«ГЕОДЕЗИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ, СООРУЖАЕМЫХ ГОРНЫМ СПОСОБОМ ...»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ

СООБЩЕНИЯ»

На правах рукописи

Богомолова Наталья Николаевна

ГЕОДЕЗИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ,

СООРУЖАЕМЫХ ГОРНЫМ СПОСОБОМ

Специальность 25.00.32 – Геодезия Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Брынь Михаил Ярославович Санкт-Петербург -

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ И НОРМАТИВНЫХ

ДОКУМЕНТОВ ПО ПРОБЛЕМЕ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ, СООРУЖАЕМЫХ ГОРНЫМ

СПОСОБОМ 1.1 Общие сведения о строительстве транспортных тоннелей горным способом 1.2 Анализ деформационных процессов, развивающихся в ходе строительства тоннелей 1.3 Анализ требований нормативных документов к производству наблюдений за деформациями сооружаемых тоннелей 1.4 Анализ существующего опыта наблюдений за деформациями строящихся тоннелей 1.5 Место и сущность геодезического мониторинга при строительстве тоннелей 1.6 Выводы по разделу 1

2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

ПОРТАЛЬНЫХ ЧАСТЕЙ ТОННЕЛЯ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНОГО

ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ И

СТАТИСТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ДАННЫХ

2.1 Постановка задачи 2.2 Расчет требуемой точности определения деформаций 2.3 Предрасчет точности геодезических измерений смещений в горизонтальной плоскости 2.4 Предрасчет точности геодезических измерений смещений в вертикальной плоскости 2.5 Выбор мест размещения деформационных марок. Расчет периодичности наблюдений 2.6 Измерения деформаций грунтового массива при помощи скважинных инклинометров 2.7 Обработка результатов тахеометрических и инклинометрических измерений деформаций 2.8 Прогнозирование поведения деформационных процессов 2.9 Выводы по разделу 2

3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

ЗОНЫ ВЫРАБОТКИ 3.1 Постановка задачи 3.2 Предрасчет точности наблюдений за смещениями контура выработки 3.3 Определение смещений контура выработки 3.4 Априорная оценка точности подземной геодезической мониторинговой сети с учетом производства дополнительных линейноугловых измерений 3.5 Контроль стабильности пунктов мониторинговой сети на основе применения корреляционного анализа 3.6 Предрасчет точности геодезических мониторинговых плановых сетей на основе компьютерного моделирования 3.7 Предрасчет точности геодезических мониторинговых высотных сетей 3.8 Выводы по разделу 3

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ

РАЗРАБОТОК ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ТРАНСПОРТНЫХ

ТОННЕЛЕЙ 4.1 Геодезический мониторинг припортальной зоны автодорожного тоннеля, сооружаемого горным способом 4.2 Геодезический мониторинг выработки строящихся автодорожных 4.3 Исследование методики проектирования внутренней плановой геодезической мониторинговой сети в тоннеле на основе компьютерного

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время наблюдается увеличение объемов работ в области тоннелестроения, лишь на железных дорогах РФ за последние четыре года построено более 50 км тоннелей. Все чаще реализуются уникальные проекты в сложных гидрогеологических условиях, или предусматривающие высокоточного геодезического сопровождения. Строительство транспортных тоннелей по большей части осуществляется горным способом, при этом проявляется в виде деформационных процессов, протекающих на дневной поверхности, в незакрепленной выработке и в конечной обделке тоннеля, отстающей от забоя на установленную проектом величину.

Пренебрежение особыми условиями строительства тоннелей зачастую является причиной возникновения аварий с последующим разрушением несущих конструкций. Наибольшую опасность при сооружении тоннелей представляет неконтролируемое увеличение горного давления. Задачу наблюдения, анализа и прогноза состояния конструкций тоннелей позволяет решить производство геодезического мониторинга.

В настоящее время разработаны теоретические основы и накоплен значительный опыт по производству геодезического мониторинга деформаций различных инженерных сооружений. Существенный вклад в развитие данного направления внесли известные ученые: Б. Н. Жуков, А. К. Зайцев, Е. Б. Клюшин, Г. Д. Курошев, Г. П. Левчук, М. Е. Пискунов, Г. А. Шеховцов и др. Однако, существующие нормативные документы, содержащие конкретные рекомендации по производству наблюдений за смещениями на строящихся тоннелях, не предусматривают применение современных электронных средств измерений. Это свидетельствует о геодезических мониторинговых сетей при строительстве тоннелей, производства наблюдений за смещениями и составления краткосрочного прогноза развития деформаций. Поэтому необходимым становится разработка системы геодезического мониторинга, позволяющей оперативно решать задачи по безопасному ведению проходческих работ.

Цель диссертационной работы. Разработка методики геодезического мониторинга транспортных тоннелей, сооружаемых горным способом.

Идея работы заключается в оптимизации процесса проектирования, создания и контроля геодезической мониторинговой планово-высотной сети и осуществления на ее основе геодезического мониторинга деформаций современными средствами геодезических измерений.

Задачи исследований:

• Анализ современного состояния методов определения деформаций при строительстве транспортных тоннелей, в том числе при строительстве сопутствующих данному способу строительства тоннелей.

геодезической мониторинговой планово-высотной сети.

• Исследование точности элементов полигонометрических ходов при осуществлении избыточных измерений для обеспечения геодезического мониторинга.

• Разработка методических рекомендаций по проектированию и производству геодезических наблюдений за горизонтальными и вертикальными смещениями портальных конструкций и зоны выработки.

• Обоснование применения методов статистического анализа при обработке результатов геодезических измерений смещений.

• Разработка методики составления краткосрочного прогноза деформационных процессов, развивающихся в грунтовом массиве и конструкциях сооружаемого тоннеля.

Методы исследований. Теоретические методы: теория погрешностей монотонность, анализ временных рядов, анализ распределения величин, производственных результатов геодезического мониторинга смещений, натурные и модельные исследования.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Геодезический мониторинг портальных частей строящегося тоннеля должен производиться на основе комплексного применения электронных тахеометров и скважинных инклинометров с опорой на геодезическую мониторинговую сеть. Результаты измерений смещений следует подвергать корреляционному анализу, а прогноз осуществлять на основе анализа временных рядов.

2. Геодезический мониторинг выработки следует производить путем относительно пунктов геодезической мониторинговой сети. Плановую мониторинговую сеть следует создавать методом полигонометрии, осуществляя в необходимых случаях дополнительные линейно-угловые измерения по схеме «через пункт» и «на каждом пункте».

Научная новизна работы:

геодезической мониторинговой планово-высотной сети, расположенных на дневной поверхности и в зоне выработки.

геодезической мониторинговой плановой сети, основанные на выполнении дополнительных линейно-угловых измерений по схеме «через один пункт» и «на каждом пункте», обеспечивающие повышение точности до 2,8 раза.

Получены расчетные формулы.

• Предложено при контроле устойчивости планового положения основанного на корреляционной зависимости горизонтальных углов и длин сторон полигонометрии.

• Предложена технологическая схема и методика производства геодезического мониторинга в припортальной зоне, обеспечивающая сбор данных о деформациях грунтового массива при помощи скважинных инклинометров и сбор данных о перемещениях конструкций тоннеля электронным тахеометром способом свободной станции. Обосновано соотношение погрешностей обратной засечки при определении положения станции и погрешностей полярного способа при определении положения деформационных марок.

• Разработана методика определения смещений контуров выработки координатным методом.

• Для комплексной оценки развития деформационных процессов предложено применять методы статистики, в частности корреляционного анализа и анализа рядов измерений на монотонность, прогнозирование предложено осуществлять на основе принципов анализа временных рядов.

подтверждается согласованностью теоретических результатов исследований с экспериментальными данными; совпадением величин деформационных характеристик, определенных различными средствами геодезических измерений; совпадением результатов аналитических и модельных исследований.

Практическая значимость работы:

• Разработана методика геодезического мониторинга транспортных тоннелей, сооружаемых горным способом, основанная на комплексном применении электронных средств измерений и методов статистического анализа.

• Адаптирован известный способ контроля устойчивости реперов, основанный на исследовании корреляционных зависимостей, для анализа устойчивости пунктов подземной геодезической мониторинговой плановой сети.

• Даны практические рекомендации по размещению контрольноизмерительной аппаратуры (КИА) на дневной поверхности в припортальной зоне и в зоне выработки.

• Сформулированы условия, при которых возможно применение геодезических засечек при производстве мониторинга с обеспечением заданной точности определения положения точки стояния электронного тахеометра.

• Выполнены экспериментальные исследования деформационных процессов, протекающих в грунтовой среде, окружающей выработку, при строительстве тоннелей.

• Результаты диссертационной работы внедрены в производственную деятельность ОАО «Гипротрансмост», что подтверждено актом о внедрении.

докладывались на 10-й международной конференции геодезии, картографии и геоинформатики «Geoform+» (Москва, КВЦ «Сокольники», март 2012); 8-й международной научно-практической конференции «Новейшие достижения геодезии, геоинформатики и землеустройства – Европейский опыт»

(Чернигов, ЧГИЭиУ, май 2012); 14-й международной научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (Москва, МИИТ, октябрь 2013); международной научно-методической конференции «Путь XXI века» (Санкт-Петербург, ФГБОУ ВПО ПГУПС, февраль 2013 г.);

межвузовской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития методов и средств выполнения топографо-геодезических работ.

Пути совершенствования подготовки специалистов в области топогеодезического и навигационного обеспечения войск» (ФГВОУ ВПО международной научно-практической конференции, посвященной 20-летию Общества геодезии и картографии Санкт-Петербурга «Актуальные проблемы инженерных изысканий, геодезических, картографических и кадастровых работ» (пос. Репино, октябрь 2012 г.); заседаниях кафедры «Инженерная геодезия» ФГБОУ ВПО ПГУПС.

определения положения деформационных марок на дневной поверхности и в зоне выработки. Определены требования к точности положения пунктов геодезической мониторинговой планово-высотной сети, к точности обратной засечки и к максимальной удаленности деформационных марок, а также обоснован порядок выбора методики геометрического нивелирования при создании геодезической мониторинговой высотной сети.

Автором предложены и проанализированы возможные варианты производства дополнительных измерений при развитии подземной геодезической мониторинговой сети в тоннеле, способствующие повышению точности ее элементов, а также адаптирован известный ранее способ контроля стабильности реперов для анализа устойчивости пунктов плановой мониторинговой подземной сети.

исследования перемещений грунтовой среды, обоснована методика совместной обработки результатов измерений инклинометром и электронным тахеометром на основе корреляционного анализа. Разработаны рекомендации по составлению краткосрочного прогноза поведения деформационных процессов.

Публикации. Основное содержание работы

отражено в 7 публикациях, 4 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 164 страницах машинописного текста, содержит 34 рисунка, 25 таблиц, 5 приложений и список литературы из 114 наименований.

1 АНАЛИЗ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ И НОРМАТИВНЫХ

ДОКУМЕНТОВ ПО ПРОБЛЕМЕ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ, СООРУЖАЕМЫХ ГОРНЫМ СПОСОБОМ

1.1 Общие сведения о строительстве транспортных тоннелей горным Тоннели относятся к наиболее сложным и дорогостоящим искусственным сооружениям транспорта, рассчитанным на длительный срок эксплуатации [49, 99]. Согласно [96], железнодорожные и автодорожные тоннели следует относить к I повышенному уровню ответственности сооружений, отказы которых могут привести к тяжелым экономическим, социальным и экологическим последствиям.

Строительство тоннелей выполняется различными способами – горным, щитовым, открытым и специальным.

При открытом способе конструкции тоннеля возводят в открытом котловане или траншее. Способ находит применение при строительстве тоннелей мелкого заложения, и согласно [23, 51] в последние годы, открытый способ заменяется полуоткрытым способом, предусматривающим возведение конструкций по технологии «стена в грунте». Другой способ сооружения тоннелей – щитовой, применяется в сильнотрещиноватых скальных, слабоустойчивых и мягких грунтах. Проходческий щит – это мобильная крепь, обеспечивающая безопасное ведение работ по разработке грунта и сооружению обделки.

Наиболее старым, широко применяющимся и универсальным является горный способ строительства тоннелей [24, 99]. Горный способ предполагает разработку грунта в забое с применением временной крепи и последующим возведением постоянной конструкции – тоннельной обделки. В зависимости от условий работ, проектом назначается величина допускаемого отклонения забоя от конечной обделки. Этим обусловлен выбор схемы организации работ, которая может быть последовательной, параллельной и совмещенной [11].

При последовательной схеме проходка ведется по всей длине тоннеля, после чего возводится обделка, при этом упрощается организация работ и становится возможным применение высокопроизводительной техники и сложного оборудования. Однако, применение такой схемы работ часто возможно лишь в устойчивых грунтах [11, 102, 39, 24].

При параллельной схеме проходческие работы и возведение обделки производят одновременно, ввиду ограниченного количества времени, отведенного на сооружение тоннеля. При возможном резком увеличении горного давления, обделку монтируют с наименьшим отставанием от забоя, работая по совмещенной схеме [11, 102, 39, 24].

Согласно [11, 24], в зависимости от инженерно-геологических условий, размеров, формы поперечного сечения и длины тоннеля различают три группы способов производства работ. Выбор наиболее рациональной схемы производства горных работ обусловлен технико-экономическим сравнением вариантов проекта сооружаемого тоннеля. К первой группе способов относят те, которые характеризуются полным раскрытием забоя с постановкой временной крепи и последующим возведением обделки (рисунок 1.1.1). К этой группе относят способы полностью раскрытого профиля, сплошного забоя, ступенчатого забоя, верхнего и нижнего уступов, центральной штольни, новоавстрийский метод (НАТМ).

Рисунок 1.1.1 – Пример сечения тоннеля, сооружаемого НАТМ Ко второй группе относят методы, при которых раскрывается верхняя часть выработки (калотта), после чего бетонируется свод, опирающийся на грунт. Под защитой возведенного свода производится разработка нижней части выработки (штроссы) и подводка стен (рисунок 1.1.2). Таким способом является способ опертого свода [11, 102, 39, 24].

Рисунок 1.1.2 – Последовательность разработки грунта способом опертого К третьей группе принадлежит способ опорного ядра, при котором проходят боковые штольни, в которых бетонируют стены обделки, после чего раскрывают калотту и возводят свод, опираемый на стены (рисунок 1.1.3). Под защитой свода удаляют ядро грунта, которое на время проходки штолен и калотты служит опорой временной крепи [11, 102, 39, 24].

Рисунок 1.1.3 – Последовательность разработки грунта способом опорного Способ сплошного забоя применяется в относительно устойчивых грунтах, при этом в качестве временной крепи может быть использована арочная, анкерная и набрызгбетонная крепь. В неустойчивых грунтах этот способ может применяться в сочетании с устройством опережающего экрана из труб [11, 102, 39, 24].

Способ нижнего уступа обеспечивает безопасность ведения работ при условии высокой производительности в тоннелях значительной высоты, прокладываемых в устойчивых грунтах. Разработку верхней части сечения производят способом сплошного забоя, нижней части – без боковых штросс [11, 102, 39, 24].

Способ опертого свода допускается применять при условии, что грунты способны выдерживать давление свода. В зависимости от характеристик грунтов проходку ведут по одно- или двухштольневой схеме.

Средняя штросса разрабатывается после набора прочности свода, боковые штроссы разрабатывают в шахматном порядке или одновременно, закрепляя их временной крепью [11, 102, 39, 24].

Способ опорного ядра применяется в случае, если грунты не способны воспринимать давление свода обделки. Грунт разрабатывается по контуру выработки, при этом временная крепь опирается на грунтовый массив в центральной части сечения, а обделка возводится по частям, начиная со стен [11, 102, 39, 24].

При разработке грунта преимущественно используют комбайны, имеющие стреловидный рабочий орган, которые позволяют осуществлять проходку переменного поперечного сечения [11, 24]. Для погрузки и транспортировки разработанного грунта применяются тоннельные экскаваторы и различные погрузочные машины, наиболее часто – погрузчики нижнего захвата с ковшом в качестве рабочего органа и погрузчики бокового захвата с нагребающими лапами [11, 24].

При разработке грунта зону забоя часто закрепляют временной крепью, в качестве которой применяется арочная, анкерно-арочная, анкерная и набрызгбетонная крепь. Арочная крепь представляет собой стальные арки двутаврового сечения, монтируемые с определенным шагом и имеющие продольные связи. Каждая арка имеет развитую пяту, которую заглубляют до ненарушенного грунта в момент монтажа крепи. Продольными связями служат металлические скобы (рошпаны), работающие на сжатие и растяжение. Арки в сочетании с анкерами, закрепляющими арки и горный массив, представляют собой анкерно-арочную крепь.

Анкерная крепь применяется в грунтах средней устойчивости, в сочетании с армированной сеткой из проволоки малого диаметра. Анкеры могут быть металлическими, железобетонными или сталеполимерными в зависимости от характеристик грунтового массива. Набрызгбетонная крепь может применяться как самостоятельно, так и в сочетании с арками, анкерами и армированными сетками. Подбор состава набрызгбетона производится аналогично подбору состава бетона нужного класса [11, 102, 39, 24].

Основная несущая конструкция тоннеля – обделка – закрепляет горную выработку и воспринимает все виды действующих нагрузок [49]. При возведении обделок из монолитного бетона широко применяются инвентарные передвижные опалубки. Длина заходки бетонирования зависит от геологических условий строительства [11, 102, 39, 24]. Для тоннельных обделок применяется сборный и монолитный бетон и железобетон, чугун, сталь, набрызгбетон и камень. Требования к материалам определяются типом конструкции, условиями ее работы и сформированы действующими нормативными документами.

1.2 Анализ деформационных процессов, развивающихся в ходе Согласно [49], основные факторы, влияющие на условия работы основной несущей конструкции тоннелей, могут быть поделены на четыре группы.

Внешние природные условия – геологические, гидрогеологические, климатические и сейсмические условия. К геологическим условиям следует отнести мощность и характер покровного слоя, угол внутреннего трения и сцепления породы, наличие поверхностей скольжения, карстовых пустот вблизи тоннельной обделки. Влияние гидрогеологических условий на работу обделки проявляется в виде химического воздействия подземных вод и увеличения гидростатического давления на конструкцию. Высокая сейсмичность может также стать причиной деформаций и разрушения обделки и порталов тоннелей.

Геометрические параметры и конструктивные характеристики – длина, поперечное сечение, план трассы, продольный профиль; материал обделки, порталов, ниш; гидроизоляция и др. Перечисленные характеристики влияют на условия проветривания тоннелей и воздействие вредных газов на материал конструкций, особенно в железнодорожных тоннелях.

Строительные характеристики – отступления фактического состояния конструкций от проектного. Увеличение толщины обделки, наличие пустот в ней, нарушение целостности водонепроницаемого слоя в процессе строительства может стать причиной ухудшения условий работы конструкций тоннеля.

Эксплуатационный режим тоннеля – род тяги в железнодорожных тоннелях.

Все перечисленные факторы должны быть учтены при изысканиях, проектировании, строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей с целью снижения риска возникновения деформаций.

На этапе строительства в момент разработки грунтового массива причиной развития деформаций является увеличение горного давления. В зависимости от гидрогеологических условий, горное давление может развиваться в различных направлениях, вызывая тем самым такие деформации как осадка креплений при проходке штолен и разработке калотт, осадка сводовой части обделки, сближение стен обделки, выпучивание пят рам, обратных сводов и лотков [7]. Многочисленные исследования тоннелей показали, что наиболее часто среди прочих повреждений тоннельных обделок встречаются следующие: продольные трещины, поперечные трещины, косые трещины, сквозные вывалы, несквозные вывалы [49].

Следует отметить, что при строительстве тоннелей деформации развиваются не только в подземных сооружениях, но и в зоне окружающей застройки. Большой вклад в развитие методов изучения процесса сдвижения грунтов при горных разработках и охраны зданий и сооружений, расположенных на подрабатываемой поверхности, внесли ученые:

С.Г. Авершин, А.Г. Акимов, В.И. Борщ-Компаниец, В.А. Букринский, В.Н. Земисев, М.А. Иофис, Ю.А. Кашников, Г. Кратч, А.Н. Медянцев, Р.А. Муллер, Г.Л. Фисенко и др.

Разработке современных методов расчёта сдвижений при сооружении тоннелей посвящены работы Е.М. Волохова, Е.А. Демешко, М.В. Долгих, С.Г. Мандрикова, В.Ф. Подакова и др.

Размеры зоны влияния строительства тоннелей могут быть определены теоретически в рамках технического обоснования проекта или назначены исходя из результатов технологических испытаний, проведенных на данной строительной площадке, или принятые по аналогам [44]. В практике тоннелестроения часто зону влияния тоннеля принимают равной полуторной или двойной глубине его заложения. Здания, расположенные в зоне влияния строящегося тоннеля, могут получать осадки, чаще неравномерные. При этом величины осадок зданий могут превосходить величины осадок, развивающихся в тоннеле. При существенных неравномерных осадках окружающей застройки могут возникнуть следующие виды деформаций:

прогиб, выгиб, сдвиг, крен, перекос и пр. (рисунок 1.2.1) [105].

Рисунок 1.2.1 – Прогиб (а), выгиб (б), сдвиг (в), крен (г), перекос (д) Как отмечают авторы [31, 48, 68], развитие неравномерных осадок гораздо более опасно по сравнению с развитием равномерных осадок, так как может стать причиной напряжения в несущих конструкциях сооружения, снижения его прочности и устойчивости.

Согласно [104], можно выделить следующие негативные воздействия строительства подземного сооружения на окружающую застройку:

• изменение статических условий работы оснований существующей застройки в период производства работ нулевого цикла (устройство котлована в припортальной выемке; устройство ограждающих конструкций;

воздействие анкерного крепления ограждения котлована на массив грунта и пр.);

• изменение гидрогеологических условий на территории вокруг объекта в период производства работ нулевого цикла (понижение уровня грунтовых вод, локальное обводнение массива и пр.);

• возникновение дополнительных технологических нагрузок на основание в период возведения объекта (ударные и вибрационные нагрузки от погружения свай, шпунтовых ограждений; изменение статических условий работы массива при переборе грунта вследствие изготовления буровых свай; нагрузки, связанные с инъецированием, замораживанием грунта и т. п.);

• изменение статических условий работы оснований существующей застройки, обусловленное нагружением веса подземного сооружения.

В процессе наблюдений за деформациями, развивающимися в зоне окружающей застройки, определяют величины горизонтальных и вертикальных смещений, которые могут быть выражены через деформационные характеристики, приведенные ниже [31, 43, 47, 50, 57, 65, 70, 73].

Абсолютная осадка S каждой осадочной марки где H 0 – отметка осадочной марки нулевого цикла измерений, H i – отметка осадочной марки последующего цикла измерений.

Средняя осадка S всего сооружения где n – количество осадочных марок на сооружении.

Разность осадок S двух осадочных марок в одном цикле наблюдений где i и j – номера осадочных марок.

Относительная разность осадок K отдельных частей сооружения где l – горизонтальное расстояние между осадочными марками i и j.

Симметричный относительный прогиб f отдельных частей сооружения где S к - осадка осадочной марки, расположенной в середине между марками i и j.

Абсолютное горизонтальное смещение q отдельной деформационной марки сооружения где q x и q y – составляющие горизонтального смещения по осям координат, x0, y0 и xi, yi – координаты деформационной марки соответственно в начальном и последующем циклах наблюдений.

Крен (наклон) сооружения Q где Qx и Q y – составляющие крена по осям координат, xв, yв и xн, yн – координаты деформационных марок, расположенных соответственно в верхнем и нижнем сечении сооружения.

Относительный крен сооружения где H – расстояние между точками, расположенными в верхнем и нижнем сечении сооружения. Если величина H соответствует высоте сооружения, то величина Q характеризует полный крен сооружения.

Средняя скорость деформаций Vср, которая показывает изменение величины деформации за выбранный интервал времени.

где Ф – общее обозначение деформации (осадка, горизонтальное смещение, крен и т. д.), n и m – циклы измерений, t – промежуток времени между циклами.

1.3 Анализ требований нормативных документов к производству наблюдений Основной федеральный нормативный документ, действие которого реконструкцию действующих тоннелей на железных дорогах колеи 1520 мм железнодорожные и автодорожные» [96]. Согласно данному документу, в тоннелях, сооружаемых и эксплуатируемых в особо сложных условиях, в зонах тектонических разломов с неустойчивыми водонасыщенными грунтами, на участках нестабилизирующегося горного давления следует предусматривать установку контрольно-измерительной аппаратуры для наблюдений (мониторинга) за состоянием обделки и окружающего тоннель грунта как в период строительства, так и в процессе эксплуатации тоннеля.

Схему установки аппаратуры и результаты наблюдений, выполненных в период строительства, надлежит передавать заказчику вместе с исполнительной документацией [96].

Кроме федерального нормативного документа существуют еще ведомственные нормы ВСН 160-69 «Инструкция по геодезическим и маркшейдерским работам при строительстве транспортных тоннелей» [36], содержащие более конкретные рекомендации по производству наблюдений в зоне выработки и в пределах окружающей застройки. Согласно [36] с целью выявления осадок зданий и сооружений, расположенных на дневной поверхности, следует выполнять периодическое нивелирование по деформационным реперам, установленным на зданиях. Для осуществления наблюдений за деформациями в зоне выработки следует производить периодическое нивелирование сводовой части крепи и обделки, а также измерение горизонтальных расстояний между знаками, заложенных в стенах тоннеля [36].

Существуют также и территориальные нормы, учитывающие особенности условий устройства оснований и фундаментов подземных сооружений для определенных территорий. Так, для Москвы разработаны нормативные документы [71, 72, 80, 81], для Санкт-Петербурга – [78, 80].

Анализ нормативных документов [34, 72, 36, 96] показал, что в них не содержится информация о величинах допустимых горизонтальных и вертикальных смещений, отсутствуют данные о требуемой точности определения смещений в зоне выработки, не предусмотрено применение современных геодезических приборов, позволяющих выполнять наблюдения за смещениями оперативно с высокой точностью. Важно отметить, что существующие рекомендации нормативных документов не предполагают наблюдение за смещениями портальных конструкций тоннеля, расположенных на дневной поверхности, а также определение направлений выявленных смещений. Кроме того, в документах отсутствуют рекомендации по составлению прогноза деформационных процессов.

1.4 Анализ существующего опыта наблюдений за деформациями строящихся В настоящее время накоплены теоретические разработки и практический опыт при наблюдениях за смещениями строящихся тоннелей.

Анализ теоретических источников [79, 8, 49] показал, что при производстве наблюдений за деформациями при строительстве тоннелей, можно выявить наиболее часто встречающиеся виды работ, которые представлены ниже.

Наблюдения за деформациями бетонных сводов производят с момента раскрытия калотт [7], производя нивелирование закрепленных в калотте знаков каждые два-три дня до момента схватывания бетона. При этом в качестве исходной принимается отметка репера, переданная в верхнюю штольню.

Для наблюдений за сближениями стен в стены тоннеля закладывают знаки примерно на одном и том же уровне, бетонируя их на одном или нескольких горизонтах. Между установленными знаками при помощи стальной компарированной рулетки измеряют расстояния с натяжением от руки. Одновременно с линейными измерениями выполняют нивелирование от опорных точек подземного высотного обоснования. С момента закрепления знаков и до установки лотка измерения повторяют каждые три– пять дней [7, 49, 75, 88].

Наблюдения за смещениями в плане выполняют при помощи закрепленного створа, захватывающего устойчивые участки тоннеля.

Измеряя горизонтальные углы между направлениями створа и знаков, заложенных по оси тоннеля, и анализируя постоянство результатов измерений, делают вывод об устойчивости участков тоннеля в плане [7, 49, 57, 75, 88, 100].

В железнодорожных тоннелях выполняют наблюдения за габаритами.

Измерения производят при помощи габаритной рамы, специального транспортира или оптического габаритомера. Следует отметить, что при выполнении проверки габарита тоннеля необходимо задействовать бригаду рабочих и значительные временные ресурсы [49].

Наблюдения за состоянием обделки производят на наиболее опасных участках – местами появления трещин, расслоений материала кладки, выпучиваний и пр. Наблюдения ведут при помощи цементных или гипсовых маячков, устанавливаемых через 1 метр по всей длине трещины. На их поверхности обозначают дату и порядковый номер [49].

Наблюдения за состоянием горного массива осуществляются путем производства периодического нивелирования реперов, заложенных в характерных точках поверхности. Также применяется надзор за состоянием массива при помощи металлических труб, опущенных в скважины, приваривается металлический трос, верхняя часть которого наматывается на барабан в устье скважины. По мере смещения труб происходит размотка тросов, по длине которой и узнают глубину подвижного пласта грунтового массива [64].

В работе [109] показано значение мониторинга деформаций при строительстве тоннелей новоавстрийским методом (НАТМ), разработанным Л. Мюллером, Ф. Пачером и Л. вон Рабцевичем в 1950-х гг. Отмечено, что два из двадцати двух принципов, характеризующих новоавстрийский метод проходки, посвящены производству мониторинга смещений. Они гласят, что выбор конструкции обделки и последовательности строительства осуществляется на основе мониторинга смещений породы. Проанализировав [109], можно отметить, что НАТМ предусматривает необходимость непрерывного мониторинга, включающего геодезические наблюдения, геологические исследования и визуальные осмотры грунтового массива и возводимой обделки. Эти меры позволяют оценить устойчивость конструкций, проверить проектные расчеты, окончательно определиться с необходимым объемом работ по возведению обделки и оптимизировать ее толщину.

1.5 Место и сущность геодезического мониторинга при строительстве составляющих – систему наблюдений, оценку и прогноз состояния наблюдаемого объекта. При строительстве тоннелей под объектом наблюдений необходимо понимать сооружаемый тоннель (его временные и постоянные конструкции), а также грунтовый массив, развитие горного давления в котором может стать причиной возникновения критических деформаций.

При производстве геодезического мониторинга система наблюдений отличается постоянством схемы и регламентированной периодичностью.

При этом основная часть наблюдений приходится на строительный период, в который проявляется большая часть деформаций (от 50 до 85%) [57].

Первоначальная периодичность наблюдений определяется расчетным путем по результатам прогноза деформаций или назначается в соответствии с рекомендациями нормативных документов. Зачастую периодичность наблюдений соответствует этапам строительных работ. Так же при выполнении наблюдений необходимо учитывать возможность воздействия на сооружение природных факторов и влияние техногенных процессов, связанных с проведением работ.

Современные геодезические наблюдения за смещениями контрольных точек конструкций, как правило, производят, определяя координаты и высоты деформационных марок, закрепленных в виде пленочных отражателей или поворотных призм.

После очередного цикла измерений необходимо произвести обработку и анализ результатов измерений; выполнить оценку точности полученных значений деформаций и сравнить их с допустимыми величинами. В состав отчета по результатам цикла измерений входит первичная документация – ведомости отметок, осадок, горизонтальных смещений, изменений кренов и пр. и вторичная документация – схемы, графики, диаграммы [29, 30, 57, 112].

Важно отметить, что результаты измерений смещений теряют смысл с увеличением времени после производства полевых работ, поэтому обработка и анализ данных должны выполняться сразу после окончания измерений.

После анализа теоретических источников, при организации геодезического мониторинга деформаций предлагается выделить следующие этапы:

контролировать в ходе геодезического мониторинга, предварительный расчет точности их определения;

2. Проектирование схемы размещения контрольно-измерительной аппаратуры (КИА);

3. Проектирование схемы геодезической мониторинговой планововысотной сети, выбор мест размещения пунктов и их конструкций;

4. Предварительный расчет точности элементов геодезической мониторинговой сети, определение методов и средств измерений;

5. Установка КИА, закладка пунктов геодезической мониторинговой сети, определение их координат и высот;

6. Периодические наблюдения за деформациями, контроль сети;

7. Статистическая обработка результатов измерений, оценка точности, определение величин деформаций;

8. Составление прогноза поведения деформационных процессов, его оценка.

Рассмотрим подробнее обозначенные этапы работ.

Назначение точности определения деформаций часто производят, опираясь на рекомендации действующих нормативных документов. Так, в в зависимости от конструктивных особенностей сооружений, [26] инженерно-геологических характеристик грунтов оснований, ожидаемых величин деформаций назначаются погрешности определения горизонтальных и вертикальных смещений и кренов (приложение А). Изучив документ, можно сформулировать следующие выводы:

• зависимость точности определения деформаций от их величины обратно пропорциональная;

• точность геодезических наблюдений, производимых в строительный период, должна быть выше для сооружений, возводимых на глинистых грунтах, в эксплуатационный период – для сооружений, возводимых на песчаных грунтах.

В работе [27] показано, что приведенные выводы не всегда соответствуют изученным закономерностям развития деформационных процессов и обосновывается другой способ назначения точности определения деформаций.

Способ основан на переходе от допустимых величин деформаций (требования СНиП) к средним квадратическим погрешностям (СКП) их определения, при этом должно быть обеспечено условие, что ожидаемая деформация будет много больше величины СКП ее определения. Важно отметить, что действующие нормативные документы не содержат информации о критических деформациях, развивающихся в процессе строительства транспортных тоннелей.

В работе [64] предложено под систематическими наблюдениями понимать многократные исполнительные съемки, результаты которых являются суммой отклонений конструкций от проектного положения и погрешностей самих исполнительных съемок.

Другие способы предварительного расчета точности рассмотрены авторами [27, 29, 30, 105]. Согласно исследованиям, точность определения деформаций может быть назначена путем введения понижающего коэффициента (часто 0,2) на строительный допуск, устанавливаемый нормативными документами. Однако, авторами не определено, строительный допуск какой конструкции следует брать в основу расчета.

На основании проведенных исследований различных подходов при назначении точности определения деформаций, можно сделать вывод, что требуемая точность определения смещений конкретного объекта строительства может быть обеспечена применением различных методов и средств геодезических измерений. Также очевидно, что результаты предварительного расчета точности определяют в дальнейшем методы измерений, средства измерений и схему организации работ при производстве мониторинга. Поэтому, подход, определяющий во многом результаты расчета точности, должен основываться на предшествующем научном опыте, быть объективным и отвечать требованиям действующих нормативных документов.

Размещение КИА, обзор способов закрепления деформационных марок Контрольные точки конструкций меняют свое положение вместе с самой конструкцией и находятся в местах возможного возникновения деформаций сооружения. В тоннелях такими участками могут быть стыки между заходками при бетонировании обделки, зоны карстовых пустот, сложных гидрогеологических условий, верх сводовой части тоннеля и пр. На дневной поверхности такими участками являются деформационные швы портальных конструкций, углы зданий окружающей застройки, границы участков грунтов, имеющих различные прочностные характеристики и пр.

Таким образом, при проектировании схемы размещения КИА необходимо произвести тщательные гидрогеологические исследования, оценить возможное динамическое воздействие от работы тяжелой строительной техники, статическое воздействие от постоянных нагрузок, величину возможного горного давления, ожидаемые величины деформаций на дневной поверхности и в зоне выработки. В зависимости от вида определяемой деформации, деформационные марки могут быть плановыми, высотными (осадочными) и планово-высотными [76].

Высотные марки при строительстве тоннелей в первую очередь должны отражать оседание верха сводовой части временной крепи и конечной обделки, а также изменение отметки обратного свода тоннеля, поэтому их необходимо закреплять в зоне свода с интервалом в 10-20 м в зависимости от длины заходки. На дневной поверхности осадочные марки могут быть установлены на фундаментах зданий окружающей застройки [31, 74, 94].

Выбор конструкции осадочных марок должен обеспечивать ее устойчивость и сохранность, и зависит от места закладки [62, 77]. Наиболее распространённые конструкции осадочных марок приведены в приложении Б, рисунок Б.1, Б.2.

Плановые деформационные марки могут быть установлены в контрольных точках в виде отражательных пленок или призменных отражателей. Очевидно, что в строящемся тоннеле контрольными точками являются точки конечной обделки, лотков, временной крепи, портальных частей, свайных конструкций, отражающие такие виды деформаций, как сближение стен в тоннеле, выпучивание лотков, перемещения временной крепи и портальных частей.

При высокоточных геодезических наблюдениях за деформациями могут быть применены прецизионные CCR (Corner Cube Reflector) отражатели (кубический уголковый отражатель) [4].

Наиболее распространённые конструкции плановых деформационных марок приведены в приложении Б, рисунок Б.3.

Для определения деформационных процессов грунтового массива, прорезаемого тоннелем, как правило, используют поверхностные грунтовые марки. Отметим, что такой способ не позволяет произвести исследование перемещений в толще грунта, что позволяют сделать приборы, получившие широкое применение при исследовании искривления буровых скважин в газовой и нефтяной промышленности, – скважинные инклинометры.

Проектирование, предварительный расчет точности и контроль стабильности пунктов геодезической мониторинговой планово-высотной сети рекомендации по созданию геодезических сетей при строительстве тоннелей, основанные на главной характеристике качества геодезических работ при строительстве тоннелей, – несбойке (100 мм), то для решения задачи по геодезическому обеспечению мониторинга деформаций, очевидно, необходимо разработать специальные допуски и методики создания высокоточных геодезических мониторинговых сетей.

Введем понятие геодезической мониторинговой сети, под которым будем понимать сеть, обеспечивающую исходными геодезическими данными геодезические измерения, производимые в процессе геодезического мониторинга. Геодезическая мониторинговая сеть должна создаваться на дневной поверхности и в зоне выработки. При этом на дневной поверхности пункты должны располагаться вне зоны возможных деформаций на устойчивых грунтах. Между смежными пунктами должна быть обеспечена видимость, а выбор мест их размещения должен быть обусловлен возможностью производства наблюдений за смещениями всех контрольных точек.

В зоне выработки геодезическая мониторинговая планово-высотная сеть, учитывая форму и размеры транспортных тоннелей, может быть создана в виде полигонометрического хода. Точность создания такой сети должна обеспечивать точность определения деформаций в зоне выработки.

Вопросам проектирования полигонометрических ходов посвящены работы А.С. Чеботарева, В.Г. Селиханович, Ю.И. Маркузе, П.И. Барана, В.И. Мицкевича и др. Значительные исследования проделали известные отечественные маркшейдеры И.М. Бахурин, Е.И. Рыхлюк, А.В. Хлебников, В.А. Гордеев, В.И. Акулов, С.П. Бахаева, Р.В. Бузук, и др. Тем не менее до сих пор остается неизученным вопрос обоснования точности угловых и линейных измерений в полигонометрических ходах при производстве мониторинга, а также угловых и линейных измерений при определении осадок методом тригонометрического нивелирования. Следовательно, исследование этой темы актуально.

Исследования конструкций пунктов геодезических сетей представлены в [61, 82]. При строительстве тоннелей закрепление пунктов геодезической сети в виде знаков открытого типа получило наибольшее распространение.

Такие знаки снабжены устройствами принудительного центрира прибора и выполняются в виде металлических труб или железобетонных конструкций.

(приложение В, рисунок В.2).

На дневной поверхности для создания геодезической плановой мониторинговой сети могут применяться методы: триангуляция, полигонометрия, трилатерация, линейно-угловые сети, спутниковые методы и сочетания перечисленных методов. Ввиду того, что с пунктов наземной геодезической мониторинговой сети должна быть обеспечена видимость на все деформационные марки, вопрос проектирования такой сети является особенно актуальным. Как отмечается в [103], затраты на определение горизонтальных смещений при геодезическом мониторинге значительно превышают затраты на производство наблюдений за осадками сооружения.

Геодезическая мониторинговая высотная сеть должна создаваться методом геометрического нивелирования. Согласно [26] в зависимости от грунтовых условий, требуемой точности измерений, близости размещения к объекту исследования высотные пункты могут закрепляться глубинными, грунтовыми и стенными реперами. Наиболее распространённые конструкции высотных пунктов геодезических сетей приведены в приложении В, рисунок В.1.

Следует отметить, что пункты геодезической мониторинговой сети, расположенные в зоне выработки, могут быть подвержены деформациям, следовательно, обязательным является выполнение контроля их стабильности. Вопросы контроля стабильности пунктов высотной геодезической основы подробно изложены в работах В. А. Карпенко, И. В. Рунова, В. Н. Ганьшина, А. Костехеля, В. Ф. Черникова [48]. Менее изученной до сих пор остается задача контроля стабильности пунктов плановой геодезической сети, особенно пунктов подземной полигонометрии при строительстве транспортных тоннелей.

Существующие способы контроля стабильности плановых сетей условно можно разделить на две группы [28]: способы, в основе которых лежит принцип сравнения одноименных элементов сети в разных циклах измерений; способы, построенные на принципе отыскания какой-либо устойчивой статистической модели, относительно которой можно было бы определить смещения отдельных пунктов.

В работе [63] автором рассмотрен способ контроля стабильности сети на основе корреляционного анализа разностей повторных наблюдений элементов сети. Анализ этого способа показал, что предложенный способ позволяет установить наличие деформаций пунктов сети, однако, вычислить величины и направление невозможно.

В работе [66] при контроле стабильности пунктов сети используются основные свойства треугольника и его «четырех замечательных точек».

Смещение пункта сети выявляется при изменении площади, центра тяжести, ортоцентра, радиусов описанного и вписанного кругов треугольника по результатам смежных циклов измерений. Очевидно, что для реализации предложенного способа контроля стабильности пунктов необходимо создавать сеть в виде треугольников, что представляется невозможным при прокладке сети в зоне выработки. Следовательно, данный способ может быть применен лишь при контроле стабильности пунктов, расположенных на дневной поверхности, и не является универсальным.

В работах [12, 95] рассмотрены способы оперативного контроля стабильности пунктов, производимые в каждом цикле измерений. Для реализации способа необходимо выполнить линейно-угловые измерения между пунктами и оценить их стабильность путем сравнения значений, полученных в смежных циклах измерений. Можно отметить, что такому контролю подвергаются не все пункты сети, а лишь те, которые используются для производства цикла измерений деформаций строящегося объекта. Таким образом, оценить стабильность сети в целом не всегда возможно. Существенным недостатком является и то, что при ограниченной видимости, при минимальном числе измерений (одно расстояние и один угол), становится невозможно выявить, какой из смежных пунктов получил смещение.

В последнее время широкое распространение в геодезической практике получил способ свободного станционирования, рализуемый при помощи электронных тахеометров. Современные тахеометры сразу после выполнения обратной засечки позволяют произвести оценку точности определения положения станции по методу наименьших квадратов без учета погрешностей исходных данных. Анализируя погрешности при различном сочетании исходных пунктов, выявляют пункт, получивший смещение [45].

Способ свободного станционирования реализуется по следующей схеме [47]. Электронный тахеометр устанавливается в месте (станция), наиболее удобном для выполнения цикла работ, положение которого определяется обратной засечкой от пунктов исходной сети. Очевидно, что при выполнении обратной линейно-угловой засечки число исходных пунктов должно быть не мене 2-х, при выполнении обратной угловой засечки – не менее 3-х. Последующее определение положения точек (деформационные марки при производстве геодезического мониторинга) выполняют способом полярных координат. Важно, что до сих пор остается мало изученным вопрос влияния геометрии обратной засечки при производстве измерений на погрешность положения определяемого пункта.

Существует также и другая группа способов контроля стабильности пунктов плановой геодезической сети, основанная на определении какойy Фx. Данная функция либо устойчивой статистической функции аппроксимирует всю совокупность точек исследуемого параметра x по принципу минимума суммы квадратов отклонений измеренных значений от соответствующих им значений функции. В [31] показано, что способы вычисления смещений пунктов по второй группе способов отличаются разнообразием, и до сих пор нет единого подхода к решению данной проблемы.

Производство наблюдений за деформациями предполагают применение оптических или современных электронных геодезических приборов. Так, для определения смещений, происходящих в горизонтальной плоскости, применяются створные наблюдения, фотограмметрический метод, полигонометрия, триангуляция, трилатерация [26].

В [36] содержатся требования по производству измерений смещений контура выработки при помощи стальной мерной ленты. Несмотря на то, что результаты относительных измерений смещений свободны от влияния самих невозможность установить направление смещений контрольных точек выработки и, как следствие, принять наиболее рациональные меры по укреплению той или иной ее части. Кроме того, применение стальных мерных лент при определении деформаций контура выработки связано с определенными трудовыми и временными затратами. Так, при измерениях сближения стен в верхней их части необходимо обеспечить доступ к контрольным точкам, для чего может понадобиться малая, а в случае (телескопические погрузчики).

предусмотрены при организации строительства. Известно, что простои в работе и так называемые «окна» при сооружении тоннелей могут стать причиной увеличения горного давления и привести к тяжелым последствиям.

Становится очевидным, что при такой схеме работ геодезический мониторинг выработки не будет отличаться постоянством схемы наблюдений, что может повлечь существенные упущения при составлении прогноза.

Для определения осадок инженерных объектов широко используются методы геометрического, тригонометрического и гидростатического нивелирования. Следует отметить, что при строительстве тоннелей, которые чаще всего призваны сократить длину трассы при сложном рельефе местности, наиболее удобным, с точки зрения производства работ, является метод тригонометрического нивелирования.

В последнее время наблюдается широкое применение наземного лазерного сканирования (НЛС) при наблюдениях за сдвижениями земной поверхности [33, 37, 42, 67, 69, 89, 106, 107, 110, 113, 114].

Нельзя не отметить широкое развитие базы геотехнических приборов, часто применяющихся при мониторинге деформаций строящихся объектов [10, 97, 111]. Например, современные струнные экстензометры могут применяться при разведочном бурении для определения напряженного состояния зоны, расположенной впереди забоя. Для определения напряжений в конструкциях временной крепи могут быть использованы тензодатчики с виброструной, позволяющие оценивать состояние временной крепи и конечной обделки на различных этапах проходки.

Для изучения свойств грунта, окружающего сооружаемый тоннель, могут найти применение и геофизические методы. Также применяется для мониторинга за напряженным состоянием массива метод, основанный на регистрации естественных импульсов электромагнитного поля Земли (ЕИМПЗ) [83]. Данный метод основан на изучении аномального изменения магнитной составляющей электромагнитного излучения горных пород в местах возникновения геомеханических напряжений и сдвижения грунтов по поверхностям скольжений. Зоны аномалий устанавливают путем сравнения показаний электромагнитного излучения в пунктах профилей, проложенных на поверхности или вдоль подземных выработок. По результатам измерений можно составить суждение об устойчивости призабойной зоны, а также откосов в зоне возможных оползневых очагов.

Также известен способ сверхширокополосного импульсного зондирования (СШП) [79, 108], основанный на синтезировании изображения структуры геологического разреза по отраженному сигналу при распространении электромагнитного импульса наносекундной длительности.

Метод позволяет выявлять геологическую структуру зоны, удаленной вперед от забоя на расстояние до 100 м, заранее определяя участки возможного обводнения или пустот, способных осложнить проходческие работы.

Следует отметить, что все перечисленные выше методы и приборы не пригодны для сбора данных о величинах перемещений грунтового массива.

Особенно это актуально при мониторинге окружающей застройки и портальных частей тоннеля, причинами деформаций которых могут стать сдвижения грунта на границах скольжения.

Также одним из перспективных направлений развития геодезического мониторинга деформаций является создание постоянно действующих автоматизированных систем [61]. Наиболее рационально их применение на стадии эксплуатации сооружения.

Технические характеристики современных электронных геодезических приборов представлены в приложении Г.

Статистическая обработка результатов геодезических измерений смещений, прогноз В [61] показана методика обработки геодезических измерений при наблюдениях за деформациями зданий и сооружений. Согласно этому документу, при наблюдениях за осадками обработка геодезических измерений должна включать в себя следующие этапы:

- проверка полевых журналов;

- составление ведомостей превышений и высот пунктов;

- оценку качества нивелирования по разностям прямых и обратных измерений превышений, а также по полученным невязкам в полигонах;

- составление схемы нивелирных ходов, вычисление величин осадок и их производных, оформление отчетных материалов.

Как уже было отмечено ранее, при строительстве транспортных деформаций является метод тригонометрического нивелирования, для которого, очевидно, потребуется некоторая переработка приведенных рекомендаций по обработке измерений.

Документ содержит также нормы по обработке результатов измерений плановых смещений, состоящей из оценки точности линейных и угловых измерений и составления отчетных схем. Такая методика позволяет оценить предусматривает оценку качества полученного после обработки ряда величин смещений.

Среди статистических методов обработки геодезических результатов измерений широкое применение получил корреляционный анализ, который выполняют с целью установления зависимости между рассматриваемыми величинами. Расчет величины коэффициента корреляции rxy осуществляется по формуле где хi – значения, принимаемые в выборке X, yi – значения, принимаемые в выборке Y; x – средняя по X, y – средняя по Y.

Коэффициенты корреляции могут варьироваться от -1 до +1. При положительных значениях коэффициента корреляции зависимость между переменными считается прямо пропорциональной, при отрицательных – обратно пропорциональной. Нулевая корреляция свидетельствует о независимости двух исследуемых переменных.

В [61] рекомендуется устанавливать корреляционную связь между величинами смещений и возможными причинами их возникновения, для чего требуется фиксация различных факторов, влияющих на рост деформаций.

Такими факторами при строительстве тоннелей могут стать сейсмические воздействия, увеличение горного давления, изменение уровня грунтовых вод, активизация оползневых процессов и многое другое. Очевидно, что учет перечисленных факторов требует организации дополнительных пьезометрических, геологических, геофизических исследований, что может привести к удорожанию мониторинга в целом.

Следует отметить, что традиционно под статистической обработкой геодезических измерений понимают проверку статистических гипотез о виде распределения случайных погрешностей измеренных величин [20]. Приемы для проверки статистических гипотез в разное время были разработаны и предложены Э. Аббе, А.Н. Колмогоровым, Н.В. Смирновым, Б.С. Ястремским, К. Пирсоном и др. Важно, что ряд результатов измерений смещений может не подчиняться нормальному закону распределения, и в этом случае для его обработки потребуется применение статистических методов, редко используемых в геодезической практике.

Одной из главных составляющих геодезического мониторинга является подбор наиболее адекватной модели для составления прогноза. Различают краткосрочное, среднесрочное и долгосрочное прогнозирование. Согласно [2], для составления долгосрочного прогноза необходимо обязательное использование методов организации и статистического анализа специальных экспертных оценок. При определении необходимой длительности прогноза поведения деформационных процессов будем руководствоваться следующими заключениями. Современное тоннелестроение в России характеризуется внедрением новых технологий, эффективных типов обделок и сокращением времени, затрачиваемого на основные производственные циклы. Это позволяет добиваться высоких скоростей при ведении горных работ (до 200 м/мес). При длине участка бетонирования длиной 12 м, геодезический мониторинг выработки необходимо будет производить с частотой не реже двух раз в неделю (после раскрытия забоя и перед бетонированием). Таким образом, прогноз будет корректироваться после каждого цикла наблюдений, следовательно, он должен иметь краткосрочный период упреждения. Наиболее часто при геодезических работах, прогнозирование выполняется на основе корреляционно-регрессионного анализа. В [61] рекомендуется использовать уравнение линейной регрессии, как наиболее широко употребляемое.

Анализ источников [2, 3, 40], что существуют различные методы прогнозирования, но при составлении краткосрочного прогноза преимущество отдают методу экстраполяции будущего на основании прошлого. При этом модель, характеризующая изменение наблюдаемого процесса, может подбираться по различным критериям. Линейная регрессионная модель является наиболее простой из всех возможных и, очевидно, не самым подробным образом сможет описать сложный деформационный процесс, имеющий периоды активизации и затухания.

Кроме того, для включения данных в корреляционно-регрессионный анализ необходимо, чтобы они были подчинены закону нормального распределения.

Это условие, как уже отмечалось, не всегда выдерживается при наблюдениях за деформациями. Следовательно, выявление оптимального метода составления краткосрочного прогноза при мониторинге деформаций тоннелей является актуальной задачей.

1. Современный рост городов, транспортные проблемы, социальные запросы способствуют развитию тоннелестроения на территории РФ. В большинстве случаев строительство тоннелей осуществляют горным способом. Вместе с тем, строительство транспортных тоннелей сопряжено с риском развития деформаций и возникновения чрезвычайных ситуаций.

Поэтому при их сооружении необходимым является проведение геодезического мониторинга конструкций, расположенных на дневной поверхности и в зоне выработки, а также прорезаемого тоннелем грунтового массива.

2. Анализ деформационных процессов, сопровождающих ведение горных работ, показал, что существуют различные виды деформаций, влияющие на безопасность производства работ. На дневной поверхности могут наблюдаться осадки, чаще неравномерного характера, а также плановые перемещения портальных конструкций тоннеля. В зоне выработки могут обнаруживаться такие формы деформаций как сближение стен, осадка верха свода, выпучивание лотков и обратного свода, деформации временной крепи. Кроме того, деформационные процессы проявляются в грунтовом массиве, окружающем тоннельную выработку.

3. Анализ требований нормативных документов в части производства наблюдений за деформациями строящихся тоннелей показал, что содержащиеся в них рекомендации недостаточно детализированы и не отвечают современному уровню развития геодезических приборов.

4. Для обеспечения требуемой точности определения деформаций при сооружении тоннелей на дневной поверхности и в зоне выработки должна создаваться геодезическая мониторинговая планово-высотная сеть.

Предварительный расчет точности положения пунктов геодезической должен производиться, исходя из результатов предварительного расчета точности определения деформаций.

5. Анализ накопленного опыта по созданию и развитию геодезических сетей в подземных выработках показал, что наиболее целесообразным является создание сети методом полигонометрии. С учетом особенностей работы в ограниченном пространстве выработки, а также небольшого числа избыточных измерений при создании сетей методом полигонометрии, становится актуальной задача по исследованию повышения точности элементов полигонометрических ходов. Актуальной задачей также является осуществление контроля устойчивости пунктов подземной полигонометрии, в особенности их планового положения, ввиду недостаточной изученности этой проблемы на сегодняшний день.

6. Анализ нормативных документов и теоретических основ обработки геодезических измерений показал, что месту статистической обработки результатов геодезических измерений смещений и их прогнозированию уделено недостаточное внимание, требуется разработка рекомендаций на основе понятийного аппарата и теоретических основ статистики.

7. Геодезический мониторинг деформаций при строительстве транспортных тоннелей горным способом следует производить с комплексным применением современных электронных средств геодезических измерений (электронных тахеометров, цифровых нивелиров, скважинных инклинометров), позволяющих осуществлять наблюдения за перемещениями грунтового массива и конструкций тоннеля.

2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

ПОРТАЛЬНЫХ ЧАСТЕЙ ТОННЕЛЯ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНОГО

ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ И

СТАТИСТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ДАННЫХ

Разработка грунтового массива при строительстве транспортных тоннелей может повлечь за собой развитие деформационных процессов в конструкциях, расположенных не только в зоне выработки, но и на дневной наблюдений за смещениями сооружений, расположенных на дневной поверхности, рекомендуют производить нивелирование по установленным на сооружениях деформационным реперам. Реализация данного метода позволяет оценить величины перемещений в вертикальной плоскости, но не дает никакой информации в отношении горизонтальных смещений. Отметим также, что нивелирование не позволяет составить модель поведения деформационных процессов, протекающих в толще грунта, например, на отметке, соответствующей уровню проезжей части, или своду конечной обделки тоннеля. Все это, очевидно, приводит к невозможности прогнозирования поведения деформационных процессов в грунтовой среде, необходимой разработка системы наблюдений за состоянием конструкций, безопасность ведения горных работ при заданных скоростях проходки.

Во многом выбор методов и средств измерений обосновывается в результате предрасчета точности геодезических измерений деформаций.

Анализ нормативной литературы [36, 72, 85, 96] показывает, что в документах, рекомендующих те или иные способы организации наблюдений за смещениями, не содержатся методики расчета требуемой точности определения деформаций и не сформированы требования к точности геодезических измерений.

геодезического мониторинга при строительстве транспортных тоннелей не только обеспечивает безопасность проходки, но и позволяет установить оптимальные ее параметры: скорость и объективный выбор типового сечения. Таким образом, для разработки методики геодезического мониторинга тоннелей, сооружаемых горным способом, необходимо решить следующие задачи:

– выполнить предварительный расчет точности определения смещений в горизонтальной и вертикальной плоскостях;

геодезической мониторинговой планово-высотной сети;

размещения контрольно-измерительной аппаратуры;

разнородных полевых измерений смещений, включающую этап достоверного краткосрочного прогнозирования поведения деформаций.

использование современных электронных геодезических приборов и инклинометров скважинного типа. Комплексное применение средств измерений позволяет выявить участки наибольших деформаций тоннельных конструкций и осуществить сбор необходимой информации для составления прогноза поведения грунтового массива, в котором сооружается тоннель.

С помощью высокоточных электронных тахеометров и системы отражательных пленок, установленных на ответственных конструкциях сооружения, предлагается осуществлять сбор информации о перемещениях самого тоннеля. Данные о процессах деформаций, происходящих в грунтовом массиве зоны влияния тоннеля, предлагается получать при помощи внедрения в грунтовый массив инклинометрических скважин и опроса их с установленной периодичностью.

После сбора полевой информации, возникает необходимость в анализе направлений и скоростей зафиксированных перемещений. Для этого предлагается использовать методы статистического анализа:

корреляционный анализ, позволяющий определить достоверность результатов измерений; и анализ временных рядов для наилучшей аппроксимации функции изменения величин деформаций во времени и подбора адекватной прогнозной модели [5, 16].

На рисунке 2.1.1 представлена технологическая схема реализации предлагаемой методики геодезического мониторинга портальных частей тоннеля и окружающего его грунтового массива.

Рисунок 2.1.1 – Технологическая схема выполнения работ при геодезическом мониторинге портальных частей тоннеля и грунтовой среды Рассмотрим подробнее основные этапы предлагаемой методики мониторинга.

2.2 Расчет требуемой точности определения деформаций Одним из основных этапов разработки методики наблюдений является расчет точности определения деформаций, в результате чего определяются методы и средства измерений, затраты на производство работ. Точность измерений может быть указана в нормативных документах или получена расчетным путем.

Одним из вариантов назначения точности, может быть расчет, основанный на определении скорости деформаций между циклами измерений [17, 31, 38, 57, 65]. Однако до начала производства работ динамика деформационного процесса не изучена, и первоначальная скорость неизвестна. Она может быть назначена по аналогиям и впоследствии (после первых циклов измерений) откорректирована. Но в случае, если на протяжении значительного промежутка времени, скорость деформаций остается равной нулю, то решить задачу по назначению точности не представляется возможным.

В большинстве случаев, определение требуемой точности измерений связано с переходом от допусков нормативных документов к средней квадратической погрешности (СКП) геодезических измерений путем введения понижающих коэффициентов на эти допуски. В [21] рекомендуется принимать погрешность измерений в процессе геодезического контроля точности геометрических параметров зданий (сооружений) не более 0,2 величины отклонений, допускаемых строительными нормами и правилами, государственными стандартами или проектной документацией.

Применяя данные условия к конечной обделке тоннеля, для которой допустимое отклонение фактического положения от проектного составляет 50 мм, СКП определения деформаций составит 10 мм. Такая точность вполне сопоставима с величинами самих деформаций на этапе сооружения тоннеля и при составлении прогноза могут быть допущены искажения.

Авторы отмечают [105], что при назначении точности измерений следует исходить из величины критической деформации, которую следует фиксировать с заданной степенью достоверности. Как правило, погрешности геодезических измерений подчиняются нормальному закону распределения, и для ответственных работ, уровень доверительной вероятности принимается t = 2. В этом случае СКП определения критической деформации будет где mФкр – СКП определения критической деформации, Фкр – величина критической деформации, t – нормированный коэффициент, зависящий от уровня доверительной вероятности и закона распределения; множитель 2 в знаменателе необходим для обеспечения строительного запаса в момент наступления критической деформации (его величина может варьироваться в зависимости от уровня ответственности производимых работ от 1 до 3) [65].

Термин «критическая деформация», в общем случае, связывают с критическим состоянием конструкции, после которого она теряет несущую способность. Поскольку для каждого проекта тоннеля эта величина будет определяться в результате специальных расчетов, то принять какое-либо универсальное для всех случаев значение, не представляется возможным.

В работе [84] обосновано введение понижающих коэффициентов 0,10 – 0,25 для расчета точности геодезических работ при определении смещений элементов конструкций, при этом введение коэффициента 0,10 считается несколько завышенным. Примем для дальнейших расчетов величину понижающего коэффициента на строительный допуск, равную 0,15. Под строительным допуском будем понимать допускаемое отклонение фактического положения конечной обделки тоннеля от проектного (равное 50 мм в плане и по высоте), т.к. конечная обделка является наиболее устойчивой к деформациям конструкцией.

Получим для элементов конечной обделки значение СКП определения смещений 8 мм.

Т.к. основной руководящий при сооружении тоннелей документ [96], устанавливает одинаковый допуск на смещение оси тоннеля (±50 мм) и в плане, и в профиле, то в дальнейшем, при установлении точности геодезических измерений деформаций, предлагается принять величину СКП определения деформаций и в вертикальной, и в горизонтальной плоскостях, равной 8 мм.

2.3 Предрасчет точности геодезических измерений смещений в Величина и направление перемещений деформационных марок в пространстве определяются по разностям координат за промежуток времени между циклами наблюдений [15]. Т.е. для деформационной марки вектор перемещений будет иметь вид где x, y, h – смещения марки по осям координат, x, y, h – пространственные координаты деформационной марки в циклах m и n измерений, полученные способом полярных координат.

Величина смещения марки в пространстве вычисляется по формуле а направление вектора R перемещений относительно осей опорной системы R = (cos; cos; cos).

горизонтальные и вертикальные смещения. Величина перемещений в горизонтальной плоскости определяется, как где xi 1, yi 1 – координаты деформационной марки в цикле (i+1), xi, yi – координаты марки в предшествующем цикле измерений.

Средняя квадратическая погрешность m определения горизонтального смещения определяется формулой где m x, m y – СКП определения координат x и y соответственно.

Применим принцип равного влияния погрешностей и преобразуем формулу (2.3.5) На основании заданной величины СКП определения горизонтального смещения, вычислим величину СКП определения координат x и y где m mФ кр 8 мм.

Тогда погрешность определения положения деформационной марки будет mx, y 2 5,6 мм.

Далее будем рассматривать геодезические измерения смещений портальных частей тоннеля независимо от геодезических наблюдений за смещениями конструкций тоннеля, расположенных в зоне выработки.

расположенных в портальной зоне (на дневной поверхности), предлагается реализовывать метод свободного станционирования, который подразумевает нахождение координат деформационной марки полярным способом, а определение координат станции – способом обратной засечки. При этом СКП определения положения деформационной марки mP определится известной формулой погрешности измерений, которые складываются из погрешности mОЗ определения координат станции обратной засечкой и погрешности mПС полярного способа.

Будем считать, что погрешности исходных данных при определении положения деформационных марок пренебрежимо малы по сравнению с погрешностями измерений. Для реализации данного принципа, согласно [31], СКП пунктов исходной сети принимаются в 2-3 раза меньше требуемой точности измерений относительно исходной сети. На основании этого, запишем Воспользуемся вычисленным значением mP 5,6 мм и определим величину СКП измерений:

Вычислим значение СКП пунктов исходной геодезической сети:

Далее найдем возможное соотношение погрешностей обратной засечки и полярного способа при проведении геодезического мониторинга деформаций тоннелей.

Логично предположить, что при соблюдении постоянства схемы организации работ, погрешность определения координат станции будет незначительна, однако, при производстве наблюдений за перемещениями портальных частей тоннеля (в случае работы на дневной поверхности), соблюсти постоянство схемы наблюдений практически невозможно из-за непрерывно понижающегося котлована (припортальные выемки) и производства буровых работ. Кроме того, после устройства выносного портала и заливки бетонного ростверка, на эти конструкции также должны быть установлены деформационные марки, что также может привести к изменениям в схеме организации мониторинга деформаций. Поэтому в дальнейшем при установлении соотношения погрешностей полярного способа и способа обратной засечки, предлагается считать, что погрешность полярного способа пренебрежимо мала по сравнению с погрешностью обратной засечки. Будем считать это допущение справедливым для случая производства геодезических наблюдений на дневной поверхности.

где mОЗ – СКП определения координат станции обратной засечкой, а mПС – СКП определения координат деформационной марки полярным способом.

Зная, что mPизм = 5,3 мм, вычислим Величина СКП определения координат x и y вычисляется по известной формуле [58] где md – СКП линейных измерений; m – СКП угловых измерений; d – измеренное расстояние; – число секунд в радиане.

После нахождения частных производных, получим выражение В соответствии с принципом равного влияния линейных и угловых погрешностей, запишем деформационной марки от наблюдателя равной 100 м и сформируем требования по точности к электронному тахеометру, применение которого обеспечит выполнения условия mПС =2,4 мм. Получим следующие величины:

Следует отметить, что установленные требования к точностным характеристикам электронного тахеометра справедливы также для тахеометра, которым планируется определять координаты станции обратной засечкой, так как метод свободного станционирования реализуется одним прибором.

Далее рассмотрим условия, при которых возможно определение координат станции обратной засечкой, а именно случай, при котором положение точки стояния тахеометра определяется по двум смежным углам – задача Потенота (рисунок 2.3.1).

Погрешность положения пункта в задаче Потенота находится по формуле сторон [6]:

где 2 – угол между исходными сторонами 2-1 и 2-3, b12, b23 – базисы.

Так как пункты геодезической основы должны быть удалены от порталов на величину двойного поперечного сечения, примем, что исходные пункты находятся на удалении не менее 100 м от станции. СКП угловых измерений примем m =3,5. Произведенный анализ точности обратной угловой засечки показал, что значение погрешности положения станции удовлетворяет заданному условию mОЗ 5 мм, если углы при определяемом пункте будут не менее 35.

Рассмотрим другой возможный случай – определение станции линейной засечкой. Формула, определяющая СКП координат станции Примем угол засечки =30 и вычислим значение СКП положения станции при md1 md2 md 1,5 мм:

Возможен также и третий случай, при котором положение станции определяется линейно-угловой засечкой. В этом случае СКП положения станции будет в 2 раз меньше СКП линейной засечки. Следовательно, даже при неблагоприятных случаях реализации засечек, СКП определения станции соответствует заявленным требованиям.

2.4 Предрасчет точности геодезических измерений смещений в вертикальной определяться как разность значений высот из двух смежных циклов:

где H i 1, H i – отметки деформационных марок в смежных циклах измерений.

Ранее установлено, что величина допускаемой средней квадратической погрешности определения смещения в вертикальной плоскости равна 8 мм.

На основании этого определим величину погрешности определения смещения в вертикальной плоскости:

Вычислим СКП mH изм измерений и mH исх исходных данных, приняв влияние погрешности исходных данных равными погрешностям измерений Отметки деформационных пленок предлагается определять методом тригонометрического нивелирования. Запишем известную формулу [56] где S – расстояние от точки стояния до определяемого пункта, – угол наклона визирной оси, i – высота установки прибора, l – высота цели, f k – поправка за кривизну Земли и рефракцию.

превышения будет [55] Для исключения влияния погрешностей измерения высоты прибора и высоты цели предлагается использовать передачу отметки от опорного репера на горизонтальную ось электронного тахеометра с помощью нивелира. При этом для повышения точности передачи отметки предлагается повторять передачу отметки на горизонтальную ось электронного тахеометра трижды, принимая в конечном итоге среднее значение высоты. Согласно [6], для того, чтобы пренебречь величиной СКП определения коэффициента рефракции, необходимо, чтобы эта величина была меньше 1,0 на расстояниях до 100 м и от 1,0 до 0,5 – на расстояниях от 100 м до 400 м.

В соответствии с принципом равного влияния погрешностей, запишем Определим величину максимального удаления деформационной марки от наблюдателя. В последние годы при сооружении тоннелей все чаще применяется схема строительства двух параллельных тоннелей, вместо одного с встречными полосами движения. Этот выбор обусловлен безопасностью движения. При таком проектном решении ограждающие конструкции (как правило, свайные ряды) в зоне порталов могут достигать 100 м и более. Очевидно, что состояние ограждающих конструкций также необходимо отслеживать. Примем для дальнейших расчетов, что максимальное удаление марки от наблюдателя на дневной поверхности составляет 100 м. Сформируем требования к точности электронного тахеометра, при условии, что предельный угол наклона равен 37(что железнодорожном тоннеле):

Применение тригонометрического нивелирования при наблюдениях за осадками сооружения, требует тщательного планирования производства работ. Во избежание искажения результатов измерений вследствие влияния вертикальной рефракции, следует использовать короткие расстояния от станции до деформационных марок. При наложении ограничения по расстоянию, возможно увеличение вертикального угла, что негативно влияет отражательных пленок на конструкциях должен быть обусловлен (помимо геологических и гидрогеологических факторов) допустимым превышением между маркой и прибором. Кроме того, при производстве измерений предлагается применять общеизвестные приемы по ослаблению влияния земной рефракции, а именно [54]:

– измерение вертикальных углов производить в пасмурную погоду;

– высота луча визирования над препятствием должна быть не менее 1,5 м;

– при производстве измерений иметь ввиду, что коэффициент рефракции наиболее устойчив в полуденное время.

При соблюдении выше изложенных условий, тригонометрическое нивелирование при определении деформаций тоннеля имеет следующие достоинства:

деформации конструкций, не имеющих прямого доступа (конструкции выносных порталов);

– применение электронного тахеометра позволяет полностью автоматизировать сбор полевой информации, а в некоторых случаях и ее обработку.

Ранее установлено, что СКП слабого пункта геодезической высотной основы m H исх не должна превышать 4 мм. Проверим, выполняется ли для нивелирования по программе III класса. Допустимая невязка для нивелирования III класса вычисляется по формуле [35] где 10 мм – предельная допустимая погрешность на 1 км хода.

Тогда СКП определения превышения на 1 км хода будет в 2,5 раза меньше и составит 4 мм.

Считая, что нормальная длина луча визирования не превысит 75 м, получим, что 1 км хода будет состоять из семи станций. Таким образом, СКП определения превышения на станции будет равна 1,5 мм.

При условии, что СКП определения превышения на станции составит 1,5 мм, СКП наиболее слабого пункта – 1,5 4 3 мм. Согласно [55] после уравнивания СКП наиболее слабого пункта будет в 2 раза меньше, т. е.

1,5 мм. Эта величина вполне соответствует заданным требованиям.

2.5 Выбор мест размещения деформационных марок. Расчет периодичности конструктивных параметров тоннеля (габаритные размеры порталов, глубина заложения свай и др.). Расположение мест закладки деформационных марок может быть обусловлено наличием вблизи конструкций водотоков, участков замачиваемых грунтов, участков грунтов с разными прочностными характеристиками, а также местами размещения тяжелой строительной техники (буровые станки, проходческие установки).

Правильное назначение периодичности наблюдений является необходимым условием получения достоверной информации о процессах деформаций. Периодичность наблюдений зависит от множества факторов (финансовые затраты на производство работ, наличие ресурсов, правила промышленной безопасности и т.д.), но нормативные документы не дают строгих рекомендаций по назначению или расчету периодичности наблюдений. Предлагается, в качестве основы расчета периодичности принять величину допустимой деформации Фкр. Зная эту величину и планируемый срок строительства тоннеля, можно разбить величину допустимой деформации на интервалы при этом количество интервалов на начальном этапе предлагается назначить еженедельным.

Определив величину интервала, можно установить момент времени ti проведения очередного цикла измерений относительно начального цикла измерений. Дополнительные циклы измерений предлагается назначить в случае превышения величины допустимой деформации за интервал времени, а также в момент монтажа ответственных конструкций тоннеля (установка рам временного крепления, бетонирование обратного свода и др.).

Важно отметить, что постоянство схемы наблюдений – необходимое условие предлагаемой методики.

Вторым видом измерений, необходимым для объективной оценки состояния сооружаемого объекта, являются инклинометрические измерения.

2.6 Измерения деформаций грунтового массива при помощи скважинных расположенных вблизи порталов тоннелей, и границах их скольжения.

Инклинометр – прибор для измерения угла наклона и азимута искривления буровой скважины с целью контроля ее пространственного инклинометрического зонда и устройства для вывода информации. Также необходим программный комплекс для обработки результатов измерений.

Метод инклинометрии можно отнести к разряду дифференциальных, позволяющих выполнять измерения с точностью, недостижимой для традиционных геодезических приборов.

инклинометр скважинного типа, удовлетворяющий следующий требованиям:

Таблица 2.6.1– Технические характеристики скважинных инклинометров Погрешность измерения азимута 1-5° в зависимости от величины зенитного Данные инклинометрических измерений состоят из значений угла искривления скважины, магнитного азимута Ам и дирекционного угла направления искривления скважины.

Дирекционный угол вычисляется по формуле где – сближение меридианов в данной точке; – склонение магнитной стрелки.

вычисленного дирекционного угла составляются инклинограммы – проекции оси скважины на плоскости (рисунок 2.6.1, 2.6.2).

Рисунок 2.6.1– Величины смещений на север и восток, мм.

Рисунок 2.6.2 – Смещения в плоскости искривления и угловые смещения, мм.

В числовом виде полученный профиль определяется следующей матрицей где h i – глубина уровня, на котором производятся инклинометрические измерения относительно устья скважины; i – номер уровня скважины; l i – плановое смещение скважины на уровне i.

Сравнивая профили, полученные в разных циклах, можно определить глубину, на которой происходит значительное изменение конфигурации профилей скважины, полученные в разных циклах, а также скорости смещений подвижных частей геомассива.

После бурения и монтажа обсадной трубы, координаты центра устья инклинометрической скважины предлагается определять в системе координат мониторинговой геодезической сети. Нулевой цикл инклинометрических измерений должен быть произведен до начала строительных работ. Особое внимание следует уделить выбору мест расположения скважин. Скважины следует располагать равномерно на всем протяжении тоннеля. На припортальных участках предлагается располагать инклинометрические скважины вблизи «куста» деформационных марок. Т.к.

инклинометрические исследования сопряжены с определенными финансовыми и трудовыми затратами, то размещать инклинометрическое оборудование рекомендуется поэтапно, ориентируясь на скорость проходки.

Так, до начала работ (до разработки котлована и понижения его до отметки портала) может быть установлено 2 – 3 инклинометрических скважины.

Далее, в процессе работ (устройство врезки, первые этапы проходческих работ, монтаж выносного портала, установка временной крепи) и по мере накопления данных о перемещениях, следует принять рациональное решение о необходимости бурения других скважин в местах возможной активизации склоновых процессов, или вблизи участков возможного обводнения.

В результате описанной организации наблюдений за перемещениями, накапливается информация о деформационных процессах, происходящих в грунтовом массиве и в конструкциях тоннеля.

По результатам циклов наблюдений составляется временной ряд, отражающий тенденцию деформаций к росту или затуханию с выявлением локальных участков конструкций, наиболее подверженных риску разрушения.

2.7 Обработка результатов тахеометрических и инклинометрических Одним из основных вопросов обработки результатов измерений деформаций сооружения, является оценка достоверности этих измерений. В случае если на стадии проектирования известно, что ожидаемые деформации значительны (их величины больше, чем требуемая точность измерений), то оценить достоверность измерений не представляет трудностей. Однако если заранее неизвестна динамика деформационных процессов, и полученные результаты измерений сопоставимы по величине с СКП измерений, то необходимо использовать методы статистического анализа (корреляционный анализ, исследование монотонности деформационного процесса, учет закона распределения ошибок измерений).

Особую важность представляет и правильная интерпретация результатов измерений. Установление величин и направлений подвижек позволяет определить другие, не менее важные параметры деформационных процессов, протекающих в грунтовом массиве и конструкциях сооружаемого тоннеля, – скорость деформаций, величины продольного и поперечного сдвига конструкций временного крепления, сжатие свода и лотков.

Сопоставление фактических значений этих величин с проектными данными позволяет выявить участки активизации процессов деформаций и принять меры для их устранения.

Исследование ряда измерений на монотонность После сбора полевой информации, необходимо выявить и исключить грубые погрешности измерений. Для этого предлагается применять анализ данных на монотонность. Набор данных после производства нескольких циклов наблюдений (3–5) анализируется на однородность: используя принципы метода наименьших квадратов, подбирается аппроксимирующая функция, наилучшим образом описывающая изменение деформационного процесса. В качестве такой функции подбирается многочлен вида где А1, А2…Аn – коэффициенты многочлена, которые могут быть вычислены из системы линейных уравнений по формулам:

Степень аппроксимирующей функции определяется из условия Далее, вычислив квадрат погрешности аппроксимации и сравнив его с СКП измерений можно выявить значения перемещений, которые не соответствуют подобранной аппроксимирующей функции F(x), т.е. для которых не выполняется условие перемещений вместо измеренных значений в функцию, вычисляют коэффициенты многочлена Р’м(х), далее производят подбор новой функции F’(x) перемещений и еще раз сравнивают аппроксимированные значения с измеренными [65].

Таким образом, из набора данных исключаются грубые погрешности измерений, которые могут исказить представление о тенденции деформационного процесса.

инклинометрических измерений в разрабатываемой методике является корреляционный анализ их результатов.

Корреляционный анализ результатов инклинометрических измерений и измерений электронным тахеометром Корреляционный анализ – это совокупность методов, используемых для обнаружения связи между переменными, исследования ее силы, направленности. В рамках корреляционного анализа оцениваются и анализируются различные показатели связи и их значимость. В зависимости от того, к какому типу относятся данные (номинальному, ординальному или скалярному), существуют различные приемы исследования связи признаков.

Для изучения связи между двумя признаками номинального типа применяются таблицы сопряженности, статистика Фишера-Пирсона хиквадрат, различные меры связи признаков (коэффициенты Крамера, Юла, Чупрова и др.).

применяются коэффициент корреляции, корреляционное отношение, коэффициенты корреляции рангов [53].

Коэффициент корреляции оценивается по выборке объема п связанных пар наблюдений (xi, yi) из совместной генеральной совокупности X и Y. Для оценки достоверности измерений деформаций предлагается исследовать корреляционную зависимость между результатами тахеометрических (выборка Х) и инклинометрических измерений (выборка У). Вычисление коэффициентов корреляции позволяет установить тесноту и направление перемещениями деформационных марок, закрепленных на конструкциях тоннеля и расположенных вблизи рассматриваемой инклинометрической скважины. Расчет величины коэффициента корреляции rxy осуществляется по формуле где хi – значения, принимаемые в выборке X; yi – значения, принимаемые в выборке Y; x – средняя по X; y – средняя по Y.

Коэффициенты корреляции могут варьироваться от -1 до +1. При положительных значениях коэффициента корреляции зависимость между переменными прямо пропорциональная, при отрицательных – обратно пропорциональная. Нулевая корреляция свидетельствует о независимости двух исследуемых переменных [13].

статистической связи – положительные и отрицательные; по форме связи – линейные и нелинейные; по числу переменных – парные, множественные и частные – между двумя переменными при фиксированном влиянии остальных переменных.

В таблице 2.7.1 приведена общая классификация корреляционных связей (по Ивантер Э.В., Коросову А.В., 1992):

Таблица 2.7.1 – Классификация корреляционных связей После вычисления значений коэффициента корреляции результатов измерений, необходимо произвести его оценку [14].

Оценка коэффициента корреляции, вычисленная по ограниченной выборке, практически всегда отличается от нуля. Требуется оценить значимость выборочной величины коэффициента. Для этого проверяют гипотезу о равенстве нулю истинного коэффициента корреляции из генеральной совокупности. Если гипотеза H 0 : r 0 о равенстве нулю коэффициента корреляции будет отвергнута, то выборочный коэффициент значим, а соответствующие величины связаны. Если гипотеза Н0 на основе фактического критерия будет принята, то оценка коэффициента не значима, и связь между исследуемыми переменными отсутствует. В качестве критерия проверки нулевой гипотезы Н0 применяют случайную величину t:

Согласно [101], проверка нулевой гипотезы Н0 о равенстве нулю истинного коэффициента парной корреляции генеральной совокупности производится в следующей последовательности: определяется значение статистики t; задается уровень значимости (0,1; 0,05; 0,01; 0,001); для двусторонней области определяется критическая точка распределения Стьюдента tкр (n–2; ) (Приложение Д, таблица Д.1), значение вычисленной статистики t сравнивается с критическим значением tкр (n–2; ). Если выполняется условие t < tкр (п–2; ), то нулевая гипотеза принимается, в противном случае гипотеза Н0 отвергается, что свидетельствует о значимости коэффициента корреляции.