Przepisy techniczne nakładają na zarządcę dróg obowiązek

Transkrypt

1 Tomasz Mechowski, Jacek Sudyka, Instytut Badawczy Dróg i Mostów, Warszawa, Tomasz Wojsz, Heller Consult Sp. z o.o. W ciągu ostatnich kilku lat Instytut Badawczy Dróg i Mostów wspólnie z firmą Heller Consult wykonywał badania stanu technicznego nawierzchni autostrady A4 na odcinku Katowice Kraków. Pomiary i towarzyszące im analizy były podyktowane obowiązkiem prowadzenia bieżącej i okresowej kontroli wynikającej z Ustawy Prawo Budowlane oraz Ustawy o drogach publicznych. Uzgodniono z zarządcą przedmiotowego odcinka, którym jest firma Stalexport Autostrada Małopolska S.A., że badania wykonywane w ramach kontroli zostaną wykorzystane nie tylko do spełnienia wymagań formalnych, lecz również jako materiał służący do opracowania programu utrzymania drogi. W artykule przedstawiono proces transformacji danych pomiarowych, który doprowadził do osiągnięcia założonego celu. Przepisy techniczne nakładają na zarządcę dróg obowiązek prowadzenia bieżącej i okresowej kontroli stanu technicznego administrowanych przez niego dróg. Elementami okresowej oceny stanu drogi (przeglądów podstawowych i przeglądów rozszerzonych) jest ocena techniczna stanu jej elementów składowych, w tym nawierzchni. Wymogi formalne związane z przeglądami wynikają z Ustawy Prawo Budowlane oraz Ustawy o drogach publicznych. Rezultatem przeprowadzanych przeglądów technicznych dróg jest tzw. protokół przeglądu. Spełnienie formalnych wymagań nie powinno być jednak jedynym celem prowadzenia oceny stanu nawierzchni. Jeżeli proces ten jest wykonywany w sposób usystematyzowany, to dane z oceny stanu technicznego mogą być podstawą do tworzenia programu utrzymania dróg. Analiza danych z wieloletnich, prowadzonych w jednolity sposób badań dostarcza dodatkowo informacji o efektywności różnych typów i technologii zabiegów utrzymaniowych. Umożliwia ponadto prognozowanie stanu nawierzchni, stanowiące podstawę długoterminowego planowania zapotrzebowania na środki utrzymaniowe. W latach Instytut Badawczy Dróg i Mostów wspólnie z firmą Heller Consult wykonywał na odcinku autostrady A4, zarządzanym przez Stalexport Autostrada Małopolska S.A., ocenę stanu nawierzchni na: zasadniczych pasach ruchu, pasach awaryjnych, pasach ruchu powolnego, łącznicach, placach poboru opłat i miejscach obsługi podróżnych. Na podstawie przeprowadzonej kampanii diagnostycznej wskazano odcinki wymagające zabiegów utrzymaniowych. Metodologia oceny stanu zastosowana na autostradzie A4 została opracowana na podstawie wieloletniej praktyki Summary Innovative solutions as a result of the surface technical inspection Over the past few years, the Research Institute of Roads and Bridges, together with the Heller Consult company, has performed technical inspections of the surface of the A4 motorway, on the Katowice Kraków section. The measurements and accompanying analyzes were dictated by the obligation to conduct current and periodic inspections resulting from The Construction Law and The Act on Public Roads. According to the agreement with the manager of the section in question, which is Stalexport Autostrada Małopolska S.A., the tests performed as part of the audit will be used not only to meet the formal requirements but also as a material for the development of the road maintenance programme. The article presents the transformation process of the measurement data that led to the achievement of the assumed objective. Keywords: condition assessment, road maintenance, diagnostics Rys. 1. Wynik pomiaru czaszy ugięcia z wykorzystaniem 3 czujników umieszczonych za osią obciążenia (wykres przygotowany na podstawie prezentacji C.P. Nielsena [2]) 32

2 Fot. 1. Urządzenia pomiarowe IBDiM: a) SPDE, b) SRT-3, c) TSD, d) FWD inżynierskiej Grupy HELLER w tej dziedzinie. Jako źródło wiedzy wykorzystano przede wszystkim standardy niemieckiej federalnej administracji drogowej oraz wyniki projektów naukowo-badawczych. Pierwszy z nich został wykonany w Instytucie Badawczym Dróg i Mostów na zlecenie Narodowego Centrum Badań i Rozwoju pt. Opracowanie podstawowych modułów systemu utrzymania nawierzchni dróg samorządowych (projekt rozwojowy NR /2010). Drugim zaś był projekt zrealizowany na zlecenie Generalnej Dyrekcji Dróg Krajowych i Autostrad przez IBDiM wspólnie z Grupą HELLER w 2012 roku polegający na opracowaniu kompleksowej metodyki systemu. W procesie identyfikacji stanu technicznego nawierzchni autostrady A4 wykonywano szereg badań diagnostycznych: pomiary równości podłużnej i poprzecznej, badania właściwości przeciwpoślizgowych (makrotekstura i współczynnik tarcia), identyfikację uszkodzeń powierzchniowych (pęknięcia, ubytki, deformacje itp.), pomiary ugięć nawierzchni. Wszystkie badania przeprowadzono urządzeniami do diagnostyki stanu nawierzchni, którymi dysponuje IBDiM (fot. 1). Pomiary równości podłużnej i poprzecznej oraz makrotekstury nawierzchni wykonano systemem pomiarowym SPDE (System for Pavement Distress Evaluation). Urządzenie to posłużyło również do wykonania zdjęć pasa drogowego oraz rejestracji cyfrowego obrazu powierzchni nawierzchni wykorzystanych następnie w identyfikacji uszkodzeń powierzchniowych. Pomiary współczynnika tarcia wykonano urządzeniem SRT-3. Badania ugięć na pasach głównych zrealizowano przy pomocy ugięciomierza laserowego TSD, natomiast na jezdniach łącznic ugięciomierza dynamicznego FWD. Dotychczas stosowane metody pomiarów ugięć są wykorzystywane głównie w procesie obliczania grubości wzmocnienia nawierzchni. Na poziomie sieciowym nie stosowano do tej pory bezpośredniego pomiaru tego parametru, ponieważ nie istniały metody, które umożliwiałyby wykonanie badań w relatywnie krótkim czasie, bez wpływu na bezpieczeństwo uczestników ruchu i jednocześnie oferowałyby dane dobrej jakości. W ciągu ostatnich kilku lat sytuacja się zmieniła, między innymi za sprawą ugięciomierza laserowego TSD (Traffic Speed Deflectometer). Ugięciomierz TSD oparty jest na specjalnie zaprojektowanej naczepie o długości 11,25 m, wyposażonej w pojedynczą oś z kołami bliźniaczymi, obciążoną ciężarem 10 ton. Część pomiarową stanowi zestaw od trzech do ośmiu dopplerowskich czujników laserowych zainstalowanych na specjalnej, sztywnej belce, wyposażonej w serwomechanizm utrzymujący stałą pozycję czujników względem nawierzchni. Całość wraz z oprzyrządowaniem w postaci żyroskopów i akcelerometrów monitorujących położenie 33

3 Rys. 2. Wyniki pomiaru TSD i FWD skorygowane ze względu na obciążenie i temperaturę. Ugięcia zarejestrowane przy pomocy TSD przeliczono na FWD według funkcji podanej w [3] Proces oceny stanu ma na celu przypisanie odcinkom diagnostycznym wartości stanu w odniesieniu do poszczególnych, istotnych z punktu widzenia decyzji eksploatacyjnych parametrów, jak również obliczenie wartości wskaźników zespolonych. Ocena stanu składa się z szeregu kroków (rys. 5). Pierwszym z nich jest wyznaczenie na podstawie danych elementarnych uzyskanych z urządzeń pomiarowych tzw. wielkości stanu. Następuje wtedy przekształcenie pomierzonych wielkości w parametry stanu (na przykład wyznaczenie na podstawie profilu poprzecznego głębokości kolein) i agregacja do odcinków diagnostycznych. Proces normowania polega na przekształcaniu wielkości stanu wyrażonych w jednostkach fizykalnych (np. mm, %) w war- czujników względem ld nawierzchni hijest zamknięta ki w izolowanej termicznie naczepie, w której utrzymywana jest stała temperatura. Rejestracji podlegają dwa podstawowe parametry: prędkość przemieszczenia pionowego nawierzchni oraz prędkość pozioma czujników względem nawierzchni. Na podstawie tych danych, niezależnie w zadanych odległościach od osi obciążenia, określa się tak zwane nachylenie, które następnie służy do obliczenia czaszy ugięcia dla każdego punktu pomiarowego. W najnowszych wersjach TSD trzy z dziesięciu czujników laserowych są umieszczane za osią naczepy. Takie rozwiązanie umożliwia zmierzenie ugięcia maksymalnego, które w przypadku poruszającego się pojazdu pomiarowego występuje nieco za osią obciążenia [2] (rys. 1). Jest to rozwiązanie docelowe, które w przyszłości zostanie zastosowane również w ugięciomierzu użytkowanym przez IBDiM. Zaletą tego rozwiązania będzie możliwość wykorzystania danych w obliczeniach odwrotnych trwałości konstrukcji nawierzchni, tak jak ma to miejsce w przypadku FWD. W ramach standardowego pomiaru ugięć odcinka autostrady A4 wykonano dodatkowe pomiary porównawcze na czterech odcinkach testowych o długości ok. 2 km każdy, zlokalizowanych na pasach ruchu powolnego (rys. 2). W badaniach porównawczych wykorzystano ugięciomierz dynamiczny FWD, którym wykonano pomiary z częstotliwością co 50 m. Wyniki uzyskane z pomiarów dwoma urządzeniami poddano odpowiednim korektom (obciążenie: 50 kn, temperatura: 20 C), a pomiary TSD dodatkowo przeliczono do FWD przy pomocy funkcji opracowanej przez IBDiM i podanej między innymi w [3]. Jak można zaobserwować (rys. 3), istnieje bardzo dobre dopasowanie wyników uzyskanych obiema metodami pomiarowymi. Jedynie w kilku pojedynczych punktach urządzenie FWD wykazuje dużo większe ugięcie niż TSD, jednak przyczyn tych różnic nie weryfikowano ze względu na bardzo lokalny charakter, niewpływający na wynik porównania. Rys. 3. Wyniki pomiaru TSD i FWD skorygowane ze względu na obciążenie i temperaturę. Ugięcia zarejestrowane przy pomocy TSD przeliczono na FWD według funkcji podanej w [3] 34

4 Rys. 4. Schemat algorytmu oceny stanu nawierzchni asfaltowych na pasach ruchu z wyłączeniem pasów awaryjnych, pasów ruchu powolnego i miejsc obsługi podróżnych Rys. 5. Graficzna ilustracja funkcji normującej tości stanu, wyrażone w skali od 1 do 5. Normowania dokonuje się przy wykorzystaniu tzw. funkcji normujących. Każda funkcja normująca bazuje na trzech punktach charakterystycznych, odpowiadających takim poziomom granicznym jak: poziom wymagany (PW) = 1,5, poziom ostrzegawczy (PO) = 3,5, poziom krytyczny (PK) = 4,5. Zasadę zilustrowano na rys. 5 przedstawiającym funkcję normującą dla głębokości kolein. Analiza zespolonych wskaźników stanu pozwala m.in. na ocenę trendów kształtujących się w czasie. Na rys. 6, jako przykład, przedstawiono wykres udziału wskaźnika stanu użytkowego w poszczególnych latach dla całego odcinka koncesyjnego autostrady A

5 Rys. 6. Rozkład Wskaźnika Stanu Użytkowego w klasach stanu w latach Wyniki badań diagnostycznych stanowią punkt wyjścia do sporządzenia planów utrzymaniowych. Kluczowym zagadnieniem w przygotowywaniu planów utrzymaniowych jest wyodrębnienie w sieci drogowej odcinków wymagających wykonania zabiegów i utworzenia ich listy rankingowej. Określenie potrzeb utrzymaniowych odbywa się na podstawie dwóch zespolonych wskaźników stanu nawierzchni. Wskaźnik Stanu Konstrukcji (WSK) agreguje cechy świadczące o trwałości drogi rozumianej jako budowla, tj.: głębokość kolein, obecność spękań i łat oraz nośność. Wskaźnik Stanu Użytkowego (WSU) opisuje drogę z punktu widzenia jej użytkowników i oparty jest na parametrach równości podłużnej oraz głębokości wody w koleinie. W zastosowanej metodzie wskaźniki te zmodyfikowano, gdyż każdy z nich zależy zarówno od równości podłużnej, jak i poprzecznej, przez co parametry te byłyby brane pod uwagę dwukrotnie. Zdecydowano zatem, że obydwa komplementarne składniki równości, tzn. równość w kierunku podłużnym, opisywana poprzez IRI, oraz w kierunku poprzecznym, opisywana poprzez głębokość kolein, zostaną rozdzielone i przypisane odpowiednio do Wskaźnika Stanu Użytkowego (równość podłużna) i do Wskaźnika Stanu Konstrukcji (równość poprzeczna). Ocena potrzeb utrzymaniowych oparta jest na macierzy przedstawionej na rys. 7. Wartości wskaźników podzielono na trzy grupy oznaczające ich poziom, tj.: zadowalający, ostrzegawczy oraz krytyczny. Wyznaczono w ten sposób dziewięć klas potrzeb oznaczanych kolejnymi liczbami i kolorami. Czerwony oznacza, że przynajmniej jeden ze wskaźników jest w stanie krytycznym, a żółty że obydwa wskaźniki wskazują stan ostrzegawczy. Odcinki niewymagające napraw nie podlegają dalszym analizom, nie są również zaznaczane na mapach. Rys. 7. Macierz klas potrzeb i odpowiadające im kolory Klasa potrzeb wyznaczana jest dla każdego odcinka diagnostycznego (fragmentu pasa ruchu o długości 50 m). Z przyczyn organizacyjnych i technicznych zabiegi utrzymaniowe wykonuje się zwykle dla dłuższych, kilkusetmetrowych fragmentów. W metodzie wykorzystywane są algorytmy łączące następujące po sobie odcinki diagnostyczne w złym stanie technicznym. Z pragmatycznych powodów dopuszcza się występowanie w ramach odcinka utrzymaniowego ograniczonej liczby fragmentów niewymagających zabiegów. Minimalne dłu- Wyniki badań gości odcinków utrzymaniowych oraz maksymalny udział odcinków w lepszym stanie stanowią parametry wejściowe algorytmu. Na potrzeby analiz dla autostrady A4 przyjęto odpowiednio 500 m i 30%. Podobnie jak dla odcinków diagnostycznych, także dla wygenerowanych odcinków utrzymaniowych określana jest klasa potrzeb. Klasa potrzeb odcinka utrzymaniowego (KP OU ) jest ustalana na podstawie wartości średnich, obliczonych ze zmodyfikowanych wskaźników stanu konstrukcji i stanu użytkowego w obrębie wszystkich odcinków diagnostycznych, zawierających się w odcinku utrzymaniowym. Określenie klasy potrzeb odcinka utrzymaniowego następuje przy wykorzystaniu tej samej macierzy potrzeb. Należy zwrócić uwagę na fakt, że wartości średnie wskaźników zespolonych WSU i WSK, obliczone dla całego odcinka utrzymaniowego, są w wielu przypadkach niższe (lepszy stan) niż wartości krytyczne. Dzieje się tak dlatego, że odcinki utrzymaniowe zawierają w sobie także odcinki diagnostyczne w lepszym stanie. Jeśli dopuszczalny udział takich odcinków w lepszym stanie jest znaczący, a zależy to od decyzji zarządcy sieci drogowej, to wartości średnie wskaźników zespolonych mogą prowadzić nawet diagnostycznych stanowią punkt wyjścia do sporządzenia planów utrzymaniowych. 36

6 Rys. 8. Lista odcinków utrzymaniowych odcinka autostrady A4 Katowice Kraków do przypisania odcinkom utrzymaniowym bardzo niskich klas potrzeb. Na etapie wstępnego planowania programów remontowych klasa potrzeb stanowi podstawowe kryterium kolejności realizacji zabiegów utrzymaniowych. Z uwagi na to, że w obrębie sieci drogowej wiele odcinków utrzymaniowych ma taką samą klasę potrzeb, konieczne jest dodatkowe kryterium pozwalające na ustalenie jednoznacznego priorytetu dla każdego odcinka. Tym dodatkowym, wtórnym kryterium jest suma średnich wartości wskaźników zespolonych μ(wsu mod ) i μ(wsk mod ), przemnożonych przez wskaźniki opisujące znaczenie transportowe poszczególnych odcinków utrzymaniowych w ramach badanej sieci drogowej. Ponieważ na całej długości odcinka autostrady A4 podlegającego badaniom znaczenie transportowe nie zmienia się, przyjęto wartości wskaźników transportowych równe 1. Innymi słowy o priorytecie odcinka utrzymaniowego decydują wyłącznie parametry techniczne nawierzchni opisujące stan konstrukcji oraz komfort i bezpieczeństwo jazdy. Ostatecznie priorytet odcinków utrzymaniowych jest opisywany przez wskaźnik pilności będący funkcją dwóch wskaźników: wskaźnika klasy potrzeb KP OU oraz wskaźnika określającego kolejność odcinków w obrębie jednej klasy potrzeb KP sort. Najwyższy priorytet (priorytet nr 1) otrzymuje odcinek o najwyższym wskaźniku pilności w obrębie badanej sieci drogowej. Najniższy priorytet przypisany jest odcinkowi o najniższym wskaźniku pilności. Jeśli zdarzy się, że więcej odcinków utrzymaniowych ma ten sam wskaźnik pilności, to najwyższy priorytet przypada na najdłuższy z tych odcinków. W zastosowanej metodzie bazuje się na automatycznej generacji odcinków utrzymaniowych, wykorzystując określone algorytmy. Przy podejściu inżynierskim, bazującym na doświadczeniu i wiedzy specjalisty, rezultat może być nieco inny. Na tym etapie analizy zastosowana metoda ma jednak szereg walorów. Przede wszystkim charakteryzuje ją niezależność od indywidualnych preferencji poszczególnych osób i tym samym nadaje się ona do wieloletnich obserwacji zmian w obrębie sieci drogowej lub rozdziału środków na poszczególne podsieci. Ostateczny zakres i rodzaj zabiegów są ustalane w kolejnych etapach, na podstawie wiedzy inżynierskiej i z wykorzystaniem dalszych kryteriów decyzyjnych, niedających się uwzględnić w procesie automatycznym. Rys. 9. Nałożenie wszystkich odcinków utrzymaniowych z lat

7 Wyniki analizy prezentowane są w formie zestawień (list) odcinków utrzymaniowych oraz są wizualizowane na mapach i profilach tematycznych. W każdym wierszu listy są podawane następujące informacje dotyczące jednego odcinka utrzymaniowego: globalny priorytet odcinka utrzymaniowego w obrębie całej sieci drogowej, lokalizacja odcinka utrzymaniowego na sieci, długość odcinka utrzymaniowego, skumulowana długość odcinków utrzymaniowych, wartości średnie zmodyfikowanych wskaźników WSU i WSK, klasa potrzeb odcinka utrzymaniowego, ważona suma średnich WSU i WSK danego odcinka utrzymaniowego (KPsort), pilność odcinka utrzymaniowego. Na rys. 8 pokazano fragment listy odcinków utrzymaniowych utworzonych dla odcinka koncesyjnego autostrady A4. Odcinki utrzymaniowe wizualizowane są na mapach i tematycznych profilach liniowych. Graficzne przedstawienie odcinków utrzymaniowych służy zarówno kontroli prawidłowości wykonanych obliczeń, jak również jest pomocne przy realizacji operacyjnych zadań w ramach planowania zabiegów utrzymaniowych. Plany utrzymaniowe dla koncesyjnego odcinka autostrady A4 zostały przygotowane w latach: 2013, 2014, 2016 i Nałożenie wszystkich odcinków utrzymaniowych na siebie pozwala wizualnie zidentyfikować miejsca najczęściej wytypowane do zabiegów. Im ciemniejszy kolor, tym częściej dany fragment znajdował się na liście odcinków utrzymaniowych. Taką prezentację przedstawia rys. 9. Wykres na rys. 10 pokazuje, jak zmieniała się suma długości odcinków utrzymaniowych w poszczególnych klasach potrzeb w latach poddanych badaniom. Diagram przepływów przedstawiony na rys. 11 pokazuje, w jaki sposób w ujęciu przestrzennym zmieniały się klasy odcinków utrzymaniowych. Prezentacja ta łączy w sobie Rys. 10. Suma długości odcinków utrzymaniowych w poszczególnych klasach potrzeb analizę czasową (lata), przestrzenną (wzajemne położenie odcinków utrzymaniowych) i analizę stanu (klasa potrzeb). Pokazuje, jak pomiędzy poszczególnymi latami następował przepływ odcinków z jednej klasy potrzeb do innej. Diagnostyka stanu nawierzchni pozwala na wyznaczenie optymalnych planów i priorytetów utrzymaniowych. Ułatwiają one zarządcy drogi podjęcie decyzji o planowanych pracach remontowych przy uwzględnieniu możliwości inwestycyjnych. Stwarzają one również szansę na osiągnięcie lepszego efektu technicznego przy takich samych nakładach pracy. Wieloletnia analiza programów utrzymaniowych dla autostrady A4 pokazuje, że konsekwentne realizowanie programu remontowego może prowadzić do poprawy stanu nawierzchni autostrady jako całości. Piśmiennictwo 1. Hildebrand G.: Development of a High Speed Deflectograph. Roskilde Nielsen C.P.: Greenwood TSD: Past, Present and Future. TRB, Washington Sudyka J., Tabor Z., Poteraj-Oleksiak A., Brzezińska P.: Ocena nośności sieci drogowych z wykorzystaniem ugięciomierza laserowego TSD. Magazyn Autostrady, 4/2017, s Rys. 11. Diagram przepływów w ujęciu procentowym 38