Особенности геодезических исследований прецизионных сооружений

Точность инженерных геодезических исследований менялась по мере усложнения сооружений. Первоначально при строительных разбивках на площадках в масштабах 1:500 — 1:5 000 необходимая точность удовлетворялась средней квадратической ошибкой измерений ±(2-3) см. Строительство более сложных ответственных сооружений типа метрополитена, крупных подземных сооружений, гидростанций большой мощности, длиннопролетных мостов, комплексов промышленных заводских сооружений, связанных единым технологическим процессом и т.д., обусловило повышение точности инженерно-геодезических работ на порядок величин, т.е. уменьшение допусков до 2-3 мм. При строительстве специальных уникальных сооружений, габариты которых измеряются сотнями метров и километрами, допуски на установку отдельных частей машин и оборудования вновь сократились на порядок величин, приблизившись к 0,1-0,2 мм. Поэтому в ряде случаев стирается разница между строительными и машиностроительными допусками.
Сложность геодезических исследований по выявлению микродеформаций, которые могут нарушать требуемую стабильность монтажа оборудования (порядка 0,05-0,03 мм на расстояниях в сотни метров), обусловила проведение обширных исследований по совершенствованию, как приборной базы, так и технологии геодезических исследований. Существующая литература по этим вопросам весьма обширна. Ho и она не отражает в полной мере современного состояния постоянно прогрессирующих исследований. Многие разработки не опубликованы и являются достоянием отдельных фирм и ведомств, которые ведут соответствующие работы на закрытых объектах.
Для изучения МИД используются точечные, створно-линейные и площадные наблюдения за вертикальными и горизонтальными смещениями, которые превышают по точности измерения I класса. Они начинаются сразу после выбора района и последовательно сгущаются на площадке и участках строительства всего комплекса сооружений. Локальные геодинамические полигоны с наиболее густыми сетями и в комплексе с наклономерно-деформографическими измерениями создаются на участках пересечения сооружениями разрывных и трещинных зон и в зонах активизации МИД, обусловленных периодическими изменениями температурного режима, гидрологическими, гидрогеологическими и другими процессами.
На этапах изысканий (предстроительный период) наблюдения за подобными периодическими процессами целесообразно проводить не реже одного раза в неделю, в строительный период — один раз в два месяца, а в первый период эксплуатации — два раза в месяц. Желательны более частые наблюдения в весенний и осенний сезоны.
В зависимости от типа объектов рекомендуются разные виды геодезических сетей. Для обширных территорий, где характерные участки с возможными локальными микродеформациями предварительно выявлены различными методами (структурно-геоморфологическим, инженерно-геологическим и др.), а остальные площади не вызывают опасений, удобна в использовании геодезическая сеть из локальных полигонов, установленных на опасных участках и связанных между собой. Локальные полигоны в виде правильных шестиугольников наиболее экономичны. Они позволяют достичь высокой точности наиболее простыми способами измерений. На площадках, где наблюдаются постепенные изменения интенсивности деформационных процессов, желательно применение площадных сетей из равноудаленных знаков. Геодезические знаки необходимо располагать по возможности ближе к основным технологическим осям ответственных сооружений. На больших (1,5x1,5 км и более) площадках и при сложной инженерно-технологической обстановке, геодезическая сеть должна включать как локальные полигоны, так и точечные пункты наблюдений на технологических осях сооружения. Эти варианты сетей позволяют использовать метод геометрических оформляющих, что эквивалентно изучению МИД в каждой точке площадки.
Разработаны методики построения опорных плановых и высотных геодезических сетей, методы их уравнивания и оценки точности. Активно используется метод испытания схем подобных наземных и подземных (туннельных) сетей с помощью математического моделирования (в том числе методом Монте-Карло) с точностью порядка 0,05-0,1 мм. Учитывается точность определения пунктов сети в зависимости от ее геометрии (вытянутой, радиальнокольцевой и кольцевой формы). Совершенствуется методика линейных измерений (с использованием подвесных приборов, мерных жезлов и шаблонов, бесштативных и станционных блочных стыков, стеклянных и инварных шкал с ценой деления 0,2 мм, измерений линий косвенными методами и оптико-электронными приборами и т.д.). При угловых измерениях учитывается муаровый эффект. Созданы гидростатические приборы, обеспечивающие дистанционный и автоматический съем информации о высотном положении точек, значительно удаленных одна от другой; применяются микронивелиры.
Для установки оборудования по прямой линии разработаны новые и усовершенствованы прежние способы створных работ с помощью струнных, струнно-оптических и оптических методов и приборов, методов и приборов дифракционного способа створных измерений и способы с использованием оптических квантовых генераторов. Большое внимание уделяется созданию центровочных приборов для перенесения координат на различные горизонты и передачи направления, в том числе и с помощью обратных отвесов. Созданы методы и приборы высокоточного механического, оптико-механического и оптического проектирования. Усовершенствованы методы контрольных и котировочных измерений, важные для эксплуатации объектов атомной техники (например, создание оперативных методов измерений при кратковременных остановках ускорителей для снижения радиационных воздействий) и для юстировки зеркальных, радиотехнических, гелиотехнических, лазерных и других очень сложных систем при достижении точностей порядка трех угловых секунд. При этом обычно используются приборы с дистанционной передачей информации на стрелочные и цифропечатающие приборы или ЭВМ для определения параметров фактического положения оборудования. На многих уникальных сооружениях геодезические сети представляют собой весьма сложные, часто автоматизированные и самонаводящиеся системы. Такие системы в отдельных случаях могут оперативно устранять или частично снижать влияние микродеформаций основания. Особенно важны они, когда микродеформации основания связаны с внешними (например, за счет парусности самой системы) воздействиями или с влиянием вибрации при работе самого оборудования.
На основе многолетних геодезических измерений разработаны методики прогноза осадки сооружений в эксплуатационный период со средневзвешенной квадратической ошибкой теоретических расчетов от ±0,82 мм и до ±1,1 мм по данным фактических ошибок прогноза. Эти величины приближаются к микродеформациям и на порядок величин меньше предельно допустимых макродеформаций.
Для прогноза стабильности основной величиной является скорость деформации: сезонная — для долговременных, суточная — для временных хранителей направления. В связи с этим Г.Е. Рязанцев предложил отказаться от площадной схемы исследований, охватывающей всю территорию объекта, а перейти на изучение локальных участков с наиболее активными проявлениями дестабилизирующих факторов. Этот подход особенно эффективен для обширных (с поперечником в несколько километров) техплощадок. Целесообразно выделение на такой площадке типовых (эталонных или ключевых) локальных участков, характеризующихся либо аномально интенсивным проявлением одного из дестабилизирующих факторов при среднем проявлении других, либо средним для большей части данной площадки распределением дестабилизирующих факторов. Результаты изучения таких эталонных участков могут распространяться на другие подобные участки, выявленные при структурногеоморфологическом, инженерно-геологическом, и гидрогеологическом районировании стройплощадки.
На локальных участках за счет разработанной системы разнообразных инженерных мероприятий (установка геознаков на один горизонт, организация режимных наблюдений и т.д.) точность полевых измерений по сравнению с площадным изучением всей техплощадки может быть существенно повышена. Так, точность высотных измерений может быть повышена в 3-7 раз по сравнению с точностями, обычно достигаемыми на стройплощадках гидростанций или на обычных геодинамических полигонах. В общем случае при повышении точности измерений в 2 раза количество участков и геознаков на них уменьшается, по Г.Е. Рязанцеву, в 4 раза. Кроме того, применение выборочной схемы исследований позволяет значительно сократить объемы и повысить оперативность измерений.
Используются три системы геодезических сетей:
1. центральная, в которой положение каждого пункта определяется радиальными промерами из центра; такие системы используются для наземных и малых подземных сооружений;
2. центральная радиально-кольцевая, для которой положение пунктов определяется сначала измерениями от центрального пункта до пунктов на кольцевом периметре сооружения;
3. кольцевая система в виде полигонометрического хода по периметру сооружения; используются сети из вытянутых треугольников с острыми (около 3°) углами.
Вытянутые сети используются для сооружений линейного типа, кольцевые и радиально-кольцевые сети — для сооружений круговой формы.
Ереванский синхротрон (электронный кольцевой ускоритель диаметром 70 м) расположен на площадке, подстилаемой трещиноватыми базальтами. Наблюдения за смещением горных пород основания проводились здесь геодезическими методами в 1960-1967 гг. на специальном полигоне, который расположен примерно в 150 м от площадки строительства основного сооружения (рис. 7.1). Геологические, метеорологические, сейсмические и прочие условия для опытного полигона и техплощадки считаются совершенно одинаковыми. Поэтому результаты исследований, полученные на опытном полигоне, распространялись на площадку ускорителя. Наряду с обычным использовалось гидростатическое нивелирование.

На полигоне было установлено семь биметаллических планововысотных знаков таким образом, что они образовали правильный шестиугольник со стороной 24 м. Глубина заложения знаков соответствовала глубине предполагаемого заложения фундаментов — 8-9 м.
К радиотелескопам рефлекторного типа относится “РАТАН-600” с антенной переменного профиля (рис. 7.2). Элементы размером 7,4x2 м расположены по окружности с радиусом 288 м. Отклонение поверхности каждого элемента от расчетной не должно превышать 0,1 мм, а относительно щита — 0,3 мм вдоль радиуса, 30 секунд по углу места и 40 секунд по азимуту и т.д. Юстировка производится с точностью до 0,05-0,1 мм. Оси вращения всех щитов размещены в единой горизонтальной плоскости с ошибкой не более 0,2 мм, исходный азимут для телескопа определяется с точностью 0,5 секунды, поверхность щитов должна быть отюстирована с ошибкой до 0,2 мм. Такие же высокие требования предъявляются и к установке облучателей. Для юстировки применяются струннооптические и оптические методы и высокоточное (до 0,05-0,1 мм) невилирование.

Плановые планово-высотные знаки опорной геодезической сети “РАТАН-600” представляют собой железобетонные сваи квадратного сечения, установленные в скважины, обсаженные трубами диаметром 325 мм. Планово-высотный знак отличается от планового тем, что внутри свай проходит инварная проволока, защищенная металлической трубой диаметром 50 мм. Высотные знаки представляют собой обсадные трубы диаметром 75 мм и длиной 3,5 м с бетонным якорем в виде шара. Расстояние от центра радиотелескопа до плановых и планово-высотных знаков измеряют 24-метровыми инварными проволоками по программе измерений I класса. Для ориентирования опорной геодезической сети на площадке определяют астрономический азимут по программе I класса, широты и долготы. Азимут, широту и долготу приводят к центру радиотелескопа.

На объекте “Юпитер” (рис. 7.3) были в дополнение к стандартному набору исследований включены измерения суточных деформаций группы реперов на разной глубине (от 0,5 до 10 м) и сравнительные исследования геодезических знаков различной конструкции. В результате оказалось, что:
1) вероятнейшее смещение всего куста полигона (аналогично сдвигу окружности из-за изменения линейного элемента центрирования или положения центрового знака) ?R не превышало 0,15 мм;
2) среднее квадратическое смещение относительно вероятнейшей окружности ??r - 0,37 мм со средней скоростью плановых смещений 0,02 мм/мес.;
3) величина ?R, которая являлась, по Г.Е. Рязанцеву, характеристикой “общего дыхания” толщи горных пород, подобно общему измерению масштаба по радиальным и хордовым направлениям , не превышала 0,2 мм. В связи с сезонным характером микродеформаций программирование осуществлялось с помощью гармонического анализа; точность этого прогнозирования составила 15%.
В период эксплуатации для наблюдения МИД может служить опорная геодезическая сеть, которая используется для монтажа и наладки технологического оборудования, и сеть, создаваемая для наблюдений осадок фундаментов и основных несущих конструкций. Желательно, чтобы разбивочная сеть повторяла форму сооружения (табл. 7.10). В противном случае применяют строительную сетку или комбинации из различных геометрических схем и строительной сети. Пункты разбивочной сети располагают по возможности ближе к выносимым в натуру элементам и так, чтобы между ними существовала видимость. Если по условиям строительства пункты геодезической сети демонтируются, то за контуром стройплощадки создаются контрольные полигоны и контрольные кусты реперов.

При выполнении высокоточных плановых измерений для исключения вредного влияния боковой рефракции используются линейные наблюдения, по возможности отказываясь от измерения углов оптическими угломерными приборами; иногда используется линейноугловой метод.
Используются также различные типы глубинных геодезических знаков: плановые, высотные, планово-высотные. В качестве плановых знаков применяются обратные отвесы и консольные конструкции, в качестве высотных — струнные и биметаллические реперы; часто используют совмещенные планово-высотные знаки консольного типа и свайные знаки с инварным стержнем. Групповые или многострунные реперы выбираются для определения взаимных планово-высотных смещений на разной глубине.
Для уникальных сооружений, требующих высокоточной азимутальной ориентировки, создаются сложные конструкции высокостабильных хранителей направления. Глубинное закрепление базы хранителя опирается на створную схему близких глубинных реперов с обратными отвесами. Основным путем создания высокостабильных хранителей направления считается их заглубление. Для приповерхностных хранителей нестабильность уменьшается с увеличением их базы.
Для определения взаимных планово-высотных соотношений различных по глубине слоев горных пород применяют групповой репер, состоящий из нескольких планововысотных биметаллических знаков, один из которых (основной) закладывается в коренную наиболее стабильную (скальный грунт) породу. Основной знак при этом связывается посредством специальных измерительных приспособлений с вспомогательными. Это позволяет определять планово-высотное перемещение вспомогательных знаков относительно основного. Для определения высотных взаимных смещений различных слоев основания сооружения может быть использован многострунный репер. Он, в отличие от группового, позволяет проводить такие измерения в одной скважине, повышая точность измерений до 0,03-0,05 мм.
Созданы конструкции специальных геодезических знаков повышенной устойчивости, реперные устройства для изучения горизонтальных и вертикальных микросмещений отдельных слоев горных пород и фундаментов, стенные шлаковые марки для наблюдения за осадками и деформациями строительных конструкций. Применяются сложные, например, биметаллические знаки, хранители направления, в том числе и с применением обратных отвесов. Рассматриваются вопросы размещения, устойчивости и глубины заложения инженерногеодезических знаков.
Влияние наклонов можно уменьшить применением в хранителях направления для их заглубления обратных отвесов, свободных от влияния этих наклонов до величины порядка 0,02 мм в год.
Для хранителей в приповерхностном (деятельном) слое грунтов нестабильность уменьшается с увеличением базы. Наиболее надежны хранители направления, закрепленные грунтовыми реперами, которые забетонированы в скважине, или закреплены буровыми шнеками, завинченными в грунт. Максимальное значение азимутальных сезонных деформаций таких хранителей составляет 35,0" среднее — 20,8". Средняя месячная скорость азимутальных деформаций — 1,7". Перспективны построения хранителей направления по створной схеме.
За последние годы в проблеме микродеформаций пород основания существенное значение приобрело направление по созданию высокостабильных хранителей направления, представляющих собой сложные конструкции (рис. 7.4). Это направление связано со строительством ускорителей заряженных частиц, антенн переменного профиля и др. (например, УНК в Серпухове, “Юпитер” на Северном Кавказе).

Желательно, чтобы знаки опорной сети опирались на скальные грунты. В тектонически стабильных регионах на площадках с большой (100 и более метров) мощностью рыхлых грунтов для наземных и надземных сооружений можно использовать знаки, заглубленные ниже слоя сезонных колебаний температур до 0,5° и зоны колебаний уровня грунтовых вод. При этом масса знака и бетонного якоря не должна превышать геостатического давления, а сам знак защищается обсадной трубой от температурно-влажностных деформаций грунтов.
Для высокоточных измерений применяется разнообразная специальная геодезическая аппаратура, которая непрерывно совершенствуется.
Общая тенденция заключается, по-видимому, в переходе от универсальных приборов к высокоспециализированным, нацеленным на производство измерений и учета микродеформаций в определенном типе объектов или определенном типе конструктивных элементов в разных объектах.