Разработка и применение геоинформационных систем для контроля состояния объектов строительства Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 622.235

© А.М Мухаметшин, А.Г. Болгаров, 2011

А.М. Мухаметшин, А.Г. Болгаров РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ СТРОИТЕЛЬСТВА

Рассмотрены задачи разработки системы непрерывного контроля за состоянием строений и сооружений с целью учета влияния на них природных или техногенных воздействий. Приведены примеры использования в разное время разработанных геоинфор-мационных систем, реализованных на предложенных автором принципах, на различных объектах социальной и промышленной инфраструктуры.

Ключевые слова: строительный объект, сейсмический мониторинг, геофизические методы, геоинформационная система, базы данных, базы знаний.

~П последнее время на объектах

-Л# гражданского назначения все чаще происходят аварии, причинами которых являются природные и техногенные воздействия. Достаточно напомнить случаи обрушения сооружений: аквапарка (Москва, 2004), супермаркета (Германия, 2005), выставочного зала (Польша, 2006), Саяно-Шушенская ГЭС (Хакассия, 2009) когда был понесен не только значительный экономический ущерб, но были и многочисленные людские жертвы. Актуальность поставленной задачи подтверждается также и тем, что известны многие другие случаи преждевременного разрушения объектов строительства.

Для предотвращения возникновения подобных происшествий необходимо осуществлять непрерывный контроль текущего состояния строений и сооружений, подверженных опасности разрушения. Отмеченное обстоятельство определяет необходимость разработки и внедрения геоинформационных систем, осуществляющих мониторинг состояния объектов социальной и промышленной инфраструктуры антропогенной среды

или состояния горного массива, расположенного под объектом строительства.

В основу разработанных и введенных в эксплуатацию подобных систем на разных объектах гражданского назначения положены следующие принципы:

автономность энергопотребления и портативность контрольноизмерительной аппаратуры;

^ непрерывность измерений в режиме мониторинга;

^ обучаемость используемой гео-информационной системы;

^ резервируемость собираемых

данных в виде базы знаний;

помехозащищенность измерительной аппаратуры при наличии полей-помех, на порядок и более превышающих полезный сигнал;

^ ориентированность на работу в режиме экспертной системы;

^ быстродействие, достаточное

для регистрации статических и динамических параметров контролируемых процессов.

Для исследования и оценки влияния факторов естественного и искусственного происхождения в разработанных гео-

Рис. 1. Общая структурная схема разработанной геоинформационной системы: 1 - объект исследования; 2 - датчики; 3 - согласующее устройство; 4 - устройство сбора информации; 5 -подсистема предварительной обработки информации; 6 - подсистема оценки свойств, структур, строения и состояния контролируемого объекта; 7 - подсистема принятия решения на основе экспертных оценок

информационных системах были использованы следующие общеизвестные геофизические методы или их модификации различного назначения (шахтные и скважинные):

сейсмометрия;

^ электрометрия; магнитометрия; активационные методы.

Особенности регистрируемых сигналов определили необходимость разработки специальной основной и вспомогательной аппаратуры и специальных методов обработки и визуализации, позволяющих дать адекватную геофизическую интерпретацию полученной ситуации. Например, с помощью методов классического фурье-анализа для оценки напря-женно-де-формированного состояния горного массива была разработана и применена методика выделения полезного сигнала на фоне промышленных помех [1].

Наиболее общая блок-схема геоин-формационной системы представлена на рис. 1. Здесь различные параметры объекта исследования 1 регистрируются с помощью датчиков 2 и через согласующее устройство 3 передаются в устройство сбора информации 4. Полученная информация об объекте передается в подсистему предварительной обработки информации 5, в которой происходит

анализ допустимости зарегистрированных параметров на основании статистических данных, хранящихся в базе данных. Сигналы, имеющие хотя бы один недопустимый параметр, передаются в подсистему 6, в которой устанавливается, является ли сложившаяся в системе ситуация аварийной. При этом на основании базы знаний, хранящей информацию об аварийности по многим параметрам, происходит идентификация зарегистрированного параметра сигнала, вышедшего за допустимые пределы, а также анализ состояния комплекса других параметров на этом же объекте. Далее при условии, что по другим датчикам (не менее двух) наблюдаются превышения допустимых параметров, сигнал аварийной ситуации будет сформирован и передан в подсистему экспертной оценки 7.

Аппаратурные модификации геоин-формационных систем, общая структурная схема которых представлена на рис. 1, использовались на следующих объектах: здании екатеринбургского цирка (рис. 2, а), железнодорожному мосту, расположенном вблизи станции Дружинино Свердловской железной дороги (рис. 2, б), здании Высокогорского гор-но-обога-тительного комбината (г. Нижний Тагил), станции екатеринбургского метрополитена «Уральская», зда-

Рис. 2. Здание Екатеринбургского цирка (а); железнодорожный мост (ст. Дружинино) (б)

нии Уральского центра управления грузовыми перевозками и др.

Рассмотрим более подробно технологию проведения мониторинговых исследований на примере здания екатеринбургского цирка (рис. 2, а).

Здесь разработка автоматизированной геоинформационной системы непрерывного контроля была обусловлена необходимостью обеспечения безопасной эксплуатации здания цирка. На основании полученных данных с помощью геофизических методов был получен геолого-геофи-зический разрез горных пород до глубин порядка 80-100 м. При этом методом переходных процессов были выполнены работы по субпа-раллельному профилю на северной части участка исследований. В результате установлено наличие нескольких субме-диональных границ раздела, отождествляемых с зоной разлома. В связи с этим были проведены сейсмометрические исследования основных несущих колонн. Были выполнены непрерывные во времени исследования изменений углов

наклона микросейсмических сигналов в двух координатах (X и Г), а также температурные измерения (рис. 3).

Было установлено значительное увеличение скоростей упругих волн на 9-й и 10-й колонне, но сигнала об аварии система не выдала. Здесь следует отметить, что скорости продольных волн по каждой из колонн изменяются в достаточно широких пределах, что объясняется изменением уровня грунтовых вод под зданием цирка. На этом основании в настоящее время уже принято решение о необходимости осуществлять непрерывный контроль уровня грунтовых вод и вести непрерывный мониторинг сейсмических скоростей по каждой из несущих колонн.

В качестве другого примера геоин-формационной системы контроля состояния естественных и искусственных конструкций рассмотрим проведение мониторинговых исследований железнодорожного моста через р. Утка, расположенного вблизи ст. Дружинино Свердловской железной дороги (рис. 2, б).

Рис. 3. Визуализация результатов измерения скоростей продольных (а) и поперечных (б) колебаний несущих колонн здания цирка

На рис. 4 представлена схема расположения сейсмоприемников при осуществлении сейсмометрических исследований моста. Датчики устанавливались на пролетах на высоте 25-30 м, обследовались все без исключения элементы конструк-

ции: сами опоры, арки, промежуточные стойки и пролеты между опорами, а также береговые устои. Установленные 12- и 24канальные сейсмические станции регистрировали сигналы от проходящих поездов.

А- тонки приема сейсмических волн ▼ - точки возбуждении колебаний

Фмт) ..ван».

б

Рис. 4. Схема расположения участков для организации сейсмометрического профилирования (а) и схема расположения сейсмоприемников при кинематических исследованиях (б) железнодорожного моста (ст Дружинино)

В результате проведенных мониторинговых исследований нами было выделено много ослабленных участков, не соответствующих требованиям эксплуатации по прочности (рис. 5, затемненные участки). В связи с этим экспертами было принято решение о выведении моста из эксплуатации. Отметим, что эксплуатация моста снижала эффективность грузоперевозок, поскольку поездам приходилось снижать скорость при

прохождении моста. Старый мост был сохранен как представляющий архитектурную ценность, а рядом построен и в настоящее время находится в эксплуатации новый железнодорожный мост.

Аналогичные исследования были осуществлены на других железнодорожных и автомобильных мостах, а также путепроводах, магистральных газопроводах [2].

Рис. 5. Изолинии равных скоростей продольных волн (м/с) в поперечном сечении береговой опоры №1 Дружининского моста

GIS, GPS, ГЛОНАСС и т.п.

Рис. 6. Схематическая структура геоинформационных систем

В последние годы под руководством авторов разрабатывается целый ряд геоинформационных систем для мониторинга на различных объектах строительства. При этом в качестве одного из наиболее важных объектов, как известно, принято считать участок геологической среды (горный массив) расположенный под объектом строительства или вокруг него в случае подземного сооружения. В этом случае рекомендуется использование геоин-формационной технологии, построенной в соответствие с представленной не рисунке 6 схематической структурой. По такой именно структуре построена геоинформационная система сейсмической томографии, которая позволяет оперативно и с достаточной достоверностью изучать горный массив (то есть его строение, свойства, состав и состояние) до заданной глубины. Например, в 2007-2008 гг. на площадке строительства сооружений делового квартала «Екатеринбург-СИТИ» с помощью такой системы

изучался один из участков до глубины 120 м

В заключение рассмотрим распределение скоростей продольных волн, полученное с помощью 12-канальной сейсмостанции на фундаментной плите строившегося здания Уральского центра управления грузовыми перевозками в 2001-2002 гг. (рис. 7). Здесь на основе экспертной оценки выделена зона пониженных значений указанных скоростей, которая отождествлена была с такой же зоной поперечных волн и с геологическими данными по фундаменту. В результате в оперативном режиме было выработано управляющее решение по усилению фундаментной плиты без остановки процесса строительства.

Таким образом, анализ полученных результатов при практическом использовании геоинформационных систем показал надежность и эффективность выбранных принципов построения структурной схемы системы с применением конкретных геофизических методов. вгсга

1. Мухаметшин А. М., Битюцкий В. П. Комплексный геофизический мониторинг горного массива для прогноза горных ударов на локальных его участках // Материалы 3-й Все-рос. конф. с международным участием «Новые информационные технологии в исследовании дискретных структур». - Томск, 2000. С. 154156.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Мухаметшин А. М. Скоробогатов С. М. Оперативный сейсмометрический метод неразрушающего контроля многомерных конструкций из бетона и железобетона // Материалы Междунар. научн.-практ. конф. «Инженерная геофизика - 2005», - Геленжик, 2005. С. 111-114.

— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------

Мухаметшин А.М. - доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры геоинформатики УГГУ, научный руководитель ООО «АМиК - Инновационные технологии», [email protected]

Бoлгaрoв А.Г. - Уральский государственный технический университет (УПИ).

А