Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геодезический мониторинг транспортных тоннелей, сооружаемых горным способом

ВАК РФ 25.00.32, Геодезия

Автореферат диссертации по теме "Геодезический мониторинг транспортных тоннелей, сооружаемых горным способом"

На правах рукописи

БОГОМОЛОВА Наталья Николаевна

ГЕОДЕЗИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ТРАНСПОРТНЫХ

ТОННЕЛЕЙ, СООРУЖАЕМЫХ ГОРНЫМ СПОСОБОМ

Специальность 25.00.32 — Геодезия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2014

005552095

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петербургский

государственный университет путей сообщения».

Научный руководитель -кандидат технических наук, доцент

Ерынъ Михаил Ярославович

Официальные оппоненты:

Кафтан Владимир Иванович, доктор технических наук, ФГБУН «Геофизический центр Российской академии наук», главный научный сотрудник

Носов Владимир Константинович, кандидат технических наук, ЗАО «ТРЕСТ 101», инженер-геодезист

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения»

Защита состоится 25 июня 2014 г. в 14 час 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.08 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд.3416а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте wwvv.spmi.ru.

Автореферат разослан 25 апреля 2014 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета

КОРНИЛОВ Юрий Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования.

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 строительство вблизи исторических центров городов. Строительство транспортных тоннелей по большей части осуществляется горным способом, при этом реакция грунтового массива на производство проходческих работ 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. Известны многочисленные случаи вывалов грунта в забое и прорыва грунтовых вод (вывалы при строительстве трассы «Дублер Курортного проспекта», г. Сочи, на перегоне «Выхино - Лермонтовский проспект» в г. Москва, затопление вентстволов при проходке автодорожного тоннеля Пин Лин, размыв на перегоне «Лесная - Площадь Мужества» в г. Санкт-Петербурге и др.). Зачастую 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 определение продольных деформаций тоннелей и не отвечают современному уровню развития геодезических приборов. Это свидетельствует о недостаточной изученности ряда вопросов, касающихся создания геодезических мониторинговых сетей при строительст-

ве 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 мониторинга деформаций современными средствами измерений.

Задачи исследований:

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

• Разработка методов проектирования, создания и контроля 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 измерений, корреляционный анализ, анализ рядов измерений на монотонность, анализ временных рядов, анализ распределения величин, метод наименьших квадратов. Эмпирические методы: анализ 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 совместного применения электронных средств измерений и скважинных инклинометров. Результаты измерений смещений следует подвергать корреляционному анализу, а прогноз осуществлять на основе анализа временных рядов.

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

Научная новизна работы:

• Обоснованы требования к точности положения пунктов геодезической мониторинговой планово-высотной сети, расположенных на дневной поверхности и в зоне выработки.

• Предложены и исследованы варианты развития подземной 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 пунктов геодезической мониторинговой сети применение способа, 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 корреляцион-

ного анализа и анализа рядов измерений на монотонность, прогнозирование предложено осуществлять на основе принципов анализа временных рядов.

Достоверность и обоснованность результатов работы 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 контрольно-измерительной аппаратуры (КИА) на дневной поверхности в припор-тальной 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.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на 10-й международной конференции геодезии, картографии и геоинформатики «Сео&>гт+» (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 международ-

ной 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 топогеодезиче-ского и навигационного обеспечения войск» (ФГВОУ ВПО «BKA им. А.Ф. Можайского» Минобороны РФ, апрель 2013 г.); 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.

Личный вклад автора. Обоснованы требования к точности 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.

Обосновано применение скважинных инклинометров для 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Основные результаты диссертационных исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

1. Геодезический мониторинг портальных частей строящегося тоннеля должен производиться на основе совместного применения электронных средств измерений и скважинных инклинометров. Результаты измерений смещений следует подвергать корреляционному анализу, а прогноз осуществлять на основе анализа временных рядов.

Анализ нормативных документов, касающихся геодезического сопровождения строительства транспортных тоннелей показал, что на сегодняшний день не разработана целостная методика мониторинга, предусматривающая наблюдения за состоянием конструкций тоннеля, расположенных на дневной поверхности. Поэтому автором обоснована новая технологическая схема производства геодезического мониторинга портальных частей сооружаемого тоннеля (рисунок 1).

Технологическая схема прощволства ппичпческпг о мониторинга сооружаемых тоннелей

Рисунок 1-Технологическая схема работ при производстве геодезического мониторинга в портальной зоне тоннеля

Для сбора информации о смещениях портальных конструкций тоннеля контрольные точки предложено закреплять отражательными пленками или поворотными призмами, а их координаты определять в системе координат объекта. Исходную геодезическую основу (далее геодезическую мониторинговую сеть) предложено закреплять в виде геодезических пунктов принудительного центрирования вне зоны влияния тоннеля. В условиях строительства наиболее предпочтительным способом определения координат деформационных марок является способ свободного станционирования, подразумевающий определение положения точки стояния электронного тахеометра обратной засечкой, и определение координат деформационных марок полярным способом.

В работе произведен анализ возможных подходов к назначению точности определения деформаций. В результате обосновано, что расчет следует производить, исходя из существующих рекомендаций по вводу понижающих коэффициентов на строительный допуск отклонения положения конструкций тоннеля. Наиболее строгий допуск предъявляется к конечной обделке тоннеля, согласно СНиП 32-04-97 «Тоннели железнодорожные и автодорожные» он равен 50 мм. Существующие рекомендации по вводу понижающих коэффициентов обосновывают при определении смещений конструкций принимать значения коэффициентов в интервале 0,10 - 0, 25, при этом коэффициент 0,10 рядом авторов считается несколько завышенным. В работе принято значение понижающего коэффициента, равным 0,15.

Поскольку величина смещения каждой контрольной точки в горизонтальной плоскости определяется по разностям координат деформационных марок в смежных циклах измерений, то средняя квадратиче-ская погрешность (СКП) определения смещения конечной обделки составит 8 мм. Вычислено, что величина СКП тх у определения координат хну составит 4 мм, а СКП тР планового положения деформационной марки будет равна 5,6 мм.

При реализации способа свободного станционирования на дневной поверхности СКП тР определения планового положения деформационной марки определится формулой

где тР - погрешности исходных данных (пунктов плановой мониторинговой сети), т2г„ы = т2оз +т2пс - погрешности измерений, складывающиеся из погрешности т03 определения положения станции обратной засечкой и погрешности тпс полярного способа.

При пренебрежимо малых погрешностях исходных данных, величина СКП тр измерений составит 5,3 мм. Предвычислено, что СКП

тр положения пунктов мониторинговой сети составит 1,8 мм.

Определено, что при тр = 5,3 мм, т03 составит 5 мм,

тпс = 1,7 мм. В работе обоснованы требования к точности линейных и угловых измерений при определении положения марки полярным способом: md = 1,2 мм, /Яр = 2,5".

Анализ точности обратной угловой засечки при различных случаях показал, что при заданной точности угловых измерений и удаленности исходных пунктов, для определения положения тахеометра с точностью

5 мм, необходимо, чтобы углы (3 были не менее 35°. Также в ходе исследования установлено, что при реализации линейной засечки, даже при угле засечки р = 30°, значение СКП т03 удовлетворяет заданным требованиям.

Высоты деформационных марок предложено определять методом тригонометрического нивелирования. Предвычислены требования к точности создания геодезической мониторинговой высотной сети (4 мм), определено, что заданную точность при создании сети обеспечит производство нивелирования по программе III класса.

Для сбора данных о глубине залегания слабонесущих пластов грунтов, расположенных вблизи порталов тоннелей, и границах их скольжения, впервые предложено производить исследования скважин-ным инклинометром.

В работе обосновано, что на припортальных участках скважины целесообразно располагать вблизи «куста» деформационных марок. 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, монтаж выносного портала, установка временной крепи) и по мере накопления данных о пере-

мещениях, рекомендуется принять рациональное решение о необходимости бурения других скважин в местах возможной активизации склоновых процессов, или вблизи участков возможного обводнения.

После сбора полевой информации, возникает задача выявить и исключить грубые погрешности измерений. Обосновано применение анализа рядов измерений на монотонность. После производства нескольких циклов наблюдений (3-5), используя принципы метода наименьших квадратов, подбирается аппроксимирующая функция, наилучшим образом описывающая изменение деформационного процесса. Степень аппроксимирующей функции определяется из условия

где ст - СКП измерений, Рт - многочлен (аппроксимирующая функция).

Вычислив квадрат погрешности аппроксимации и сравнив его с двойной СКП измерений, можно выявить значения перемещений, которые не соответствуют подобранной аппроксимирующей функции

У, - Рт(х,)=2<з. (3)

Другим предложенным способом проверки рядов на однородность является проверка по критерию Ирвина. Данный анализ позволяет исключить грубые погрешности полевых измерений и подготовить данные для дальнейшей статистической обработки.

Для установления достоверности полученной информации о перемещениях тоннеля, обосновано применение корреляционного анализа результатов инклинометрических измерений и измерений электронным тахеометром.

гДе г«ь - коэффициент корреляции; а, - величины смещений деформационной марки, мм; Ь, - величины перемещений соответствующего сечения инклинометрической скважины, мм; а - средняя величина по первой выборке, Ь - средняя величина по второй выборке,- тг, -

ошибка коэффициента корреляции; п - число циклов измерений смещений.

(2)

В ходе исследования установлено, что при вычислении коэффициентов корреляции результатов тахеометрических и инклинометриче-ских измерений, правильнее рассматривать парные корреляции. Определение множественных коэффициентов корреляции, в случае включения в анализ перемещений сразу всего «куста» отражательных пленок, приведет к усреднению множественного коэффициента корреляции и может серьезно исказить результаты анализа.

Прогнозирование деформаций - одна из основных целей производства мониторинга. Автором обосновано, что для составления прогноза деформационных процессов следует применять анализ временных рядов, при котором набор измерений рассматривается как упорядоченная последовательность, состоящая из трендовой, регулярной и случайной компонент.

При производстве проходческих работ в неблагоприятных условиях (наличие оползневых участков, высокая сейсмичность и др.) деформационные процессы могут иметь неравномерную скорость. График таких перемещений будет иметь множество экстремумов с возможной тенденцией процесса развития деформаций к росту. Как показали исследования, адекватно описать такую форму процесса позволяет лишь полином высокого порядка. При этом подбор подходящей степени полинома рекомендуется производить по критерию наименьшей суммы квадратов отклонений теоретической кривой от эмпирической. Оценку трендовой модели следует производить по величине коэффициента /? детерминации

где <з2у - дисперсия теоретических данных, с2у - дисперсия эмпирических данных.

Автором обосновано, что для проверки остатков на нормальность наиболее предпочтительно использовать часто применяемый непараметрический критерий проверки распределения - критерий согласия Колмогорова

л = а^г, (6)

V п

где й -максимальная разность между накопленными частотами эмпирического и теоретического распределений; п - количество наблюдений; Р(х) - вероятность совпадения теоретических и эмпирических частот функции.

Для осуществления прогноза деформационных процессов следует использовать способ экстраполяции временного ряда по тенденции, так как он позволяет произвести точечное прогнозирование на конкретную дату путем подстановки момента времени г в уравнение тренда. Оценку прогноза следует производить по формуле

где е* - погрешность составления прогноза смещений, }'( - фактическое значение смещений, у' - прогнозное значение смещений.

На рисунках 5-9 представлены результаты экспериментальной проверки разработанной методики геодезического мониторинга тоннеля, сооружаемого горным способом в г. Сочи в рамках подготовки к 0лимпиаде-2014. После сбора данных о перемещениях марок, закрепленных на портальных конструкциях, и перемещениях инклинометри-ческой скважины, расположенной в кусте марок, произведена статистическая обработка измерений, определены коэффициенты корреляции. Далее по методу наименьших квадратов подобраны функции, наилучшим образом описывающие процесс перемещения марок, имеющих наибольшие смещения. Произведена проверка остатков на нормальность, составлен краткосрочный прогноз, послуживший основой для оптимизации проектных решений.

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

Как правило, в зоне выработки реакция грунтового массива на производство проходческих работ проявляется в виде деформационных процессов, протекающих в незакрепленной выработке и в конечной

(7)

обделке тоннеля. Поскольку до сих пор не разработана методика определения продольных деформаций выработки, что особенно актуально при пересечении тоннелем разнородных грунтов, в работе обоснована необходимость создания геодезической мониторинговой плановой сети в зоне выработки, точность которой должна обеспечивать заданную точность определения смещений в зоне выработки. Выделены следующие этапы работы при реализации геодезических наблюдений:

1. Определение смещений контуров временной крепи координатным методом.

2. В необходимых случаях определение смещений положения конечной обделки координатным методом.

На основании заданной величины СКП определения горизонтального смещения, определено, что величина СКП тх у определения координат будет равна 4 мм, а СКП тр определения положения деформационной марки будет mX) 4l= 5,6 мм .

Координаты деформационных марок, закрепленных на временной крепи и конечной обделке, определяются полярным способом с пунктов геодезической мониторинговой сети, проложенной методом полигоно-метрии. При этом СКП тр определения положения деформационной марки определится формулой (1), в которой тр = тпс — погрешности полярного способа. Определено, что погрешности тР исходных данных и погрешности тР измерений будут равны 4 мм. С учетом стесненности условий работ в зоне выработки, значительного ухудшения видимости вследствие работы буровых машин, принято, что с одного пункта мониторинговой сети должна быть обеспечена видимость на деформационные марки, удаленные на 100 м. Установлено, что при заданной удаленности СКП md определения расстояний составит 2,8 мм, а СКП nip угловых измерений будет равно 5,8*.

Для реализации контроля стабильности плановых пунктов геодезической мониторинговой сети преобразован известный ранее способ, основанный на исследовании корреляционной зависимости превышений при контроле стабильности высотных пунктов. Обосновано, что выявление сместившегося пункта плановой сети следует производить,

Рисунок 5 - Схема размещения КИА в припортальной зоне строящегося тоннеля

50 40

I30 ¿,20

10

В

В.

.10 5-20

'-30

-40

-50

тН

3

3

3 Я

3 53

Рисунок 6 - График изменения величины сближения стен

ёзззйяяй^ы^аззэз&'&'аа&'зё

Рисунок 7 - График скорости оседания свода тоннеля

Переменные Коэффициент корреляции

11-818 0,75

11-822 0,89

11-1 0,53

11-2 0,54

Таблица 3 - Проверка статистической значимости

Марка 8 18 Марка 8 22 Марка 1 Марка 2

1 р г ко 1 0 1 кр / р 1 ко 1 р г ко

6,021 2,05 10,588 2,05 3,335 2,05 3,406 2,05

140 ¡120 й 100 § 80 | 60 Ъ 40

I 20

о

- 0.8095х3 + 5.921х2 - 183"1х+

-Смещение марки 2, мм

111.89

11;= 0.6689

1 4

10 13 16 19 22 25 28

Рисунок 8 - Подбор модели прогноза для марки 2

-4.00 -2.00 0.00 2.00 4.00 6.00 в.00

Рисунок 9 - Проверка остатков на нормальность

исследуя корреляционные зависимости результатов измерений углов и расстояний между смежными пунктами.

Обосновано, что измерение смещений контура конечной обделки необходимо производить в наиболее уязвимых зонах проходки ( разломы, места наиболее глубокого заложения тоннеля, зоны водонасыщен-ных грунтов, оползневые очаги и др). Границы этих участков выявляются в процессе мониторинга деформаций временной крепи.

На рисунке 2 представлена схема расположения деформационных марок в одном из сечений строящегося тоннеля («Дублер Курортного проспекта») в г. Сочи.

В результате исследований были получены следующие сведения о деформационных процессах, происходящих в зоне выработки: поперечное сжатие, осадка временной крепи, смещение в плане и скорость деформаций.

По результатам априорной оценки точности сети установлено, что при заданных минимальных линейных и угловых погрешностях измерений, и при СКП положения пункта сети 4 мм, допустимая длина свободного вытянутого равностороннего хода не превысит 0,5 км (формула (13), таблица 1). В процессе поиска возможных вариантов повышения точности положения пунктов сети автором были предложены и проанализированы различные варианты построения подземной мониторинговой плановой сети с выполнением дополнительных линейно-угловых измерений. Результаты исследования представлены в таблице 1. Значения допустимых длин ходов полигонометрии вычислены для случаев с различным количеством сторон п в ходе, при условии, что ход является вытянутым и равносторонним. СКП Мр положения пункта

СУ

Рисунок 2 - Схемы размещения КИА в зоне выработки

должно быть не более 4 мм, а СКП линейных и угловых измерений приняты 1 мм и 1" соответственно.

Вариант 1. Предложено рассмотреть вытянутый равносторонний ход, в котором дополнительно измерены углы р'2._,, образованные направлениями на следующие за смежными пунктами сети вершины хода, а также измерен угол ср (рисунок 3).

Рисунок 3 - Дополнительные измерения углов «через один пункт»

При нечетном количестве пунктов измеренные таким образом углы порождают условие разности дирекционных углов

а, + £р'2,_, ±180° - Га, + ¿((3, ± 180° )1 - <р = 0. (8) 1 V I

За погрешность единицы веса приняты СКП измерения угла, т.е. ц = тр . После нахождения обратной весовой матрицы б(р(3,у уравненных величин размерностью (1,5л + 1)х (1,5л +1), получены СКП угловых I (1,5п)

измерении ^ . Получена формула (9) для вычисления

СКП положения пункта, и формула, определяющая длину хода (формула (14), таблица 1).

Мр =■

1,5 л Л2р п

Ь~ — + пт~,.

(9)

'(1,5л + 1)У 3 Вариант 2. Рассмотрен равносторонний вытянутый полигономет-рический ход, в котором дополнительно через один пункт измерены стороны, образованные тремя смежными пунктами (рисунок 4). Для удобства проанализированы первые три пункта. Предположим, что они расположены на одной прямой, тогда возникает условие сторон с?, + ¿2 - с1{_з = 0.

За ошибку единицы веса приняты СКП измерения расстояния, т.е. ц = та. СКП измерения расстояния после уравнивания составит

тл, = л/2/3тл. Для этого случая, а также при наличии дополнительно измеренных углов, СКП положения пункта определится формулами (10). Допустимые длины ходов выражаются формулами, приведенными в таблице 1 (формулы (15),(16)).

..2 т1 т2п 2 2 - 1,5л т1 г2П 2 ,

"''Ъ^фТъ™«- (Ю)

Вариант 3. Предложен вариант, при котором в ходе дополнительно измеряются углы, образованные направлениями на смежные пункты и следующие за ними на каждой вершине хода (рисунок 5)

У ■

х

Рисунок 5 - Дополнительные измерения углов на каждой вершине

В этом случае, СКП измерения каждого угла на пункте полигоно-метрии после уравнивания будет тр; = ту. = л/2/З/Ир, для вычисления

СКП положения пункта получена формула (11). Формула для вычисления допустимой длины хода представлена в таблице 1 (формула (17)).

Мр=—Ь п + птл. (11)

9р-

Вариант 4. В вытянутом равностороннем ходе дополнительно измерены не только углы на каждом пункте, но и стороны. Тогда возникнет (я-1) условий сторон. Матрица А коэффициентов условных уравне-

17

ний будет иметь (п-1) строк и (2м-1) столбцов, где п - это количество сторон в ходе. СКП линейных измерений, как показывают исследования, для длин, участвующих в измерениях дважды (все длины, относящиеся к ходовой линии, кроме первой и последней) будут 0,7та , а для всех остальных длин - 0,8та.

Получена формула (12) для определения СКП положения пункта и формула (18) (таблица 1) для вычисления длины полигонометрического хода.

2т2

М2Р=—±1}п + ЪЛт]. (12)

Таблица 1 - Сравнение длин ходов полигонометрии

и № вар-та —■— 5 7 10 12 15

1 .Ь=р -««];. (13) Шр V п 0,5 0,4 0,3 - -

2. Ь = -?-^2(Мр2-пт2 Х15п + 1);(14) ШрЯ 0,6 0,4 0,3 - -

р \ъ[мР2 ~У~пт]) зь= V -—-<15) Шр V п 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2

4. + Р2 -Уъпт]);{Щ 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2

5 ь=Ър ЫМ 2-пт]); (п) /Лр V 2 п 0,6 0,5 0,3 0,2 -

6 .¿=ЗрК2-0,7^ (18) И1р V 2 п 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3

Анализ полученных результатов показывает, что введение в состав дополнительных измерений углов и сторон по схеме «через один

бпункт» позволяет увеличить длину полигонометрического хода в 1,2 раза, при этом совместные измерения не способствуют ее увеличению. Однако если выполнять такие измерения на каждом пункте, то наблюдается увеличение длины хода в 1,4 раза. Наибольшего эффекта при производстве дополнительных измерений позволяет добиться выполнение последнего варианта развития сети при наличии начального и конечного дирекционных углов. В этом случае увеличение длины хода по сравнению с длиной свободного вытянутого равностороннего хода происходит в 2,8 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Предложена методика предварительного расчета точности геодезических измерений, включающая расчет точности положения деформационных марок и пунктов геодезической мониторинговой сети, выбор средств измерений и расчет параметров наблюдений.

2. Предложены, теоретически обоснованы и исследованы варианты развития подземной мониторинговой плановой сети, основанные на выполнении дополнительных линейно-угловых измерений по схеме «через один пункт» и «на каждом пункте», способствующие повышению точности элементов сети до 2,8 раза. Предложены новые условные уравнения разности дирекционных углов и измеренных длин в комбинациях. Получены расчетные формулы.

3. Предложена и экспериментально исследована технологическая схема работ при производстве мониторинга на дневной поверхности, обеспечивающая сбор данных о деформациях грунтового массива при помощи скважинных инклинометров, и сбор данных о перемещениях конструкций тоннеля электронным тахеометром способом свободной станции. Даны практические рекомендации по размещению КИА в припортальной зоне.

4. Обосновано соотношение погрешностей обратной засечки при определении положения станции и погрешностей полярного способа при определении положения деформационных марок. Даны рекомендации по условиям применения геодезических засечек при производстве геодезического мониторинга портальных частей тоннеля.

5. Разработана и экспериментально исследована методика определения смещений контуров выработки координатным методом, позволяющая определять величины и направления таких видов деформаций как сближение стен, оседание свода, смещение временной крепи, выпучивание лотков и обратного свода; а также вычислять скорость развития деформаций. Предложены и исследованы на практике варианты закрепления деформационных марок на конструкциях временной крепи.

6. Обосновано производить оценку достоверности результатов геодезического мониторинга на основе корреляционного анализа результатов измерений электронным тахеометром и скважинным инклинометром. Для исключения грубых погрешностей измерений разработана последовательность статистической обработки результатов геодезических измерений, включающая в себя анализ рядов измерений на монотонность и их последующее сглаживание. Обосновано и подтверждено на практике применение принципов анализа временных рядов при составлении краткосрочного прогноза поведения деформационных процессов.

Основные ноложення и результаты диссертационного исследования опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобр-науки России:

1. Афонин, Д.А. Предрасчет точности геодезических измерений при организации мониторинга деформаций портальных частей транспортных тоннелей / Д.А. Афонин, H.H. Богомолова, МЛ. Брынь / Геодезия и картография . - 2014. - № 1. - С. 7-11.

2. Богомолова, H.H. Геодезические наблюдения за деформациями сооружаемых тоннелей / H.H. Богомолова, М.Я. Брынь, Е.Г. Толстов / Путь и путевое хозяйство. - 2013. - №9. - С. 16-19.

3. Богомолова, H.H. Методика мониторинга тоннелей на основе комплексного применения геодезических средств измерений и методов статистического анализа / H.H. Богомолова / Записки Горного института. - СПб: РИЦ Горного ун-та - 2013. - Т. 204. - С. 40-45.

4. Богомолова, H.H. Предрасчет точности геодезических измерений деформаций выработки при сооружении транспортных тоннелей / Известия ПГУПС. - 2013. - №4 - С.87 - 95.

РИЦ Горного университета. 22.04.2014. 3.328. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Богомолова, Наталья Николаевна, Санкт-Петербург

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ

СООБЩЕНИЯ»

04201459901 На правах рукописи

Богомолова Наталья Николаевна

щ>

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 - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

1 АНАЛИЗ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ И НОРМАТИВНЫХ ДОКУМЕНТОВ ПО ПРОБЛЕМЕ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА. ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ, СООРУЖАЕМЫХ ГОРНЫМ СПОСОБОМ 11

1.1 Общие сведения о строительстве транспортных тоннелей горным способом 11

1.2 Анализ деформационных процессов, развивающихся в ходе строительства тоннелей 16

1.3 Анализ требований нормативных документов к производству наблюдений за деформациями сооружаемых тоннелей 21

1.4 Анализ существующего опыта наблюдений за деформациями строящихся тоннелей 23

1.5 Место и сущность геодезического мониторинга при строительстве тоннелей 25

1.6 Выводы по разделу 1 39

2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПОРТАЛЬНЫХ ЧАСТЕЙ ТОННЕЛЯ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ И СТАТИСТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ДАННЫХ 42

2.1 Постановка задачи 42

2.2 Расчет требуемой точности определения деформаций 45

2.3 Предрасчет точности геодезических измерений смещений в горизонтальной плоскости 47

2.4 Предрасчет точности геодезических измерений смещений в вертикальной плоскости 53

2.5 Выбор мест размещения деформационных марок. Расчет периодичности наблюдений 56

2.6 Измерения деформаций грунтового массива при помощи скважинных инклинометров 58

2.7 Обработка результатов тахеометрических и инклинометрических измерений деформаций 62

2.8 Прогнозирование поведения деформационных процессов 68

2.9 Выводы по разделу 2 74

3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗОНЫ ВЫРАБОТКИ 76

3.1 Постановка задачи 76

3.2 Предрасчет точности наблюдений за смещениями контура выработки 78

3.3 Определение смещений контура выработки 82

3.4 Априорная оценка точности подземной геодезической мониторинговой сети с учетом производства дополнительных линейно-угловых измерений 86

3.5 Контроль стабильности пунктов мониторинговой сети на основе применения корреляционного анализа 99

3.6 Предрасчет точности геодезических мониторинговых плановых сетей на основе компьютерного моделирования 102

3.7 Предрасчет точности геодезических мониторинговых высотных сетей 105

3.8 Выводы по разделу 3 107

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ РАЗРАБОТОК ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ 109

4.1 Геодезический мониторинг припортальной зоны автодорожного тоннеля, сооружаемого горным способом 109

4.2 Геодезический мониторинг выработки строящихся автодорожных

тоннелей 122

4.3 Исследование методики проектирования внутренней плановой геодезической мониторинговой сети в тоннеле на основе компьютерного моделирования 128

4.4 Выводы по разделу 4 134 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 136 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 140 ПРИЛОЖЕНИЯ 152 Приложение А 152 Приложение Б 154 Приложение В 157 Приложение Г 159 Приложение Д 164

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 строительство вблизи исторических центров городов, что требует высокоточного геодезического сопровождения. Строительство транспортных тоннелей по большей части осуществляется горным способом, при этом реакция грунтового массива на производство проходческих работ 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. II. 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 недостаточной изученности ряда вопросов, касающихся создания

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 горным способом. Исследование деформационных процессов, сопутствующих данному способу строительства тоннелей.

• Разработка методов проектирования, создания и контроля 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 измерений, корреляционный анализ, анализ рядов измерений на монотонность, анализ временных рядов, анализ распределения величин, метод наименьших квадратов. Эмпирические методы: анализ 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 измерения смещений контура выработки координатным методом 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:

• Обоснованы требования к точности положения пунктов геодезической мониторинговой планово-высотной сети, расположенных на дневной поверхности и в зоне выработки.

• Предложены и исследованы варианты развития подземной 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 пунктов геодезической мониторинговой сети применение способа,

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.

Достоверность и обоснованность результатов работы 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 контрольно-измерительной 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.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы 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 «BKA им. А.Ф. Можайского» Минобороны РФ, апрель 2013 г.); 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.

Личный вклад автора. Обоснованы требования к точности 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.

Предложено применение скважинных инклинометров для 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.

и

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

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 постановко�