Toepassing van het Waterbalans- systeem bij de ... - Smet-Keller

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:getec@getec-ac.de
Rhein-Main
D-63006 Offenbach, Kaiserleistraße 44
℡ +49 69 8010 6624
Fax +49 69 8010 4981
E-mail: getecrm@getec-ac.de
www.getec-ac.de
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
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 : 200 mm
> resolutie : 0.02 mm
> lineariteit : 0.1 % FS
> gebruikstemperatuur : -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