CC BY
185
УДК 528.8.042+[528.48:624.19]
Е.И. Горохова СГГ А, Новосибирск
СРАВНЕНИЕ ТРАДИЦИОННЫХ МЕТОДОВ И ТЕХНОЛОГИИ НАЗЕМНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ ПРИ МОНИТОРИНГЕ ДЕФОРМАЦИЙ ТОННЕЛЕЙ
Ye.I. Gorokhova SSGA, Novosibirsk
A COMPARISON BETWEEN THE TRADITIONAL METHOD AND THAT OF LASER SCANNING TO BE USED FOR TUNNEL DEFORMATION MONITORING
The author enumerates the main types of structures which are to be under permanent deformation monitoring (existing ground structures and objects, located in the zones of possible surface deformation; ground and underground projects; operating underground structures, situated in the zone of underground construction).
Traditional methods of tunnel- deformation monitoring are discussed. The technology of a land-based laser scanning is compared with traditional ones. Advantages and new opportunities for deformation monitoring are revealed.
В процессе строительства и эксплуатации тоннелей под воздействием различного рода нагрузок возникают деформации. Причем они могут быть настолько большими, что происходит разрушение уже сооруженных конструкций. Поэтому возникает необходимость тщательных наблюдений деформаций подземных сооружений на всех стадиях строительства и эксплуатации.
В соответствии со СНиП 3-44-77 [1] в процессе строительства подземных сооружений должны осуществляться наблюдения за деформациями земной поверхности и наблюдения за перемещениями, сдвигами и кренами:
- Существующих наземных сооружений и объектов, расположенных в зоне возможных деформаций поверхности;
- Строящихся подземных и наземных объектов и сооружений;
- Существующих эксплуатируемых подземных сооружений, расположенных в зоне подземного строительства (по согласованию с эксплуатирующей организацией).
Исходными данными для наблюдений за осадками подземных сооружений служат пункты высотного подземного обоснования. Так как маркшейдерская планово-высотная разбивочная основа располагаются непосредственно в строящихся тоннелях, возможна ее деформация, т.е. смещение центров знаков в плане и профиле. Поэтому возникает необходимость своевременного определения её деформаций и исключения их влияния на перспективное развитие сети [2, 3].
В практике строительства тоннелей для изучения их деформаций в зависимости от конкретных условий применяются следующие методы [4]:
- Линейные измерения (с помощью жезла);
- Линейно-угловой метод (определение полярных координат);
- Тахеометр;
- Фотограмметрический метод съемки внутреннего очертания подземных сооружений;
- Нивелирование;
- Створный метод.
Помимо традиционных методов геодезических наблюдений деформаций существует новейшая технология наземного лазерного сканирования. Она позволяет определить любые виды геометрических деформационных характеристик. Лазерный сканер предоставляет больший объем данных, по сравнению с традиционными технологиями. Так традиционная съёмка профиля выполняется через 5 метров, при этом данные сгруппированы в узкие полосы с небольшим количеством точек в каждом сечении. Сканер измеряет несколько миллионов точек. Полученная трехмерная модель сооружения содержит множество точек, каждая из которых имеет свои координаты. Это означает, что можно определять деформации по трем направлениям всех трех координат в любой точке тоннеля.
Обработка данных, полученных традиционным методом, состоит из нескольких этапов: загрузка данных из тахеометра в компьютер, присвоение измеренных точек каждому профилю, рисование профиля и сравнение его с проектным сечением. В участках между сечениями выполнить сравнение просто невозможно. При использовании наземного лазерного сканирования полевые данные сразу передаются в специализированное ПО для предварительной обработки. В нём можно получать профили тоннеля из множества точек на определенных (заданных пользователем) расстояниях между выбранными точками, отвечающим определенным критериям, либо можно экспортировать часть или всё облако точек в более мощные программные продукты для инженерных расчётов. Также данные могут быть переданы в специализированные программы для получения трёхмерных моделей тоннеля. Просматривая данные сканирования и проектную 3D-модель тоннеля, можно провести анализ его поверхности и выявить области поверхности тоннеля, сделанные с нарушением проектного задания. Величина и направление деформаций вычисляются путём наложения моделей объекта для каждого цикла измерений [5, 6].
С точки зрения скорости, измерения с помощью тахеометра требуют больше времени. Это связано с тем, что прибор необходимо переставлять. К тому же, движение транспорта в тоннеле создает помехи и не позволяет полностью автоматизировать процесс. Измерения профилей тахеометром выполняются через каждые 5 м, поэтому определить нарушения в выработке можно только в областях, близких к этим профилям задания, что существенно
ограничивает возможности проверки всей поверхности тоннеля. Увеличение же числа измерений неизбежно приводит к значительному увеличению полевых и камеральных работ, а также временных и стоимостных ресурсов.
Метод лазерного сканирования не требует дополнительной съемки, обеспечивая при этом 100% покрытие поверхности тоннеля, и позволяет выявить все отклонения от проекта и прочие недоработки. Весь процесс, начиная с измерений и заканчивая обработкой, занимает считанные дни, а первые данные для визуального анализа геометрии тоннеля могут быть получены уже в первые часы измерений.
При наблюдении за деформациями методом наземного лазерного сканирования целесообразно применять сканеры, работающие по принципу оптической триангуляции или фазовому принципу, т.к. они позволяют получить измерения с высокой (субмиллиметровой) точностью. В таблице приведены возможности применения традиционных методов и наземного лазерного сканирования для изучения деформаций тоннелей.
Таблица. Возможности применения традиционных методов и наземного лазерного сканирования для изучения деформаций тоннелей
№ п/п Характеристика Традиционные методы Наземное лазерное сканирование
1 Точность получения координат 1 мм 0,4 - 1 мм
2 Достоверность измерений Все применяемые формулы дают примерно одинаковые по своей достоверности результаты, но при расчете конечных осадок в отдельных случаях могут быть значительные ошибки, искажающие результаты в 2 -3 раза и более. Причины наблюдающихся расхождений связаны главным образом с трудностью получения достаточно точных и надежных расчетных характеристик многих свойств горных пород, используемых в расчетах Зависит от точности прибора и ошибок при обработке
3 Возможность получения цифровой модели тоннеля Производится набор пикетов (равномерно, без пропусков по всей территории съемки), затем получают пространственные координаты и по ним создается ЦМ тоннеля. Получение цифровой модели связано с большими объемами полевых работ, значительными трудозатратами при наборе необходимого количества точек для адекватного описания объекта, переизмерением отдельных точек и выполнением контрольных измерений Цифровая модель получается на основании данных наземного лазерного сканирован. Полученных измерений достаточно для полного, точного и адекватного описания объекта
4 Возможность Такой возможности нет Такая возможность есть
получения непрерывной 3D модели изучаемого деформационного пространства
5 Возможность определения деформационных характеристик тоннеля Деформационные характеристики определяются из наблюдений за смещениями закрепленных пунктов Деформационные характеристики могут определяться на основе сравнения цифровых моделей тоннеля, полученных в разные промежутки времени
В настоящее время существенно повысились требования к надежности и долговечности работы тоннелей, стабильности их форм. В связи с этим возникает необходимость учета комплекса факторов, влияющих на несущую способность тоннелей. Существующие традиционные методы не дают однозначного решения этого вопроса и не позволяют в полном объеме характеризовать деформативность тоннелей. Поэтому разработка и внедрение новых прогрессивных технологических процессов, связанных с комплексным изучением деформаций тоннелей, является актуальной проблемой. Технология наземного лазерного сканирования позволяет взглянуть на решение данной проблемы по-новому. Возникает необходимость в проведении исследований и разработке методики наблюдения за деформациями тоннелей в помощью наземного лазерного сканирования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. СНиП Ш-44-77 «Тоннели железнодорожные, автодорожные и гидротехнические. Метрополитены». - М.: Государственный комитет совета министров СССР по делам строительства, 1977.
2. Левчук, Г.П. Прикладная геодезия. Геодезические работы при изысканиях и строительстве инженерных сооружений / Г.П. Левчук, В.Е. Новак, Н.Н. Лебедев. - М.: Недра, 1983. - 400 с.
3. Курс инженерной геодезии / Под ред. В.Е. Новака. - М.: Недра, 1989. - 430 с.
4. Карпик, А.П. Разработка и исследование методов изучения деформаций тоннелей кругового поперечного сечения. / А.П.Карпик //Дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук: 05.24.01 - «Геодезия», Новосибирск: СГГА, 1986. - 132 с.
5. Комиссаров, А.В. Методика исследования метрических характеристик сканов [Текст] / А.В. Комиссаров // Дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук: 25.0034 -«Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия», Новосибирск: СГГА, 2007. -201 c.
6. Середович,А.В. Методика создания цифровых моделей объектов нефтегазопромыслов средствами наземного лазерного сканирования [Текст] / А.В. Середович // Дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук: 25.00.32 - «Геодезия», Новосибирск: СГГА, 2007. - 165 с.
© Е.И. Горохова, 2008
