podporné opatrenia: dýzová injektáž základov (DSV-Körper), vyrovnanie sadania, rozšírenie základov, prehĺbenie základov, výstavba základovej dosky, zosilnenie nosnej konštrukcie či kombinácia niekoľkých opatrení.

Kompenzácia sadania

Kompenzácia sadania slúži na včasné vyrovnanie sadania, ku ktorému dochádza pri razbe tunelov, aby nebola prekročená prípustná deformácia stavby. Vyrovnanie sadania sa vykonáva kompenzačnou injektážou. Okrem technológie injektáže je neoddeliteľnou súčasťou procesu aj meracia technika. Cieľom vyrovnania sadania je zabrániť vzniku sadania a rozdielom oproti výpočtom, spôsobených razením, resp. udržať ich v stanovených medziach. Injektážna zmes zavedená pod tlakom spôsobí lokálne porušenie podložia.

Injektáž suspenzie vedie k zväčšeniu objemu, čo znamená, že podložie je spočiatku lokálne predpäté. Objemový nárast sa koriguje množstvom injektážnej zmesi. Deformácie sa priebežne merajú a zaznamenávajú pomocou elektronických vodováh.

Pre fázu výstavby U2 17-21 boli vymedzené dve kompenzačné polia. Vrty pre injektážne potrubie boli vedené buď zo šácht ÖBB (Rakúskej železničnej spoločnosti) (obr. 1 a 2), alebo z novovytvorených šácht razených na injektáž.

Merací systém

Merací systém (systém vodováh a meračov náklonu) tvoril podklad pre návrh budúcich kompenzačných injektáží. V nasledujúcom texte bude detailne opísaný najmä systém vodováh, pretože merače náklonov sú použité v menšom množstve a hrajú iba druhoradú rolu. Obr. 3 opisuje zodpovedajúci výrez z vývojového diagramu.

Všeobecné nastavenie systému

Vodováhy
Princíp meracieho systému s vodováhami je vysvetlený na obr. 4. Systém sa celkovo skladá z jednotlivých meracích bodov, zo záznamníka dát a ďalej z hadíc a káblov, ktoré spájajú jednotlivé meracie body so záznamníkom. Ďalej je v oblasti referenčného meracieho bodu umiestnený vyrovnávací zásobník so špeciálnou kvapalinou. Celý merací systém leží v jednej výškovej úrovni.

Pre každý monitorovaný objekt je vytvorený jeden merací obvod, pričom presná pozícia meracích bodov bola určená po dohode s objednávateľom. Referenčný merací bod bol umiestnený po dohode s objednávateľom a projektantom na výškovo stabilizované miesto. Tento bod bol následne objednávateľom zameraný a pravidelne kontrolovaný.

Meranie sa začalo jeden mesiac pred začiatkom stavebných prác (nulové meranie), aby bolo možné odstrániť obvyklé hodnoty rozptylu pri meraní objektov. Zo strany objednávateľa bola stanovená tolerancia merania +/– 2,0 mm, pričom táto tolerancia nebola braná pri medzných hodnotách do úvahy. V oblastiach, kde kompenzácia sadania zahŕňa domy, sú zavedené pojmy ako vnútorný a vonkajší referenčný merací bod. Jeden objekt, resp. budova tvorí jednu uzavretú oblasť merania pri použití vodovážneho meracieho systému, pričom vnútorný referenčný merací bod sa nachádza vnútri tejto oblasti na rovnakej výškovej úrovni.

Tento bod leží mimo predpokladanej oblasti sadania. Každý vnútorný referenčný merací bod vodovážneho systému je osadený na povrchu, a pokiaľ možno na rovnakej stene, aby ho bolo možné jednoducho zamerať a vykonávať opakované kontrolné merania. Ďalej je osadený vonkajší referenčný bod vodovážneho systému ako geodetický merací bod, ktorý bol výškovo zameraný.

Teplotné rozdiely a ďalšie poveternostné vplyvy môžu viesť k nepresnostiam merania na vnútorných aj vonkajších bodoch. Na základe merania teploty je výsledok upravovaný matematickým modelom. Použitá vodováha zodpovedá požiadavkám projektanta na 0,05 mbar (= 0,5 mm relatívna presnosť). Vodný stĺpec je 0,15 až 0,25 m a pri 0,09 % z 0,25 m je presnosť 0,225 mm. Záznamník dáta zhromažďuje a nahráva na server.

Merače náklonov
Merače náklonov merajú zmeny sklonu povrchu a môžu byť tiež použité na sledovanie stavieb. Aj tieto hodnoty sú zhromažďované a nahrávané na server.

Realizácia

Obr. 5 ukazuje pôdorys už spomínanej fiktívnej budovy. Žlté obdĺžniky predstavujú vodováhy vnútri budovy a merače náklonu mimo budovy, pričom na budove bolo umiestnených 10 vodováh. To zodpovedá v priemere 25 m² plochy budovy na jednu vodováhu. Plocha na jednu vodováhu je daná počtom inštalovaných vodováh v sledovanom pôdoryse budovy. Priemerná plocha budovy 25 m² na merací senzor vychádza z počtu senzorov podľa zadania a z celkovej plochy, v ktorej je na projekte požadovaná kompenzačná injektáž.

Prepojenie medzi vodováhami (žlté čiary) dáva možnosť sledovať zmenu uhla medzi dvoma bodmi, pričom rozhodujúce prepojenia boli navrhnuté spoločne s objednávateľom a projektantom. Do meracieho obvodu bol ďalej zapojený záznamník dát, ktorý zhromažďuje všetky namerané hodnoty, vyhodnocuje relatívne a absolútne sadanie, pri prekročení hodnôt sadania je schopný rozosielať e-mailom varovné správy a pre ďalšie použitie ukladá hodnoty v reálnom čase na server.

Schéma meracieho systému

Pre kompenzačné injektáže polí 1 a 2 sú určené tri meracie vodovážne okruhy. Jeden merací okruh sa začína vodováhou, ktorá obsahuje zároveň geodetický referenčný bod v oblasti ťažnej steny ÖBB pri šachte juh, druhý merací okruh vedie pozdĺž mostného piliera ÖBB, os D, a tretí merací okruh sa nachádza v miestnostiach USTRAB.

Geodetický referenčný merací bod je umiestnený v oblasti nástupišťa USTRAB (obr. 6, výrez z vykonávacieho výkresu Vodováhy, pole 1 – 4, pôdorys 9). Dva ďalšie meracie okruhy sú nainštalované v oblasti, kde sa podchádza komunikácia Gürtel (vnútorný mestský okruh), východne od severnej šachty. Poloha vodováh a geodetických referenčných bodov je zobrazená na vykonávacom pláne Vodováhy.

Meracie frekvencie

Centrálny záznamník načíta jednotlivé vodováhy sériovo pomocou systému BUS, pre každý merací bod je potrebný čas cca 150 milisekúnd. Vzhľadom na sériové zapojenie je frekvencia merania na meracom bode závislá od celkovej veľkosti meracieho okruhu (približne desať až dvadsať meracích bodov na okruh).

Alarm/varovanie

Aby bola zaručená zvýšená bezpečnosť výstražného systému, je tento systém redundantný. Centrálny záznamník meracieho okruhu pri každej budove monitoruje relatívnu aj absolútnu deformáciu. Ak tieto deformácie prekročia určené hodnoty, je e-mailom zaslaná varovná správa. Aby boli minimalizované chybné hlásenia, je varovná správa zaslaná až po opakovanom prekročení (napr. po troch prekročeniach). Dodatočne sú neskôr na webovej platforme skontrolované sadanie a natočenie, a znovu je odoslané varovanie. Toto je podrobnejšie vysvetlené v nasledujúcej kapitole.

Webová platforma (software)

V tejto časti je opísaná webová platforma, ktorá tvorí centrálne úložisko dát – jednotku pre vizualizáciu – a riadiacu jednotku pre systém kompenzácie sadania. Obr. 7 ukazuje výrez z vývojového diagramu.

Riadenie kompenzačných injektáží má zásadný význam, pretože musí tak miesta injektáže, ako aj množstvo deformácií postihnutých budov a objektov (sadanie i naklonenie) udržiavať v rámci povolených tolerancií. Potrebný riadiaci obvod je zásobovaný informáciami z meracieho systému a dátami z vykonaných injektáží. Z dát nameraných vodováhovým systémom a meračmi náklonov je určená potrebná úroveň kompenzácie nadlimitného sadania.

Vyrovnanie sadania je pritom nutné vidieť plošne a je charakterizované dvoma kritériami – naklonením medzi dvoma meracími bodmi a tiež absolútnymi hodnotami jednotlivých meracích bodov, ktoré je potrebné upraviť na limitné hodnoty. Vyrovnanie sadania prebieha primárne prostredníctvom relatívneho posunutia medzi dvoma bodmi (naklonenie).

Schéma systému

Webová platforma je online aplikácia, ktorá zobrazuje zhromaždené dáta a ktorá umožňuje kedykoľvek online prístup pomocou používateľského mena a hesla ku všetkým záznamom pre všetkých oprávnených užívateľov. Vďaka tomu existuje neustály prehľad o aktuálnych deformáciách a vykonaných injektážach.

Prenos a zobrazenie dát

V predstihu bolo nutné vykonať zaznamenanie skutočných pozícií vodováh, meračov náklonov a injektážnych manžiet do webovej platformy. Tieto údaje boli do platformy zaznamenané pomocou ich súradníc a sú zobrazené v situácii.

Všetky namerané dáta z vodováh, meračov náklonov a dáta z injektáží sú zaznamenávané do webovej platformy, pokiaľ možno v reálnom čase. Záznamy všetkých dát sú kódované. Na základe všeobecných technických podmienok, ktoré zhotoviteľ nemôže ovplyvniť (mobilné internetové pripojenie dátového záznamníka v pivničných miestnostiach, meracia rýchlosť senzorov, rýchlosť prenosu, internetové pripojenie užívateľov webovej platformy atď.), je zaručené časové oneskorenie pri prenose dát od vodováhy do webovej platformy do 30 s, pričom toto oneskorenie možno technicky označiť ako nevýznamné a prenos prebieha „v reálnom“ čase.

Pri tomto maximálnom časovom oneskorení je v každom prípade neustále zaistený aktuálny obraz priebehu deformácií v oblasti s kompenzačnými injektážami.
Medzi vizualizačným softvérom a dokumentačným softvérom tunela investora prebieha prenos minimálne jedného záznamu (čas, sadanie/zdvíhanie, natočenie meracieho bodu, množstvo injektáže, čas injektáže na injektážny bod) a maximálne 24 záznamov za 24 hodín. Dáta sú prenášané v bežných formátoch, resp. v kódovaní (napríklad .csv, .xlsx, respektíve .ASCII). Ostatné geodetické merania z tunela (posuny, horizontálne inklinometre) a iné merania na povrchu nie sú s webovou platformou prepojené.

Vizualizácia

Celé stavenisko je v situácii zobrazené čo najjednoduchšie. Jednotlivé časti staveniska sú väčšinou zobrazené v detaile pomocou zoomu, aby bolo vidieť dáta z jednotlivých činností. Vodováhy, merače náklonov, vrty a injektážne manžety sú zjednodušene vyobrazené v skutočnej polohe. Jednotlivé body sú podfarbené, aby bolo možné rýchlo interpretovať množstvo injektáže, sadanie, natočenie a rezervy sadania (rezervy na dosiahnutie ďalšieho stupňa varovania). Kvôli lepšiemu obrazu sadania sú zobrazené 2D izolínie.

Obr. 8 ukazuje možné zobrazenie celkového staveniska vrátane priblíženia až k jednotlivým meracím bodom (napr. vodováha) a farebného rozlíšenia stupňov varovania (= reakčnej hodnoty). V zobrazenom prípade by v oranžovej, resp. červenej oblasti bol dosiahnutý minimálne v jednom meracom bode stupeň „varovanie“, resp. „zásah“, pričom vďaka priblíženiu možno v tejto oblasti presne zistiť inkriminované meracie miesta. Pre jednotlivé stupne varovania boli zvolené nasledujúce farby:
• žiadna hodnota nedosiahnutá: zelená,
• dosiahnutie hodnoty varovanie: oranžová,
• dosiahnutie hodnoty zásah: červená,
• dosiahnutie hodnoty alarm: modrá,
• dosiahnutie hraničnej hodnoty: purpurová.
Analýza dát a dokumentácie

Pomocou kliknutia na meracie a injektážne miesto, resp. na tabuľku, môžu byť v detaile zobrazené jednotlivé priebehy sadania/zdvíhania a tiež priebehy injektáže. Navyše, k jednotlivým zobrazeniam možno tiež zobraziť a súčasne analyzovať vybrané meracie body s vodováhou a injektážne miesta počas injektáže.

Z obr. 9 je zrejmé, že pri každom meracom bode je zobrazená hodnota v mm, príp. v promile pri bode meracieho natočenia, a farebne je tiež zobrazený aktuálny stupeň varovania (vyššie uvedené). Na natočenie môžu byť hodnoty tiež zobrazené ako pomer (1/1 000). Hodnota dole je hodnota alebo rezerva v mm alebo v promile alebo ako pomer na dosiahnutie ďalšieho stupňa varovania. Sivou farbou sú vykreslené 2D izolínie, ktoré zobrazujú rovnaké hodnoty sadania.

Ak sa poloha bodu nachádza v priehlbine alebo v sedle, je toto v prípade potreby zobrazené na webovej platforme. Objednávateľ a projektant za súčinnosti zhotoviteľa určia, medzi ktorými meračskými bodmi osadenými vodováhou sa bude vyhodnocovať poloha sedla a priehlbiny. Obdobne je objednávateľom a projektantom za súčinnosti zhotoviteľa určené, medzi ktorými bodmi sa bude vyhodnocovať uhlové natočenie. Krivka sadania je analogicky zobrazená vo farbách podľa reakčných hodnôt.

Alarm/varovanie

S ohľadom na objednávateľom požadovaný plán poplachu a poplachové stupne je pri prekročení hraničnej hodnoty rozosielané e-mailom varovanie. Obsahom varovnej správy je dátum a čas poplachu, prekročený stupeň vrátane miery prekročenia a označenia objektu a meracieho bodu. Príslušná hodnota je zreteľne označená na webovej platforme (ktorá takto slúži ako mobilná pozorovacia a monitorovacia stanica).

Obr. 10 ukazuje namerané hodnoty (sadanie a natočenie), ktoré prekročili hodnotu varovania (oranžovo) a hodnotu pre zásah (červeno), na základe čoho by bolo zaslané jednorazové varovanie určeným skupinám osôb a nasledovalo by zreteľné zobrazenie na webovej platforme, ako je uvedené v príklade. E-mail sa zasiela raz za hodinu a raz za dosiahnutie reakčnej hodnoty. Nasleduje prenos dát medzi vizualizačným softvérom a dokumentačným softvérom tunela.

Pri prekročení krajných hodnôt (hodnota väčšia alebo rovná hodnote pre zásah) nasleduje:
• alarm (v reálnom čase, max. 1 minúta),
• návrh injektáže a prípadne nutné opatrenia pri razbe,
• posúdenie a hodnotenie návrhu injektáže stavbyvedúcim a majstrom,
• začiatok mobilizácie (personál a injektážne zariadenie),
• začiatok injektáže – v prípade potreby do 24 hodín po prekročení hodnoty.

Automatizovaný návrh injektáže

Dôležitá funkcia webovej platformy je automatizované vytvorenie návrhu injektáže. Pri poplachu od stupňa 2 (zásah) je webovou platformou automaticky prepočítaný a odbornému personálu na mieste (majster, resp. obsluha injektážnej stanice) odovzdaný návrh injektáže. Injektážny návrh je posúdený odborným personálom (majster a stavbyvedúci) a môže byť zmenený, čo sa týka množstva použitých manžiet, ako aj množstva zmesi na manžetu. Na výpočet a určenie injektážnych bodov sú potrebné určité údaje.

V programe sú vopred definované zóny vplyvu, resp. čiastkové plochy z celkových plôch, a každej takej čiastkovej ploche (ploche ovplyvnenej manžetou) je priradený zodpovedajúci merací senzor, ktorý je umiestnený na nosnej časti budovy.

Priradenie čiastkových plôch je uskutočnené prostredníctvom definície zóny vplyvu vodováhy/merača náklonu (obr. 11) a upravené podľa konkrétneho injektážneho miesta.

Na uvedenom fiktívnom príklade boli zóny vplyvu nakreslené len ako kruhy okolo vodováh a sklonomerov. Táto oblasť je ešte rozdelená na oblasť 1 a 2 (svetlo- a tmavozelená), aby bolo možné automaticky vygenerovať čo najflexibilnejší návrh injektáže.

Veľkosť a tvar zóny vplyvu sa môže meniť v priebehu výstavby a podľa stavebných úsekov. Vďaka tomu, že webová platforma pozná pozície vodováh a injektážnych manžiet, je priradenie vykonané automaticky výpočtovým algoritmom. Kritériá na priradenie čiastkových plôch, resp. pre zvolený priemer zóny ovplyvnenia sú okrem iného nasledujúce:
• geológia v oblasti injektáže,
• hĺbka injektáže,
• hĺbka založenia a typ základov,
• získané skúsenosti z injektáží v lokalite.

Zóny ovplyvnenia môžu byť priebežne upravované a v priebehu výstavby sa menia. Potrebné teoretické množstvo injektáže na kompenzáciu na príslušnej čiastočnej ploche je vypočítané nasledovne:

Verf, theoretisch = A ∙ H ∙ EF ∙ ABMF, kde je
Verf, theoretisch – teoretický vypočítaný objem injektáže pre návrh (l),
A − obsah čiastočnej plochy na injektážnu manžetu (m²),
H − priemerný zdvih (mm → l/m²),
EF − faktor účinnosti (−),
ABMF − redukčný faktor vzdialenosti (−).

Faktor účinnosti injektáže je v prvom kroku odhadnutý na základe opísanej zeminy a skúseností z predchádzajúcich projektov. Po prvých kompenzáciách (alebo v priebehu skúšobnej a kontaktnej injektáže) je faktor stanovený znovu pre každú šachtu a je priebežne upravovaný. Pokiaľ nie sú na príslušných vodováhach dosiahnuté požadované zdvihy s predpokladaným množstvom injektáže, je potrebné postup injektáže opakovať a faktor účinnosti pre ďalší postup zvýšiť.

Ak sa požadované zdvihy dosiahnu rýchlejšie, je potrebné injektáž prerušiť a faktor znížiť. Cieľová hodnota kompenzácie pre príslušný objekt je stanovená objednávateľom/projektantom (pri zohľadnení stavu objektu a typu podchytenia). To znamená, že je stanovená reakčná hodnota alebo je stanovené, či má byť obnovená pôvodná hodnota.

Predpokladané množstvo injektáže

Verf, theoretisch, vypočítané na základe vyššie uvedeného vzorca, je použité iba na príslušnú manžetu, pri ktorej je meraný účinok zdvihu. Hodnota určená výpočtom platí iba pre jeden injektážny postup – množstvo injektáže je posúdené zodpovedným pracovníkom a môže byť prípadne upravené. Typickým príkladom je, že so zvyšujúcim sa množstvom injektáže v danom priestore sa zvyšuje stupeň účinnosti.

Skúsenosti so správaním a deformáciami zemín získané po každej vykonanej injektáži slúžia ako nová informácia pre vykonávanie ďalších kompenzačných injektáží. Dodatočne môže byť použitý redukčný faktor vzdialenosti, aby boli v okrajových oblastiach vyvolané nižšie zdvihy vďaka nižšiemu množstvu injektáže (napr. v zóne vplyvu 2 je aplikovaná iba polovica vypočítaného teoretického injektážneho množstva, ktoré je však možné ešte dodatočne upraviť).

Na záver softvér vyexportuje súbor s príslušnými dátami injektáže (číslo injektážnej rúrky, číslo manžety, množstvo injektáže). Tieto dáta sú v požadovanom formáte odovzdané do injektážneho kontajnera. Paralelne k súboru s dátami vyexportuje softvér požiadavky na zmeny pre obsluhu injektážneho kontajnera. Tieto požiadavky na zmeny potom tvoria ďalšiu dokumentáciu vykonávaných prác.

Mobilné pozorovacie a monitorovacie stanice

Webová platforma funguje aj ako mobilná pozorovacia a monitorovacia stanica. Platforma je určená aj pre mobilné zariadenia, ako sú chytré telefóny a tablety a v spojení s mobilným pripojením k internetu možno monitorovanie vykonávať kdekoľvek aj na cestách. Zhromažďované sú dáta zo všetkých meracích bodov a prekročenie hraničných hodnôt je zobrazené v reálnom čase opticky na displeji (dodatočne k alarmu, ktorý je zasielaný e-mailom).

Záver

Článok opisuje sofistikovaný monitorovací systém v husto zastavanej oblasti mesta Viedeň. Ukazuje, že je možné realizovať výstavbu metra bez narušenia pôvodnej urbanistickej podoby. Stavebné práce prebiehajú podľa harmonogramu. V súčasnosti prebiehajú špeciálne podzemné práce, budujú sa šachty, raziaci štít bol dokončený na jeseň roku 2022.

Doteraz sa nevyskytli žiadne nepredvídané problémy. Mesto Viedeň plánuje v súčasnosti druhú fázu rozšírenia U2. V tomto kroku rozšírenia bude U2 najprv predĺžená o ďalšie dve stanice z Matzleinsdorfer Platz smerom na juh do Wienerbergu (Gußriegelstraße, Wienerberg).

Po dokončení prvej etapy výstavby U5 medzi námestím Frankhplatz a Karlsplatz bude nasledovať ďalšie rozsiahle rozšírenie v smere na Elterleinplatz. V tejto druhej fáze, ktorá je v súčasnosti v záverečnej fáze celkového projektového zámeru mesta Viedeň, bude U5 predĺžená o ďalšie štyri stanice (Arne-Karlsson-Park, Michelbeuern-AKH, Elterleinplatz, Hernals).

TEXT: Ing. Radek Čuda
FOTO: PORR

Radek Čuda pôsobí v spoločnosti PORR.