Автоматизированный деформационный мониторинг состояния тоннелей метрополитенов

С.В. Баловцев, Р.В. Шевчук

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ДЕФОРМАЦИОННЫЙ МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ТОННЕЛЕЙ МЕТРОПОЛИТЕНОВ

Выбор технологии строительства объектов метро осуществляется на основе комплексного анализа горнотехнических условий строительства по факторам, включающим технические и технологические решения, инженерно-геологические и гидрогеологические условия, социально-экологические условия размещения новых линий метро в сформировавшейся городской среде, а также экономические условия. Обделка тоннеля должна воспринимать горное давление по контуру выработки, гидростатическое давление подземных вод, временные нагрузки, передаваемые с поверхности земли (при мелком заложении тоннеля), сейсмические воздействия и другие нагрузки, должна обладать достаточной прочностью, устойчивостью и водонепроницаемостью. С целью обеспечения безопасной эксплуатации подземных объектов метрополитена необходим непрерывный контроль изменения напряженно-деформированного состояния тоннелей. Основными элементами автоматизированной системы мониторинга являются высокоточный роботизированный тахеометр и отражатели - минипризмы на L-образных креплениях. Определение координат отражателей и передача результатов измерений выполняются в автоматизированном режиме специально разработанной программой.

Ключевые слова: строительство подземных сооружений, горное давление, напряженно-деформированное состояние, геомеханический мониторинг, автоматизированный деформационный мониторинг, тоннельная обделка, деформация конструкций, техническое состояние конструкций, трещины, отколы, разрушения, регистрация результатов измерений, высокоточный роботизированный тахеометр, деформационная марка, геометрическое нивелирование, точность измерений.

Строительство новых линий метро осуществляется в условиях плотной городской застройки и большого количества инженерных систем, действующих линий метро и подземных коммуникаций, сложных гидрогеологических условиях. Мониторинг эксплуатационных характеристик является необходимым условием успешного строительства тоннелей.

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 5. С. 23-28. © 2017. С.В. Баловцев, Р.В. Шевчук.

Целью автоматизированного деформационного мониторинга является обеспечение безопасной эксплуатации сооружений метрополитена путе м непрерывного контроля изменения напряженно-деформированного состояния тоннелей в зоне влияния проектируемого строительства. Обделка тоннелей является постоянной конструкцией, предназначенной для закрепления внутренней поверхности горной выработки и придания ей правильного, соответствующего проекту очертания.

При осуществлении мониторинга контролируются (в том числе пороговые значения):

• вертикальные и горизонтальные перемещения элементов тоннельных конструкций;

• величины изменения геометрических размеров тоннельной обделки;

• величины изменения профиля лоткового основания тоннелей (уклоны тоннеля);

• общее состояние обделки тоннелей (возможное появление и развитие трещин и сколов);

• общее состояние путевого бетона.

Общее состояние обделки тоннелей, путевого бетона (раскрытие швов, водопроявления и т.д.) определяется путе м визуального и инструментального осмотра, проводимого с частотой 1 раз в неделю на весь период работ по мониторингу.

Оценка технического состояния конструкций по внешним признакам производится на основе определения следующих

Рис. 1. Косые и горизонтальный диаметры кольца: 1 — проектное положение; 2 — фактическое положение; 3 — горизонтальная эллиптичность

Я

А

факторов: наличие трещин, отколов и разрушений, состояния защитных покрытий, прогибов и деформаций конструкций, степени и глубины коррозии бетона и арматуры.

Наблюдения за изменением геометрических характеристик тюбинговой обделки тоннеля выполняются путем периодического измерения косых и горизонтального диаметров (рис. 1) каждого пятого кольца тюбинговой обделки тоннелей по фиксированным точкам в зоне деформаций.

Организация автоматизированной системы мониторинга за деформациями действующих перегонных тоннелей позволяет:

• практически непрерывно (до 12 циклов в сутки, в режиме реального времени) контролировать напряженно-деформированное состояние тоннелей и вмещающего грунтового массива, его изменение в процессе строительства;

• автоматически регистрировать результаты измерений с целью выявления и предотвращения потенциальных угроз при проведении горнопроходческих работ в ограниченных и сложных условиях (плотная городская застройка, наличие действующих линий метрополитена в зоне горнопроходческих работ, сложные гидрогеологические условия, городские инженерные сети).

Основными элементами автоматизированной системы мониторинга являются высокоточный роботизированный тахеометр, разработанный специально для непрерывной работы в условиях действующих транспортных тоннелей, и отражатели —

1 — Габарит приближения оборудования 2 Гэбарит приближения подвижного состава О Деформационное марки (отражатели) расположения деформационных морок уточнить по месту

Рис. 2. Схемы расположения тахеометра и деформационных марок

рзт—пг

Зажимной винт

Зажимной винт с шайбой

скреплением марки

Ь-образная призма

Рис. 3. Конструкция деформационного знака

минипризмы на ¿-образных креплениях, закрепленные на обделке тоннеля в своде и на горизонтальном диаметре (рис. 2). Определение координат отражателей и передача результатов измерений выполняются с заданной периодичностью 1 раз в 2 часа в автоматизированном режиме специально разработанной программой.

В период проведения работ по закладке, нумерации и маркировке деформационных знаков (рис. 3) выполняется фотофиксация заложенных деформационных знаков. Выполнение данного вида работ позволяет:

• засвидетельствовать факт установки деформационного знака;

• обеспечить визуальное сопряжение установленного деформационного знака с участком проводимых работ;

• обеспечить эксклюзивную идентификацию установленного деформационного знака;

• обеспечить достоверность сохранности деформационных знаков на всем протяжении пространственно-временного интервала производства работ по наблюдению за дополнительными деформациями основных несущих конструкций объектов мониторинга.

В качестве исходных знаков для планово-высотных наблюдений за деформациями тоннеля используются марки, специально заложенные для автоматизированного мониторинга, и путейские репера для нивелирования лотка.

Выбранное количество исходных пунктов должно быть не менее трех с каждой стороны, удаленных от зоны влияния горных работ назад и вперед по трассе не менее чем на 50 м, тем самым обеспечивается возможность своевременно определить

изменения высотных отметок исходных пунктов, которые оказывают значительное влияние на достоверность определения возможных деформаций на объекте мониторинга. Определение высотных отметок и дальнейший контроль стабильности исходных реперов выполняется нивелированием I класса точности в виде замкнутого полигона в прямом и обратном направлениях.

Определение высотных отметок деформационных знаков, заложенных в лотке (рис. 4), выполняется нивелированием не ниже второго класса точности в виде замкнутого полигона в прямом и обратном направлениях. Для определения отметок реперов высотной основы и деформационных знаков применяется геометрическое нивелирование, обладающее высокой точностью и быстротой измерений. Геометрическое нивелирование необходимо выполнять высокоточным нивелиром с использованием нивелирной инварной рейки.

Для оценки изменения положения деформационных марок во времени строятся тренды — графики, отображающие тенденцию изменения значений величин деформаций. По результатам геодезического мониторинга составляются оперативные информационно-аналитические справки о техническом и планово-высотном положении перегонного тоннеля. С использованием эпюр смещений марок, установленных на обделке тоннеля, и результатов нивелирования рельсовых нитей возможен контроль их перекоса. Точность измерения планово-высотного положения деформационных марок, установленных на обделке перегонных тоннелей должна быть не более +/- 2 мм.

Допустимое отклонение в уровне расположения рельсовых нитей определяется путем их нивелирования 11-го класса точности с периодичностью 1 раз в неделю.

Рис. 4. Деформационный знак, заложенный в лотке

Мониторинг состояния тоннеля необходимо осуществлять для того, чтобы знать о поведении окружающего грунта в ходе выполнения работ, что позволит гарантировать устойчивость сооружения. Конечной целью геомеханического мониторинга является получение научно-обоснованной информации, которая позволит прогнозировать развитие деформационных процессов в целях обеспечения безопасной эксплуатации подземных объектов метрополитена.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Баловцев Сергей Владимирович1 — кандидат технических наук, доцент, e-mail: Balovcev@yandex.ru, Шевчук Роман Васильевич1 — студент, e-mail: Shevchuk002@mail.ru, 1 МГИ НИТУ «МИСиС».

UDC 528.482: 622.271. 001.63

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 5, pp. 23-28. S.V. Balovtsev, R.V. Shevchuk AUTOMATED DEFORMATION MONITORING IN TUNNELS AND SUBWAYS

Construction technologies for subway objects are selected based on the integrated analysis of the construction conditions with regard to various factors, including process solutions, geological and hydrogeological conditions, social-and-ecological conditions of arrangement of new metro lines in the developed urban environment, as well as state of economy.

Tunnel lining should bear perimeter-wise rock pressure, hydrostatic pressure of groundwater, temporal loads from the ground surface (given shallow tunnels), seismicity and other impacts, and is to possess sufficient strength, stability and water tightness. Safe operation of underground objects in subways requires continuous control of variation in stresses and strains of the tunnels.

The basic elements of the automated monitoring system are the high-accuracy robotic tacheometer and reflectors—mini-prisms with L attachments. Determination of coordinates of the reflectors and measured data transmission are implemented in automated mode using a dedicated program.

Key words: underground construction, rock pressure, stress-strain state, geomechanical monitoring, automated deformation monitoring, tunnel lining, structure deformation, technical state of structure, cracks, splits-off, failures, measurement data recording, high-accuracy robotic tacheometer, deformation grade, differential leveling, measurement accuracy.

AUTHORS

Balovtsev S.V.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, e-mail: Balovcev@yandex.ru,

Shevchuk R.V.1, Student, e-mail: Shevchuk002@mail.ru, 1 Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia.