CC BY
14
- © В.Н. Гусев, Е.М. Волохов,
В.А. Голованов, И.П. Иванов, М.Ю. Васильев, В.К. Носов, П.И. Юшманов, 2012
УДК [622.1:528](031)
В.Н. Гусев, Е.М. Волохов, В.А. Голованов, И.П. Иванов, М.Ю. Васильев, В.К. Носов, П.И. Юшманов
МАРКШЕЙДЕРСКИЕ МЕТОДЫ ОБСДЕДОВАНИЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ ТОННЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛАЗЕРНО-СКАНИРУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ
Представлена схема геометрического анализа, позволяющего выявить в отдельных случаях смещения тюбинговых колец на участке деривационного тоннеля. Ключевые слова: напорная деривация, лазерно-сканирующая система.
Правая нитка напорной деривации Зеленчукской ГЭС (ПННД) в Карачаево-Черкесской республике (агрегаты № 3, 4) сооружена в неполном объеме в 1999 г. и была законсервирована после пуска агрегатов № 1, 2 левой нитки. В настоящее время разрабатывается ТЭО — проект совмещенного варианта ГЭС-ГАЭС для агрегатов № 3, 4. В связи с продолжительной эксплуатацией левой нитки напорной деривации, большей частью выполненной в нетрещиностойкой обделке и в непосредственной близости от правой нитки (целик 14,41 м), возникла необходимость в оценке возможного изменения состояния породного массива вокруг сооружений правой нитки, их качество и полноту выполнения.
В соответствии с требованиями технического задания, обследованию подлежали только наклонные участки деривационного туннеля №2 (длиной 2,2 км) и напорного туннеля №2 (длиной 0,5 км) правой нитки деривации. Обследование носило комплексный характер и включало в себя визуальное обследование, маркшейдерские и
геофизические работы, инженерно-геологические изыскания, определение прочностных свойств бетона обделки. В работе изложены результаты обследования, выполненные марк-шейдерско-геодезическими методами с использованием лазерно-сканирую-щих систем.
Для маркшейдерской съёмки тоннелей (деривационного и напорного) была использована лазерно-скани-рующая система IMAGER 5006, представляющая собой высокоточный наземный лазерный сканер фазового типа, выпускаемый фирмой «Z+F» (Германия). Дальность действия лазерного сканера IMAGER 5006 составляет 79 м. Упомянутая высокая точность этой измерительной системы характеризуется следующими цифрами:
• точность получения точек лазерных отражений (ТЛО) в пределах радиуса съёмки 10 м — 0,7—1,0 мм;
• точность получения точек лазерных отражений (ТЛО) в пределах радиуса съёмки 25 м — 1,0—2,0 мм;
• точность получения точек лазерных отражений (ТЛО) в пределах радиуса съёмки 50 м — 2,5—4,0 мм.
Первая цифра в приведённых точностных пределах для 10, 25, 50 м соответствует отражающей способности поверхности 100 % (белая), вторая цифра — отражающей способности поверхности 20 % (тёмно-серая). Отсюда средняя точность сканера — 1,9мм. Производительность съёмки этой системы — 500000 точек в сек. Выбор для производства маркшейдерских съёмок тоннелей не случаен, так как его высокая точность при геометрическом анализе результатов съёмки позволит выявить смещения и деформации обделки обследуемых тоннелей.
Методика съёмки объектов вытянутой формы (тоннелей) лазерным сканером
Работа лазерного сканера заключается в наборе точек лазерных отражений от объектов съёмки, расположенных в радиусе действия данного прибора. Полученное облако точек лазерных отражений (ТЛО) от объекта съёмки носит название скан. При съёмке больших по протяжённости объектов возникает необходимость несколько установок сканера и получение нескольких сканов. При этом каждый скан получается в системе координат самого сканера. Для ориентирования сканов в единой системе координат используются марки внешнего ориентирования. В данном случае были использованы двухсторонние марки с совпадающими центрами с возможностью их установки на почву тоннелей (рис. 1). Это было достигнуто путём установки двухсторонних марок в рамку, которую в свою очередь закрепляли на подставках. Подставки были выполнены из отрезков пластиковых труб разной высоты диаметром 150 мм. Марок такой конструкции было изготовлено в количестве 8 штук.
Съёмка тоннелей производилась методом прокладки лазерно-сканиру-ющего хода (рис. 2). На участке тон-248
неля устанавливался сканер и по обе стороны от него выставлялись по 4 марки внешнего ориентирования. При этом, передние по ходу лазерно-сканирующей съёмки 4-е марки внешнего ориентирования будут служить для связи следующего скана с полученным на этой скан-позиции. Задние 4-е марки служат для передачи на них координат, в которых производится съёмка. После окончания сканирования на 1-ой станции (скан-позиции) сканер переносится на другую позицию, а именно за передние 4-е марки внешнего ориентирования, а задние 4-е марки предыдущей скан-позиции переносят и устанавливают за сканер по ходу съёмки. В результате они становятся передними, а те марки, которые не переносили, стали задними для новой установки сканера (рис. 2).
После окончания сканирования на 2-ой скан позиции сканер переносится на 3-ю скан-позицию (это вперёд по ходу съёмки за передние марки 2-ой скан-позиции), а задние марки 2-ой скан-позиции переносят вперёд относительно новой установки сканера. В результате эти перенесённые марки становятся передними, а те марки, которые не переносили и которые являлись передними для 2-ой скан-позиции, становятся задними марками. Последовательно перенося сканер и задние марки, сканируя после переноса очередной участок тоннеля, можно снять большую протяженность тоннеля. При этом на каждых соседних двух сканах будут общими четыре марки внешнего ориентирования, что даст возможность всю цепочку сканов, полученных на 1-й, 2-й, 3-й и т. д. скан-позициях «сшить» в единый скан снятого тоннеля. Условие, чтобы четыре марки были зафиксированы на соседних сканах, предопределило использование в данном случае двухсторонних марок с совпадающими центрами.
Рис. 1. Марки внешнего ориентирования
Описанная выше схема съёмки тоннеля, по сути, является лазерно-сканирующим ходом, близким аналогом которому является прокладка по-лигонометрического хода по 3-х шта-тивной системе.
Параметры лазерно-сканирующего хода:
• между передними и задними марками расстояние 100 м;
• сканер устанавливается примерно посередине между передними и задними марками внешнего ориентирования, то есть от сканера до передних (задних) марок 50 м.
Процесс составления плана деривационного тоннеля состоял из четырёх этапов:
Регистрация («сшивка») всех сканов тоннеля в единой для всех сканов ме-
стнои системе координат, принятой на участке ЗеленчукскоИ ГЭС. В результате была получена 3Э-точечная модель тоннеля, каждая точка которой зарегистрирована в местноИ системе координат;
Составление плана деривационного тоннеля путём прорисовки контуров тоннеля средствами AutoCAD по его точечноИ ЗЭ-модели;
Разбивка плана деривационного тоннеля на планшеты масштаба 1:2000.
План деривационного тоннеля и планшеты составлялись в AutoCAD. При этом план и планшеты несут в себе информацию о точечноИ 3D-модели «сшитых сканов», подземноИ полигонометрии, местоположения подходных пунктов, прорисованных по «сшитоИ» точечноИ модели контуров деривационного тоннеля с нане-сённоИ сеткоИ координат. Кроме того, на прорисованноИ модели отображены границы сшитых сканов и присвоенные им номера. Номер ска-на состоит из символов «S» (scan), «d» (деривационныИ) и порядкового номера. Нумерация начинается от выходного портала Sd1, Sd2, Sd3,..., Sd24. Sd24 — последниИ скан, при-надлежащиИ входному порталу (рис. 3).
На рис. 3 показан план деривационного тоннеля, на котором отображён весь вышеперечисленныИ комплекс информации, полученныИ в результате съёмочных работ. План с этим набором информации организо-
Направление съёмки Рис. 2. Схема лазерно-сканнруюшего хода
Рис. 3. План деривационного тоннеля с комплексом съёмочной информации, организованной в единую систему средствами AutoCAD.: 1 — «сшитые» в единую систему координат сканы деривационного тоннеля; 2 — номер скана и участок тоннеля, относящегося к этому скану; 3 — собственно план деривационного тоннеля
ван в один файл, с которым удобно работать по воспроизводству различной горно-графической документации, геометрическому анализу сканов отдельных участков тоннеля.
Собственно план деривационного тоннеля (3 на рис. 3) был разбит на 6 планшетов масштаба 1:2000. Организация съёмочной информации внутри каждого из планшетов такая же, как и у плана деривационного тоннеля (рис. 3).
Составление плана напорного тоннеля проводилось по той же схеме, что и составление плана деривационного тоннеля. При этом план и планшеты, также как в случае с деривационным тоннелем, несут в себе информацию о точечной 3Э-модели «сшитых сканов», подземной полиго-нометрии, местоположения подходных пунктов, прорисованных по «сшитой» точечной модели контуров напорного тоннеля с нанесённой сеткой координат, границы сканов и их номера.
Объектом геометрического анализа изменчивости формы тоннелей (деривационного и напорного) были взяты их точечные 3Э-модели, полученные по результатам обработки данных лазерно-сканирующей съёмки.
Выявление изменчивости формы тоннелей осуществлялось путём пересечения точечной пространственной поверхности отдельных сканов, составляющих общую модель тоннелей, вертикальными и горизонтальными плоскостями в программной среде AutoCAD. По виртуальным линиям пересечения плоскостей (вертикальных и горизонтальных) с внутренней поверхностью обделки тоннелей, представленной на сканах в виде набора точек лазерных отражений, оценивалась качественно и количественно её изменчивость.
На примере скана Sd4 деривационного тоннеля показана реализация вышеприведённой схемы геометрического анализа. Пересечение пространственной точечной модели скана Sd4 вертикальной и горизонтальной плоскостями по направлению оси тоннеля показано на рис. 4, а. В результате в кровле и боках этого участка тоннеля наметились линии пересечения внутренней поверхности крепи с плоскостями, по которым появляется возможность оценивать смещения обделки. На рис. 4, б показан принцип получения вертикальных сечений тоннеля, согласно которому внутренняя по-
Рис. 4. Принципиальное получение продольных горизонтальных и вертикальных сечений (а) и поперечных сечений (б) по облаку точек лазерных отражений ска-на ва4
верхность обделки пресекается вертикальной плоскостью в направлении перпендикулярном оси тоннеля. В данном случае геометрический анализ можно провести по контурам сечения тоннеля, то есть оценить изменчивость формы сечения.
На рис. 5, а показаны контуры полученных сечений точечной модели скана Б<<4 в изометрии. При проектировании этих контуров на горизонтальную плоскость (рис. 5, б) смещения крепи тоннеля, если таковые есть, должны проявиться по линиям пересечения горизонтальной плоскости с внутренней поверхностью тоннеля. При проектировании этих контуров на вертикальную плоскость (рис. 5, в) смещения крепи тоннеля, если таковые будут, должны проявиться по линии пересечения вертикальной плоскости с кровлей (шелыгой) тоннеля (пересечение с почвой, вследствие её загрязнения будет не информативно для подобного анализа). В обоих случаях, если бы было смещение крепи, то это проявилось либо через аномальное отклонение двух линий пересечений боков выработки с горизонтальной плоскостью (рис. 5, б), либо через аномальное отклонение линии пересечения кровли с вертикальной плоскостью (рис. 5, в). В представленном случае геометрического анализа полученных контуров скана Б<<4, приведённых на рис. 5, не обнаружено аномальных отклонений контуров боков и кровли этого участка тоннеля.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
В отдельный этап геометрического анализа на предмет обнаружения смещений выделен анализ изменчивости контуров вертикальных сечений, полученных пересечением поперечными вертикальными плоскостями (рис. 4). Геометрический анализ проводился путём вписывания в контуры поперечных сечений тоннеля правильной дуги окружности или проектные контуры для выявления изменения формы свода тоннеля. Из проведённого анализа следует, что форма свода сохраняет свою геометрию, при этом диаметр вписанной дуги окружности соответствует проектному.
На рис. 6 показан результат изложенных выше геометрических построений для анализа состояния тоннеля в виде местоположения поперечных вертикальных сечений, линий пересечений с горизонтальной и продольной вертикальной плоскостями на полученном скане (облаке точек лазерных отражений).
Анализ съёмочного материала лазерным сканером по изложенной выше схеме геометрического анализа позволил выявить в отдельных случаях смещения (от 8 до 18 мм) тюбинговых колец на участке деривационного тоннеля.
Таким образом, по данным лазер-но-сканирующей съёмки, отличающейся высокой степенью информативности, можно определять геометрические параметры сечений, анализировать изменчивость формы сечений, оценивать деформационное состояние обделки тоннелей, гтттт?
Гусев В.Н. — доктор технических наук, профессор, зав. кафедроИ, Волохов Е.М. — кандидат технических наук, доцент, Голованов В.А. — кандидат технических наук, доцент,
Иванов И.П. — кандидат технических наук, главныИ научныИ сотрудник Научного центра
геомеханики и проблем горного производства,
Васильев М.Ю. — аспирант,
Носов В.К. — аспирант,
Юшманов П.И. — аспирант,
Национальный минерально-сырьевоИ университет «ГорныИ», e-mail: [email protected]
