Geotechnické problémy líniových stavieb, Bratislava 30.- 31. máj 2011 NEDESTRUKTIVNÍ GEOFYZIKÁLNÍ METODY PRO PRŮZKUMY DEFEKTŮ NA ŽELEZNIČNÍCH TRATÍCH (VÝSLEDKY EVROPSKÉHO PROJEKTU INNOTRACK) NON-DESTRUCTIVE GEOPHYSICAL METHODS FOR INVESTIGATIONS OF TRACK DEFECTS (RESULTS OF INNOTRACK EUROPEAN PROJECT). Jaroslav Bárta 1 Vojtěch Beneš 1 Dušan Dostál 1 Michal Tesař 1 ABSTRAKT Článek prezentuje možnosti použití vybraných geofyzikálních metod v železničním stavitelství. Geofyzikální metody jsou použity pro sledování fyzikálních polí. Naměřená data jsou interpretována s cílem stanovení geotechnických podmínek železničního spodku a jeho okolí. Geofyzikální metody byly čas od času používány na evropských železničních tratích i v minulosti. Text uváděný níže vychází zejména z měření prováděných pro projekt INNOTRACK (6. rámcový projekt EU) na lokalitách v České republice, Francii, Španělsku a Švédsku. Geofyzikální výzkum ukázal, že geofyzikální metody jsou schopny spolehlivě, rychle, podrobně a relativně levně informovat o problematických úsecích trati. Efekt použití geofyzikálních metod může být umocněn dlouhodobým monitoringem poškozených traťových úseků. ABSTRACT The article presents possibilities of application of selected geophysical methods in railway engineering. Geophysical methods are used to observe a physical field. The measured data are interpreted in order to provide findings on geotechnical condition of railway substructure and its surroundings. Geophysical methods have been unsystematically applied on European railways in the past. The text below is supported mainly by the measurements performed under the INNOTRACK (6 th Frame Project EU) projects at the sites in the Czech Republic, France, Spain and Sweden. The geophysical testing has proved that the geophysical methods can reliably, quickly, in detail and at a relatively low cost inform about problematic zones of the track. The effect of the geophysical application can be enhanced by long-term monitoring of defective track segments. 1. Úvod G IMPULS Praha spol. s r.o. dostala příležitost podílet se na rozsáhlém evropském programu (6. Rámcový program EU), který řešil snížení nákladů na údržbu železničních tratí. V tomto programu byla i kapitola věnována problematice geotechnických výzkumů. V rámci této kapitoly pak G IMPULS Praha zodpovídal za problematiku aplikace geofyzikálních metod. 1 G IMPULS Praha spol. s r.o., Přístavní 24, 170 00 Praha 7, post@gimpuls.cz, tel. a fax:+420 26671277
Zmiňovaný projekt má acronym INNOTRACK. V rámci projektu byly provedeny testovací geofyzikální práce ve čtyřech evropských zemích. Cílem prací bylo jednak prověřit možnosti geofyzikálních metod jako takových a dále získat poznatky, nakolik lze zobecnit zkušenosti s aplikací geofyzikálních měření v různých geologických podmínkách a při dodržení bezpečnostních a organizačních předpisů různých železničních správ. Geofyzikální metody byly testovány na následujících lokalitách: Česká republika: Lipník nad Bečvou, Polousí, Běchovice. Španělsko: Lleida Švédsko: Torp Dva zkušební úseky u Borlänge Francie Montmélian Geofyzikální metody mají ráz metod nedestruktivních, které nenarušují životní prostředí. Jsou neinvazivní, tj. nekladou si při průzkumných pracích nároky na zásah do konstrukce železničního tělesa. Jinými slovy, v principu při měření nedochází k požadavkům na kopné práce, k přípravě přístupových cest pro dopravu přístrojů na lokalitu a podobně. Geofyzikální aparatury jsou snadno přenosné vlastní silou geofyzikálních pracovníků. Geofyzikální průzkum lze organizovat tak, aby nedocházelo k výlukám na železniční trati. Je samozřejmě výhodou, když je geofyzikální průzkum zorganizován tak, aby byl zařazen do harmonogramu údržby na trati, které bývají spojeny s dopravními výlukami. V tomto případě je možno provádět geofyzikální průzkum komplexněji a také bezpečnost provozu je zajištěna s větším komfortem. V zásadě však, na rozdíl od jiných geotechnických zkoušek a testů, zastavení provozu geofyzika nevyžaduje. Geofyzikální metody sledují různá fyzikální pole a získané výsledky měření mohou být interpretovány tak, aby poskytly informace o geologické stavbě území, popřípadě aby poskytly poznání o geotechnických vlastnostech zkoumaného místa. Prakticky na všech proměřovaných lokalitách byla aplikována metoda refrakční seismiky, seismické tomografie, odporové tomografie a gravimetrie. Měření bylo vesměs uspořádáno tak, že byly vytýčeny dva základní podélné profily po stranách železniční trati. Na těchto profilech byly aplikovány všechny výše zmíněné geofyzikální metody. Pro zjištění situace v místech kolejnic byla použita metoda seismické tomografie. Ta byla prováděna tak, že na jednom z dvojice základních profilů byly situovány seismické geofony a na druhém profilu byly buzeny seismické rozruchy. Tím bylo dosaženo, že byly získány informace o seismických rychlostech i z míst, kam nebylo možno z bezpečnostních důvodů během dopravního provozu vstupovat. Pokud mohla být provedena i traťová uzávěra, byl situován také jeden geofyzikální profil přímo v ose kolejiště. Na tomto profilu bylo měřeno metodou gravimetrickou a seismickou (hlavně seismická refrakce).
Na obr. 1 uvádíme charakteristický obrázek činnosti geofyzikální skupiny při měření na železniční trati. Obr. 1. Montmélian, Francie. Kladivová seismika (aparatura Terraloc Mk-6) měřená na profilu podél trati. Vpředu vlevo mikrogravimetr CG-5. Měření byla realizována moderními geofyzikálními aparaturami, viz následující přehled: seismická aparatura Terraloc Mk 6, v. 2.1, verze 48 kanálů (ABEM, Švédsko), multielektrodová odporová aparatura ARS-200E (GF Instruments, Česká republika), gravimetr CG-5 (Scintrex, Kanada). Zpracování naměřených dat proběhlo zejména s využitím následujícího softwaru, který se pro dané úkoly plně osvědčil: Reflex W (Sandmeier, Německo zpracování seismických dat), Res 2DInv (Locke, USA zpracování odporových dat), MAG (Geofyzika a.s., Česká Republika - zpracování gravimetrie), Excel (správa databází), Surfer 9 (grafická zpracování), Grapher 7 (grafická zpracování). 2. Příklady dosažených výsledků 2.1 Běchovice monitoring seismických rychlostí. Na lokalitě Běchovice byla využita příležitost, že při rekonstrukci železničního koridoru bylo možno vložit přímo do konstrukční vrstvy fortikované 3% vápna seismické snímače
(geofony) a sondy pro měření permitivity prostředí. Měřící čidla byla později zakryta dalšími konstrukčními vrstvami včetně položení kolejového lože. V současné době je možno průběžně monitorovat, nakolik se charakter konstrukční vrstvy s vápnem mění. Na začátku sledování je zřetelná výrazná změna v rychlostech v době ukončování základních chemických procesů. V průběhu dalšího období jsou však sledovatelné i drobnější lokální změny (projev pronikání vlhkosti do konstrukční vrstvy?!). Závěr z našeho monitoringu je ten, že konstrukční vrstvy fortifikované vápnem nemusí udržet plánované geomechanické vlastnosti, pokud do nich může pronikat voda. Výsledky měření jsou uvedeny na obr. 2. 2.2 Lleida Španělsko. Průzkum železničního náspu v havarijním stavu. Na lokalitě nedaleko města Lleida ve Španělsku byla úspěšně použita metoda odporové tomografie při studiu železničního náspu, který se dostal do havarijního stavu. Násep byl později sanován. Jednou z příčin komplikací se stabilitou náspu je intenzivní zavlažování hospodářské půdy v těsném sousedství železničního tělesa. Zemědělská činnost se projevuje střídáním úrovně hladiny podzemní vody. Podzemní těsnící clona, která má za úkol oddělit základy železničního tělesa od okolí, již zřejmě neplní dobře svou úlohu. Na následujícím obr. 3 jsou příklady odporových řezů, které přítomnost těsnící clony detekují, stav clony se však s místem mění. 2.3 Lipník nad Bečvou Česká republika. Traťový úsek s deformacemi kolejnic. Na lokalitě Lipník nad Bečvou (Česká Republika) vznikají deformace (vlnění) kolejnic, a to zejména v místech, kde trať probíhá zářezem. Geofyzikální měření metodou odporové tomografie upozornilo zejména na skutečnost, že trať prochází územím se spraší (nízké odpory kolem 10 ohmm). Spraše se vyznačují nízkými měrnými odpory, jsou namrzavé a objemově nestálé. Vlastní svahy zářezů byly zřejmě v minulosti postupně dobudovávány cizorodými zeminami (navážkami), což se projevuje přítomností vyšších měrných odporů. Svahy zářezů jsou místy náchylné ke svahovým pohybům. Situaci dokumentují dva odporové řezy (profily byly vedeny příčně po svahu a kolmo k trati) zobrazené na obr. 4. 2.4 Montmélian-Francie. Seismická tomografie. Na obr. 5 je uvedena ukázka aplikace seismické tomografie mezi dvěma rovnoběžnými profily. Profily byly vedeny po levém a pravém okraji kolejiště. Měření uspořádané tímto způsobem dovoluje provádět průzkum i tam, kde projíždějí vlaky. Tímto uspořádáním lze tedy měřit i v místech, kde není možné přerušení dopravy. Měření proběhlo na lokalitě Montmélian ve Francii. Linie geofonů a seismických rozruchů jsou umístěny po levé a pravé straně kolejiště. Místa zvýšených rychlostí představují oblasti s vyšším zhutněním podloží. Oblasti snížených rychlosti jsou méně zhutněné.
Obr. 2: Monitorování seismických rychlostí konstrukční vrstvy v podloží kolejové trati. Běchovice.
Obr. 3 : Charakteristické odporové řezy z lokality Lleida (Španělsko). Obr. 4: Charakteristické odporové řezy z lokality Lipník nad Bečvou (Česká republika). Nejtmavší tony v hlubších částech ilustrací odpovídají spraším. Další pásma odpovídají vyšším odporům. Na patách svahů se projevují náznaky smykových ploch (válcovité tvary rozhraní).
Obr. 5: Příklad seismické tomografie. Železniční trať u města Montmélian ve Francii. 2.5 Lipník nad Bečvou Česká republika. Mikrogravimetrické měření. Výzkumy v rámci projektu Innotrack prokázaly použitelnost měření metodou gravimetrickou (přesněji mikrogravimetrií). Tíhová měření jsou schopna zejména vymezit místa s nedostatkem hmot, tj. například náspy se zvýšenou porózitou nebo přítomností dutin. Na obr. 6 je uvedena mapa izolinií residuálních Bouguerových anomálií z lokality Lipník nad Bečvou. Oblasti s negativními anomáliemi se většinou shodují s místy, kde jsou zaznamenány problémy s deformacemi kolejnic. Měření zjistilo, mimo jiné, zejména výraznou anomálii v okolí souřadnic x=400 a y=8. Toto místo se shoduje s místem, kde dochází k časté opravě podloží (podbíjení kolejnicového lože.). Odporový řez vedený v tomto místě zaznamenal také indicie sesuvných pohybů ve svahu zářezu Obr. 6: Příklad mikrogravimetrického měření. Lokalita Lipník na Bečvou. Drobné tečky v poli izolinií jsou místa observačních bodů. 2.6 Geotechnická interpretace seismických dat Důležitým výsledkem výzkumných prací v rámci projektu Innotrack byl závěr, že i v praxi lze využít přímý vztah mezi velikostí šíření seismické vlny a modulem pružnosti. Tento vztah vychází ze skutečnosti, že rychlost seismické vlny je funkcí modulu pružnosti, objemové hmotnosti a Poissonova čísla. Na obr. 7 je uveden příklad přepočtového grafu mezi rychlostí
podélné seismické vlny a modulem pružnosti. Při aplikaci výše jmenovaného vztahu si je nutno uvědomit, že zkoumané prostředí se chová poněkud rozdílně při malých, resp. velkých deformacích. To znamená, že při malých energiích způsobujících deformaci horninového prostředí (např. seismická metoda) získáme větší hodnotu modulu, než jak je tomu u aplikaci velkých energií (například test s velkou zatěžovací deskou). Tento fakt není závadou pro aplikaci seismické metody. Zjištěná závislost platí pro všechny typy testovacích metod. Například je známý rozdíl mezi normou pro železniční a silniční stavitelství v České republice, protože podmínky zatěžovacích zkoušek jsou v těchto normách popsány rozdílně. Pro praktickou aplikaci výsledků seismických měření lze použít korekční vzorec (Masudův vzorec), který moduly stanovené seismickou cestou koriguje na absolutní hodnoty odpovídající například zkoušce se standardní zatěžovací deskou danou příslušným předpisem železniční společnosti. Obr. 7: Příklad přepočtu rychlosti šíření seismické podélné vlny prostředím na modul pružnosti. 3. Závěr Výsledkem prací na projektu Innotrack bylo zjištění, že použití geofyziky pro železniční stavitelství je úspěšné a že lze geofyziku standardně využívat v komplexu průzkumných metod. Geofyzikální průzkum nenaráží v zásadě ani na problémy spojené s rozdílnými pravidly řízení provozu železničních tratí v různých státech EU. V důsledku těchto závěrů byla vypracována směrnice vysvětlující, jak s geofyzikálním měřením nakládat, v jakých případech ho používat a jaké nároky na odbornost geofyzikální skupiny jsou kladeny. V tomto směru odkazujeme na link:
http://www.innotrack.net/results.html Na této elektronické adrese jsou k dispozici všechny informace o výzkumném projektu Innotrack a je zde ke stažení i realizační výstup (směrnice): D2.15 GL Methodology of geophysical investigation of railway trac defects. Poznamenáváme, že předobrazem pro evropskou verzi směrnice byly již dříve vydané Pokyny pro použití nedestruktivních geofyzikálních metod v diagnostice a průzkumu tělesa železničního spodku. (Účinnost od 1. 1. 2006. Schváleno náměstkem GŘ pro dopravní cestu Správy železniční dopravní cesty s. o. dne 8. 12. 2005 pod č.j. 5612/05-OP. Schváleno náměstkem pro dopravní cestu GŘ Českých drah a. s. dne 2. 11. 2005 pod č.j. 60 975/2005.) Tyto české pokyny byly vypracovány v zásadě stejným geofyzikálním týmem, jaký se podílel na práci v rámci EU, a to na základě výzkumného úkolu, který probíhal v letech 2001 až 2003 a byl financován Ministerstvem dopravy ČR. Poznamenáváme, že v rámci projektu Innotrac nebyla řešena problematika spojená s radarovým měřením na železničních tratích. Radarový průzkum byl řešen v jiných projektech, např. SAFE RAIL Project (EC FP6 Contact No TST3-CT-2003-506218); 2008). Podle zkušeností autorů zde předkládaného článku mají radarová měření zejména význam pro rychlé proměření a následné monitorování delších traťových úseků a pro studium mělkých povrchových vrstev (konstrukční vrstvy uložené pod kolejovým ložem). Doporučená literatura k tématu článku: 1. Barton N, editor. Rock quality, seismic velocity, attenuation and anisotropy. London: Taylor & Francis Group; 2007. 2. Bárta J, Beneš V. Geophysical measurement for railway engineering. 7 th Meeting of environmental and engineering geophysics, Birmingham; 2001 3. Bárta J. et al. Utilization of geophysical measurements for testing of condition of railway lines of the Czech Railways. Project CE 803130122. Funded by the Ministry of Transport of the Czech Republic; 2003. Available from: http://www.isvav.cz/projectdetail.do?rowid=ce803130122 4. Bláha P, Müller K. Geophysical monitoring as an information source of rock massif behaviour. Acta Montanistica Slovaca. 2008 5. Butler DK, editor. Near-Surface Geophysics.Tulsa, Oklahoma:SEG; 2005 6. Boganik GN, Gurvic II. Seismorazvedka. Russia,Tver AIS; 2006. 7. Kelly WE, Mareš S, Karous M. Applied geophysics in hydrogeological and engineering practice. Developments in Natural Science 44. Netherlands: Elsevier Science Publishers B.V. ; 1993.
8. Mareš S, editor. Introduction to applied geophysics. Kluwer Academic Publishers; 1984. 9. Selig T, Smith SS, Olhoeft GR. Ground Penetrating Radar for Railway Substructure Condition Assessment. Bentley System, Incorporated. 2006, Avallable from: http://www.iricen.gov.in/documents/shared/s2098854/ground_penetrating_radar_rail_ civil_whitepaper_eng_lores_106.pdf 10. Sussmann TR., Selig ET., Hyslip JP. Railway track conditions indicators from ground penetrating radar. International Conference Railway Engineering No. 3; London.; 2003. 11. Telford WM., Geldart LP., Sheriff RE. Applied geophysics. Cambridge University Press, Second edition; 1984. 12. SAFE RAIL Project (EC FP6 Contact No TST3-CT-2003-506218); 2008). Available from: http://www.saferail-project.eu/index.html