Identyfikacja stanu eksploatacyjnego dróg wojewódzkich na terenie województwa śląskiego

Transkrypt

1 prof. dr hab. inŝ. Dariusz Sybilski mgr inŝ. Tomasz Mechowski mgr inŝ. Jacek Sudyka inŝ. Przemysław Harasim Instytut Badawczy Dróg i Mostów Identyfikacja stanu eksploatacyjnego dróg wojewódzkich na terenie województwa śląskiego Exploitation state identification of the roads throughout the Silesian province Streszczenie: Badania konstrukcji nawierzchni, ocena jej nośności oraz określenie stanu eksploatacyjnego drogi są warunkiem koniecznym dla obiektywnego i racjonalnego planowania robót utrzymaniowych, zarówno o charakterze inwestycyjnym, jak i w odniesieniu do zabiegów bieŝących. Warunkują one takŝe moŝliwość racjonalnego wdroŝenia systemów zarządzania eksploatacją nawierzchni (PMS Pavement Management System). W gromadzeniu niezbędnych danych waŝnym czynnikiem jest ich kompletność, tzn. objęcie badaniami całej administrowanej sieci drogowej oraz identyfikacja w ramach jednego projektu wszystkich istotnych parametrów stanu. UmoŜliwia to dokonywanie kompleksowej oceny przy jednolitej aktualności wszystkich składników (parametrów stanu). W referacie zaprezentowane zostaną metody pomiarowe zastosowane w ramach projektu realizowanego dla Zarządu Dróg Wojewódzkich w Katowicach. Autorzy przedstawią równieŝ moŝliwości wykorzystania wyników identyfikacji juŝ na poziomie danych elementarnych. Abstract: Pavement construction research, evaluation of its bearing capacity and specifying the road exploitation state are necessary for objective and rational planning of the investments as well as the current maintenance works. They are also the basis for the introduction of the Pavement Management System (PMS). The essential part of the gathering the necessary data is its completeness i.e. including all the administrative road network in the research and identifying all the crucial state parameters in one project. It makes the total evaluation possible with the equal validity of all the components (state parameters). In the following report, there will be presented the measurement methods, which have been used during the realization of the Zarząd Dróg Wojewódzkich Katowice project. The authors will also present the possibilities of using the identification results on the level of elementary data.

2 1. Wprowadzenie W 2005 roku Instytut Badawczy Dróg i Mostów wspólnie z partnerem niemieckim (Schniering Ingenieurgesellschaft mbh) zrealizował na zlecenie Zarządu Dróg Wojewódzkich w Katowicach pracę polegającą na identyfikacji parametrów stanu technicznego ok km dróg województwa śląskiego. W ramach pracy wykonano: rozpoznanie konstrukcji nawierzchni metodą GPR (georadar), odwierty kalibracyjne wraz z dokumentacją, pomiary równości poprzecznej i podłuŝnej nawierzchni, pomiary ugięć nawierzchni aparatem FWD wraz z oceną nośności, identyfikację uszkodzeń powierzchniowych za pomocą systemu ARGUS, wideorejestracja dróg i jej otoczenia. Wyniki pracy wykorzystane zostaną przez ZDW w Katowicach do opracowania oceny stanu technicznego nawierzchni administrowanych dróg oraz wdroŝenia systemu zarządzania nawierzchniami. Wszystkie pomiary wykonane zostały w oparciu o istniejący system referencyjny. Sieć drogowa podzielona została w nim na odcinki, które wraz z ograniczającymi je węzłami sieciowymi identyfikują określony fragment drogi (Rysunek 1). Poszczególne odcinki sieciowe wyposaŝone są z kolei w ciągły pikietaŝ lokalny, zaczynający się na węźle początkowym danego odcinka, a kończący na kolejnym węźle w ciągu drogi. Przez podanie numerów obu sąsiednich węzłów i pikietaŝa lokalnego nadany jest kaŝdemu miejscu danej drogi jednoznaczny kod referencyjny. Rysunek 1 Sekcja mapy topograficznej z numeracją drogi i węzłów sieciowych 2. Badanie konstrukcji nawierzchni za pomocą georadaru Do rozpoznania konstrukcji nawierzchni stosuje się obecnie najnowszą technologię radarową, umoŝliwiającą wykonywanie badań nieinwazyjnych, w sposób bardzo wydajny i bez utrudnień dla ruchu drogowego. Penetroradar daje ciągłą informację o rodzaju konstrukcji nawierzchni, grubościach poszczególnych warstw, odcinkach jednorodnych oraz o występujących zmiennościach i anomaliach. Posiada wiele zastosowań,

3 m.in.: powierzchniową kontrolę jakości - pomiar faktycznych grubości warstw nowej konstrukcji nawierzchni, badania strukturalne identyfikację warstw konstrukcyjnych nawierzchni, określanie występujących zmienności w strukturze konstrukcji nawierzchni (wyznaczanie odcinków jednorodnych, ubytków, przewodów rurowych, itp.), diagnostykę obiektów mostowych - określanie grubości warstw bitumicznych i betonowych połoŝonych powyŝej zbrojenia, analizę sieci drogowych - dane o stanie konstrukcji nawierzchni dla sieci drogowej, moŝliwość integracji z istniejącymi bazami danych. Rysunek 2 Kalibracja zestawu pomiarowego GPR Podstawowe parametry pomiaru: głębokość penetracji do 2,5m, minimalna grubość warstwy - 2,5 cm, prędkość pomiarowa do 100km/h, częstotliwość pomiaru przy prędkości ok. 20 km/h 1cm. Zestaw pomiarowy GPR umoŝliwia równieŝ rejestrację wideo warunków przeprowadzanych badań oraz otoczenia wokół drogi. Tak zebrane dane wraz z określoną lokalizacją topograficzną dają moŝliwość analiz juŝ na poziomie danych elementarnych, które w zestawieniu z innymi cechami eksploatacyjnymi nawierzchni moŝna przedstawiać np. przy pomocy oprogramowania Road Doctor (Rysunek 3). W celu kalibracji pomiarów georadarem wykonano odwierty w nawierzchni sięgające do poziomu podłoŝa gruntowego. Lokalizacje miejsc odwiertów wyznaczono na podstawie analizy danych otrzymanych z badań georadarem. Na podstawie analizy i pomiarów rdzeni z odwiertów określone zostały: typy wszystkich warstw oraz grubości warstw. Do kaŝdego odwiertu wykonano fotografie cyfrowe miejsca pobrania odwiertu i rdzenia oraz sporządzono metrykę odwiertu z przedstawieniem podstawowych danych: lokalizacji, rodzajów i grubości warstw (Rysunek 4).

4 Rysunek 3 Wizualizacja danych przy uŝyciu oprogramowania Road Doctor Rysunek 4 Dokumentacja miejsc pobrania odwiertów

5 3. Ocena nośności nawierzchni Pomiar ugięć nawierzchni ugięciomierzem dynamicznym jest najwaŝniejszym badaniem słuŝącym do oceny nośności oraz projektowania wzmocnienia nawierzchni drogowych. Pozwala ono na określenie pozostałej trwałości konstrukcji drogowej, która jest przewidziana do modernizacji bądź teŝ pozostaje niezmieniona do dalszej eksploatacji. Na tej podstawie oraz w oparciu o prognozowaną wielkość ruchu drogowego określa się wielkość (grubość) wzmocnienia oraz technologię jego wykonania. Do badań ugięć najczęściej stosuje się urządzenia FWD (Falling Weight Deflectometer) (Rysunek 5) lub HWD (Heavy Weight Deflectometer). Urządzenie HWD pozwala dodatkowo na rozszerzenie zakresu wykonywanych badań o pomiary ugięć nawierzchni dróg wykonanych z betonu cementowego oraz nawierzchni lotniskowych. Charakterystyka badania: Rysunek 5 Ugięciomierz dynamiczny FWD obciąŝenie nawierzchni siłą 50 kn rozłoŝoną na płytę naciskową o promieniu 15 cm, pomiar czaszy ugięć za pomocą czujników przemieszczeń geofonów, ponadto rejestrowane wartości: siły impulsu, temperatury powietrza i warstw asfaltowych, dystans przebytej drogi. Rysunek 6 Schemat działania urządzenia FWD

6 Pomiary FWD wykonano na prawym pasie ruchu w śladzie prawego koła w obydwu kierunkach w odstępie co 200 m z przesunięciem 100 m względem przeciwnych kierunków. Na ich podstawie dokonano oceny nośności nawierzchni części dróg wojewódzkich, w oparciu o rozpoznaną konstrukcję nawierzchni i dane o ruchu drogowym z pomiaru GPR2000. W ocenie prognozowanego ruchu drogowego posłuŝono się opracowaniem firmy Transprojekt-Warszawa [1], natomiast współczynniki przeliczeniowe sylwetek pojazdów cięŝkich na osie obliczeniowe 100 kn przyjęto zgodnie z zaleceniami ZDW Katowice: samochody cięŝarowe bez przyczep 1,986, samochody cięŝarowe z przyczepą 3,928, autobusy 2,681. Oceny nośności dokonano metodą ugięć opisaną w Katalogu Wzmocnień i Remontów Nawierzchni Podatnych i Półsztywnych [2]. 4. Identyfikacja parametrów równości podłuŝnej i poprzecznej nawierzchni Celem pomiarów równości podłuŝnej i porzecznej jest planowanie zabiegów utrzymaniowych zapewniających zachowanie parametrów nawierzchni odpowiedzialnych za bezpieczeństwo i komfort jazdy, a takŝe minimalizację zwiększonego oddziaływania dynamicznego pojazdu wskutek powstałych nierówności. Pomiary równości prowadzone są w sposób automatyczny przy uŝyciu czujników laserowych. W badaniach sieci drogowej województwa śląskiego wykorzystano autorski pojazd pomiarowy ARGUS niemieckiej firmy Schniering. Zastosowano w nim układ dwóch belek z zainstalowanymi czujnikami laserowymi umoŝliwiający jednoczesny pomiar profilu podłuŝnego (Rysunek 7) i głębokości kolein (Rysunek 8). Ponadto pojazd wyposaŝony jest w układ kamer słuŝący do identyfikacji uszkodzeń powierzchniowych oraz rejestracji obrazu pasa drogowego. Profil podłuŝny: mierzony w poziomie prawego koła pojazdu, rejestrowana jest fala nierówności od 20 centymetrów do 100 metrów, moŝliwość uzyskania rozdzielczości pionowej 0,025 mm, pozwala na obliczenie wskaźnika IRI (International Roughness Index). Rysunek 7 Zestaw czujników do pomiaru równości podłuŝnej

7 Profil poprzeczny: mierzony co 1 m w kierunku podłuŝnym, szerokość moŝe się zmieniać maksymalnie do 3,8 m, wykorzystywany do obliczeń głębokości kolein zgodnie z zasadą łaty 2-merowej i teoretycznej głębokości wody w koleinie, moŝliwość uzyskania rozdzielczości pionowej 0,025 mm, punkty pomiarowe rozmieszczone co 10 cm, dostarcza danych o promieniu krzywizny łuku poziomego i pochyleniu poprzecznym. Rysunek 8 Pojazd ARGUS z zestawem czujników do pomiaru równości poprzecznej 5. Identyfikacja cech powierzchniowych (uszkodzeń) nawierzchni Oprócz innych badań przeprowadzona została takŝe inwentaryzacja uszkodzeń strukturalnych nawierzchni za pomocą technik wideo i oceny wizualnej. Metoda opiera się na podziale powierzchni pasa drogowego na trzy sektory elementarne o długości 1 m i szerokości równej 1/3 szerokości danego pasa drogowego, których obraz rejestrowany jest w sposób ciągły przez trzy niezaleŝne kamery zainstalowane na pojeździe pomiarowym ARGUS (Rysunek 9). Analiza uzyskanych obrazów odbywa się w specjalnie przeznaczonych do tego studiach, gdzie rozpoznane uszkodzenia nanoszone są do bazy danych sieci drogowej. W prezentowanej metodzie wyróŝnia się następujące uszkodzenia nawierzchni asfaltowych: spękania siatkowe i skupiska rys, łaty nałoŝone i wbudowane, wyboje, pojedyncze rysy i otwarte spoiny (połączenia), przebitumowania nawierzchni (wyciśnięte lepiszcze na powierzchni warstwy ścieralnej).

8 Rysunek 9 Pojazd ARGUS z zainstalowanymi kamerami 6. Rejestracja obrazu pasa drogowego Rejestracja obrazu pasa drogowego wykonana została przy uŝyciu pojazdu pomiarowego ARGUS. Efektem rejestracji jest szereg zdjęć wykonanych w odstępach 5 m i dowiązanych do istniejącego pikietaŝu lokalnego danego odcinka drogi. Tego rodzaju wyniki są uzupełnieniem wcześniej zgromadzonych danych. Mogą słuŝyć łatwej wizualnej lokalizacji wyników wcześniej przeprowadzonych pomiarów i ewentualnych uszkodzeń nawierzchni oraz prostym pomiarom geometrycznym lub inwentaryzacji oznakowania drogowego. Rysunek 10 Przykład wykorzystania obrazu pasa drogowego

9 7. Wnioski Rozwój motoryzacji a wraz z nim konieczność zapewnienia rosnących standardów utrzymania nawierzchni wymagają od zarządców dróg efektywnego administrowania siecią drogową. Nieodzownym elementem w sprostaniu tym potrzebom jest stosowanie nowoczesnych technik diagnostyki nawierzchni. Pozwalają one na kompleksowe badania istotnych parametrów stanu nawierzchni oraz ocenę jakości eksploatacyjnej sieci. Zbieranie danych nie moŝe być jednak jednorazową czynnością, lecz częścią planu wynikającego z całościowego harmonogramu zadań, gdyŝ tylko regularna aktualizacja danych pozwala na ocenę tempa degradacji sieci drogowej. Narzędziami stosowanymi do przetwarzania informacji zebranych w trakcie oceny stanu są systemy zarządzania nawierzchniami (PMS). Efektem ich wdroŝenia jest racjonalne wykorzystanie budŝetu oraz precyzyjna ocena nakładów finansowych potrzebnych w planowaniu zarówno krótko i długoterminowym. W badaniach drogowych przeprowadzonych na terenie województwa śląskiego wykorzystano najnowocześniejsze techniki pomiarów. Wśród nich naleŝy wyróŝnić bezinwazyjną metodę identyfikacji konstrukcji nawierzchni przy pomocy georadaru. Szczególną uwagę naleŝy zwrócić na unikatowy pojazd pomiarowy ARGUS, słuŝący do jednoczesnego zbierania kilku rodzaju danych, który minimalizuje koszty wykonania pomiarów oraz redukuje utrudnienia w ruchu drogowym. Zrealizowana praca pokazuje w jaki sposób naleŝy przeprowadzić badania diagnostyczne na duŝej sieci drogowej. Bibliografia 1. Katalog Typowych Konstrukcji Nawierzchni Podatnych i Półsztywnych, IBDiM Ruch drogowy Transprojekt Warszawa, Warszawa 2001