CC BY
80
УДК 624.131.5
СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА МОНИТОРИНГА ПОДЗЕМНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА СОВРЕМЕННОМ ЭТАПЕ
Ольга Александровна Коробова
Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет, Россия, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, 113, доктор технических наук, профессор кафедры ИГОФ, e-mail: [email protected]
Любовь Александровна Максименко
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры геоматики и инфраструктуры недвижимости, e-mail: [email protected]
В статье раскрываются цели, задачи, виды и этапы мониторинга подземных сооружений. Приводятся примеры реализации на практике проектов уникальных зданий в условиях плотной городской застройки, строительство которых было бы невозможно без хорошо отлаженной системы мониторинга. Представлены результаты анализа состояния вопроса мониторинга подземных конструкций.
Ключевые слова: мониторинг, подземные сооружения,обследование, реконструкция, анализ состояния вопроса.
STATUS MONITORING OF UNDERGROUND STRUCTURESAT THE PRESENT STAGE
Olga А. Korobova
Novosibirsk state University of architecture and construction, Russia, Novosibirsk, 113 Leningradskaya, D. Sc., Professor, Department of IGOF, e-mail: [email protected]
Lyubov А. Maksimenko
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., associate Professor of Geomatics and infrastructures real estate, e-mail: [email protected]
The article reveals the meaning of monitoring, its purpose, tasks, types of this PY. Examples of the implementation of unique buildings in dense urban areas, the construction of which would not be possible without well-functioning monitoring system. The results of the analysis of the current state of the issue of the monitoring of underground structures.
Key words: monitoring, underground construction, inspection, re-design, analyzing the state of the question.
В современных условиях перед строителями возникают существенные проблемы, связанные с повсеместным освоением подземного пространства городов, в частности мегаполисов. Достижения в области трехмерного моделирования объектов недвижимости повышают информативность данных о подземных конструкциях, но сведения о реальном состоянии таких конструкций могут
быть получены только в результате тщательно организованных и спланированных мониторинговых исследований, в связи с чем тематика данной статьи актуальна и своевременна.
Современное подземное строительство имеет ряд особенностей связанных с использованием инновационных технологий, новых прогрессивных строительных материалов; стесненностьюгородской застройки; наличием действующих и неиспользуемых коммуникаций, бункеров различного назначения, подвалов и других подземных сооружений. Вследствие техногенных воздействий происходит повсеместное нарушение природного сложения грунтовых массивов, изменение природных строительных свойств грунтов; изменение режима подземных вод и других факторов. На состояние искусственных сооружений оказывают влияние изменение геоэкологической обстановки, атмосферные воздействия, в частности, ветровые нагрузки, вибрации от транспортных потоков и другие.
В течение последних лет наблюдается устойчивая тенденция увеличения глубины заложения подземных конструкций, рост нагрузки на подземные части зданий, с возникновением дополнительных деформаций существующих зданий при возведении около них новых, что может привести к нарушению нормальной эксплуатации последних и др. В достаточной степени негативную реакцию на эти факторы можно уменьшить, предупредив последствия их воздействия. Учитывая вышесказанное, возникает задача обеспечения безопасной эксплуатации и нагрузки на необходимом уровне, то есть исполнения основной функции сооружения. При этом должны решаться вопросы об обследовании существующих строений в зоне влияния нового строительства.
В соответствии с МГСН 2.07- 01 [1] в период возведения нового здания и в начальный период эксплуатации существующих ответственных подземных конструкций обязательными являются натурные наблюдения (мониторинг) на строительной площадке. Главной целью мониторинга состояния несущих конструкций зданий и сооружений, в том числе и подземных, является выявление каких-либо отклонений в работе конструкций от разработанных проектных решений. Для подземных конструкций и сооружений мониторинг представляет собой систематическое или периодическое наблюдение за напряженно-деформированным состоянием (н.д.с.) грунтовых оснований и фундаментных конструкций.
Требования для проведения инструментального мониторинга приведены в МГСН-4.19-2005 [2]. Разработанными нормами руководствуются при возведении высотных комплексов не только в Москве, но и в других городах. В нормативах США и Европы [3, 4] предусмотрено наблюдение за состоянием конструкций и грунтовых оснований, но конкретных указаний по методам проведения мониторинга не приводится.
В настоящее время, вследствие интенсивного развития способов и средств измерений, цифровой обработки сигналов, для проведения мониторинга существуют разнообразные подходы. Оптимальные схемы мониторинга, наиболее
полно контролирующие его состояние, подбираются индивидуально для каждого объекта.
Одним из способов, направленных на поддержание требуемых уровней надежности и функциональности сооружения, является инструментальный мониторинг. Построение системы инструментального мониторинга должно быть обеспечено проектированием.
Инструментальный мониторинг подземных сооружений и грунтовых оснований предусматривает, четыре типа наиболее известных методик [5]:
- геодезические измерения; они могут производиться как традиционным нивелированием, так и с применением современных цифровых датчиков, GPS-технологий, лазерное сканирование объекта. Перечисленные методики позволяют определять пространственные перемещения; в том числе осадки и крены. Полученные результаты оценивают состоянию конструкций зданий и сооружений на момент измерений, но не дают необходимой динамики поведения объекта;
- геотехнический мониторинг состояния грунтового основания как под отдельным фундаментом, так и вблизи всего здания или сооружения от измерений в отдельных скважинах до межскважинного просвечивания и даже получения трехмерного томографического изображения. При помощи тензометрических датчиков может быть осуществлен мониторинг напряженно-деформированного состояния грунтового основания. Конструкция датчиков позволяет проводить в скважинах мониторинг осадок грунтов основания, уровня подземных вод, давления в породах (поровое давление широко применяется в расчетах деформаций в зарубежных нормативных документах). Кроме того, необходимые данные о напряженно-деформированном состоянии грунтовых оснований можно получить при размещении под фундаментной плитой датчиков давления, в сваях - вертикальных нагрузок [6, 7, 8], что позволяет отследить динамику развития деформаций здания или сооружения.
- измерения нагрузок и деформаций в конструкциях фундамента и надземной части. При этом используются [6, 7, 8] вибрационные датчики напряжений, монтируемых по одно-, двум и трем пространственным координатам, размещаемые в фундаментной плите, а также в стенах, колоннах и других несущих конструкциях зданий и сооружений. Наиболее эффективным в этом случае является применение инклинометров - датчиков угла наклона, расположенных на разных уровнях конструкции по высоте, позволяющих получить картину изгибов конструктивных элементов. Инклинометры, позволяют контролировать неравномерность осадок. При этом наблюдения могут проводиться непрерывно в автоматическом режиме.
- сейсмометрические методики; могут реализовываться при помощи различных измерительных приборов: деформографами, наклономерами и сейсмометрами, велосиметрами, акселерометрами. Наблюдения включают в себя возбуждения колебаний здания как искусственными, например, удары, вибрационные воздействия, так и естественными, такими как ветровые, микросейсмические источники. Такие измерения показывают "мгновенную" картину состояния объекта.
Как видно из вывышеизложенного, первые три типа мониторинга дают информацию о величине осадок, нагрузок и т.д. Для регистрация колебаний требуется достаточносложная предварительная обработка и создание динамических моделей зданий и сооружений. Сейсмометрические методики дают возможность контролировать не только величины ускорений, колебаний и др., но и, позволяют оценить совместную работу здания и грунтового основания. Комплексный подход к рассмотрению первых трех типов мониторинга совместно с сейсмометрическими наблюдениями концентрирует все полученные данные в единую систему. Примером может служить схема мониторинга, [5] для высотного комплекса "Континенталь" с плитным фундаментом. Схема мониторинга включает инструментальную часть и программное обеспечение, для обработки данных и оценки технического состояния здания в целом. Сопоставление со схемой, разработанной по требованиям зарубежных нормативов (Евро-код ЕС7) [6], показывает единство концепции, методов и средств осуществления инструментального мониторинга высотных зданий.
Обратимся к примерам реализации подземных и заглубленных в грунт сооружений. Система мониторинга позволила обеспечитьбезопасность эксплуатации существующих зданий при строительстве крупных подземных сооружений, отрывке котлованов, забивке свай. Без неё невозможно было быстроительство таких крупных и уникальных зданий, как Московский международный деловой центр «Москва-Сити», подземный Торгово-рекреационный комплекс «Охотный ряд». Среди крупных объектов гражданского назначения, можно выделить культурно-общественный центр Правительства Москвы, комплекс зданий Московского международного делового центра (ММДЦ).
Центральное ядро комплекса «Москва-Сити», составляет многофункциональное сооружение, в состав которого входят пересадочный узел метрополитена, стоянки автотранспорта, магазины и помещения различного назначения. Центральное ядро запроектировано как восьмиэтажное здание, шесть этажей которого подземные. Здание имеет размеры в плане 125х47 м2. Глубина котлована 23 метра от планировочной отметки. Проектирование ограждающей и про-тивофильтрационной конструкции по контуру центрального ядра и примыкающих участков, устраиваемых как «стена в грунте» было проведено специалистами НИИОСП. Для выбора наиболее рациональных проектных решений был выполнен прогноз изменений напряженно-деформированного состояния грунтового массива накаждом периоде строительства. Этот прогноз был скорректирован на основе результатов мониторинга.
В процессе проектирования подземного комплекса «Охотный ряд», расчеты конструкций проводились с учетом истории изменений напряженно -деформированного состояния массива грунта. Был выполнен анализ влияния на конструкции комплекса карстовых и суффозионных явлений, набухание и пучение грунтов. Впервые был разработан научный подход к проблемам геотехнического прогноза и обеспечения безопасности окружающих зданийи сооружений при подземном строительстве, создана комплексная программа мониторинга, включившая в себя наблюдения за деформациями грунтового массива, уров-
нями подземных вод, деформациями тоннелей метро, осадками близлежащих зданий и перемещениями ограждающих и несущих конструкций.
При анализе состояния вопроса мониторинга подземных конструкций зданий и сооружений было выявлено следующее. Наблюдения показывают эффективность использования в едином комплексе цифровых измерительных устройств различных типов, которые представляют информацию о состоянии конструкций и грунтов основания зданий. Инструменты мониторинга объединяются в единую схему с помощью программного комплекса, для контроля за сбором, обработкой и анализом информации. Выбор и размещение датчиков определяется путем анализа материалов инженерно-геологических изысканий, расчетов статики и динамики зданий, по результатам аэродинамических испытаний моделей высотных зданий. Но наряду с этим, в нормативных документах говорится о том, что под аварией следует понимать условное состояние выхода конструкции за рамки предельного, предусмотренного проектом. В большинстве случаев основной целью мониторинга состояния несущих конструкций зданий и сооружений является предупреждение об отклонениях в работе конструкций от проектного решения. В действительности, аварии, сопровождающиеся частичным или полным обрушением конструкций, происходят неожиданно, по непредсказуемым заранее причинам и, как правило, при нагрузках и несущей способности конструктивных элементов, имеющих значительные запасы по отношению к тем, которые были заложены при проектировании. Одним из эффективных методоввыхода из такой ситуации может быть осуществление непрерывного мониторинга в режиме реального времени. Для строительных объектов система непрерывного мониторинга имеет особенности и требует особого внимания. Программное обеспечение (ПО) системы мониторинга состоит из двух технологических комплексов, в состав которых входит соответственно (согласно техническому заданию): математическое обеспечение и информационное обеспечение. Здесь необходим высокий уровень долговечности при достаточном уровне надёжности и достоверности собираемой информации о состоянии строительных конструкций. При создании автоматической (сигнальной) системы мониторинга необходимо контролировать напряжённо -деформированное состояние (н.д.с.) несущих конструкций сооружения, но измерить напряжение и деформацию (относительную) физически невозможно, так как это чисто математические понятия. Измерению, а соответственено и контролю подлежат соответствующие силы (нагрузки), и перемещения. По этим данным (результатам), с помощью, например, математической модели, в рамках определённых гипотез и предположений, можно рассчитать н.д.с. сооружения. Результаты этих расчётов, безусловно, будут зависеть от типа модели и принятых гипотез. Необходимо также отметить, что аварии, имеющие катастрофические последствия, связанные с нарушениями прочности грунта, потерей его несущей способности нельзя объяснять только какой-либо одной причиной. Появление аварий определяется одновременным действием группы факторов, имеющих не только физико-механическую, но и иногда и физико-химическую или биологическую основу. Поэтому при проведении мониторинга
необходимо применять комплексный анализ с привлечением разных квалифицированных специалистов, в том числе использования методов инженерной геологии, грунтоведения, гидрогеологии, сейсмологии, экологии и др.
Вывод. Для наибольшей эффективности обеспечения комплексной безопасности подземных конструкций необходимо создание единой базы данных мониторинга. Для этого нужно аккумулировать все имеющиеся данные, полученные в результате мониторинга разных зданий и сооружений. Вся полученная информация должна быть тщательно проанализирована и обобщена, взята под контроль, составлен банк данных, который должен непрерывно обновляться. Накопленные данные дифференцируются, интегрируются или частично «перетекают» из одной системы в другую. Трансформация сведений предопределяет развитие мониторинга как в направлении создания функционально-ориентированных подсистем, так и в направлении создания новых комплексных многоцелевых структур, объединяющих данные нескольких систем, в том числе информационных систем обеспечения градостроительной деятельности (ИСОГД), инфраструктуры пространственных данных (РИПД), государственного кадастра недвижимости.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. МГСН 2.07-01 Московские городские строительные нормы. Основания, фундаменты и подземные сооружения. Приняты и введены в действие постановлением Правительства Москвы от 22.04.03 г. № 288-ПП. - 32с.
2. Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий и зданий-комплексов в г. Москве МГСН 4.19-2005. М., 2005. - 129 с.
3. International Building Code 2003, ISBN # 1-892395-97-7 (e-dociment).
4. Design loads for building, imposed loads. Wind loads on structures unsusceptible to vibration // DIN 1055, part 4, 1986. 30 p.
5. Капустян Н.К., Вознюк А.Б. Опыт проектирования и эксплуатации схем мониторинга конструкций и оснований высотных зданий. Мониторинг высотного 44-этажного жилого дома на Давыдковской улице «Технологии, машины, оборудование, материалы и нормативное обеспечение для подземного и высотного строительства» Т. 2 - «Высотное строительство», М. КДЦ «Гостиный двор», 2006. С. 17-19.
6. Катценбах Р., Шмитт А., Рамм Х. Основные принципы проектирования и мониторинга высотных зданий Франкфурта-на-Майне. Случаи из практики // Реконструкция городов и геотехническое строительство, № 9, СПб, АСВ. 2005. С. 80-99.
7. Айме К.А. Мониторинг зданий и котлованов, ч. 2 //Строительные материалы, оборудование, технологии века, № 11, 2005, С. 37-39.
8. Сухин В.В., Ламперти Р. Мониторинг строительного объекта - это необходимость им требование времени// Уникальные и специальные технологии в строительстве, М. «Дом на Брестской», 2005, С. 72-73.
9. Дорофеев В.М., Катренко В.Г., Назьмов Н.В. Автоматизированная станция мониторинга технического состояния несущих конструкций высотных зданий. Уникальные и специальные технологии в строительстве (UST-Build 2005). М.: ЦНТСМО. 2005. С.66-67.
10. ГОСТ Р53778-2010 Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния
11. Требования к техническим средствам и системам комплексного обеспечения безопасности, автоматизации и связи многофункциональных высотных зданий и комплексов.
Пособие для специалистов проектных и монтажных организаций, заказчиков, страховых компаний, инвесторов и контролирующих органов. - М. 2005 г.
12. Максименко Л.А. Современные методы мониторинга технического состояния здания // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Экономическое развитие Сибири и Дальнего Востока. Экономика природопользования, землеустройство, лесоустройство, управление недвижимостью» : сб. материалов в 4 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 4. - С. 166-170.
13. Долинский К.Ю., Белый А.А., Осадчий Г.В., Максименко Л.А. Реализация системы мониторинга инженерных конструкций искусственных сооружений. И 741 Информационные технологии и технический дизайн в профессиональном образовании и промышленности: сборник материалов V Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Новосибирск: Изд-во, НГТУ 2013. - с.9-18
© О. А. Коробова, Л. А. Максименко, 2017
