CC BY
216
УДК 528.48+624.21
ГЕОДЕЗИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ СТРОИТЕЛЬСТВА ОПОР МОСТОВ
Андрей Вячеславович Никитин
Дальневосточный государственный университет путей сообщения, 680021, Россия, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47, кандидат технических наук, доцент кафедры «Изыскания и проектирование железных и автомобильных дорог», тел. (4212)407-608, e-mail: [email protected]
В статье рассмотрены геодезические работы при строительстве опор мостов. Разработана система контроля планового положения опор мостов, возводимых с применением свай-оболочек большого диаметра. Для контроля определения координат главных осей оболочки, оценки точности и для принятия решений по корректировке местоположения конструкции предложена автоматизированная система, включающая следующую последовательность работ: определение фактических координат контрольных точек; автоматизированное уравнивание в режиме реального времени с использованием эллипса средних квадратических ошибок; определение центра оболочки и разворота осей. Разработан способ определение крена оболочек с одной станции путем сравнения фактической измеренной разности вертикальных углов с проектным значением. Доказана эффективность способа на основе сравнительного анализа с известными методиками, а также приведена трехмерная модель при определении крена опор мостов.
Ключевые слова: опора моста, крен оболочки, средняя квадратическая погрешность.
Наиболее сложным и ответственным этапом геодезического обеспечения в мостостроении являются геодезические разбивочные работы при строительстве опор мостов. Нормы точности при возведении опор мостов приведены в СНиП [1].
Геодезические разбивочные работы производятся с целью построения сооружения в соответствии с формами и размерами, указанными в проекте. Эти работы являются составной частью технологического процесса строительного производства, они предшествуют каждому виду строительных работ, сопровождают его и завершают возведение сооружения.
Выбор геодезических средств измерений и способы производства работ зависит от конструкции объектов, топографических и климатических условий местности, сроков строительства.
Классические и современные методы геодезического контроля при строительстве опор мостов изложены в работах [2, 3]. При возведении уникальных мостов, например через бухту Золотой Рог (г. Владивосток), для контроля пространственного положения опор применяли системы, состоящие из спутниковых приемников, базовых станций, электронных тахеометров, датчиков наклона (инклинометров). Весь комплекс оборудования и программное обеспечение позволяют практически в режиме реального времени определять координаты точек объекта. Такое дорогостоящее оборудование используется, как правило, при строительстве внеклассных мостов [4].
В настоящее время в РФ значительная часть фундаментов мостов возводятся из металлических и железобетонных свай-оболочек (извлекаемых и неиз-влекаемых), причем диаметр оболочек варьируется от 0,8 м до 10 м [5].
Поэтому для геодезического контроля больших, средних и малых мостов необходимо разрабатывать способы контроля, позволяющие получать оперативную информацию, обрабатывать ее и принимать инженерные решения для корректировки планово-высотного положение опор мостов. При этом следует учитывать технологию строительства фундаментов с применением свай-оболочек и современные методы производства геодезических работ.
Автором разработан способ разбивки опор мостов из цилиндрических оболочек и способ контроля вертикальности, на которые получены патенты на изобретения [6, 7].
Разработанная система разбивки включает построение разбивочной сети, определение координат контрольных точек и вычисление разбивочных углов. Для ее выполнения предварительно маркируют восемь контрольных точек, расположенных на внешней и внутренней поверхности сваи-оболочки. Количество точек выбрано оптимально на основании нескольких критериев, а именно: конкретного расположения на оболочке технологического оборудования; надежного контроля оболочки в самых неблагоприятных условиях размещения геодезических пунктов; определения вертикальности оболочки (рис. 1).
1
п
Рис. 1. Контроль планового положения свай-оболочек:
1п-8п - проектное положение точек; 1ф'-8ф' - фактическое положение
точек; 1ф-8ф - положение точек, полученное после уравнивания; К1-К8 - смещение точек с новым положением относительно проектных направлений по дуге; 1-8' - положение точек на проектных направлениях
Технологический процесс геодезического контроля положения сваи-оболочки или секции оболочки состоит в следующем:
- определяют местоположения центра опоры и контрольных точек с применением электронного тахеометра или приемника ГНСС (в режиме ЯТК), после чего закрепляют точки на островке с помощью шпунтов;
- монтаж сваи-оболочки начинают с установки в плане опорного кольца, путем совмещения контрольных точек на поверхности оболочки и искусственном островке. Контроль над установкой опорного кольца осуществляется с пункта, находящегося на оси мостового перехода, а в случае отсутствия видимости - с центра уже возведенной опоры. При изготовлении оболочек следует на поверхности колец предусмотреть крепления для установки отражателей;
- определяют координаты точек и выполняют уравнивание, которое проводят на месте производства работ на компьютере. При этом оператор (геодезист, мастер) может в реальном режиме времени принимать решение по корректировке планового положения конструкции.
Отличительными признаками возведения опор мостов с применением железобетонных или металлических свай-оболочек является то, что они обладают достаточной жесткостью. Значит, их можно считать условно недеформируемы-ми. В данных условиях особое значение приобретает определение положения осей этих колец, то есть определение координат пересечения главных осей колец и их разворота относительно проектного положения, так как на цилиндрических кольцах расположены различные вставки, опорные для установки площадки вибропогружателей и т. д.
Вопросу оптимального положения осей инженерных объектов разной формы (круглой, сферической, прямоугольной) посвящено большое количество работ в геодезии. Предложенный способ позволяет упростить алгоритм оптимизации и корректно решить проблему для производства.
Для контроля определения координат главных осей оболочки, оценки точности и для принятия решений по корректировке местоположения конструкции автором разработана автоматизированная система контроля планового положения осей оболочки (рис. 2).
Операции при выполнении методики контроля планового положения выполняются в следующем порядке. После погружения свай-оболочек до проектной отметки геодезическими средствами измерений (тахеометром) определяют фактические координаты точек (1ф'-8ф').
На каждой из полученных точек в режиме визуального изображения на компьютере выполняется построение эллипса средних квадратических погрешностей (СКП), элементы которого рассчитывают по известным формулам.
Затем оператор в режиме графического изображения выполняет перемещение (вписывание) проектной окружности при условии, что все восемь точек не выходят за пределы эллипса погрешностей и получают новые уравненные координаты точек (1ф-8ф).
4 ^^ ■ а 6 ]
3 Координаты центра Х= 124.032 У= 0.032 ЦХ= 0.032 ОУ= -0.032 Отклонение = 0.045 7 |
2 ^^ 1 / V \ V, 8 /»ч \
Рис. 2. Определение отклонений центра оболочки
Также в качестве дополнительного критерия следует принимать минимальное отклонение центра оболочки от проектного положения. В результате этого появляется возможность определения величин (К - К8) - смещения точек. Таким образом, определяют разворот осей и смещение центра оболочки относительно проектного положения.
Оценку точности при нахождении смещения центра оболочки и разворота осей выполняют по формулам расчета СКП общего вида, принимая во внимание то, что погрешности величин смешения Ь и разворота аь будут зависеть от погрешностей тх и Шу определения координат точек:
2 4ЬХ ■т2+4ЬУ ■т2 2 4 •т2+Ь2х ■ тУ
Ш2 =-Ь2 ^ Ь2 ; таь = ^-, (1)
Ьх+Ьу
((+Ь у
где Шь , та - СКП определения смещения центра оболочки и определения разворота осей.
На основе предложенной системы контроля было выполнено математическое моделирование для различных данных (расстояния между опорами, диаметр оболочки, параметры эллипса СКП). Полученные данные (шь = 20 мм, та = 24 мм) свидетельствуют о том, что разработанная система контроля планового положения оболочки отвечает требованиям СНиП [1] при выполнении геодезических работ в мостостроении.
При возведении мостов важным элементом контроля является определение крена опор. Крены (наклоны) сооружений определяют различными способами [8]. Выбор наиболее оптимального способа зависит от технических параметров сооружения, условий местности и предъявленных требований к точности работ. При строительстве опор мостов на сваях-оболочках необходимо, чтобы процесс определения крена был частью операционного контроля и проводился совместно с контролем планового положения. При этом, как правило, на производстве контроль осуществляется с одной станции.
Для оперативного выявления и устранения крена при монтаже цилиндрических оболочек автором разработан способ (экспресс-метод), принципы которого изложены в работах [9, 10]. Сущность способа показана на рис. 3.
Рис. 3. Определение крена цилиндрической оболочки
Электронный тахеометр устанавливают на пункте разбивочной сети, находящемся на оси мостового перехода. Измеряют разности вертикальных углов по парам замаркированных точек 1-5, 2-4, 8-6, 3-7, 2-8, 4-6. Цилиндрическая оболочка, являясь жесткой конструкцией, не подвержена деформациям, и при образовании крена ее вертикальная ось будет наклоняться на некоторый угол ух (угловое выражение составляющей крена), на этот же угол наклоняется и горизонтальная ось оболочки. Проекция вертикальной оси ООх в ее наклонном состоянии на горизонтальную плоскость в основании цилиндрической оболочки дает линейную величину составляющей крена (Кх - 8Х лин), которую находят по формуле
^ = Н, (2)
Р
где Н - высота оболочки.
Высотную величину крена (К) получают путем проецирования точки центра сооружения О при наклонном положении горизонтальной оси на вертикальную плоскость, проходящую через соответствующие замаркированные точки. Величину К определяют из выражений:
(L1 + L5 )(Л Vhsm "A Vnp) K Avp
J^ _ V 1 ' 5 / у _ "Г/ Т^ _ т Уизм
Kx-----, Ky - L37-, (3)
2 cosvp ' cosvp
где Kx и Ky - высотные составляющие крена; AVroM - измеренная разность вертикальных углов; Л v^ - проектная разность вертикальных углов (так как L3 = L7, а AV^ = 0); L1 - L7 - расстояния до контрольных точек.
Общую величину крена K получим по известной формуле
K
K 2 + K 2 . (4)
Таким образом, угловое, линейное и высотное выражения крена получают по измеренной разности вертикальных углов и предвычисленным (проектным) значениям горизонтальных проложений и превышений.
Для доказательства эффективности предложенного способа для мостостроения выполним сравнительный анализ с известными способами определения крена (таблица). В качестве прототипов рассмотрим способы определения крена, приведенные в работах [11, 12].
Данные показывают, что экспресс-метод для определения крена опор мостов в большинстве случаев является не только более производительным, но и единственно возможным.
Сравнительный анализ способов определения крена для строительства опор мостов
^^^^ Способы Показатели~-\ Способ Раинкина (горизонтальных и вертикальных углов) Способ Зеленского (малых зенитных расстояний) Экспресс-способ Никитина
Количество пунктов для наблюдений 1 2 1
Расстояние от станции наблюдений до объекта Должно быть равное высоте объекта Постоянное и равное с двух пунктов наблюдений Возможность варьирования (с опоры, с берега)
Количество факторов, влияющих на точность 4 8 2 (отсутствуют погрешности измерения высоты прибора и влияния внешней среды)
Окончание табл.
Способы Показатели""--^ Способ Раинкина (горизонтальных и вертикальных углов) Способ Зеленского (малых зенитных расстояний) Экспресс-способ Никитина
Технология работ (производительность) Трудоемкая (установка прибора на одной высоте, поправка за углы наклона, длительное время между начальным и текущим циклом наблюдений) Трудоемкая (специализированные марки на объект, установка прибора на одной высоте, применение насадок для окуляра) Высокая производительность (за счет измерения только разности вертикальных углов)
Возможность определения величины и направления крена Только угловая составляющая крена Угловая и линейная составляющие крена Угловая, линейная и высотная составляющие крена
Вопросы предрасчета, оценки точности и учета рефракции в тригонометрическом нивелировании с применением электронных тахеометров рассмотрены в работах [13, 14].
СКП х у определения составляющих крена определяют из уравнения:
т
, х, у
Ау
\2
р ооб у
+ шАу
Ь
2
р ооб у
+ш
2Я
2
(5)
где шЬ, Шду, - СКП определения длин линий, разности вертикальных углов и коэффициента рефракции.
В разработанном способе определения крена поправками за кривизну Земли и рефракцию можно пренебречь, так как измерения выполняют на одной высоте над водной поверхностью, и отсчеты берут на коротком временном отрезке. Анализируя формулу (5), получаем, что при вертикальных углах до ±10° угол наклона визирного луча к горизонту и неравенство расстояний до контрольных точек практически не влияют на величину крена.
Плановые смещения цилиндрических оболочек не превышают допустимых величин на 5-10 см и не влияют на точность определения крена, так как длины линий от опорного пункта до контрольных точек необходимо знать с точностью до 1-2 м. Так, например, приняв шКху = 5 мм, шДу = 5", Ду = 300", V = 20°, Ь = 100 м, вычислим по формуле (5) СКП, с которой нужно получать длину линии. Получим шЬ = 1,5 м.
При погружении свай-оболочек большого диаметра в процессе возведения мостовых опор возникает необходимость не только определять, но и оперативно устранять крен. В этом случае значение угловой и линейной величин крена не содержит информации, позволяющей устранять крен, и только полученная величина крена в высотном выражении позволяет рассчитать усилия вибропогружателей, установленных на верхней поверхности оболочки, и оперативно устранить крен.
В настоящее время в мире осуществляется внедрение технологий информационного трехмерного моделирования зданий и сооружений BIM (Building Information Modeling). В статье [15] показаны основные направления развития технологий ЭБ-моделирования для транспортных объектов. Одним из таких проектов является проект IFC-Bridge. С его помощью будет осуществляться трехмерное проектирование мостов. На основе способа определения крена по измеренной разности вертикальных углов была создана трехмерная модель объекта, представленная на рис. 4.
Рис. 4. Трехмерная модель способа определения крена
В перспективе технологии трехмерного моделирования станут неотъемлемой частью процесса проектирования и строительства мостов.
Выводы
1. Разработана система контроля пространственной информации при строительстве опор мостов.
2. Предложен способ определения крена опор мостов с одной станции, позволяющий повысить производительность работ.
3. Выполнены расчеты по оценке точности геодезических измерений, доказывающие эффективность предложенных технологий.
4. Приведены перспективы разработанных способов геодезического контроля в мостостроении при трехмерном моделировании.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.СНиП Мосты и трубы. Актулизированная редакция СНиП 3.06.04.-91. СП 46.13330.2012. - М. : Минрегион России, 2011. - 118 с.
2. Геодезические работы при строительстве мостов / В. А. Коугия, В. В. Грузинов, О. Н. Малковский, В. Д. Петров. - М. : Недра, 1986. - 248 с.
3. Карпик А. П., Мурзинцев П. П., Падве В. А. Прикладная геодезия. Геодезическое обеспечение изысканий, строительства и мониторинга мостовых сооружений : учеб. пособие. - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. - 222 с.
4. Никитчин А. А., Брынь М. Я., Толстов Е. Г. О структуре системы геоинформационного мониторинга вантовых мостов // Современные проблемы инженерной геодезии : тр. междунар. научно-практ. конф. ; под ред. М. Я. Брыня.- СПб. : Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2010. - С. 123-128.
5. Сооружение фундаментов на забивных сваях. Центр качества в строительстве [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http: // www. svai. ог§ / docs / 17.pdf.
6. Пат. № 2077027 Российская Федерация, МПК7001С15/00. Способ разбивки опоры моста. Никитин А. В. ; заявитель и патентообладатель Хабаровский гос. техн. ун-т ; заявл. 09.03.93 ; опубл. 10.04.97, Бюл. № 10. - 6 с.: ил.
7. Пат. № 2141622 Российская Федерация, МПК7001С 1/00,15/00. Способ определения крена. Никитин А. В. ; заявитель и патентообладатель Хабаровский гос. техн. ун-т ; заявл. 01.10.97 ; опубл. 20.11.99, Бюл. № 32. - 16 с.: ил.
8. Руководство по определению кренов инженерных сооружений башенного типа геодезическими методами / Центр. н.- и. и проект. - эксперим. ин-т организации, механизации и техн. помощи строительству Госстроя СССР. - М. : Стройиздат, 1981.- 56 с.
9. Никитин А. В. Способ определения крена сооружений цилиндрической формы // Геодезия и картография. - 2002. - № 7. - С. 15-17.
10. Никитин А. В. Оптимальные методы построения инфраструктуры геопространственных данных для транспортных коридоров : монография. - Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2015. - 159 с.
11. Раинкин В. Я. Определение деформаций сооружений башенного типа посредством измерения горизонтальных и вертикальных углов с одного пункта // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - №. 3. - 1972. - С. 27-33.
12. Зеленский А. М. Об определении крена высоких сооружений башенного типа // Геодезия и картография. - 1974. - № 12. - С. 30-33.
13. Разработка и совершенствование технологии инженерно-геодезического нивелирования тригонометрическим способом / Г. А. Уставич, М. Е. Рахымбердина, А. В. Никонов, С. А. Бабасов // Геодезия и картография. - 2013. - № 6. - С.17-22.
14. Вшивкова О. В. О комплексном подходе к решению рефракционной проблемы // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2005. - № 4. - С. 41-46.
15. Скворцов А. В. Модели данных BIM для инфраструктуры // САПР и ГИС автомобильных дорог. - 2015. - № 1 (4). - С. 17-20.
Получено 01.12.2016
© А. В. Никитин, 2017
GEODETIC CONTROL OF CONSTRUCTION BRIDGE SUPPORT
Andrei V. Nikitin
Far Eastern State Transport University, 680021, Russia, Khabarovsk, 47 Serysheva St., Ph. D., Associate Professor, Department of Survey and Design of Railways and Roads, tel. (4212)407-608, e-mail: [email protected]
The article describes the geodetic works during construction of bridge support. Developed system of control of initial of the bridges, erected with the use of pipes of large diameter. To control determine the coordinates of the principal axes of the shell accuracy assessment and for decisionmaking on adjustment of the location of the proposed automated design system, comprising the following sequence of operations: determining the actual coordinates of the control points; automated adjustment in real time with the use of the ellipse of average quadratic errors; determination of the center of the shell and the pivot axis. The developed method determination of roll shells from one station by comparing the actual measured difference of the vertical angles with the design value. The proven effectiveness of a method based on comparative analysis with known methods, and provides a three-dimensional model in determining the roll supports of bridges.
Key words: bridge support, the roll shell, mean square error.
REFERENCES
1. Construction Norms and Regulations. (2011). Mosty i truby. Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP 3.06.04.-91 [Bridges and pipes. The updated edition SNiP 3.06.04.-91]. Moscow: the Ministry of Regional Development.
2. Kougiya, V. A., Gruzinov, V. V., Malkowsky, O. N, & Petrov, V. D. (1986). Geodezicheskie raboty pri stroitel'stve mostov [Geodetic works during construction of bridges]. Moscow: Nedra [in Russian].
3. Karpik, A. P., Murzincev, P. P., & Padve, V. A. (2015) Prikladnaya geodeziya. Geodezicheskoe obespechenie izyskanij, stroitelstva i monitoringa mostovyh sooruzhenij [In Applied geodesy. Geodetic support survey, construction and monitoring of bridges]. Novosibirsk: SSUGT [in Russian].
4. Nikitchin, A. A., Bryn, M. J., & Tolstov, E. G. (2010). On the structure of the system geoinformationtion monitoring cable-stayed bridges. In Trudy mezhdunarodnoy nauchno-prakticheksoy konferentsii: Sovremennye problemy inzhenernoj geodezii [Proceedings of International Scientific and Practical Conference: Modern Problems of Engineering Geodesy] (pp. 123-128). M. Ya. Brynya (Ed.). St. Petersburg: Petersburg State University of Means of Communication [in Russian].
5. Sooruzhenie fundamentov na zabivnykh svayakh. Tsentr kachestva v stroitel'stve [The construction of foundations in the precast piles. Quality Center building]. (n. d.). Retrieved from at http: // www. svai. org / docs / 17.pdf [in Russian].
6. Nikitin, A. V. PatentRFNo. 2077027. Khabarovsk: IP Russian Federation.
7. Nikitin, A. V. Patent RF No. 2141622. Khabarovsk: IP Russian Federation.
8. Rukovodstvo po opredeleniyu krenov inzhenernykh sooruzheniy bashennogo tipa geodezicheskimi metodami [The guide rolls of the engineering tower buildings geodetic methods]. (1981). Moscow: Stroiizdat [in Russian].
9. Nikitin, A. V. (2002). Method of determination of the roll structures of cylindrical form Geodeziya i kartografiya [Geodesy and Cartography], 7, 15-17 [in Russian].
10. Nikitin, A. V. (2015). Optimalnye metody postroeniya infrastruktury geoprostranstvennyh dannyh dlya transportnyh koridorov [Optimal methods of constructing a geospatial data infrastructure for transport corridors]. Khabarovsk: DVGUPS [in Russian].
11. Rankin, V. J. (1972). Determination of deformations of the tower structures by measuring horizontal and vertical angles from one point. Izvestiya vuzov. Geodeziya i aerofotos"emka [Izvestiya Vuzov. Geodesy andAerophotography], 3, 27 - 33 [in Russian].
12. Zelensky, A. M. (1974). On the definition of the roll of high tower structures. Geodeziya i kartografiya [Geodesy and Cartography], 12, 30-33 [in Russian].
13. Ustavich, G. A., Rahimberdina, M. E., Nikonov, A. V., & Babanov, S. A. (2013). Development and improvement of technology of geodetic engineering nivelir-tion of the trigonometric method. Geodeziya i kartografiya [Geodesy and Cartography], 6, 17-22 [in Russian].
14. Vshivkova, O. V. Integrated approach to the solution of the refraction Izvestiya vuzov. Geodeziya i aerofotos"emka [Izvestiya Vuzov. Geodesy and Aerophotography], 4, 41-46 [in Russian].
15. Skvortsov, A. V. BIM data Model for infrastructure. SAPR i GIS avtomobilnyh dorog. [CAD & GIS for Roads ], 1(4), 17-20 [in Russian].
Received 01.12.2016
© A. V. Nikitin, 2017
