Doc. RNDr. Zdeněk Kaláb, CSc., Ing.
Jaromír Knejzlík, CSc. T6 Ústav geoniky AV ČR Ostrava
Metodika
posuzování seizmického zatížení historických důlních děl
na
příkladu Dolu Jeroným v Čisté
Abstract
Methodology of seismic loading evaluation of historical mine workings –
example of Mine Jeroným in Čistá (Czech Republic)
Historical Mine Jeroným is used as example for presentation of methodology of evaluation
of seismic loading of these structures. It is necessary to take into account
both natural and technical seismicity. At present, new seismic station is
operated in Mine Jeroným.
1. ÚVOD
Zvláštní kategorií podzemních staveb jsou důlních díla,
mezi nimiž své významné postavení mají historická důlní díla. Základní
podmínkou spolehlivosti podzemního objektu je jeho dlouhodobá stabilita a
přípustná přetvoření neohrožující jeho poslání. Stabilita podzemního díla
závisí na mnoha faktorech, které přehledně shrnul např. Rozsypal (2001,
kap. 4.5). Jedním z vlivů na stabilitu podzemních objektů, který nemusí
být zcela zanedbatelný, je seizmické zatížení díla, tj. vliv vibrací na
podzemní prostory.
Cílem
příspěvku je shrnutí metodiky pro posuzování seizmického zatížení historických
důlních děl. Obecné přístupy a doporučení budou konkretizovány na příkladu
historického Dolu Jeroným v Čisté u Slavkova (např. Iványi, 2000). Tato
unikátní památka byla v roce 1990 prohlášena kulturní památkou, následně
v roce 1993 byla založena Nadace Georgia Agricoly, která má za úkol
získávat finanční prostředky na obnovu, údržbu a zachování hornických památek a
tradic, zejména v oblasti Slavkovského lesa. Snaha Nadace o záchranu a
zpřístupnění kulturní památky Dolu Jeroným a jejího širšího okolí pro odbornou
i laickou veřejnost s sebou nese nutnost rozsáhlých stavebních úprav a
sledování geomechanické stability (např. Kořínek a Žůrek, 1999, Žůrek et al.,
2001, 2003).
2.
HODNOCENÍ SEIZMICKÉHO ZATÍŽENÍ PODZEMNÍCH OBJEKTů
Přirozený seizmický zdroj je určitá
oblast, v níž dojde k náhlým nevratným změnám v masivu (porušení
hornin), a z níž je následkem toho vyzářena seizmická energie. Tento
přírodní proces má velice komplikované vazby na celou řadu procesů
souvisejících především s geologií. Následkem této komplexnosti je stav,
kdy se přes značné úsilí a významný pokrok v řadě dílčích problémů dosud
nepodařilo nalézt spolehlivou metodiku úspěšné předpovědi velikosti, času a
místa vzniku porušení. Hlavní informace o zemětřesení poskytují seizmogramy,
tj. záznamy pohybů půdy v místě registrace.
Technickou
seizmicitou rozumíme seizmické otřesy vyvolané umělým zdrojem nebo indukovanou
seizmicitu. Charakter záznamu v časovém měřítku je závislý především na
zdroji; jde o rychle se tlumící seizmický impulz nebo jde o déle trvající
rázový projev. Skupina otřesů vyvolaných umělým zdrojem je tvořena především
vibracemi vzniklými při trhacích pracích, automobilovou a kolejovou dopravou,
pulzací vodního proudu, činností strojů a lidí nebo průmyslovou činností.
Seizmické otřesy buzené činností strojů jsou označovány jako průmyslová
seizmicita. Indukovaná seizmicita je dnes považována za nedílnou součást
lokální a regionální seizmicity (např. seizmické jevy indukované hornickou
činností, indukované v okolí přehrad, indukované při vtláčení nebo odebírání
media).
V podmínkách
České republiky je vliv vibrací na stavební objekty řešen technickou normou ČSN
73 0036 (resp. EUROCODE-8) pro přirozenou seizmicitu a ČSN 73 0040 pro
technickou seizmicitu (na Slovensku STN 73 0036). Tabulka tříd odolností
objektů řadí podzemní objekty do odolnostních tříd C až F, přičemž třída C
představuje keramické a kamenné obklady a dlažby v podzemních objektech
metra, v podchodech, …, třída D reprezentuje cihelné, kamenné a tvárnicové
vyzdívky v podzemních objektech.
Z pohledu
zatřídění objektů podle významu patří podzemní stavby do třídy významu I (dle
ČSN 73 0031). V této třídě jsou totiž řazeny mimo jiné budovy muzeí,
státních archívů, … Vyšší třída (U) zahrnuje významné objekty dopravních a
vodohospodářských celků, nižší třída (II) je představována objekty bytovými a
občanskými, objekty ústředních skladů, atd.
Dynamickou
odezvu způsobenou technickou seizmicitou s výjimkou odezvy od trhacích
prací z hlediska mezních stavů 1. skupiny není třeba analyzovat, pokud na
referenčním stanovišti není překročena hodnota dle normy ČSN 73 0040. Pro
hodnocení poškození objektů vlivem trhacích prací uvádí tatáž norma
informativní tabulku závislosti stupně poškození na maximální rychlosti
kmitání, na druhu objektu a na základové půdě.
Mezní hodnoty
uvádění v normách jsou však pouze orientační, protože normy obecně
představují zobecněná pravidla, která
nemohou postihnout specifické vlastnosti hodnocené oblasti nebo objektu,
nezahrnují mimořádné události, … Proto je nezbytné v odůvodněných
případech kvalifikovaně zhodnotit situaci, zpravidla za pomoci matematické
simulace, fyzikálního modelování nebo srovnáním se situací v podobných
podmínkách. Základním postupem ale vždy zůstává experimentální měření.
3. Přístup k hodnocení seizmického zatížení
historických důlních děl – na příkladu Dolu Jeroným
3.1. Geologicko-geotechnický monitoring
Sledování seizmického zatížení je
zpravidla realizováno v komplexu spolu s dalšími měřeními. Proto
alespoň stručně uveďme, že důvody a realizace geologických a geotechnických
sledování v historických důlních dílech vychází požadavku na omezené či
plné zpřístupnění těchto objektů. Monitoring je navrhován podle prvotního nebo
detailního geologického a geotechnického průzkumu, který dodává informace o
geologických a geotechnických poměrech dané lokality. Rozsah těchto prací je
plně závislý na místních poměrech, dosavadních znalostech a rozsahu plánovaných
záměrů pro zachování důlních objektů.
Současný
stav důlních děl historického Dolu Jeroným v Čisté u Slavkova byl podrobně
popsán v práci Žůrka a Kořínka (2003). Autoři poukazují nejen na všechny
faktory, které úzce souvisí s dobýváním na této lokalitě, ale také na
faktory, které jsou následkem opuštění a plánovaného nového zpřístupnění
důlních prostor. Při záchraně, obnově a zpřístupnění historických děl je kladen
důraz na zajištění geomechanické stability „zrekonstruovaných“, příp. nových
báňských děl. V roce 2001 byl na lokalitě Jeroným proveden geologický,
geomechanický a geofyzikální průzkum (Žůrek et al., 2001). V téže době
byly také instalovány geologické a geomechanické měřící body. Od této doby
probíhají kontrolní sledování (geologický monitoring, konvergenční měření,
hydrogeologická sledování), jejichž výsledky jsou prezentovány v příspěvku
Žůrka a Kořínka (tento sborník).
3.2. Stanovení seizmického zatížení
Jelikož jedním z důvodů ochrany
v Dole Jeroným jsou i unikátní památky na pracovní postupy želízkem a mlátkem do skalního masívu
nebo použití metody sázení ohněm.
Proto je vhodné uvažovat přísná kritéria pro vnější vlivy. Zmíněné památky jsou
podrobeny především časovému faktoru (zvětrávací procesy), mohou tedy být velmi
náchylné k poškození vibracemi. V tomto případě navrhujeme pro další
posuzování zařadit památku do třídy odolnosti C.
Při stanovení
seizmického zatížení lokality musíme vzít do úvahy všechny možné typy, tj.
přirozenou lokální a vzdálenou seizmicitu a seizmicitu technickou (např. Kaláb,
2003). Nejbližší ohnisková oblast přirozených zemětřesení ke sledované oblasti
lokality Dolu Jeroným v Čisté se nachází ve vzdálenosti přibližně 25 km
západním směrem (Kraslicko). Mladé tektonické pohyby doprovázené vulkanickou
činností ovlivnily geologickou stavbu tohoto regionu již během terciéru. I
v současné době jsou v západních Čechách a v Německu detekována
slabší zemětřesení, nejsilnější z nich jsou pociťována lidmi, kteří zde
žijí, nebo mohou poškodit budovy. Podle mapy seizmického ohrožení České
republiky (příloha národního aplikačního dokumentu připravovaného Eurokódu 8)
lze v zemětřesné západočeské oblasti očekávat zemětřesení
s makroseizmickou intenzitou 6o až 6,5o. Ve
studované oblasti jsou dále detekována intenzivní evropská zemětřesení.
Dokladované jevy pochází nejčastěji z alpských zemětřesných oblastí
(Rakousko, Švýcarsko, Itálie), dále Slovinska a rýnské oblasti (Německo,
Nizozemí). Tato zemětřesení, i s ohledem na blízkost kraslické zdrojové
oblasti, zřejmě významně nepřispívají k seizmickému zatížení studované
oblasti.
Pro
historická důlní díla připouštíme třídu významu objektu I a třídu odolnosti
objektu C. Pro dynamickou odezvu způsobenou technickou seizmicitou,
s výjimkou odezvy od trhacích prací, udává norma mezní hodnotu rychlosti
kmitání 1,5 mm.s-1 (pro mezní stavy 1. skupiny). Odezvu od trhacích
prací posoudíme následovně: Nepřipustíme-li žádná viditelná poškození (tj.
stupeň poškození 0) a je-li důlní dílo v pevných horninách (norma uvádí
výpočtovou únosnost nad 0,15 MPa), pak pro objekty třídy odolnosti C jsou
maximální rychlosti kmitání 10 – 20 mm.s-1 pro frekvenční rozsah
otřesu do 10 Hz, 20 - 30 mm.s-1 pro frekvenční rozsah otřesu 10 - 50
Hz a 30 – 50 mm.s-1 pro frekvenční rozsah otřesu nad 50 Hz.
Zařadíme-li historické důlní dílo mezi objekty ve zvláštní památkové péči
(odolnostní třída A), pak tabulkové hodnoty maximální rychlosti kmitání se sníží
až na 3 mm.s-1.
3.3. Monitorovací systém v Dole
Jeroným
Prvá
experimentální měření seizmických projevů v Dole Jeroným byla realizována
přenosnými seizmickými aparaturami PCM3-EPC2. Výsledky z těchto měření již
byly publikovány, např. Kaláb (2004).
V Ústavu geoniky
AV ČR byla pro instalaci na lokalitě Jeroným vyvinuta registrační
aparatura PCM3-EPC3 s vysokým krytím IP64. Tato aparatura koncepčně
vychází z aparatur PCM3-EPC2, které jsou popsány v práci Knejzlík and
Kaláb (2002), jde tedy o tříkanálový číslicový zapisovač se spouštěným záznamem
dat v PC. Spouštění záznamu je vyvoláno překročením amplitudy signálu přes
nastavenou komparační úroveň. Každý seismický jev je zaznamenán jako samostatný
datový soubor. Časová základna aparatury je synchronizována časovým normále
DCF.
S využitím komunikačního programu pcAnywhere fy
Symantec je vyřešen vzdálený přístup přes sériový port (a vhodný modem) do PC
v registrační aparatuře. Na stanici v dole Jeroným je použit GSM
modem Siemens TC35 Terminal. Vzdálený přístup do PC umožňuje především
operativní kontrolu funkčnosti aparatury, což je na vzdáleném stanovišti
složitý problém, a také telemetrický přenos zaregistrovaných dat.
Při konstrukci aparatury bylo v maximální míře
používáno obvodů CMOS, aby bylo dosaženo co nejnižší spotřeby napájecího proudu
a tedy prodloužení doby funkce ze záložní baterie. Také jako PC je použit
nejjednodušší jednodeskový počítač PCM3864 firmy Advantech. Jako hard disk je
použita Compact Flash karta 512 MB. Tím bylo dosaženo příznivé spotřeby
energie cca 20W, což je výhodné nejen z hlediska záložního napájení, ale i
z hlediska oteplení při vysokém krytí.
Pro spolehlivý provoz registrační aparatury na vzdálené
stanici je důležitá dostatečná kapacita záznamového média, co nejdelší doba
funkce ze záložního zdroje napájení a hlavně automatický start při
obnovení napájení po úplném vybití záložního napájecího zdroje nebo po
„vytuhnutí“ programu. Důležitá je také ochrana proti účinkům atmosférické
elektřiny. Proto jsou síťový přívod a všechny vstupy a výstupy registrační
aparatury vybaveny transientními
přepěťovými ochranami a anténní svod GSM modemu koaxiální bleskojistkou.
V červnu
2004 byla výše popsaná registarční aparatura instalována v důlních
prostorách dolu Jeroným a označena jako seizmická stanice JER1 (na
povrchu se nenachází vhodný objekt pro umístění registrační aparatury).
Z důvodu vysoké vzdušné vlhkosti a kapající vody je registrační aparatura
PCM3-EPC3 instalována spolu se záložní
baterií v další vodotěsné skříni (IP-65) s vodotěsnými průchodkami
pro vstupní a výstupní kabely (obr. 1, 2). Přijímač časového signálu DCF 77,5
kHz a GSM modem jsou instalovány do zvláštních vodotěsných skříněk.
Ke snímání
vibrací jsou použity tři seizmometry SM3 v geografickém uspořádání. Ukotveny
jsou na jednoduchý seizmický pilíř, aby byly zaznamenávány co nejvyšší
frekvence registrovaných seizmických jevů. Soustava je kryta stříškou proti
kapající vodě (seizmometry jsou vodotěsné, obr. 3). Po zesílení je signál veden
kabelem do registrační aparatury. Aby byla zvýšena odolnost kabelu proti
vlhkosti, byl tento speciální technologií navlečen do izolační trubice
(Knejzlík et al., 2002).
Obr. 3 Realizace seizmického pilíř s trol
Obr. 3
Realizace seizmického pilíře s trojicí seizmometrů SM3
Šachticí
Jeroným jsou vedeny k registrační aparatuře tři kabely: napájecí kabel,
kabel pro přenos časového signálu DCF 77,5 kHz (přijímač ve vodotěsné krabici
bylo možno umístit pod železný poklop, čímž je chráněn proti vandalům) a kabel
pro spojení s GSM modemem (modem je také ve vodotěsné krabici pod
poklopem). Anténa modemu musela být umístěna na cca šestimetrové tyči, neboť
v okolí jámy je k dispozici jen velmi slabý signál GSM sítě Oskar.
Obr. 4 Směrová
YAGI anténa pro přenos GSM signálu nad šachticí Jeroným
Zaznamenaná
data se zpracovávají v režimu off-line. Z ústavu geoniky je navázáno
datové spojení se stanicí JER1 a zaznamenaná data jsou přenesena do
interpretačního počítače, kde se poté dekódují a interpretují. Na obr. 5 je
příklad záznamu projevu trhací práce, který byl zaznamenán již výše popsanou
seismickou stanicí a do interpretačního centra přenesen prostřednictvím
vzdáleného přístupu. Odstřel trhaviny, který se používá jako součást
technologického postupu ražby inovované dědičné štoly (obr. 6), byl proveden
dne 7.7.2004 v 09:18. Shora dolů je složka vertikální, severojižní a
východozápadní, hodnoty maximální zaznamenané rychlosti kmitání (v m.s-1)
je uvedena vlevo od příslušné složky (složky normovány na tuto hodnotu).
Vodorovná osa je čas, vzdálenost dvou značek odpovídá 1 s.
Obr. 5 Záznam odstřelu trhavin dne 7.7.2004 v 09:18
Obr. 6
Pohled od zavalené původní dědičné štoly
4. ZÁVĚR
V předloženém
příspěvku je shrnut metodický postup při posuzování seismického zatížení
historických důlních děl. Stručně lze shrnout seizmologické úvahy do
následujících témat:
-
hodnocení přirozené seizmické aktivity v blízkém okolí,
-
předpokládané projevy technické seizmicity – zatížení
dopravou na komunikaci a projevy trhacích prací z okolních lomů,
-
krátkodobé experimentální měření přirozeného seizmického
pozadí,
-
návrh systému seizmologického monitoringu
-
realizace seismické stanice
-
experimentální měření a interpretace získaných dat.
Specifické
požadavky jsou v těchto případech kladeny na přísnou ochranu dochovaných
památek, nutnost „šetrné instalace“ měřícího zařízení a individuální posuzování
naměřených dat. Na příkladu realizace seizmologického monitoringu na
historickém Dole Jeroným u Čisté byl dokumentován možný postup hodnocení seismického
zatížení této lokality. Vzhledem k plánovaným stavebním úpravám, byla na
této lokalitě uvedena do provozu trvalá seizmické stanice. Další metodické
závěry bude možno provést po získání zkušeností z provozu stranice
v důlním díle a po zaznamenání dostatečného
souboru seizmických jevů.
Příspěvek
byl zpracován za finanční podpory Programu badatelského výzkumu
v klíčových oblastech vědy pěstovaných v AV ČR K 3012103
„Procesy uvnitř a na povrchu zemského tělesa“. Autoři děkují pracovníkům firmy
DIAMO, s.p. SUL, Příbram, o.z., především Ing. Josefu Bernardovi, za spolupráci
při realizaci měření.
Literatura
ČSN 73 0031 Spolehlivost
stavebních konstrukcí a základových půd.
ČNI 1988.
ČSN 73 0040 Zatížení
stavebních objektů technickou seizmicitou a jejich odezva. ČNI 1995.
Iványi, K. (2000): Důl Jeroným – historie a možnost současného využívání. Uhlí – Rudy – Geologický průzkum, 11/2000, 42-45.
Kaláb,
Z. (2003): Posouzení seismického zatížení středověkého Dolu Jeroným v České
republice. Acta Montanistica Slovaca. Roč. 8(2003), č.1, Košice, Slovensko,
36-41.
Kaláb,
Z. (2004): Sledování vlivu vibrací na historické důlní dílo Jeroným – Čistá.
Geotechnika 2004, ORGWARE, Slovensko, v tisku.
Knejzlík,
J. and Kaláb, Z. (2002): Seismic Recording Apparatus PCM3-EPC. Publs. Inst.
Geophys. Pol. Acad. Sc., M-24(340), 187-194.
Knejzlík, J., Rambouský, Z., Bláha, P.
a Duras, R. (2002): Aparatura pro měření měrného odporu a teploty kapaliny ve
štíhlých vrtech ROT100. In: Kaláb, Z.(ed.): Laboratorní a terénní bádání v seismologii
a inženýrské geofyzice. Sborník konference, Ústav geoniky AV ČR, Ostrava,
231-237.
Kořínek, R. a Žůrek, P. (1999): Návrh postupu prací k zpřístupnění
technické kulturní památky bývalého Dolu Jeroným v Čisté, okres Sokolov.
38. ročník sympózia „Hornická Příbram ve vědě a technice“, Příbram.
Rozsypal, A. (2001): Kontrolní
sledování a rizika v geotechnice. JAGA group, Bratislava.
Žůrek, P. a Kořínek, R. (2003):
Zpřístupnění středověkého Dolu Jeroným v České republice. Acta
Montanistica Slovaca, roč. 8, č. 2-3, 96-100.