Toepassing van het Waterbalanssysteem bij de Hoogtebewaking van zettingsgevoelige Bouwwerken Dr.-Ing. Manfred Jakobs GeTec Ingenieurgesellschaft mbH, Aachen Dipl.-Ing. Reiner Otterbein Keller Grundbau GmbH, Bochum Ing. Henk Dekker Keller Funderingstechnieken bv NL-Alphen a/d Rijn
Überreicht durch
GeTec Ingenieurgesellschaft für Informations- und Planungstechnologie mbH Aachen D-52068 Aachen, Rotter Bruch 26a ℡ +49 241 406607 Fax +49 241 406609 E-mail:
[email protected] Rhein-Main D-63006 Offenbach, Kaiserleistraße 44 ℡ +49 69 8010 6624 Fax +49 69 8010 4981 E-mail:
[email protected]
www.getec-ac.de
Auszug aus Zeitschrift Geotechniek, April 2001 GT 06-11 NL
Ervaringen met de toepassing van het waterbalanssysteem bij de hoogtebewaking van zettinggevoelige bouwwerken Dr.-Ing. M. Jakobs, GeTec Ingenieurgesellschaft mbH Ing. H. Dekker, Keller Funderingstechnieken bv Dipl.-Ing. R. Otterbein, Keller Grundbau GmbH
1.
Betekenis van de meettechniek in de hedendaagse bouw
Omdat de plannen voor nieuwe bouwwerken en de aanpassing van bestaande gebouwen in steden steeds complexer worden en het hoe langer hoe moeilijker wordt deze plannen zodanig uit te voeren dat er geen schade ontstaat, moet de meettechniek in de bouw aan steeds hogere eisen voldoen. Manuele bewakingsprocédés worden bij grote projecten hoe langer hoe vaker vervangen door de toepassing van automatische systemen. In vele gevallen worden er tijdens de bouw metingen uitgevoerd om te bewijzen dat of te controleren of kritische vervormingstoleranties niet overschreden worden. Indien dit wel gebeurt, is schade aan de betreffende bouwwerken gewoonlijk een onvermijdelijk gevolg. Een vroegtijdige kennis van kritische vervormingen c.q. de ontwikkeling van vervormingstendenzen draagt er in belangrijke mate toe bij dreigende schade aan bouwwerken op tijd te onderkennen en de invloed van de vervormingen zo nodig door het tijdig initiëren van tegenmaatregelen tot een minimum te beperken. In het bijzonder bij de aanleg van nieuwe verkeers- en spoorwegen, die op het moment op grote schaal plaatsvindt, en de daarmee samenhangende bouw van kostbare tunnels wordt de vervormingsmeettechniek met nieuwe taken geconfronteerd. Daarbij worden er niet alleen speciale eisen gesteld aan de meettechnische apparatuur en de betrouwbaarheid van de hardware, maar ook aan het gegevensbeheer, dat de garantie moet bieden dat de verzamelde gegevens op de juiste manier worden beoordeeld, geïnterpreteerd en geëvalueerd. Voor het bewerken en archiveren van deze gegevens worden gecompliceerde visualisatieprogramma's gebruikt waarmee vervormingen zo snel en transparant mogelijk veraanschouwelijkt kunnen worden. Wanneer een bouwplan voorziet in actieve begeleidende maatregelen voor het compenseren van zettingen en vervormingen - bijvoorbeeld in de vorm van het omhoogbrengen van een gebouw met behulp van het Soilfrac-procédé (compensation grouting) -, is de beschikbaarheid en visualisatie van de gegevens over de hoogteveranderingen van het betreffende object in de loop der tijd van buitengewoon belang. Vervormingsmeetsystemen die voor dit doel worden gebruikt, moeten een gegarandeerde meetnauwkeurigheid in de orde van grootte van 0.1 mm hebben en bovendien
1
• • •
de bouwwerkdeformaties door een voldoende korte meetcyclus volledig kunnen registreren, de meetwaarde ook gedurende een langere periode betrouwbaar en storingsvrij kunnen leveren en de meetwaarden continu kunnen vastleggen en direct verwerken tot een compleet, integraal vervormingsbeeld.
De klassieke geodetische meetmethodes (nauwkeurigheidswaterpassing) voldoen weliswaar bij gebruik van geschikte instrumenten onder gunstige randvoorwaarden aan de nauwkeurigheidseisen, maar blijken voor continue vervormingsmonitoring minder geschikt en zijn bij lange-termijnwaarnemingen vaak inefficiënt. Ook wanneer dit meetproces door middel van motorisch aangestuurde waterpassen geautomatiseerd wordt, kunnen de objecten alleen met een betrekkelijk groot tijdsverloop tussen de herhalingsmetingen worden geobserveerd. Bovendien zijn de functionaliteit en de betrouwbaarheid van de metingen bij deze methode op de lange termijn sterk afhankelijk van de omgevingscondities. Zo moet er bij gebruik van een motorisch aangestuurde waterpas tussen de observatie-eenheid en het meetpunt principieel een ongestoorde visuele verbinding met een constante lichtintensiteit bestaan om een permanente beschikbaarheid van de vervormingsresultaten te waarborgen. Daarom moeten de meetpunten worden voorzien van verlichting om de wisselende lichtomstandigheden op te kunnen vangen. Deze aanvullende voorzieningen vormen - naast de problematiek van de toegankelijkheid en zichtbaarheid van de meetpunten, de betrouwbare, van het personenverkeer onafhankelijk opstelling van de observatie-eenheid en de negatieve invloeden van neerslag bij opstelling in de openlucht - een onzekere factor in het registratieproces. Bovendien is een volledige weergave van de totale vervorming in de regel uitsluitend mogelijk door naast de geautomatiseerde metingen ook handmatige metingen te verrichten op plaatsen die visueel onbereikbaar zijn. 2.
Het hydrostatische waterbalanssysteem
Voor de continue bepaling van absolute en relatieve hoogteveranderingen wordt sinds ongeveer een eeuw voor verschillende toepassingen (technische inrichtingen, deelgebieden van de geofysica en de grondmechanica) met succes gebruik gemaakt van hydrostatische hoogtemeetsystemen. Deze meetsystemen zijn gebaseerd op het principe van de communicerende vaten en bestaan gewoonlijk uit een aantal door leidingsystemen met elkaar verbonden meetcilinders waarin het oppervlak van de vulvloeistof wordt afgetast. De afgelopen dertig jaar is getracht deze „flesjeswaterpas" zodanig te ontwikkelen, dat de bepaling van het vloeistofniveau op de meetpunten zoveel mogelijk geautomatiseerd kon plaatsvinden. Dankzij de voortschrijdende sensorontwikkelingen is het gelukt in dit kader bruikbare resultaten te realiseren. Voor het grootste probleem, te weten het feit dat het meetgebied hierbij direct afhankelijk is van de hoogte van de glazen cilinders en daarvoor nu eenmaal een bepaalde ruimte nodig is, heeft men evenwel geen oplossing kunnen vinden. Daarnaast werd er gebruik gemaakt van een methode waarbij de hoogte werd bepaald door meting van de aan een referentiedruk gerelateerde hydrostatische druk van de vloeistofkolom op de meetpunten. Dit meetprincipe werd o.a. toegepast in de vorm van een „mobiele flesjeswaterpas" voor profielmetingen in de seismologie. Zo werd er met een dergelijke meetinrichting al in 1972 een hydrostatische waterpassing van 1.000 km uitgevoerd. Op grond van de met deze methode opgedane ervaringen wordt het hierna beschreven stationaire systeem ook toegepast als mobiel waterbalanssysteem. Omdat er geen voldoende nauwkeurige druksensoren beschikbaar waren, kon de methode van hydrostatische drukmeting tot in de jaren tachtig niet worden gebruikt voor 2
deformatiemetingen die een hoge mate van nauwkeurigheid vereisten. Doordat de druksensoren de afgelopen twintig jaar voortdurend zijn verbeterd, kunnen hiermee inmiddels hydrostatische meetsystemen met een groot aantal meetpunten worden gerealiseerd die tot op minder dan 0.1 mm nauwkeurig zijn en in vergelijking met het klassieke niveaumeetsysteem de volgende belangrijke voordelen hebben: • •
•
variabel meetgebied afhankelijk van de taakstelling met verschillende druksensoren (bijv. hoogteverschillen 10 cm < dh < 10 m) door de geringe hoogte van de meetpunten (bij meting van het vloeistofniveau ca. 500 mm, bij meting van de vloeistofdruk ca. 100 mm) ook inbouw mogelijk in beperkte ruimte mogelijkheid tot variabele combinatie van druksensoren voor verschillende meetgebieden
Afbeelding 1: Meetpunt - niveaumeting en drukmeting Bij dit meetsysteem registreren druksensoren de veranderingen in de vloeistofdruk ten opzichte van een referentieniveau, waarna deze veranderingen worden omgerekend in hoogteveranderingen.
3
Afbeelding 2: Principeschets waterbalanssysteem Zoals blijkt uit afbeelding 2, kunnen voor het meten van de druk het beste differentiaaldruksensoren worden gebruikt, omdat dan een kleiner meetgebied nodig is dan bij absolute-druksensoren en er een grotere meetnauwkeurigheid gerealiseerd kan worden (nauwkeurigheid van de druksensoren in % van het meetgebied). De hydrostatische druk wordt daarom bepaald als verschil tussen de vloeistofdruk en een referentiedruk. De drukcompensatie van het systeem (meetvloeitstof en referentiegas) vindt plaats in een compensatievat. De kern van het waterbalanssysteem wordt gevormd door capacitieve druksensoren die gekenmerkt worden door een hoge mate van stabiliteit en betrouwbaarheid. Deze sensoren hebben de volgende technische specificaties: > > > >
meetgebied resolutie lineariteit gebruikstemperatuur
: : : :
200 mm 0.02 mm 0.1 % FS -25°C ... 80°C
Verschillende waterbalanssystemen van dit type worden sinds enkele jaren in de Duitse mijnbouw gebruikt om mijnverzakkingen te bewaken. Op grond van de positieve ervaringen ten aanzien van meetnauwkeurigheid, stabiliteit op de lange termijn en meetsnelheid is het systeem in andere toepassingen niet alleen gebruikt voor zettingscontrole, maar ook voor het gericht compenseren van zettingen. Het waterbalanssysteem is daarbij geïntegreerd in een computerondersteund registratie-, archiverings- en visualisatiesysteem. De analoge meetsignalen van de druksensoren worden tijdens het meetproces gedurende een naar eigen inzicht te bepalen periode als afzonderlijke metingen geregistreerd en gewoonlijk eens per 30 seconden gemiddeld. De standaardafwijking van deze gemiddelde waarde bedraagt 0.03 - 0.08 mm. De meetwaarden worden geregistreerd via decentrale gegevensregistratie-eenheden met een 16 bit A/D-omzetting die via een RS 485-bus zijn verbonden met een systeembesturingsterminal. Daar worden de meetgegevens chronologisch als isohypsen en hoogteverlooplijnen gevisualiseerd. De meetwaarden worden gearchiveerd in een databasesysteem met een op de situatie toegespitst gegevensmodel en kunnen dus via een ODBC-interface door andere toepassingen worden gebruikt.
4
2.1
Temperatuurinvloed en meetdynamiek
Temperatuurinvloeden veroorzaken systematische veranderingen in de meetwaarden en hebben een negatief effect op de nauwkeurigheid van de meetresultaten. Voor zover de temperatuur op alle meetpunten dezelfde invloed heeft, kan de hierdoor optredende fout door aftrekking worden geëlimineerd. De verschillen in temperatuurinvloed (bijv. bij meetpunten binnen en buiten een gebouw) in afhankelijkheid van de gebruikte meetvloeistof op de meetpunten in combinatie met de verschillen in de hoogte waarop de vloeistofkolommen van het systeem zich bevinden, blijven als meetonnauwkeurigheid evenwel bestaan. Dit kan via temperatuurmetingen met behulp van een speciaal ontwikkeld temperatuurmodel worden gecorrigeerd. De onderstaande afbeelding toont het verloop van de temperatuurcorrecties voor twee meetpunten (meetpunt binnen en meetpunt buiten). De grafiek laat zien dat er na aftrekking differentievorming zonder temperatuurmodel een invloed van enkele tienden millimeter als systeemonnauwkeurigheid blijft bestaan.
Afbeelding 3: Temperatuurcorrecties voor twee meetpunten met verschillende temperatuurinvloeden Wat het dynamische gedrag betreft, onderscheidt de waterbalans zich van een klassieke flesjeswaterpas doordat de vloeistofkolom bij de waterbalans alleen trillingen maakt met een uiterst kleine amplitude. Bewegingen met geringe versnelling worden continu geregistreerd. Eenmaal geactiveerd, bijvoorbeeld bij ombouw van het systeem, bij mechanische slangdeformaties of bij hoogteveranderingen van de meetpunten met een grotere versnelling en amplitude, bedraagt de relaxatietijd ongeveer tien seconden (100 mwaterbalanssysteem). Bij klassieke flesjeswaterpassen ligt deze waarde ongeveer een orde van grootte hoger, doordat de trillingsamplituden van deze aan alle zijden open systemen veel groter zijn.
5
3.
Meettechnische bewaking - Centraal Station Antwerpen
Sinds 1999 worden er op het Centraal Station Antwerpen tunnelbouw- en beschermingswerkzaamheden verricht. Het stationscomplex werd in de jaren 1899-1905 als kopstation gebouwd. In het kader van de aanleg van de hogesnelheidslijn van Brussel via Antwerpen naar Amsterdam wordt er onder het station een tunnel gebouwd voor hogesnelheids- en andere treinen die niet op het Centraal Station stoppen. Bij de tunnelaanleg worden na het aanbrengen van een buizendak de ca. 15 m diepe beschoeide sleuven in zijwaartse richting op conventionele wijze gemaakt. Vervolgens vindt de uitgraving plaats en worden het definitieve tunneldak en de definitieve tunnelvloer aangebracht. Uit zettingsberekeningen is gebleken dat de totale zetting voor alle bouwfasen naar alle waarschijnlijkheid 60 tot 120 mm zal bedragen. Vervormingen in deze orde van grootte met steile tangentiële hellingen in het randgedeelte van de zettingstrog, die hier binnen het gebouw liggen, hebben naar de ervaring leert, aanzienlijke schade aan het betreffende bouwwerk tot gevolg.
Afbeelding 4: Doorsnede station en bouwfasen
6
Om dergelijke schade te voorkomen, is het Soilfrac-procédé toegepast, zodat zettingen tijdens de verschillende fasen van de tunnelbouw permanent ongedaan gemaakt kunnen worden. Met dit procédé kunnen gebouwen na een voorinjectie op ieder gewenst moment worden opgeheven. Om ernstige schade te voorkomen, zijn de maximale zettingen beperkt tot 5 mm bij een helling van 1 : 2000. Afbeelding 5: Waterbalanssysteem - Centraal Station Antwerpen
Op grond van het feit dat de meetnauwkeurigheid < 0.5 mm moet bedragen en met het waterbalanssysteem met een snelheid van 30 seconden de gegevens van alle meetpunten tegelijkertijd geregistreerd kunnen worden, is gekozen voor dit systeem. Daarbij wordt er voor de hoogtereferentie gebruik gemaakt van een flexibel waterbalanssysteem met 83 meetpunten voor het registreren van de hoogteveranderingen. Als dit systeem eenmaal is ingebouwd, verloopt de vervormingsmeting met dit systeem tijdens de bouw nagenoeg onderhoudsvrij. Het meetsysteem op het Centraal Station Antwerpen (83 meetpunten in 3 meetcircuits, die met het oog op de evaluatie van de gegevens tot één systeem zijn gekoppeld) werd eind augustus 1999 ingebouwd en registreert sinds dat moment het bewegingsgedrag van het gebouw. Parallel hieraan werd de systeemnauwkeurigheid uitgebreid getest en gecontroleerd. Door kalibratie met een schuifmaat ter plaatse werd de meetnauwkeurigheid van de sensoren bepaald. Hieruit bleek dat de afzonderlijke sensoren bij een verplaatsing van 100 mm een meetnauwkeurigheid hebben van 0.1 mm. De reproduceerbaarheid van de meetwaarden bleek eveneens 0.1 mm te bedragen. Vervolgens werd met behulp van niveautests de reactie van alle meetsensoren van de afzonderlijke meetcircuits onderzocht bij gedefinieerde verplaatsingen van de waterspiegel. Bij verplaatsingen van ca. + 40mm en -30mm bleek de meetnauwkeurigheid eveneens 0.1 mm te bedragen. Het waterbalanssysteem is door de ruimtelijke verdeling van de meetpunten onderhevig aan verschillende temperatuurinvloeden. Terwijl er in de kelder uitgegaan kan worden van een gelijkmatige temperatuurverdeling, zijn de sensoren in de beide andere meetcircuits ten dele aangebracht binnen het gebouw en ten dele buiten het gebouw. Na correctie op basis van temperatuurmetingen resulteert een systeemnauwkeurigheid van 0.3 mm. De beide afbeeldingen hierna tonen een klein gedeelte van het complete vervormingsbeeld. Afbeelding 6 toont het hoogteverloop van een meetpunt, terwijl in afbeelding 7 de totale vervorming van het object gedurende een bepaalde periode in de vorm van isohypsen in beeld is gebracht.
7
Afbeelding 6: Hoogteverloop van een meetpunt van het waterbalanssysteem
Afbeelding 7: Isohypsen van de vervorming in een bepaalde periode (tunnelschacht E) 8
In de periode van augustus 1999 tot augustus 2000 werd het bewegingsgedrag van het bewaakte object ter controle van het waterbalanssysteem bepaald door middel van waterpassing (Metro, Keyserlei). De uitvoering van deze nauwkeurigheidswaterpassing op het Centraal Station Antwerpen ging met nogal wat problemen gepaard, in de eerste plaats doordat de toegankelijke meetpunten zich op verschillende niveaus bevonden en in de tweede plaats doordat de meetnauwkeurigheid en reproduceerbaarheid sterk werden beïnvloed door personenverkeer. Om de resultaten te vergelijken, werden de meetwaarden van het waterbalanssysteem via transformatie omgerekend naar het systeem van de waterpassing, waarbij sterk uit de toon vallende waarden werden gecontroleerd. Na evaluatie van de resultaten bleken beide systemen goed met elkaar overeen te stemmen.
Afbeelding 8: Vergelijking waterbalanssysteem - nauwkeurigheidswaterpassing 4.
Samenvatting
Voor de meettechnische begeleiding van het met het oog op de veiligheid toegepaste Soilfracprocédé bij de bouw van een tunnel onder het Centraal Station Antwerpen wordt er een waterbalanssysteem gebruikt. Ondanks de problematische randvoorwaarden wordt bij het bepalen van de hoogteveranderingen een systeemnauwkeurigheid bereikt van 0.3 mm. Dankzij de grote systeemdynamiek kan actualisering van de gegevens plaatsvinden in 30 seconden. Tijdens het gebruik van het systeem in de periode tot januari 2001 (16 maanden) hebben zich in de werking ervan geen storingen voorgedaan.
9
