Геодезическое производство

ВВЕДЕНИЕ 1. ГЕОДЕЗИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МОНТАЖНЫХ РАБОТ 1.1. Планово-высотная геодезическая основа монтажных работ.....................5 1.2. Плановая установка и выверка конструкций и оборудования….............10 1.3. Координатный способ монтажа фасадных конструкций.........................21 1.4. Высотная установка конструкций…………………………………………..32 1.5. Выверка конструкций по вертикали………………………………………..39 1.6. Контроль геометрических параметров сооружения…….........................44 1.7. Съёмка фасадов геодезическими методами............................................51 2. ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ДЕФОРМАЦИЯМИ СООРУЖЕНИЙ 2.1. Общие понятия о деформациях зданий и сооружений..........................57 2.2. Организация наблюдений и характеристики деформаций.....................61 2.3. Необходимая точность измерений перемещений ..................................63 2.4. Размещение и конструкция исходных и деформационных знаков..........68 2.5. Методы и схемы измерений вертикальных перемещений......................78 2.6. Обработка результатов измерений и отчётная документация..................87 2.7. Методы измерений горизонтальных перемещений................................91 2.8. Способы измерения кренов...................................................................97 2.9. Методика и точность измерений при определении кренов сооружений............................................................................................................104 3. ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ РАБОТЫ В ТУННЕЛЕСТРОЕНИИ 3.1. Общие сведения о туннелях................................................................108 3.2. Аналитический расчёт трассы тоннеля................................................112 3.3. Геодезическое обоснование трассы туннеля.........................................122 3.4. Анализ источников ошибок сбойки встречных забоев…………………126 3.5. Ориентирование подземных выработок..............................................131 3.6. Спутниковые технологии в туннелестроении…………………………..136 3 ВВЕДЕНИЕ Характерной особенностью современного геодезического производства является широкое внедрение электронных средств измерений: тахеометров и спутниковых приёмников, цифровых аэросъёмочных комплексов и полевых портативных компьютеров, многофункциональных пакетов программного обеспечения и универсальных измерительных систем. Активное применение в инженерно геодезических работах новой высокоточной оптоэлектронной измерительной техники, появление принципиально новых средств измерений в виде спутниковой геодезической аппаратуры, новых программных средств обработки результатов измерений и графических построений в корне изменило технологию производства инженерно геодезических изыскательских, разбивочных и других работ. Революционные изменения в техническом оснащении геодезического производства потребовали существенного пересмотра традиционных подходов к вопросам построения опорных, разбивочных и других инженерно геодезических сетей. Изменились методы производства топографических и исполнительных съёмок, способы выверки конструкций и технологического оборудования. Все полевые измерения и съёмки сегодня выполняются электронными приборами с автоматической регистрацией результатов измерений, автоматизируются также и все последующие процессы работ, связанные с обработкой и графическим представлением геодезической продукции. Настоящий курс лекций охватывает вопросы геодезического обеспечения монтажа строительных конструкций и технологического оборудования, рассматриваются геодезические способы измерений для целей описания картины деформационных процессов зданий и сооружений, приводится комплекс геодезических работ для реализации проектов трасс туннелей метрополитена. Решение задач прикладной геодезии при осуществлении названных работ предусматривается в настоящем издании с использованием современных приборов, методик и технологий. 4 1. ГЕОДЕЗИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МОНТАЖНЫХ РАБОТ 1.1. Планово-высотная геодезическая основа монтажных работ Под геодезическим обеспечением монтажа строительных конструкций и технологического оборудования понимают процесс последовательного выполнения комплекса геодезических измерений на различных этапах изготовления, сборки и монтажа конструкций. Установка или монтаж конструкций и технологического оборудования в проектное положение осуществляется относительно их монтажных осей, которые размечаются на конструкциях или их расположение оговаривается в ППР и рабочих чертежах. Установка конструкций производится от строительных осей и от пунктов их закрепляющих в плане по высоте и по вертикали. При монтаже конструкций и оборудования геодезическому контролю подвергаются следующие основные конструктивные элементы и их взаимное расположение:  положение верхних частей фундаментов, опорных плит, колец, анкерных болтов и др.;  вертикальность опорных и несущих конструкций (колонн, мачт, пилонов);  взаимное положение и осевые размеры между опорными поверхностями;  прямолинейность, вертикальность или горизонтальность конструкций и направляющих (ездовые балки, рельсы кранов и лифтов);  геометрические взаимосвязи осей технических устройств и приспособлений для обеспечения технологических требований (прямолинейность, соосность, параллельность, перпендикулярность);  форма и размеры сечений криволинейных и объёмных конструкций сооружений (газгольдеры, нефтехранилища, реакторы, котлы и др.). 5 Точность геодезических измерений при реализации монтажных работ устанавливается на основе допускаемых отклонений, предусмотренных рабочими чертежами, нормативно-технической документацией, регламентами и пр. Средняя квадратическая погрешность измерений в процессе геодезического контроля точности выполнения монтажных работ должна быть не более 0,1 ÷ 0,2 величины допускаемых отклонений. Самыми общими требованиями к точности монтажа элементов конструкций и оборудования являются:  Контроль установки планового положения осей анкерных устройств и железобетонных стаканов, осей металлических и железобетонных колонн, осей балок, ферм, ригелей, стеновых панелей и блоков. Эти работы выполняются со средней квадратической погрешностью 1 ÷ 2 мм.  Контроль установки высотного положения опорных поверхностей металлических и железобетонных колонн, опорных площадок балок, ферм ригелей, опорных поверхностей стеновых панелей и блоков также производится с погрешностями не хуже 1 ÷ 2 мм.  Контроль вертикальности осей металлических и железобетонных колонн высотой до 5 м выполняется с погрешностью 2 мм; высотой от 5 до 15 м с погрешностью 3 мм, осей стеновых панелей и блоков – с погрешностью 1 мм.  Непрямолинейность направляющих кранов и машин 1:5000 ÷ 1:10000 в зависимости от длины составного рельса.  Несоосность валов редуктора и двигателя 1:10000 их длины.  Неплоскостность и негоризонтальность монтажных столов 1:10000 их длины. При установке конструкций и оборудования на фундаменты сначала выверяют их плановое положение, а затем высотное. Соосное размещение агрегатов производится при помощи системы горизонтально и вертикально расположенных домкратов. Опыт показывает, что выполненная при монтаже оборудования юстировка сохраняется недолго, поэтому в процессе эксплуатации её нужно периодически 6 повторять. Что касается строительных конструкций, то раз выверенное и закреплённое их пространственное положение (замоноличенное, заваренное) изменению не подлежит, разве что разрушению и повторному монтажу. Геодезической основой выверки элементов конструкций и оборудования являются технологические оси, точки которых закрепляются на конструкциях определённым образом. Технологические оси могут совпадать с рабочими осями агрегатов или располагаться параллельно им. Для установки в проектное положение осей конструкций и оборудования в процессе их строительства и монтажа, но также для контроля их стабильности в процессе эксплуатации строится планово-высотная геодезическая основа. Для разбивки элементов конструкций служит внутренняя разбивочная сеть сооружения, для производства монтажа оборудования строят специальную цеховую разбивочную сеть. Точность построения сетей зависит от технических требований, предъявляемых к взаимному расположению монтируемых элементов. Практикой геодезического обеспечения монтажных работ выработаны ряд требований к точности, плотности и взаимному расположению геодезических пунктов разбивочных сетей, основными из которых являются:  погрешности взаимного положения смежных пунктов сети должны быть согласованы с точностью сопряжения конструкций и оборудования;  плотность пунктов должна быть достаточной для оперативного производства разбивочных работ и контрольно-монтажных измерений без дополнительных промежуточных построений;  местоположение пунктов сети должно обеспечивать их надёжную сохранность и доступность в процессе выполнения геодезических измерений;  погрешности взаимного положения смежных пунктов сети и в плане и по высоте должны быть в 2 ÷ 3 раза меньше, чем погрешность выверки элементов оборудования. Структура плановой геодезической основы, создаваемой для монтажа и эксплуатации оборудования, зависит от формы объекта, условий видимости, наличия геодезической техники и т. п. 7 В практике наибольшее распространение получили линейно-угловые и трилатерационные сети. Конструкция и форма сети обычно повторяет контуры сооружения или оборудования и представляет собой правильные геометрические фигуры – цепочки треугольников, квадратов и прямоугольников. Стороны сети, как правило, параллельны осям оборудования, технологических линий, а пункты стремятся расположить так, чтобы они или закрепляли основные оси, или были близки основополагающим контурам и направляющим оборудования. Поскольку вершины фигур геодезических монтажных сетей закрепляются на бетонных поверхностях цехов и перекрытий, то их длины для целей удобств производства линейных измерений стальными и инварными рулетками проектируют кратными 10 – 20 метрам. Измерение длин сторон базисными приборами (проволоками) и инварными рулетками всего с десяток лет назад являлось логичным и оправданным, но сегодня эти методы могут оказаться несколько архаичными, поскольку длины линий и углы измеряются, в основном, электронными тахеометрами. Углы измеряют с погрешностями в несколько секунд, стороны 1 – 2 мм. В связи со слабой жёсткостью сетей трилатерации их строят, как правило, из линейных геодезических четырёхугольников (прямоугольниками или квадратами), центральных систем или их комбинацией в виде одинаковых симметричных фигур. Такие сети обладают одинаковой точностью определения взаимного положения пунктов, что имеет значение для обеспечения равномерной точности монтажа на протяжённых технологических линиях. Они выгодны и в организационном отношении, так как для линейных измерений в них используются одни и те же приборы. При оценке проектов монтажных геодезических сетей определяют либо погрешность взаимного положения смежных пунктов (сторон) сети, либо функции уравненных сторон (углов, азимутов, координат). Погрешность функции определяется по известной формуле mF   1 pF , где μ – средняя квадратическая погрешность стороны с весом p = 1; 1/pF - обратный вес функции. Вес измеряемой стороны назначается обратно пропорциональным квадра8 ту средней квадратической погрешности её измерения. Формулы для расчёта точности и уравнивания типовых фигур трилатерации (центральных систем, цепочек треугольников и прямоугольников) приводятся в различных трудах и наставлениях [36, 38]. Высотная геодезическая основа промышленного объекта для целей обеспечения его строительства, монтажа оборудования и измерения осадок и деформаций в процессе его эксплуатации создаётся, как правило, из трёх контуров: опорного, каркасного и рабочего. Первый контур базируется на глубинных реперах, второй включает грунтовые и стенные реперы и марки, а третий контур – это рабочие реперы (анкерные болты, консольные шарики и т. п.), закреплённые на стабильных конструкциях объекта или близких к нему сооружениях. Глубинные реперы – чаще всего свайные или биметаллические - закладывают в коренные, стабильные породы, обеспечивающие надёжную и долговременную сохранность высоты. Простейшая конструкция глубинного репера приведена в разделе 10.«Геодезические наблюдения за деформациями сооружений». Пункты каркасной нивелирной сети закрепляют грунтовыми или стенными реперами. Грунтовый репер – это железобетонный пилон, в верхнем торце которого закреплена металлическая марка со сферической головкой, а нижний торец располагается ниже глубины промерзания грунта на 0,5 м. Грунтовые и стенные реперы располагают на расстоянии 60 – 80 м за зоной возможных осадок строящегося объекта. Класс высотных сетей определяется требованиями к точности высотных расположений конструкций и при монтаже прецизионного оборудования назначается точным инженерно – техническим нивелированием I и II классов, для обычного оборудования – это нивелирование III и IV классов. Основными методами точного инженерно-технического нивелирования являются: геометрическое нивелирование, гидростатическое нивелирование и микронивелирование. При геометрическом нивелировании погрешность определения разности высот двух точек, расположенных на расстоянии 10 – 20 метров, составляет 0,03 – 0,05 мм, а на расстояниях 300 – 500 м – 0,1 – 0,2 мм. Такая высокая точность достигается использованием прецизионных оптических и цифровых нивелиров в комплекте с инварными рейками при тщательном эталонировании шкал микрометров, защите нивелиров от прямого попадания солнечных лу9 чей и др. Каркасная сеть обычно является основой для привязки рабочей сети к исходным реперам опорной сети. 1.2. Плановая установка и выверка конструкций и оборудования Установка конструкций или оборудования осуществляется относительно монтажных и технологических осей, точки которых закрепляются тем или иным способом. Эти оси могут совпадать с рабочими осями механизмов и агрегатов или располагаться им параллельно. Разбивку осей производят от пунктов внутренней геодезической основы или от пунктов, закрепляющих строительные оси. Монтажная ось это прямолинейный отрезок или ряд отрезков, развёрнутых друг относительно друга, концы которых закреплены (обозначены) на монтажной поверхности (основании). В случае значительной длины монтажной оси кроме конечных пунктов ось может быть обозначена промежуточными пунктами. В зависимости от характера сооружения, оборудования, конструкции точность разбивки монтажной оси (референтной прямой) может быть разной: от 1 – 2 мм до 0,1 – 0,05 мм на расстояниях до нескольких сотен метров. Рис. 1.1. Схема створа Задача установки или контроля положения строительных конструкций и технологического оборудования относительно монтажных осей решается путём раздельного определения прямолинейности или нестворности контролируемых точек и их положения по высоте. Под створом понимают вертикальную плоскость, которая проходит через прямую, соединяющую две опорные точки: начало – точка А и конец створа – точка В при общей его длине L (рис. 1.1). Если точки 1, 2 и 3, принадлежащие монтируемым конструкциям, не нахо10 дятся в створе АВ, то их нестворность определится отрезками Δ1, Δ2 и Δ3. Нестворность, таким образом, это длина перпендикуляра, опущенного из контролируемой точки на вертикальную плоскость задающую створ. Нестворность принято считать положительной, если контролируемая точка расположена вправо от створа АВ и отрицательной – если влево. Если общий створ АВ делят на части, то возникают так называемые частные створы А2 и 1В (рис. 1.1). Опустив перпендикуляры с контролируемых точек на эти створы, получим частные нестворности δ1, δ2 и δ3. При этом нестворности общего створа Δi являются функцией измеренных частных нестворностей δi и расстояний si до контролируемых точек. Методы и средства створных измерений широко применяются при монтаже и выверке строительных конструкций и технологического оборудования. Известные высокоточные методы и средства створных измерений по физическим принципам, заложенным в их основу можно разделить на четыре основных вида:  струнные – створ задаётся осью натянутой струны;  оптические – прямая, задающая створ определяется визирной линией зрительных труб теодолитов, коллиматоров, автоколлиматоров и пр.;  лучевые – прямая линия (створ) задаётся осью пучка световых лучей, в том числе осью лазерного пучка;  интерференционные - прямая задаётся осью симметрии интерференционной картины и когерентным источником света. Относительно материализованного отмеченными способами створа осуществляется вынос в натуру рабочих (монтажных) осей, также являющих собой створы, относительно которых производится установка оборудования в проектное положение методами створных измерений. Струнный способ створных измерений. В практике инженерногеодезических работ для выноса в натуру строительно-монтажных и технологических осей, а также для решения задач изучения осадок и деформаций инженерных сооружений в качестве базовой (или референтной) прямой широко используется ось натянутой струны. В качестве струны применяют стальные калиброванные проволоки. Стальные проволоки диаметром 0,5 – 1,0 мм применя11 ются для створных измерений средней точности, поскольку обладают значительной стрелкой провеса и большой амплитудой колебаний. Предпочтительными являются стальные струны диаметром 0,2 – 0,4 мм, имеющие резонансные колебания большей частоты, но меньшей амплитуды. Рис. 1.2. Струнный способ построения створа Струна натягивается посредством груза Р между точками А и В, определяющими начало и конец створа, рис. 1.2. Поскольку струна имеет некоторый провес fb, то её поднимают на высоту h, обеспечивая проекцию оси струны на исходные точки. Проектирование оси струны на монтажную поверхность осуществляется отвесами, что, безусловно, является сложной процедурой, требующей определённого опыта и сноровки. Основными источниками ошибок в этом способе являются:  колебание струны в процессе работы;  проектирование струны при помощи отвеса на грани или точки оборудования;  ошибки наблюдателя и пр. При тщательной работе в закрытых помещениях и длине створа до 100 м описанным способом можно обеспечить точность монтажа порядка 2 – 3 мм. С увеличением длины створов ошибки монтажа резко возрастают. Между тем струна, как монтажная ось обладает рядом преимуществ. На неё не влияют такие источники ошибок оптических систем, как рефракция, колебание изображения и перемена фокусировки зрительной трубы. Натянутая струна позволяет одновременно производить работы на нескольких участках створа. Дальнейшим совершенствованием способа является замена отвеса оптической системой проектирования струны на монтажную поверхность. 12 Струнно-оптический способ. Для снесения оси струны на монтажный горизонт используют специальные проектирующие приборы – это оптический центрировочный прибор (ОЦП), оптический проектирующий прибор (ОПП) и другие. Прибор ОПП, разработанный в МИИГАиК, конструктивно состоит из ломаной зрительной трубы, вращающейся вокруг вертикальной оси, оптического микрометра, установленного перед объективом трубы, подставки с контактной плоскостью, находящейся на продолжении оси вращения трубы и цилиндрического уровня с ценой деления 10ʺ. По производственным данным на длинах створов до 400 м средняя квадратическая ошибка выставления оборудования в створ при помощи струны и ОПП составляет около 0,08 – 0,1 мм. Способ плавающей струны. В связи с прогибом струны в практике створных измерений, в частности при изучении деформаций протяжённых направляющих, получил распространение способ плавающей струны. В этом способе струна поддерживается в промежуточных точках на поплавках, плавающих в металлических ванночках. На внешней стороне ванночки укреплена линейка с миллиметровыми делениями, к которой прилегает отсчётное приспособление с точностью верньера 0,1 мм. Рис. 1.3. Оборудование створа плавающей струны Ванночки заполняются жидкостью (вода, антифриз, масло) и устанавливаются так, чтобы струна не касалась их стенок. Натяжение струны осуществляется грузами Р, а поплавки обеспечивают её выравнивание, рис. 1.3. Опыт показывает, что при отсутствии ветра погрешность определения нестворности этим способом составляет 0,2 – 0,3 мм. Оптические способы створных измерений. В этих способах створ зада13 ётся линией визирования зрительных труб оптических приборов: теодолитов, алиниометров, микротелескопов и др. Алиниометр – это оптический прибор, имеющий зрительную трубу большого увеличения и точный накладной уровень. В отличие от теодолитов алиниометры не имеют горизонтального и вертикального кругов, но снабжены высокоточным оптическим микрометром для измерения небольших отклонений от створа. Микротелескопы – это высокоточные оптические приборы для контроля прямолинейности и соосности, имеющие телескопическую систему и микроскоп вместо окуляра. Оптические способы створных измерений заключаются в визировании зрительными трубами на марки, последовательно устанавливаемые на промежуточных точках створа. Искомые нестворности при этом определяются способом подвижной марки, способом измерения малых углов или способом измерения угла на контрольном пункте. В способе подвижной марки смещение створной точки определяют по неподвижной шкале путём введения визирной марки с отсчётным индексом в створ зрительной трубы оптического прибора. Для повышения точности отсчётный индекс заменяют механическим микрометром или индикатором часового типа. β А  С' С S В Рис. 1.4. Схема способа малых углов В способе малых углов искомую нестворность Δ определяют по расстоянию от вершины малого угла до створной точки и горизонтальному углу, образо ванному направлениями створа и контрольной точки (рис. 1.4).   S sin   S .  Малый угол может быть измерен теодолитом или алиниометром. При измерении малого угла теодолитом с оптическим микрометром (Т2, ОТ-02 и др.) полным приёмом средняя квадратическая погрешность измерения составит 0,5ʺ. 14 Пренебрегая погрешностями измерения расстояний средняя квадратическая погрешность определения нестворности запишется так: m  S m  . (1.1) Легко подсчитать, что при длине створа 200 м и погрешности измерения угла 0,5ʺ погрешность определения нестворности составит 0,5 мм. Из выражения следует, что погрешность вычисления нестворности возрастает с увеличением расстояния до контролируемой точки. Это вынуждает на практике длинный створ разбивать на части. Рис. 1.5. Схема измерения угла на контрольном пункте Способ измерения угла на контрольном пункте заключается в том, что теодолит Т устанавливается непосредственно на точку, нестворность которой следует определить (рис. 1.5). Измерив угол β, а также расстояния S1 и S2, вычисляют нестворность Δ по формуле S S   1 2  .  S1  S2   В этой формуле ε = 180º - β, а ρ = 206265ʺ. Погрешность нестворности вычисляется по формуле m  S1  S2 m .  S1  S2   Описанный способ створных измерений по сути есть полигонометрический ход, проложенный по контролируемым точкам и опирающийся на задающие створ пункты. Основные программы створных измерений. Повышение точности створных измерений оптическими методами ограничивается ошибками визиро15 вания и влияния внешних условий. С целью уменьшения этих ошибок, в частности боковой рефракции, створ разбивают на части, что приводит к уменьшению длины визирного луча. Преимущества измерений коротким визирным лучом (до 50 м) положены в основу большинства программ створных измерений. В простых программах нестворность каждой промежуточной точки определяется относительно одного створа, общего или частного, в прямом и обратном направлениях. В сложных программах нестворности одних и тех же точек определяются независимо от нескольких частных створов в ходе прямо и обратно. В геодезической практике наибольшее распространение получили такие программы створных измерений как программы общего створа, частей створа, последовательных створов и частных створов. Рис. 1.6. Схема последовательных створов Программа общего створа является наиболее простой схемой створных измерений, в которой нестворности всех наблюдаемых точек измеряются непосредственно от общего створа. Здесь возможны варианты. В одном варианте измерения выполняют последовательными наблюдениями всех контрольных точек с конечных пунктов створа. Во втором варианте наблюдения ведут с конечных пунктов, начинают с середины створа на себя. Программа частей створа. В этой программе весь створ разбивают на несколько частей, допустим четыре части. Вначале определяют положение средней точки С, её нестворность относительно общего створа АВ. Затем относительно новых створов АС и СВ находят частные нестворности промежуточных точек 1 и 2, расположенных соответственно посредине створов АС и СВ. Далее внутри каждой четверти створа А1, 1С и т. д. измеряют частные нестворности остальных промежуточных точек. От измеренных частных нестворностей переходят к об16 щим посредством вычислений. Программа последовательных створов. Схема последовательных створов базируется на известном в геодезии положении, что точность ориентирования линии повышается при визировании на дальние опорные пункты, а линейная величина нестворности измеряется с большей точностью на коротких расстояниях. Сущность способа заключается в следующем (рис.1.6). Частная нестворность δ1 точки 1 определяется относительно створа АВ. Для этой точки частная и общая нестворности совпадают (δ1 = Δ1). Затем прибор переносят в точку 1 и относительно частного створа 1В измеряют нестворность δ2. Общая нестворность для этой точки определится из вычислений на основе простых геометрических зависимостей в подобных треугольниках и с учётом знаков нестворностей:  2  1 S2 B  2. S1B Далее прибор устанавливают в точку 2 и относительно образовавшегося частного створа 2В измеряют частную нестворность δ3 и вычисляют общую нестворность для этой точки: 3  1 S3 B S   2 3B   3. S1B S2 B Здесь через S обозначены длины последовательных створов, а индексы обозначают начало и конец створа. Если створ АВ разделён на n + 1 частей, то по аналогии производят вычисления всех нестворностей. Обратный ход в аналогичном ключе реализуется со второй точки створа, точки В. В данной схеме средняя точка створа является наиболее слабой. Приняв точность измерения частных нестворностей одинаковой  m1  m 2  m3  можно записать формулы для расчёта средних квадратических ошибок искомых нестворностей для любой контрольной точки i [20]:  n  i  1 .  2 k 1  n  k  1 k i 2 i m 2 Расчёты показывают, что чем длиннее створ, тем эффективнее применять 17 программу последовательных створов. Однако эта схема не всегда может быть реализована по разным причинам, например из-за закрытия видимости между конечными пунктами створа. В связи с этим могут быть реализованы другие схемы и программы измерений, в частности схема частных створов и др. Более детально программы и схемы створных измерений приведены в [20, 21]. Интерференционный способ створных измерений. Способ основан на опытах Юнга для дифракции света от двух щелей. Способ применяется при высокоточных створных измерениях для установки и выверки специального оборудования. Рис. 1.7. Схема дифракционного способа. Луч света от источника (лампа накаливания, лазер) А через коллиматор проходит через узкую щель марки M 1 , и попадает на марку M 2 с двумя щелями a1 и a2 . На экране L в зоне наложения световых потоков возникает система полос, образующих интерференционную картину. При наблюдении в белом свете 18 центральная полоса картины легко определяется, так как она будет белой (максимум) или голубой (минимум). Цвет любой другой полосы изменяется от фиолетового к красному, проходя через всю гамму цветов. При перемещении марки М2 перпендикулярно к оси АВ происходит перемещение картины в плоскости экрана L. Именно эта особенность и положена в основу дифракционного спocoбa створных наблюдений. В комплект дифракционного прибора входят источник света А, однощелевая марка M 1 , двухщелевая марка M 2 , приемник света L. В установке в качестве источника света может быть использован лазер или проекционная лампа накаливания мощностью 30 - 50 Вт с коллимирующей оптической системой. Однощелевая марка выполняет две функции:  Ось щели марки является линией, фиксирующей начальное положение створа.  При использовании ламп накаливания узкая щель необходима для получения когерентного светового потока. Двухщелевая марка необходима для получения интерференционной картины разделением светового потока на два. С помощью подвижной двухщелевой марки определяется отклонение точек от створа. Приемник света служит для наблюдения интерференционной картины. Интерференционная картина формируется в плоскости сетки нитей приемника света и рассматривается глазом наблюдателя с помощью линзы с увеличением 2× - 3×. В дифракционном способе могут быт реализованы две методики измерений: подвижной спектральной марки и подвижного приёмника света. В методике подвижной спектральной марки в качестве исходных точек, задающих референтную линию, используют однощелевую марку и экран с приёмником света. Двущелевая марка устанавливается на контролируемую точку. Перемещением двущелевой марки в горизонтальной плоскости перпендикулярно створу добиваются совмещения максимума (минимума) интерференционной картины с биссектором сетки нитей приёмника света. Перемещения замеряются индикатором часового типа. В методике подвижного приёмника света исходными точками, задающими 19 референтную прямую, являются однощелевая и двущелевая марки. Выверяемые точки вводятся в створ перемещением источника света, установленного в этих точках путём введения биссектора приёмника света в центральную интерференционную полосу. По опытным данным средняя квадратическая ошибка установки точки в створ дифракционным способом составляет 20 – 30 мкм при длине створа 80 – 100 м. Для лазерного источника света при расстояниях до 400 м ошибки измерений не превышают 60 мкм. Лучевые методы створных измерений. Приборы для створных измерений с применением лазеров, визуальных и фотоэлектрических регистрирующих устройств объединены общим названием – лазерные створофиксаторы. По принципиальным схемам построения створофиксаторы могут быть разделены на следующие типы:  Лучевые створофиксаторы, использующие в качестве опорной прямой ось коллимированного светового пучка.  Дифракционные створофиксаторы, основанные на принципиальной схеме опыта Юнга. Для решения задачи контроля прямолинейности технологических линий представляют интерес лазерные створофиксаторы лучевого типа – это лазерные визиры и указатели направлений и приборы со сканированием лазерного пучка. Основной схемой построения лучевых створофиксаторов является использование лазерных источников света, отличающихся узконаправленностью, высокой когерентностью и монохроматичностью. Кроме того, луч лазера строго поляризован. Для лазеров энергия в поперечном сечении распределена достаточно симметрично относительно оси светового потока, что позволяет строить в пространстве опорные базовые линии, по отношению к которым возможно осуществлять измерения положения контролируемых точек. Регистрация положения промежуточных (контролируемых) точек может выполняться визуально при помощи простых экранов с координатной сеткой, но также могут быть использованы фотоэлектрические регистрирующие устройства. Более подробно с вопросами построения и использования лазерных створофиксаторов с фотоэлектрической регистрацией светового потока можно ознакомиться в трудах [4, 15]. 20 1.3. Координатный способ монтажа конструкций Координатный способ установки конструкций в проектное положение успешно используется при монтаже куполов и перекрытий со сложной пространственной конфигурацией. Применение способа покажем на простом примере монтажа навесных фасадных панелей сверхвысотного здания – башни «Евразия» объекта «МоскваСити». Здание в 69 этажей имеет высоту 310 метров. Навесные фасадные конструкции выполнены в виде панелей прямоугольной формы размером около 1,7 м на 4,0 м. На рисунке 1.8. приведена схема установки конструкций фасада в проектное положение по четырём точкам при помощи электронного тахеометра. В точке С геодезического обоснования с координатами Хс, Ус устанавливается прибор – электронный тахеометр. Прибор приводится в рабочее положение, т.е. центрируется и нивелируется. Далее прибор следует перевести в режим разбивочных работ в координатах. Вводятся высота прибора над точкой, координаты точки стояния и точки ориентирования. Рис. 1.8. Установка панели по четырём точкам 21 Таким образом, прибор ориентируется. В качестве ориентирной точки принимается другая, хорошо видимая точка геодезического обоснования. Дальнейшие действия заключаются в непосредственной установке конструкций в проектное положение. Последовательно вводятся координаты выносимой в натуру точки, отражатель (призма) устанавливается в соответствующей точке конструкции и перемещениями самой конструкции добиваются её выставления в проектное положение. На рис. 1.8 отдельным фрагментом показана точка в углу несущей рамы монтируемой панели, куда следует устанавливать призму. Точка находится простым делением на две равные части прямой, соединяющей две вершины уголка рамной конструкции. Из рисунка видно, что все точки, расположенные на одной вертикали от первого до последнего этажа будут иметь равные горизонтальные проекции, следовательно, и координаты Х и У будут одни и те же. Различия будут касаться только высоты. В связи с этим обстоятельством координатный способ монтажа значительно упрощается и сводится к линейным промерам расстояний от точки стояния прибора до контрольных точек монтируемых конструкций (рис. 1.9). Горизонтальные проекции расстояний от точки стояния прибора до всех точек, расположенных на одной вертикали, должны быть равны. Это обстоятельство позволяет реализовать контрольные измерения смонтированных панелей, иначе говоря, произвести исполнительную съёмку завершённых работ по монтажу конструкций. Контрольные промеры заключаются в сравнении горизонтальных проекций линейных отрезков для точек одной вертикали фасада. Способ исполнительной съёмки достаточно прост, не нуждается в исходных пунктах геодезической основы и не вызывает сомнений в реализации, но с некоторыми оговорками. Во-первых, должны быть установлены какие-либо исходные конструкции фасада по его периметру. Иначе говоря, должна быть исходная точка, относительно которой все остальные должны выставляться по одной вертикали и по одной горизонтальной проекции. Следующее обстоятельство, приводит к ограничениям в использовании метода. Речь идёт о влиянии неперпендикулярности визирной плоскости к плос22 кости монтируемой конструкции (угол α, рис. 1.10) на точность производства монтажных работ. Рис. 1.9.Схема координатного способ монтажа Визирная плоскость образуется визирной линией при вращении зрительной трубы вокруг её горизонтальной оси вращения. Если эта плоскость пересекается с плоскостью монтируемой конструкции под углом, отличным от 90°, то перемещения монтируемых конструкций в направлении, перпендикулярном плоскости фасада не будут пропорциональны изменению расстояний от точки стояния дальномера до монтируемой точки. Кроме этого, в вертикальной плоскости визирная линия образует угол γ с плоскостью монтируемой конструкции. Этот угол с ростом этажности сооружения будет уменьшаться. Только в случае α = 90°и γ = 90° связь между перемещениями монтируемой конструкцией и измеряемым расстоянием будет находиться в линейной зависимости. При любых других значениях углов обозначенная связь носит сложный тангенциальный характер. Расчёты показывают, что угол α может отличаться от 90° в пределах ± 15°, а ограничения угла γ вызваны возрастающими приборными погрешностями при увеличении угла наклона трубы. Считается, что угол γ не следует допускать меньше 45°. 23 Описанный координатный способ монтажа можно использовать в сочетании с другими способами и приёмами выставления конструкций. Исходя из конструктивных особенностей крепления панелей, реализовать их установку в проектное положение по координатам четырёх точек возможно лишь для панелей первого, исходного пояса. Панели второго пояса своим нижним торцом входят в паз уже установленной панели нижнего пояса и, следовательно, их положение в своей нижней части фиксировано и обусловлено пространственным положением уже выставленной ранее конструкции. Рис. 1.10. Геометрия рабочих плоскостей Таким образом, кроме панелей исходного нижнего пояса все остальные практически монтируются по координатам двух верхних точек панели при фиксированном положении её нижнего контура. Приведённые особенности монтажа панелей (за исключением панелей исходного пояса) определяют методику производства геодезических измерений, обеспечивающих выставление фасадных конструкций в проектное положение:  электронный тахеометр устанавливается на устойчивой поверхности в окрестностях здания так, чтобы визирная плоскость 24 образовала с плоскостью монтируемой панели угол, близкий к 90° (угол. α), а визирная ось имела бы угол наклона не более 45° (угол γ).  приведя прибор в рабочее положение, следует измерить расстояние до соответствующей точки панели исходного пояса, расположенной на одной вертикали с монтируемой. Например, если выставляется точка А3 (рис. 1.9), то измерить следует расстояние до точки А1.  приняв в качестве исходного, расстояние до точки А1, выставляют точку А3 по этому же расстоянию. При фиксированном положении нижней грани панели её плоскость обладает лишь одной степенью свободы, а именно вращательной вокруг этой грани. Иначе говоря, этим вращением следует добиться вертикальности монтируемой панели: вертикальность монтируемой панели с очень высокой точностью достигается электронными строительными уровнями, которые могут быть приложены к плоскости монтируемой панели, как со стороны фасада, так и с внутренней стороны здания. Детально рассмотренные выше схемы геодезических измерений с целью обеспечения монтажа фасадных конструкций здания «Евразия» позволяют обобщить и выделить три последовательных этапа в процессе сборки и наладки панелей: 1. На первом этапе в проектное положение устанавливаются панели нижнего исходного пояса. Геодезические работы на данном этапе заключаются в разбивках планово-высотного положения кронштейнов на монтажных горизонтах и выставлении панелей по координатам её четырёх контурных точек. Разбивочные и наладочные работы производятся электронным тахеометром с пунктов внешней разбивочной сети здания. Исходными данными в этом комплексе работ являются координаты пунктов внешней разбивочной сети здания, координаты мест крепления кронштейнов и координаты контурных точек панелей. Работы первого этапа являются наиболее ответственными и закладывают основу для дальнейших работ по выставлению фасадных конструкций в проектное положение. По завершении монтажа панелей исходного пояса, равно как панелей любого другого монтажного горизонта следует произвести исполнитель25 ную съёмку планово-высотного положения смонтированных конструкций. По результатам исполнительной съёмки и контрольных замеров производится приёмка смонтированных конструкций. Монтаж фасадных конструкций высших горизонтов возможен лишь после приёмки и утверждения результатов монтажа панелей данного пояса. Это положение принципиально, поскольку панели нижнего пояса связаны с панелями высших горизонтов и являются основанием и основой их монтажа. Следовательно, любая коррекция планово-высотного положения нижней панели приведёт к лавинообразному рассогласованию выше расположенных конструкций. 2. На втором этапе выполняется установка в проектное положение панелей второго пояса и далее последовательно высших монтажных горизонтов. Монтаж каждого следующего пояса производится после приёмки и утверждения результатов монтажа нижнего пояса фасадных конструкций. Геодезические работы на данном этапе включают разбивку мест крепления кронштейнов и выверку монтируемой панели. Работы выполняются электронным тахеометром и строительным уровнем. Места крепления кронштейнов разбиваются тахеометром с пунктов внешней разбивочной сети здания. Исходными данными разбивки являются координаты мест крепления кронштейнов и координаты пунктов внешней разбивочной сети. Работы выполняются в режиме координатной разбивки. Установка панели в проектное положение выполняется по двум верхним контрольным точкам. Нижний торец монтируемой панели крепится в пазе панели нижнего пояса, их равнозначное планово-высотное положение обеспечивается технологически. Панель выставляется по расстоянию, замеренному тахеометром до соответствующей точки панели исходного пояса. Во избежание ошибок контролировать установку панели следует накладным строительным уровнем. Описанная технологическая схема имеет ограничения. Угол, образованный визирной плоскостью зрительной трубы тахеометра и плоскостью панели должен быть близок к 90°± 15°. Угол наклона визирной оси не должен быть более 45° (угол γ). Ограничения по углу γ приводят к тому, что разбивочные работы по технологии второго этапа могут проводиться приблизительно до 45 монтажного горизонта (около 200 м по высоте) при отстоянии тахеометра от здания также 200 26 м. Дальнейшие разбивочные работы следует выполнять по ниже приведённой методике. 3. На третьем этапе разбивочные работы следует производить электронным тахеометром непосредственно с монтажного горизонта по схеме «свободной станции». Для реализации этой схемы необходимо в окрестностях возводимого здания на соседних высотных строениях иметь ряд знаков, выполненных из светоотражательной плёнки – это, известные марки катафоты. Марки крепятся на соседних строениях на значительной высоте так, чтобы они были видны с монтажных горизонтов возводимого здания. Координаты центров марок определяются с пунктов внешней разбивочной сети полярным способом, боковыми или прямыми засечками. Для выполнения разбивочных работ на данном монтажном горизонте электронный тахеометр устанавливается на перекрытии данного горизонта в удобном месте и способом обратной засечки определяются координаты точки стояния. Далее тахеометр переводится в режим разбивочных работ и по координатам выносимых в натуру точек производят их разбивку. Панели выставляются по координатам её двух верхних точек также как и при разбивке с земли, но эти точки берутся с внутренней стороны здания. Выполним оценку точности описанного способа монтажа конструкций. Из рисунка 1.9, принимая во внимание последовательность технологических операций по выставлению фасадных конструкций в проектное положение, можно в первом приближении наметить возможные источники ошибок, сопутствующих этим операциям. 1. Основой координатного способа является внешняя разбивочная сеть здания, которая, безусловно, не может не иметь собственных погрешностей построения. В соответствии с СНиП 3.01.03-84, внешняя разбивочная сеть строительной площадки рассматриваемого комплекса должна была быть построена с точностью линейных элементов сети 1:25000 и угловых построений со средней квадратической ошибкой 3″. Хотя для установления реальной точности внешней разбивочной сети необходимы специальные контрольные измерения. Возьмём приведённые значения ошибок в качестве отправных при обозначении так называемых ошибок исходных данных, которые проявятся в координатах точки стояния и координатах точки ориентирования. Иначе говоря, речь 27 идёт об ошибке взаимного положения двух исходных пунктов геодезической разбивочной основы, которая определится величиной абсолютной ошибки в расстоянии между пунктами и ошибкой дирекционного угла образованного ими направления. Таким образом, для расстояния между пунктами в 100 м будем иметь mS = 4 мм, mβ ρ S = 1,5 мм. Суммарное влияние ошибок исходных данных составит 4,3 мм. 2. Центрирование прибора при помощи оптических центрировочных приспособлений приведёт к ошибке центрирования mц, которая оценивается величиной 0,5 мм. 3. Процесс выставления конструкции при помощи электронного тахеометра сводится к измерению координат центра призмы тахеометром и вычислению разности координат проектной точки и действительной точки установки призмы. Координаты центра призмы вычисляются тахеометром по координатам точки стояния и результатам измерения полярного угла от ориентирного направления, а также полярного расстояния. По двум последним измеренным величинам вычисляются приращения координат. Следовательно, погрешности измерения этих величин прямо отразятся на результатах выставления конструкции. Относительно ошибки измерения горизонтального угла следует сказать следующее. В технических характеристиках многих современных электронных тахеометров указаны средние квадратические ошибки измерения угла одним приёмом. Так для тахеометра SRX1 эта величина равна 1″. Однако в процессе установки конструкций по координатам горизонтальные углы не измеряются, а строятся, тем более не одним приёмом (один приём измерения горизонтального угла предполагает его измерение при двух положения трубы прибора – КЛ и КП), а полуприёмом. В условиях строительной площадки построение углов на коротких расстояниях следует оценивать ошибками, превышающими заводские показатели приборов в 3 – 5 раз. Для выполнения примерных расчётов примем среднюю квадратическую ошибку построения горизонтальных углов для расстояний в 300 м, равной mβ = 5″. Горизонтальные проекции измеренных светодальномером тахеометра расстояний вычисляются по данным датчика угла наклона зрительной трубы. Угол 28 наклона трубы может отсчитываться как от горизонта (углы наклона), так и от вертикали (зенитные расстояния). В любом случае горизонтальные проекции дальномерных расстояний D вычисляются по формуле, в которой присутствуют дальность S и угол наклона ν: (1.2) D  S  cos ν . Выполнив дифференцирование этой формулы по переменным и, перейдя к средним квадратическим ошибкам, получим sin 2 ν  m2 ν , m  m cos ν  S ρ2 2 D 2 S 2 2 (1.3) где ρ = 206265″, число секунд в радиане. Расстояния для расчётов примем равным S = 300 м, угол наклона ν примем равным 45°, что считается предельно возможным углом наклона, с точки зрения удобств производства измерений на высокие объекты, и влияния ошибок наклона оси вращения прибора. Ошибку датчика компенсации угла наклона вертикальной оси прибора примем равной mν =±5″. Относительно ошибки измерения расстояния тахеометром mS следует сказать, что эта ошибка состоит из двух частей: постоянной составляющей и переменной части, зависящей от длины измеряемого расстояния. Для тахеометра SRX1 эта ошибка равна ±(2 мм + 2×10-6 ×S). Для расстояний в 300 м она выразится величиной mS = ±2,6 мм. Подставив рассмотренные величины в (1.3), получим mD=±5,6 мм. В вычислении координат центра призмы помимо горизонтальной проекции измеренного расстояния участвует полярный угол β, посредством которого вычисляется дирекционный угол направления на проектную точку. Средняя квадратическая ошибка положения точки, вынесенной способом полярных координат, определится из известной формулы 2 пол m S2 m m 2 . ρ 2 D 2 β (1.4) Подставив рассмотренные ранее значения в эту формулу, получим mпол = ±9,4 мм. Чтобы получить полную картину результирующей ошибки монтажа фасадных конструкций координатным способом из-за ошибок геодезических построений следует сложить квадраты всех, выше обозначенных источников оши29 бок, а именно mпол, mц,, и mисх. и результат вынести из под корня. В результате получим mгео = ±10,3 мм. Таким образом, нами получена результирующая средняя квадратическая ошибка монтажа фасадных конструкций на расстоянии 300 м из-за влияния ошибок геодезических построений. В расчётах не приняты во внимание ошибки, вызванные влиянием внешней среды и носящие случайный характер. Это, во-первых, деформации несущих и монтируемых конструкций здания, вызванные изменениями температуры, случайным распределением розы ветров, а также остаточными деформациями зажатых конструкций механического характера. Расчёты выполнены для расстояний в 300 м. Это относится как к расстояниям от монтируемых конструкций до прибора, так и к расстояниям между исходными пунктами геодезического обоснования. Расстояния между пунктами геодезического обоснования необходимы для расчётов влияния ошибок исходных данных. Однако ошибки исходных данных могут быть сведены до минимума или вообще могут не приниматься во внимание, если принять соответствующие меры. Так, если выполнять установку конструкций какой-либо грани фасада, выполняя измерения с одной точки и ориентируясь на одну и ту же точку геодезической сети, то ошибки исходных данных приведут к тому, что все конструкции грани будут ошибочно смещены на одну и ту же величину (допустим 5 мм по какому то постоянному дирекционному углу), что не представляется существенным. Что касается расстояний от прибора до монтируемых конструкций, то с их увеличением ошибки геодезических построений будут только увеличиваться. Принятое в расчётах наклонное расстояние в 300 м взято из предположений, что прибор расположен на расстоянии около 200 м от здания, а монтируемая конструкция расположена на высоте около 210 м, т.е. на 45 этаже. Угол наклона трубы тахеометра в этом случае составит около 45°. С ростом высоты здания будет возрастать угол наклона зрительной трубы, возрастёт парусность башни, возрастут собственные колебания башни, т.е. будут усложняться условия наблюдений, и что самое главное, возрастёт влияние приборных ошибок. Это ошибки, вызванные неперпендикулярностью оси вращения трубы к оси вращения прибора, а также ошибки из-за угла наклона вертикальной 30 оси вращения прибора. Из-за увеличения угла наклона трубы, с увеличением этажности, возникнет необходимость увеличения расстояния от прибора до здания, что приведёт к увеличению ошибок разбивки. Принимая во внимание обстановку вокруг строящегося здания, может наступить момент когда от координатного способа монтажа конструкций фасада проще будет отказаться. Для комбинированного способа разбивки результирующая средняя квадратическая ошибка установки конструкций в проектное положение из-за ошибок геодезических построений составит mгео = 5,6 мм для случая, когда α = 90°и γ = 90°. Однако, как было указано ранее, расчёты выполнены для средней квадратической ошибки, доверительная вероятность которой 0,67. Для большей надёжности расчётов следует пользоваться доверительной вероятностью 0,95. Такую вероятность имеет предельная ошибка. Итак, предельная ошибка геодезических построений при монтаже фасадных конструкций комбинированным способом составит δгео = 11,2 мм. Это и есть та величина, в пределах которой следует ожидать разброс значительной массы геодезических контрольных измерений. Поле разброса ошибки составит 22 мм. При выставлении панелей по координатам углов несущей рамы геодезические построения с применением электронного тахеометра будут сопровождаться средними квадратическими ошибками порядка 10 мм, или предельной ошибкой 20 мм. Следует подчеркнуть, что речь идёт о случайных ошибках измерений или построений, которые подчиняются нормальному закону распределения. Грубые ошибки или промахи при этом в расчёт не принимаются, хотя их появление имеет определённую долю вероятности. 31 1.4. Высотная установка конструкций При высотной установке и выверке конструкций и оборудования применяют, в основном, три метода нивелирования: геометрическое, микронивелирование и гидростатическое нивелирование. Геометрическое нивелирование, как наиболее оперативный способ, является наиболее распространенным, обеспечивающим требуемую точность практически для любого вида строительства. При высотной установке конструкций в настоящее время больше применяют оптические нивелиры с компенсаторами, т.е. с самоустанавливающейся линией визирования. Зрительные трубы имеют, в основном, прямое изображение. Увеличение зрительных труб высокоточных оптических нивелиров может составлять около 40х, для технических 20÷30х. Практически все фирмы производящие приборы для геодезии представлены на рынке нивелиров. Завод УОМЗ производит нивелиры 4Н2КЛ, 3Н3КЛ, 3Н5Л, фирма SETL выпускает приборы DSZ3, AT-20D, AT24D, японская фирма SOKKIA торгует приборами В1, В20, В21, С300, С310, С320 и т.п. Декларируемая точность приборов, которая характеризуется средней квадратической погрешностью измерения превышения на 1 км двойного хода, может составить 0,2 мм (нивелир PL1 фирмы Sokkia). Точность технических нивелиров колеблется в пределах 2-4 мм. Для них используют шашечные раздвижные 3-5 м рейки из легких дюралевых сплавов. Все большее распространение приобретают цифровые нивелиры. Это современные многофункциональные приборы, совмещающие функции высокоточного оптического нивелира, электронного запоминающего устройства и встроенного программного обеспечения для обработки полученных измерений. В комплект нивелира входят штрих-кодовые рейки, зарядное устройство, карта памяти и юстировочные инструменты. Прибор DINI 12 фирмы Trimble обеспечивает погрешность измерений 0,3 мм на 1 км двойного хода с инварной рейкой и 1,0 мм с шашечной. Нивелир имеет горизонтальный лимб, а внутреннее программное обеспечение позволяет с проложением хода выполнить его уравнивание, работать в режиме тахеометра и выполнять вынос в натуру проектных отметок. Успешно используются для производства разбивочных и монтажных работ так называемые лазерные нивелиры или построители плоскостей. Их отличи32 тельной особенностью является возможность увидеть построенную рабочую поверхность. С их помощью можно задать горизонтальную, вертикальную или наклонную плоскость. Лазерные нивелиры также используются для контроля установки в проектное положение технологического оборудования, для разметки и задания направлений, монтаже стен, колонн и подвесных потолков, выравнивания полов и укладки плитки и т.п. Фирмы изготовители таких приборов те же. Основные технические характеристики, например лазерного нивелира Trimble Spectra Precision 1242, таковы:  диапазон работы компенсатора 11´;  питание осуществляется от 4-х никель-кадмиевых батарей с ресурсом 40 часов;  точность на 30 м ± 1,6 мм, а на 1 км двойного хода ±1,7 мм;  радиус работы 400 м. На рис. 1.11 приведена схема выверки опалубки под монолитное перекрытие. Рис. 1.11. Высотная выверка опалубки перекрытия Нивелир устанавливают так, чтобы было видно по возможности больше стоек домкратов, поддерживающих опалубку. Зная высоту репера на монтажном горизонте, находят горизонт прибора, а, зная проектную высоту нижней поверхности перекрытия (т.е. верха фанеры опалубки), и толщину бруса, досок и фане33 ры, находят необходимый отсчет по рейке. Приложив нивелирную рейку вертикально к балке, как это показано на рисунке, и вращая соответствующий домкрат, добиваются вычисленного отсчета по рейке. Вместо нивелира на известную высоту может быть установлен лазерный построитель плоскости. Рабочие при этом, самостоятельно смогут выполнить выверку опалубки по высоте, перенося рейку с отмеченным отсчетом от стойки к стойке. Микронивелирование. Микронивелирование применяется для высотной выверки оборудования, строительных конструкций, направляющих и т. д., т. е. там, где решается задача определения горизонтальности поверхностей. Рис. 1.12. Микронивелир Микронивелир (рис. 1.12) представляет собой прибор, состоящий из жесткого основания 6, вдоль которого установлен цилиндрический уровень 1 с ценой деления 5", и имеет по краям две опоры: подвижную 2 и неподвижную 3, расстояние между которыми называется шагом или базой микронивелира. Подвижная опора 2 жестко связана с индикатором часового типа 4, который позволяет определить превышение непосредственно в миллиметрах. Прежде чем приступить к работе с микронивелиром, необходимо на выверяемой поверхности разметить места постановки опор микронивелира, откладывая и фиксируя расстояния, равные базе микронивелира. Фиксированные точки отмечают кружками диаметром 6-8 мм. При работе опоры микронивелира ставят в центр размеченных кружков. 34 Производство наблюдений начинают с установки подвижной опоры на точку 1 (рис.1.13). Подъемным винтом 5 приводят пузырек уровня в нуль-пункт и берут отсчет по индикатору, что будет соответствовать заднему отсчёту “З”. Затем переставляют нивелир на 180°, снова приводят пузырек уровня в нуль-пункт и берут второй отсчет по индикатору “П”. Рис. 1.13. Нивелирный ход П З (1.4) 2 Одновременно с определением превышения на каждой станции опредеh ляют место нуля прибора. Место нуля – это отчет по индикатору, при котором ось уровня параллельна линии, соединяющей опоры микронивелира, и его значение может быть вычислено по формуле: ЗП 2 Тогда (1.4) с учетом (1.5) можно записать следующим образом: МО  h  МО  З (1.5) (1.6) Место нуля прибора должно быть постоянным, непостоянство МО может колебаться в пределах  0,05 мм. Если же колебание МО превышает указанное значение, то это является свидетельством того, что прибор необходимо отъюстировать, либо устранить неровности на нивелируемой поверхности. Гидростатическое нивелирование основано на свойстве жидкости в сообщающихся сосудах перераспределятся до тех пор, пока не наступит гидростатическое равновесие. Наипростейший гидростатический нивелир представляет собой 35 два сосуда, соединенных шлангом. Залитая в систему жидкость (например, вода) устанавливается на одном горизонтальном уровне, от которого и выполняются высотные измерения. В одну сообщающуюся систему можно объединить много датчиков гидронивелиров, а процесс измерения уровней жидкости легко поддается автоматизации. Автоматизированные системы гидростатического нивелирования особенно эффективны при мониторинге (постоянном наблюдении) за осадками и деформациями объектов или механизмов, вблизи которых находиться человеку не желательно, например, по причине наличия радиации. В настоящее время гидростатическое нивелирование применяется при выверках по высоте технологического оборудования при наблюдении за осадками инженерных сооружений. Оно успешно применяется в стесненных условиях закрытых помещений, где геометрическое нивелирование применить трудно или невозможно. Метод гидростатического нивелирования основан на системе сообщающихся сосудов. В такой системе мениск жидкости устанавливается на одной уровенной поверхности. Это дает возможность использовать ее в качестве отсчетной поверхности при определении превышений. Рис. 1.14. Гидростатическая система На практике используют переносные и стационарные гидростатические системы. Первая предназначена для производства выверок, вторая для наблюдений за осадками инженерных сооружений. 36 Переносная гидростатическая система Фрайберга (рис. 1.14) состоит из двух сосудов - пьезометров 1, соединенных шлангом 2. В процессе работ пьезометры навешиваются на специальные стенные реперы и фиксируются ручкой 3 и скобой 4. Вертикальность пьезометра обеспечивается регулировочными винтами 5 и круглым уровнем 6. Измерение превышения осуществляется с помощью винтового микрометра, вращением штурвала 7 до момента соприкосновения острия измерительного штока 8 с мениском жидкости 11. Снятие отсчетов производится в окошке 9 (целые мм) и 10 (сотые доли мм). Для включения системы при ее переносе служит кран 12. Для исключения влияния разности давлений гидростатическая система может быть герметизирована, для этого штуцеры 13 должны быть соединены воздушным шлангом. Порядок производства наблюдений. Гидростатический прибор не требует каких-либо предварительных поверок. Работоспособность прибора проверяется изменением высоты одного из пьезометров, при этом изменится уровень жидкости в обоих сосудах. Пьезометры подвешиваются на стенные реперы и контролируется их вертикальность по круглому уровню 6. Начинают наблюдения с открытия обоих кранов 12.После этого необходимо выждать 1,5-2 мин, чтобы вода в системе пришла в равновесие. Процесс измерений заключается в одновременном опускании штоков до момента контакта с мениском жидкости в обоих пьезометрах. Как уже говорилось, достигается это вращением в соответствующую сторону штурвала 7, делается это под команду одного из наблюдателей. Шток пьезометра опускают до момента контакта с мениском жидкости, но не наоборот. При приближении острия штока к поверхности воды вращение штурвала должно быть медленным. Благодаря хорошему смачиванию металла водой момент контакта штока легко обнаруживается по резкому поднятию мениска. Это является гарантией малой величины ошибки контакта (менее 2 мкм). Расхождение в моментах контакта в одном и другом пьезометрах не должно превышать 5 с. Выполнив контактирование, наблюдатели берут отсчеты по шкалам обоих пьезометров и записывают результаты в журнал. После этого штоки приподнимают над менисками и, вновь опуская их, производят новое контактирование. 37 Таких контактов делается не менее трех. Если расхождения между результатами этих трех измерений оказываются в допустимых пределах, то наблюдатели закрывают краны 12 системы, откидывают скобы 4 и, освободив ручки 3, снимают пьезометры с реперов и меняют их местами. После подвешивания пьезометров открывают краны системы, контролируют правильность подвески по уровню 6 и, выждав положенные 2 минуты, процесс измерений повторяют. Закончив наблюдения на первой паре реперов, наблюдатель снимает свой пьезометр и вешает его на следующий по ходу репер, передний наблюдатель вместе со своим пьезометром остается на месте. В такой последовательности измерения ведутся по всему намеченному ходу. В процессе измерений необходимо аккуратно обращаться с пьезометрами, особенно при их перевешивании, следить за состоянием шланга, не допускать, чтобы он раскачивался в момент контактирования, был сильно перекручен и образовывал мелкие петли, на шланг не следует наступать, класть на батареи отопления. Желательно, чтобы превышение между мениском жидкости в пьезометрах и шлангом было минимальным. Это уменьшает влияние разницы температур в шланге на точность нивелиров. Превышение на станции вычисляют с учетом того, что нули шкал в пьезометрах располагаются сверху, по формуле: h  П З, (1.7) где П и З- соответственно отсчеты по переднему (по ходу) и заднему пьезометрам. О контроле качества наблюдений судят по результатам измерений. Максимальные расхождения между тремя превышениями не должны превышать 0,07 мм. Места нуля прибора контролируется по формуле. МО  d1  d 2  ( П  З ) ср.1  ( П  З ) ср.2 2 , (1.8) где d1 и d 2 - расстояния от нулей шкал пьезометров до точек их подвеса на реперах. Колебания в значениях МО не должны превышать 0,15 мм. При аккуратном исполнении наблюдений невязка в сумме превышений по полигону обычно не превышает f h  0,4 мм. 38 1.5. Выверка конструкций по вертикали В строительно-монтажном производстве и при наблюдениях за деформациями сооружений и оборудования выверка вертикальности конструкций является наиболее распространённым процессом. Выверка конструкций по вертикали производится приборами и приспособлениями, задающими вертикаль или вертикальную плоскость. Основными методами выверки являются: метод механической вертикали (струнный отвес, монтажная линейка с накладным уровнем или оптическим квадрантом, рейка-уровень, рейка-отвес), метод оптической вертикали (зенит приборы, надир приборы, теодолит, оптический центрир), метод вертикальной референтной плоскости (коллимационной плоскости теодолита, лазерного планосканера и др.). При выверке вертикальности струну отвеса укрепляют при помощи кронштейна в верхней части конструкции, а внизу к струне прикрепляют груз, погружаемый в демпфирующую жидкость (трансформаторное и автомобильное масло). Выверка заключается в перемещении конструкции и в совмещении её монтажной оси с проекцией струны отвеса. Измерения отклонений конструкций от вертикали осуществляется, как правило, при помощи нутромера. Приборы вертикального проектирования. При возведении высотных зданий и сооружений повышенной этажности, а также в условиях стесненной строительной площадки перенесение осей или точек внутренней разбивочной сети (базисных фигур) на высшие монтажные горизонты производят методом вертикального проектирования. Для этих целей в перекрытиях верхних монтажных горизонтов над переносимыми точками следует заблаговременно предусмотреть сквозные отверстия размером около 200×200 мм. Перенесение осуществляется специальными приборами, которые называются приборами вертикального проектирования (ПВП). Они могут быть лазерными и оптическими (рис. 1.15) Если прибором производится вертикальное проектирование плановой точки с нижнего горизонта на верхний, то такой прибор иногда называют зенитприбор. При обратном проектировании прибор называется надир-прибор. Некоторые приборы несут в себе обе функции. 39 Процесс перенесения точки по вертикали на верхние монтажные горизонты при помощи зенит прибора прост. Прибор центрируется над точкой, которую следует спроектировать, приводится в рабочее положение. На нужном монтажном горизонте над технологическим отверстием устанавливается палетка на прозрачной основе. На палетке нанесена сетка прямоугольных координат. Процесс перенесения точки заключается в определении координат центра проекции визирной оси зенит прибора на палетке. Эту точку отмечают на палетке, и над ней уже центрируется нужный геодезический прибор – теодолит или тахеометр. Рис. 1.15. Оптический прибор вертикального проектирования FG-L100 Таблица 1.1. Технические характеристики FG-L100 Увеличение зрительной трубы Диаметр объектива, мм Угол поля зрения, ° Диапазон работы компенсатора, ' Средняя ошибка установки компенсатора, " Время установки компенсатора, с Цена деления цилиндрического уровня, " Предел фокусирования оптического центрира, м Точность центрирования на высоту 1,5 м, мм Высота прибора, мм Вес прибора, кг 40 31,5 40 1,3 ±10 ±0,15 <1 30 0,5 0,5 295 3,7 Для уменьшения влияния ошибок компенсатора, иначе говоря, ошибок, возникающих из-за невертикальности визирной оси, каждую из координат на палетке фиксируют дважды через 180º. Для уменьшения влияния ошибок центрирования, вызванных несовпадением визирной оси и оси вращения прибора, проекцию визирной оси отмечают на палетке при трех положениях подставки на штативе через каждые 120°. В табл. 1.1 приведены технические характеристики оптического прибора вертикального проектирования: FG-L100. Оптический прибор вертикального проектирования FG-L100 является аналогом известного PZL-100, который выпускался в прошлом фирмой Carl Zeiss Jena. Прибор FG-L100 предназначен для передачи планового положения точки стояния прибора в зенит (вертикально вверх) с погрешностью не более ±1 мм на 100 м высоты. Прибор имеет надежный компенсатор с воздушным демпфером. Рис. 1.16. Прибор вертикального проектирования DZJ2 Есть и другие приборы вертикального проектирования, например DZJ2 – оптический прибор вертикального проектирования с лазерным маркером. Этот прибор позволяет передавать плановое положение точки в направление зенит с точностью 2,5 мм на 100 метров (рис. 9.16). Лазерные приборы вертикального проектирования выпускаются многими фирмами, производящими геодезическую аппаратуру. В качестве излучателей в этих приборах используется полупроводниковый лазер, генерирующий излучение в видимой, красной (синей) области спектра. Центрирование прибора над точкой производится встроенными лазерными центрирами на высоте до 5 м. 41 Устройства, обеспечивающие вертикальность луча это компенсаторы, часто комбинированные, например, воздушно-магнитные. Лазерные приборы вертикального проектирования пользуются достаточно большим спросом в Европе и в России. Они с успехом используются для проектирования точек вертикально вверх (вниз), при монтаже строительных конструкций, для контроля вертикальности опалубки в монолитном домостроении и в других работах. Наиболее часто установку и выверку осей конструкций по вертикали выполняют при помощи теодолита способом наклонного визирования. В качестве примера на рис. 1.17 приведена схема выверки колонны наклонным визированием при помощи теодолитов. При этом теодолит устанавливается на расстоянии не менее высоты конструкции над знаком, закрепляющим ось, или параллельно смещенную ей линию, которую переносят вверх наклонным визированием. Рис. 1.17. Схема выверки вертикальности колонны Погрешность построения вертикали наклонным визированием зависит от погрешности наклона оси вращения прибора, ошибки визирования и ошибок разметки конструкции. В приборном отношении ошибки выверки зависят от чувствительности уровня при горизонтальном круге и увеличения зрительной трубы теодолита. Таким образом, погрешность построения вертикали теодолитом: 42 mп  mн2  mГ2  m2l  mвн2 , (1.9) где ошибка наклона оси вращения теодолита (ошибка горизонтирования прибора) mн  0,5  h, а ошибка визирования mв  20 2s ; v mвн - ошибка влияния внешних условий; τ – цена деления уровня; h - высота конструкции; v – увеличение зри тельной трубы; s – расстояние от теодолита до верхней точки конструкции. Если нижняя осевая точка А (рис.9.18) и верхняя выверяемая точка О находятся на разных вертикалях, например первая на срезе цоколя фундамента, а вторая на продольной оси конструкции, то отклонение теодолита от створа этих точек Δц вызовет ошибку установки точки О на величину Δl: l   l s . ц Рис.1.18. Ошибка нестворности установки теодолита В этом выражении l – проекция отрезка ОА на горизонтальную плоскость. Выразив смещения через средние квадратические ошибки получим l ml  mц . s Если в выверяемой конструкции верхняя и нижняя осевые точки лежат на одной отвесной линии (l = 0), то нестворная установка теодолита не влияет на построение вертикальной плоскости. Для теодолита Т2 (τ = 20ʺ, v = 30Х), при h = s = 50 м и благоприятных условиях получим mн = 2,5 мм. 43 1.6. Контроль геометрических параметров сооружений и исполнительные съёмки Процесс возведения и монтажа конструкций и оборудования независимо от способа строительства и вида оборудования сопровождается контрольными геодезическими измерениями. Контрольные измерения выполняют с целью определения действительного планового и высотного положения конструкций, а также их положения относительно вертикали. Геодезической основой при производстве контрольных измерений являются знаки внешней и внутренней разбивочных сетей здания или сооружения. Выполняя геодезический контроль планового положения элементов и конструкций сооружения, проверяют фактическое расположение поперечных осей или граней конструкций относительно разбивочных осей или линий им параллельных. При высотном контроле проверяют положение опорных плоскостей конструкций по высоте. Вертикальность конструкций контролируется относительно вертикальной плоскости. Исходной документацией для выполнения контрольных измерений являются с одной стороны схемы размещения знаков геодезической разбивочной основы на строительной площадке и монтажных горизонтах, планы ориентиров и схемы привязок. С другой стороны – рабочие чертежи конструктивных элементов с их привязкой к координатным осям. Действительное положение элементов конструкций в плане, по высоте, их вертикальность, соосность, горизонтальность, уклон, совмещение плоскостей, положение закладных элементов, отверстий и пр. определяются непосредственными измерениями расстояний между осями, установочными или монтажными рисками, гранями монтируемых деталей, применяя эталонированные мерные приборы. Средняя квадратическая погрешность измерений m и допустимое (предельное) отклонение контролируемого параметра δ находятся в следующей зависимости m  0,2δ . (1.10) При этом цена наименьшего деления шкалы или отсчетного устройства средства измерений должна быть не более 0,1 от допуска контролируемого параметра [4, 12]. 44 Контроль точности производства земляных работ при рытье котлованов, устройстве корыт под полотно дорог, траншей, насыпей, при вертикальной планировке территорий осуществляется как в плане, так и по высоте. Высотный контроль производят геометрическим или тригонометрическим нивелированием, а плановый различными способами контурной съемки. При наличии электронного тахеометра контроль производства земляных работ проще выполнить тахеометрической съемкой. Контроль планового положения фундаментов осуществляется измерением расстояний между их осями, между осями закладных деталей и анкерными болтами. Вынеся разбивочные оси на поверхность фундамента, замеряют от них реальные размеры и габариты фундамента, находят допущенные отклонения от проекта. Геометрическим или тригонометрическим нивелированием определяют высоты характерных точек поверхности фундамента. Плановое положение несущих элементов конструкций (колонн, стен, пилонов) в нижнем сечении определяют линейными промерами от разбивочных осей или линий им параллельных. Кроме того, измеряют отклонение плоскостей несущих конструкций от вертикали. Линейные промеры обычно выполняются рулетками, а вертикальность контролируется или 2-х метровой рейкой с уровнем, или таких же размеров рейкой-отвесом. Вертикальность значительных по протяженности несущих элементов небольшой высоты (до 3 метров) удобно контролировать боковым нивелированием при помощи теодолита и шашечной рейки. При возведении зданий и сооружений методами монолитного строительства плановое и высотное положение опалубки контролируется перед бетонированием. В отличие от сборного строительства при возведении монолитных зданий качество строительных элементов находится в прямой зависимости, как от качества инвентарной опалубки, так и от точности ее установки. Опалубка может быть установлена с некоторым плановым сдвигом, она может претерпеть эффекты кручения, может быть нарушена ее вертикальность. Более всего пространственное положение опалубки нарушается в процессе бетонирования: она не только деформируется, но может быть просто смещена по причине недостаточно жесткого крепления. В связи с этим контроль пространственного положения опа45 лубки выполняется особенно тщательно и не выборочно, а по каждой подготовленной к бетонированию конструкции. Лифтовые шахты в процессе строительства контролируют измерением внутренних размеров ствола и определением вертикальности его поверхностей. Плановое положение шахты определяют промерами от разбивочных осей, размеры диагоналей контролируют стальной рулеткой, а вертикальность внутренних поверхностей шахты может быть проконтролирована при помощи отвесов, оптических центриров или лазерных приборов вертикального проектирования. Высотное положение конструкций монтажного горизонта контролируют геометрическим нивелированием от рабочих реперов. Завершение каждого вида строительных и монтажных работ, как сказано ранее, сопровождается производством геодезической исполнительной съемки. Целью геодезической исполнительной съемки является определение фактического планового и высотного положения изготовленных или смонтированных элементов и конструкций строящегося сооружения или всего объекта в целом. Плановая исполнительная съемка выполняется с пунктов плановой внешней или внутренней разбивочной сети сооружения, с пунктов закрепления разбивочных осей или их параллелей способами прямоугольных координат, створных и линейных засечек, бокового нивелирования или полярным способом при помощи электронного тахеометра. Высотная исполнительная съемка завершенных строительных элементов выполняется геометрическим нивелированием от знаков высотного рабочего обоснования, но может также выполняться тригонометрическим нивелированием при наличии электронного тахеометра. Положение возведенных конструкций по вертикали определяется с помощью механических или электронных отвесов и реек с уровнем. При значительных высотах конструкций (более 5 м) используют теодолит. Геодезическая исполнительная съемка уложенных подземных коммуникаций производится до засыпки траншей грунтом. При этом определяется фактическое плановое и высотное положение смотровых колодцев, точек поворота и перепада уклонов трассы. Съемку подземных коммуникаций проще выполнять электронным тахеометром в координатном режиме с пунктов разбивочной основы. 46 При исполнительной съемке земляных сооружений в плане определяют контуры бровки котлованов, траншей, границы планировочных оформляющих плоскостей. Верхняя и нижняя бровки снимаются при глубине выемок или высоте насыпей свыше 3 м. Съемке по высоте подлежат контуры котлованов, перепады отметок оснований и т.п. Пример графического оформления результатов съемки котлована приведен ранее на рис. 8.1. Рис. 1.19. Исполнительная съёмка свайного поля Исполнительную съемку свайного поля при небольших глубинах котлованов можно выполнить электронным тахеометром с борта котлована, с пунктов внешней разбивочной сети здания. При значительных глубинах тахеометр устанавливают на дне котлована, а координаты точки стояния определяют обратной засечкой по маркам катафотам, которые заблаговременно располагают на бортах котлована, на подпорных стенах и обделке шпунта. Съемку производят полярным способом. Отклонение свай от их проектного положения определяют с точностью до сантиметра. При однорядном расположении свай съемке подлежат все сваи. При двух- и трехрядном расположении свай съемке подлежат сваи в начале и конце ряда относительно продольных и поперечных осей, а другие относительно продольных осей. При сплошном свайном поле съемке подлежат крайние и угловые сваи. Крайние относительно контура массива, а угловые относительно про47 дольных и поперечных осей. Фрагмент исполнительной съемки свайного поля приведен на рис. 1.19. Для исполнительной съемки фундаментов сначала на их поверхность выносят разбивочные оси, а затем линейными промерами (рулеткой) определяют габариты и отклонение граней фундаментов от проекта. Поверхность фундамента нивелируется геометрическим или тригонометрическим нивелированием. Образец схемы исполнительной съемки фундаментов был приведен ранее на рис. 3.3 «Курс лекций. Часть 2». На исполнительных схемах показывают отклонения от проектных высот, как верха перекрытия, так и низа на всех уровнях и монтажных горизонтах. Нивелирование проще производить геометрическим способом, устанавливая рейку на пересечениях осей (на глаз) и в середине. При исполнительной съемке монолитных железобетонных конструкций снимают и на схемах показывают отклонения плоскостей и линий их пересечения от вертикали или от проектного наклона конструкций подвальных этажей, стен, колонн, пилонов каждого монтажного горизонта. Съемку выполняют на всю высоту или плоскость участка. Плановые смещения измеряют рулеткой от разбивочных осей или линий им параллельных. Отклонения от вертикали измеряются рейкой-отвесом или прикладным уровнем с длинной базой (2-2,5 м). Фрагмент исполнительной съемки несущих конструкций монтажного горизонта приведен на рис 9.20. При исполнительной съемке сборных элементов снимают и на схемах показывают отклонения относительно разбивочных осей фундаментных блоков и стаканов, осей и граней сборных элементов, опорных площадок несущих стен, колонн, а также ригелей и балок. По высоте следует определять горизонтальность опорных плоскостей колонн, навесных панелей наружных стен, панелей перекрытий. При исполнительной съемке лифтов измеряют отстояния бортов шахты от разбивочных осей на уровне перекрытий и сравнивают с проектными размерами. Замеряют отклонения стен шахты от вертикали по отвесам, спущенным с верхнего перекрытия. Измеряют диагонали в плане по сечениям каждого яруса. Для производственных зданий и сооружений исполнительной съемке подлежат колонны и иные опоры, фермы, ригели, пролетные строения, подкрановые 48 балки, стальные настилы, башни и башенные сооружения, трубы, бункеры, копры и т.п. Рис. 1.20. Схема исполнительной съёмки конструкций Исполнительную съемку пространственного положения перечисленных и, в общем-то, недоступных конструкций удобно выполнять электронным тахеометром. Для этих целей естественным будет использование пунктов, осей и базисов с которых производился монтаж, наладка конструкций и юстировка оборудования. Если в процессе наладки оборудования на его плоскостях и гранях была выполнена разметка и закреплены точки или отражающие марки катафоты, то проще использовать эти точки и в процессе исполнительной съемки. Если нет закрепленных марок катафотов, то можно использовать электронный тахеометр с безотражательным режимом измерений. Например, при исполнительной съемке подкрановых путей (рис. 9.21) на уровне пола цеха разбивается базис, параллельно несущим конструкциям путей. Приняв первую точку базиса за начало координат, направление базиса совмещают с направлением одной из осей координат (например, с осью Y), тогда вторая точка базиса будет иметь координаты X =0,000; Y =Sb, где Sb – длина базиса. Таких базисов может быть несколько. Электронный тахеометр устанавливают на первую точку базиса, приводят в рабочее положение и, войдя в режим съёмки, вводят координаты точки стоя49 ния. Ориентируют тахеометр по второй точке базиса, установив отсчёт равный 90°00´00″. Рис. 1.21. Исполнительная съёмка подкрановых путей Последовательно наводясь на снимаемые точки, выполняют съёмку, т.е. определяют координаты этих точек. Снимаемые точки должны быть каким-либо образом отмечены. Так, если съёмка выполняется «на плёнку», то в съёмочных точках должны быть приклеены марки катафоты (светоотражающая плёнка). Если светоотражающей плёнки нет, то в снимаемых точках устанавливается уголковый отражатель. Если электронный тахеометр обладает режимом безотражательных измерений, то снимаемые точки просто помечают краской. В зависимости от режима работы следует устанавливать соответствующую постоянную поправку прибора. Закончив работу на первой точке базиса, тахеометр устанавливают на вторую точку и приводят в рабочее положение. В режиме съёмочных работ вводят координаты точки стояния X =0,000; Y =Sb. Ориентируют тахеометр по первой точке базиса и устанавливают значение 270°00´00″. Съёмку повторяют, вторично определяя координаты снимаемых точек. Третья координата Н определяется одновременно с координатами X и Y через высоту прибора Нп. Высота прибора вычисляется по строительному репе50 ру, на который устанавливают нивелирную рейку, а зрительную трубу тахеометра выставляют в горизонтальное положение по отсчету вертикального круга (0° или 270°). Прибавив отсчет по рейке к высоте репера, получают высоту прибора. Высота прибора используется для вычисления высот снимаемых точек. Результаты съёмки могут явиться, как свидетельством окончательного планово-высотного положения рельсовых путей, но также исходной информацией для производства рихтовки, т.е. исправления положения рельсов. 1.7. Съёмка фасадов геодезическими методами Назначение фасадной геодезической съемки определяется в основном конструкцией фасадов возводимого или реконструируемого здания. Если речь идет о монтаже так называемых вентилируемых фасадов строящегося здания, то целью геодезической съемки является контроль планово-высотного положения элементов фасада (оконных и дверных проемов, балконов, карнизов, навесов, выступающих цоколей, различных декоративных элементов и пр.), выявление возможных отклонений от проекта и, в случае необходимости, внесение изменений в проект монтажа фасадов. В случае если речь идет о реконструкции существующих зданий посредством установки навесных фасадов, то необходимость съемки фасадов обусловлена разработкой проектно-сметной документации. Важным назначением фасадных съемок является и определение отклонений от проектных плоскостей возводимых стен и реконструируемых зданий. Особенно эта задача актуальна для объектов высотного строительства. Для решения подобных задач современные технологии прикладной геодезии предполагают широкое применение наземных лазерных сканеров. Однако следует отметить, что подавляющее большинство возводимых и реконструируемых зданий не требует столь тщательного производства исполнительных съемок фасадов. В связи с этим, руководствуясь экономическими соображениями, в ряде случаев проще и выгоднее съёмку производить методами классической геодезии при помощи электронных тахеометров. Наиболее подходящим для этих целей прибором является электронный тахеометр с хорошими показателями работы в безотражательном режиме как, 51 например тахеометр Nikon серии NPL, оптика дальномера которого совмещёна с системой фокусировки зрительной трубы. Важным требованием, предъявляемым к используемому оборудованию, является также наличие двухосевого компенсатора наклона оси вращения прибора. Особенностью отмеченного прибора является производство измерения расстояний именно на тот объект, на который сфокусирована зрительная труба, без опасений получить ошибочный результат из-за измерения на объекты, попадающие в поле зрения (листва, ветви деревьев, строительные леса и пр.). Недостатком такого прибора является необходимость фокусировки зрительной трубы перед каждым измерением, что несколько затруднит работу при больших углах наклона трубы или измерениях вблизи здания. Существует несколько устоявшихся способов производства фасадных съемок, различающиеся между собой форматом окончательного представления полученных данных. Наиболее простым является способ независимой съемки отдельных фасадов здания. Данный метод не требует создания единого планового обоснования вокруг объекта изысканий. Способ независимой съёмки фасадов целесообразно применять при съемке небольших зданий и сооружений, достаточно простых по конфигурации и лишенных каких-либо архитектурных излишеств. Суть данного метода сводится к следующему: съемка характерных элементов каждой отдельно взятой фасадной части выполняется в свободной системе координат с обязательной привязкой к установленной строительной системе высот. Прибор рекомендуется устанавливать примерно посередине фасада и избегать измерений под острым углом к плоскости фасада: это может существенно снизить точность вследствие некорректной работы дальномера в безотражательном режиме. Расстояние до снимаемого объекта выбирают с учётом удобств съёмки высоких элементов фасада. Важно определиться с ориентировкой системы координат, поскольку от этого во многом зависит объем трудовых затрат при обработке данных. Система координат должна быть ориентирована таким образом, чтобы ось «Х» была расположена горизонтально строго вдоль фасада сооружения, ось «Н» – вертикально вверх вдоль фасада, а ось «Y» дополняла систему координат 52 до левой. Такая ориентировка может быть достигнута, если перед производством съемки выполнить обратную засечку по углам снимаемой фасадной части, присвоив оному из углов координаты (0, 0) а противоположному – (b, 0), где b – базис, построенный на фасаде. Чтобы построить базис на фасаде, на его углах, желательно на одном горизонте намечают две точки и, войдя в режим измерения неприступного расстояния, определяют расстояние между этими точками. Это расстояние и будет искомым базисом. Съёмку фасада выполняют с произвольной точки стояния прибора. Для определения координат точки стояния следует войти в режим обратной засечки и последовательно ввести координаты исходных пунктов (0, 0 и b, 0). При импорте полученных координат характерных точек фасада с электронного тахеометра в ПО Credo_DAT, Sokkia Link или им аналогичных следует абсциссам присвоить значение «восток», отметкам – значение «север», а ординатам – «высота». Таким образом, при импорте полученных данных в редактор векторных данных, мы получаем «положенный на бок» отснятый фасад здания. В случае графической обработки данных в Декартовой системе координат (устанавливается по умолчанию в САПР AutoCAD) абсциссы не меняют своего значения, ось аппликат заменяется осью ординат. Следовательно, теоретически, координаты по оси «Y» (до преобразования) показывают отклонение фасада от вертикали и его неплоскостность и, при желании, могут не отображаться. Результатом обработки результатов измерений являются развертки фасадов здания. При необходимости определения отклонения фасада от вертикальной или проектной плоскости рекомендуется перед выполнением ориентировки прибора разбить непосредственно на фасаде базис и выполнить обратную засечку относительно него, как это описывалось выше. При обработке результатов измерений все отклонения фасада от вертикали будут показаны именно относительно этого базиса. Это значительно облегчит дальнейшее производство наладочных работ и избавит от необходимости производства дополнительных вычислений во время обработки (пример развертки фасада возводимого монолитного каркасного здания с указанными отклонениями от вертикали приведен на рис.1.22). 53 Рис. 1.22. Фрагмент развертки фасада с отклонениями от вертикали кирпичной кладки и бортов перекрытий Второй метод производства фасадных съемок гораздо удобнее с точки зрения производства геодезических работ, нагляднее с точки зрения информативности, но более сложен в обработке результатов измерений. Принципиальное отличие второго способа заключается в необходимости создания планово-высотного обоснования вокруг объекта изысканий, а съемка всех плоскостей фасадов производится в единой системе координат и высот, обработка данных выполняется в трехмерном режиме, вследствие чего отпадает необходимость выполнять преобразование координат. Обоснование создается в свободной системе координат. В качестве исходной высотной отметки, как правило, используется либо значение отметки чистого пола здания, в случае нового строительства, либо отметка низшей точки рельефа, примыкающего к зданию, если речь идет о реконструкции существующего здания. После развития планово-высотного обоснования, с пунктов планово-высотного обоснования производится съемка интересующих элементов фасада. Причем съемке с каждого пункта подлежат все видимые элементы фасада, независимо от их принадлежности единой или различным плоскостям фасада. 54 Обработка результатов подобной съемки заслуживает отдельного внимания. Основным средством обработки результатов съемки является САПР AutoCAD. После импорта в АutoCAD будет получено произвольно сориентированное облако точек, образующих грани фасадов, проемов и стен (показано на рис. 1.23). На виде сверху необходимо сориентировать эти точки таким образом, чтобы одни из фасадов сооружения принадлежал к оси «ОХ». Это упростит процесс обработки. После разворота группы точек, обработку и обрисовку фасадов удобнее всего вести в изометрических видах, в режиме ортогональных построений (Ortho), что облегчит идентификацию различных точек. В результате обрисовки всех отснятых точек получается полноценная трехмерная модель фасадов здания, с нанесенными проемами и прочими необходимыми элементами. Рис. 1.23. Трехмерная модель фасадов здания после обработки Результат детальной обработки облака точек отдельного фасада, показанного на рис. 1.23 приводится на рис. 1.24. Время необходимое на обработку съемки, объемом порядка 2500 точек (такой объем работ примерно соответствует зданию школы высотой 5 этажей 50-60 гг. постройки) 1 – 1,5 рабочих дня. При этом если фасад здания не отягощен декоративными элементами, такая трехмерная модель по точности и информативности практически не будет уступать модели, полученной при помощи лазерного сканирования. Модель здания является весьма наглядным, подробным и информативным результатом съемки практиче55 ски любого фасада, и в руках проектировщика послужит незаменимым инструментом при разработке проекта монтажа фасадов. Рис. 1.24. Трёхмерная модель отдельного фасада Трехмерная модель не всегда может полноценно показать все геометрические параметры архитектурных элементов здания. Соответственно, в связи с этим встает необходимость преобразовать трехмерный чертеж в двухмерный. Возможности редакторов векторных данных позволяют легко производить подобные манипуляции. Процесс преобразования заключается в разделении на виде сверху трехмерной модели на отдельные составляющие ее фасадные части и развороте и выстраивании всех фасадных плоскостей в одну линию, параллельную оси «ОХ». Таким образом, на виде сбоку будет получена развертка фасадов, на которой возможно отобразить все необходимые данные. 56 2. ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ДЕФОРМАЦИЯМИ СООРУЖЕНИЙ 2.1. Общие понятия о деформациях зданий и сооружений. Слово деформация имеет французские корни и означает искажение, изменение формы. Мы же под деформациями зданий и сооружений понимаем изменение пространственного положения точек сооружения, его частей или всего сооружения в целом. Эти изменения происходят во времени под действием внешних и внутренних сил. Здания и сооружения на грунтовых основаниях могут смещаться в горизонтальной плоскости, что называется сдвигом, или смещаться по вертикали. Такие смещения, направленные вертикально вверх называются подъёмами, а вниз – осадками. Кроме того, в результате неравномерно протекающих по периметру сооружения осадков его основные плоскости могут наклоняться. Такие наклоны называются кренами. Неравномерные осадки происходят, прежде всего, в результате различного по силе давления частей сооружения и неодинаковой сжимаемости грунта под фундаментом, что в свою очередь вызывает разного рода перемещения и деформации в конструкциях сооружений. В реальности равномерных осадок на сжимаемых грунтах практически не бывает, так как геологическое строение основания и в вертикальном и в горизонтальном направлениях даже на относительно небольших площадях не бывает однородным. Неравномерные осадки несут в себе больше опасности по вызываемым ими последствиям для сооружения. Так, для высотных зданий даже незначительный наклон может привести к перенапряжениям в несущих конструкциях, отказу подъёмных механизмов и др. Опасность тем больше, чем значительнее разность осадок частей сооружений и чем чувствительнее к ним его конструкции. Общие причины осадок и деформаций связаны с особенностями инженерно-геологических, гидрологических и физико-механических свойств грунтов. К ним относятся: 57  способность грунтов к упругим и пластическим деформациям под влиянием нагрузки;  неоднородное геологическое строение основания, приводящее к неравномерному сжатию и перемещению грунтов под воздействием веса сооружения;  пучение при замерзании водонасыщенных и оттаивание мёрзлых льдонасыщенных грунтов;  изменение гидротермических условий, связанных с сезонными и многолетними колебаниями температуры и уровня грунтовых вод. Частные причины осадок и деформаций связаны с погрешностями и просчётами, совершёнными в процессе изысканий, проектировании и строительстве сооружения. К ним относятся:  ошибочная планировка участка, плохой дренаж атмосферных и паводковых вод;  неточности, допущенные при проведении инженерногеологических и гидрологических изысканий;  искусственное понижение или повышение уровня грунтовых вод при проведении строительных работ;  увлажнение лёссовидных и оттаивание мёрзлых грунтов;  ослабление основания подземными разработками, возведение в непосредственной близости новых крупных сооружений и др. Таким образом, причинами изменения пространственного положения сооружений являются упругие и неупругие деформации оснований, иначе говоря, грунтов под зданиями и сооружениями. Упругие деформации проявляются в виде изменения объёма и искажения форм твёрдых частиц пород, тонких плёнок воды, замкнутых пузырьков воздуха и прочее. Неупругие деформации это уплотнение пород из-за уменьшения пористости, их набухание или разрушение структуры. Различают следующие деформации сооружений.  Осадки – деформации, вызывающие вертикальное перемещение все58 го сооружения под воздействием его веса. Осадки происходят в результате уплотнения грунта под воздействием внешних нагрузок и в отдельных случаях собственного веса грунта, не сопровождающиеся коренным изменением его структуры. Различают конечную (стабилизированную) осадку, соответствующую полному уплотнению грунта основания и нестабилизированную осадку, изменяющуюся во времени и соответствующую незавершённому процессу уплотнения грунтов основания.  Просадки – деформации, носящие провальный характер, происходящие в результате уплотнения и, как правило, коренного изменения структуры грунта под воздействием как внешних нагрузок и собственного веса, так и других факторов (замачивание грунта, оттаивание ледовых прослоек и т.п.).  Набухания и усадки – деформации, связанные с изменением объёма некоторых грунтов при изменении их влажности и при замерзании воды и оттаивании льда.  Оседания – деформации земной поверхности, вызываемые разработкой полезных ископаемых, изменением гидрогеологических условий, понижением уровня подземных вод, карстовыми процессами и т.п.  Провалы – деформации земной поверхности с нарушением целостности грунтов, образующиеся вследствие обрушения толщи грунтов над карстовыми полостями или горными выработками.  Горизонтальные - перемещения – деформации, связанные с действием горизонтальных нагрузок на основание, характеризующиеся изменением плоских прямоугольных координат точек сооружения.  Крены – представляют собой наклон или поворот основных плоскостей всего сооружения в результате неравномерных осадок, без нарушения его цельности и геометрических форм.  Кручением здания называют сложную деформацию, представляющую собой поворот поперечных сечений сооружения вокруг продольной его оси в разных направлениях и на разные углы.  Трещины представляют собой разрывы в отдельных конструкциях сооружения и возникающие вследствие неравномерности осадок и дополнительных напряжений. Таким образом, видно, что деформации оснований сооружений прямо или 59 косвенно связаны с физико–механическими свойствами грунтов, которые весьма разнообразны, зависят от их водонасыщенности, температуры и т.п. На песчаных грунтах, к примеру, осадки характеризуются большими скоростями в начальный период с последующим быстрым затуханием. На глинистых же грунтах осадки могут достигать значительных величин. Показателен пример Пизанской башни, которая оседает уже 800 лет, осадки достигли 300 см, а при высоте сооружения 45,5 м крен достиг 4,5 м. Деформации могут возникать по причине воздействия внешних нагрузок на основание сооружения, но могут проявляться также в виде просадок и смещений грунтов от собственного веса. Систематические инструментальные измерения осадок и деформаций сооружений имеет большое практическое и научное значение. Практическое значение состоит в том, что результаты измерений используются как исходный материал для характеристики устойчивости фундаментов и всего сооружения в целом, позволяют заранее намечать мероприятия по устранению причин деформаций, проводить ремонтные работы и пр. Научное значение измерения осадок заключается в том, что они дают возможность обосновать и уточнять методы расчёта оснований и фундаментов, позволяют рассчитать величины возможных осадок, иначе говоря, предвидеть развитие деформационных процессов, установить допустимые величины осадок и принять соответствующие конструктивные решения для возводимого сооружения. При изучении вопросов деформаций оснований зданий и сооружений следует руководствоваться соответствующей нормативно-технической литературой и документацией, как-то: ГОСТ 24846-81. ГРУНТЫ. Методы измерения деформаций оснований зданий и сооружений; СНиП 2.02.01-83. Основания зданий и сооружений; Руководство по наблюдениям за деформациями оснований зданий и сооружений. М., Стройиздат, 1975. 156 с.; Руководство по определению кренов инженерных сооружений башенного типа геодезическими методами. М., Стройиздат, 1981. 56 с. и другими. 60 2.2. Организация наблюдений и характеристики деформаций Геодезические натурные наблюдения за вертикальными и горизонтальными перемещениями сооружений (иначе мониторинг) имеют целью описать картину деформаций с количественной стороны, за какой - то промежуток времени. Наблюдения проводятся с начала строительства сооружения и в первые годы его эксплуатации до достижения стабилизации деформаций. Наблюдения выполняют циклично, периодически. При этом стремятся спланировать циклы наблюдений через равные промежутки времени в кратчайшие сроки. Первый цикл измерений осадок проводится сразу же после возведения фундаментов. При измерении сдвигов (горизонтальных перемещений) первый цикл измерений проводится до приложения горизонтальной нагрузки к сооружению (до засыпки пазух котлована грунтом, до заполнения водохранилища и т. п.). Сроки проведения последующих циклов измерений устанавливаются проектной организацией в зависимости от инженерно-геологических условий, величины ожидаемых деформаций, степени стабилизации и др. Количество циклов измерений за период достижения полной нагрузки сооружения на основание должно быть не менее четырёх (при 25, 50, 75 и 100% всего давления). В эксплуатационный период проводится не менее трёх циклов измерений до полного затухания деформационных процессов. Наблюдения за осадками и деформациями прекращают, если в течение трёх последних циклов измерений их величина колеблется в пределах заданной точности измерений. Геодезические измерения горизонтальных и вертикальных перемещений осуществляют по точкам, закреплённым в теле исследуемого сооружения. Это, так называемые деформационные марки. Измерения производятся относительно опорных пунктов, которые располагаются вне зоны возможных деформаций и их положение в пространстве и во времени принимается как стабильное. Для реализации комплекса работ по наблюдениям за горизонтальными и вертикальными перемещениями сооружений разрабатывается специальная программа наблюдений, состоящей из краткой пояснительной записки с календарным планом, сметой на производство работ и др. Основным назначением программы наблюдений является разработка и 61 обоснование точности, методов и схемы производства измерений. В программе приводятся рекомендации по применяемым приборам и инструментам, их поверки и календарный план производства работ. Программой определяются конкретные цели и задачи наблюдений за осадками и деформациями на данном конкретном объекте, как-то:  определение абсолютных и относительных величин деформаций;  сравнение их с расчётными;  выявление причин возникновения деформаций и оценка степени их опасности, принятие своевременных мер по борьбе с возникающими последствиями;  получение необходимых характеристик устойчивости оснований и физико – механических свойств грунтов. Совместная деформация основания и сооружения может характеризоваться следующими параметрами, являющимися предметом исследований и измерений:  абсолютной осадкой S отдельного фундамента или строительного  средней осадкой Sср основания здания или сооружения в целом;  разностной осадкой ΔS точек фундамента;  относительной неравномерностью осадок S  креном фундамента или сооружения i;  относительным прогибом или выгибом f блока; двух фундаменl тов или двух точек, т.е. отношением разности осадок двух точек к расстоянию l между ними; l - отношением стрелы прогиба фундамента к длине изгибаемого участка;  углом закручивания сооружения ν;  горизонтальным перемещением фундамента (сооружения) u. Величину абсолютной осадки S вычисляют как разность высот точки в нулевом (начальном) цикле наблюдений Н0 и текущем Нi: S  Hi  H 0 . (2.1) Разностную (неравномерную) осадку фундаментов для двух точек в теку62 щем цикле i определяют как S1.2  (S2  S1 )i . (2.2) Крен или наклон фундамента вычисляют так: i1.2  S1.2 l1.2 , (2.3) где l1.2 – расстояние между точками 1 и 2. Если S1 и S3 - осадки крайних марок по оси фундамента; S2 - осадка средней марки, а l1.3 - расстояние между крайними марками, то величина симметричного прогиба вдоль какой либо оси определится из выражения f  2S2  ( S1  S3 ) , 2l1.3 (2.4) а относительный прогиб вычисляют как f от  f l1.3 . (2.5) Есть и другие характеристики деформационных процессов, с которыми можно будет познакомиться при более детальном изучении предмета. 2.3. Необходимая точность измерений перемещений Надлежащая точность измерений определяется в первую очередь теми задачами, которые должны быть решены в ходе изучения деформационного процесса. При необоснованном завышении точности измерений возрастает стоимость работ, усложняются приборы и методы производства наблюдений и, напротив, снижение требований к точности может привести к потере информации об изучаемом объекте и лишить результаты измерений их практической ценности. Разумная точность производства измерений для целей изучения вертикальных и горизонтальных перемещений строительных объектов устанавливается исходя из принципа надёжности определения величины деформаций. Следовательно, величина ожидаемых деформаций является исходной при назначении точности измерений. Согласно ГОСТ 21779-82, а также исходя из установившихся в геодезической практике принципов, средняя квадратическая погрешность измерения 63 геометрического параметра m и допустимое (предельное) отклонение контролируемого параметра δ должны находиться в следующей зависимости: mизм  0, 25 к . (2.6) Поскольку предельная и средняя квадратическая погрешности при доверительной вероятности 0,95 связаны посредством коэффициента 2,5, то формулу 2.6 можно будет записать так, mизм  0,5mк . Другими словами средняя квадратическая погрешность измерения геометрического параметра должна быть, по крайней мере, в два раза меньше средней квадратической погрешности контролируемого параметра. Расчётные величины деформаций, установленные проектом, являются исходными для назначения точности измерений как вертикальных, так и горизонтальных перемещений в период строительства, в соответствии с таблицей 2.1. Для периода эксплуатации сооружения допуски ошибок измерений несколько жёстче (ГОСТ 24846-81). Таблица 2.1. Допустимые погрешности измерения перемещений в зависимости от их величины Расчётная величина вертикальных или горизонтальных перемещений, предусмотренная проектом в мм Допускаемая погрешность измерения перемещений в период строительства в мм для грунтов песчаные глинистые До 50 1 1 Св. 50 до 100 2 1 100*250 5 2 250*500 10 5 500 15 10 На основании определённой по таблице 2.1 допустимой погрешности устанавливается класс точности измерения вертикальных и горизонтальных перемещений фундаментов зданий и сооружений в соответствии с таблицей 2.2. При отсутствии данных по расчётным величинам деформаций основа64 ний фундаментов класс точности измерений перемещений допускается устанавливать следующим образом:  I – для уникальных зданий и сооружений, длительное время (более 50 лет) находящихся в эксплуатации, а также для сооружений, возводимых на скальных и полускальных грунтах;  II – для зданий и сооружений, возводимых на песчаных, глинистых и других сжимаемых грунтах;  III – для зданий и сооружений, возводимых на насыпных, просадочных, заторфованных и других сильно сжимаемых грунтах;  IV – для земляных сооружений. Таблица 2.2. . Допустимые погрешности измерения перемещений по классам точности Класс точности измерений Допустимая погрешность измерения перемещений мм вертикальных горизонтальных I 1 2 II 2 5 III 5 10 IV 10 15 Таким образом, для того чтобы установить класс точности измерений необходимо знать расчётные величины перемещений или назначить класс точности исходя из характеристик грунтов оснований и возраста самого сооружения. Например, при строительстве сооружения в окружении существующей застройки возникает необходимость в наблюдении за вертикальными перемещениями существующих зданий и сооружений. Если последние возведены на песчаных или глинистых грунтах, то можно установить II класс точности измерения перемещений. Это, в свою очередь означает, что допустимая или средняя квадратическая ошибка измерения, скажем вертикальных перемещений, не должна превысить 2 мм (в работе [21] допустимые погрешности в таблицах 2.1 и 2.2 принимаются за средние квадратические ошибки, стр. 357). 65 Комплекс работ по измерению деформаций оснований зданий и сооружений организуют в следующей последовательности:  разработка программы измерений;  выбор конструкции, мест расположения и установка исходных геодезических знаков плановой и высотной основы;  осуществление высотной и плановой привязки установленных исходных геодезических знаков;  установка деформационных марок на исследуемых зданиях и сооружениях;  инструментальные измерения величин вертикальных и горизонтальных перемещений и кренов;  обработка и анализ результатов наблюдений. Методы измерений вертикальных и горизонтальных перемещений и определения крена фундамента устанавливаются специально разрабатываемой программой измерений в зависимости от конструктивной особенности сооружения и его фундаментов. В программе освещаются цели и задачи предстоящих измерений, инженерно-геологические и гидрогеологические условия района работ, устанавливается цикличность проведения работ, а также расчётные величины ожидаемых деформаций оснований. Вертикальные перемещения (осадки) вычисляются по формуле (2.1), которую можно представить для конкретной марки k текущего цикла i в несколько ином виде     Si  H R   hi 1  H R   h0 1 . k k (2.7) Здесь HR - высота исходного репера;  hi 1 и  h0 1 - сумма уравненных k k превышений соответственно текущего и начального циклов наблюдений по ходу от исходного репера до марки k. Выполнив дифференцирование и, перейдя к средним квадратическим ошибкам, получим mS2  mi2  m02 , (2.8) где mi и m0 средние квадратические ошибки суммарных превышений по ходу, иначе говоря, средние квадратические ошибки высоты марки в текущем и на66 чальном циклах измерений соответственно. Эти ошибки можно принять равными, так как измерения выполняются циклично по выбранной схеме и утверждённой программе измерений, одним и тем же комплектом приборов и тем же исполнителем, т.е. mi =m0 = mH. Следовательно mS  mH 2 . (2.9) Естественно, точностные требования следует предъявлять к самой слабой точке (марке) нивелирного хода. Удовлетворив эти требования для слабой точки, можно быть спокойным за все остальные. Самой слабой точкой нивелирного хода является наиболее удалённая от исходных реперов, т.е. расположенная в середине замкнутого хода или хода, опирающегося на два репера. Для приведённого примера mS = 2 мм, а поэтому mH = 1,4 мм. Таким образом, нами найдена допустимая средняя квадратическая ошибка определения высоты слабой точки нивелирного хода. При наличии конкретной схемы нивелирных ходов можно подсчитать количество установок нивелира (станций) от исходного репера до слабой точки и, таким образом подсчитать допустимую ошибку измерения превышения на станции и, следовательно, класс нивелирования. Если нивелирование на станциях выполняется примерно с одинаковой точностью, то при незначительном влиянии систематических ошибок можно записать mH  mh k , (2.10) где mh – средняя квадратическая ошибка измеренного превышения на станции; k – число станций от исходного репера до наблюдаемой марки. Подставив полученное значение mH в формулу 2.9, получим mS  mh 2k . (2.11) Приняв для наиболее слабого места k  n 2 , получим mS  mh n , (2.12) где n – общее число станций в ходе. Однако можно решить и обратную задачу. Зная n и mS, можно найти допустимую ошибку измерения превышения на станции и, иначе говоря, можно установить класс нивелирования или же, при заданных значениях mS и mh, можно найти допустимое количество станций в ходе n. 67 2.4. Размещение и конструкция исходных и деформационных знаков Для целей измерений горизонтальных или вертикальных перемещений зданий и сооружений в конструкциях последних, как сказано ранее, закрепляют геодезические знаки, так называемые деформационные марки. Фиксируя изменение пространственного положения деформационных марок, судят о горизонтальных или вертикальных перемещениях сооружения или его частей. Измерения перемещений производится относительно других геодезических знаков, знаков основы, которые закрепляются вдали от зон возможных деформаций. Их пространственное положение контролируется и считается незыблемым. Геодезические знаки основы могут быть высотными, плановыми или совмещёнными, несущими информацию и плановых координатах и о высоте одновременно. Исходные или опорные знаки высотной основы ещё называют реперами. Реперы могут быть глубинные (незаиляемые трубчатые, свайные и др.), фундаментальные (железобетонные, скальные, трубчатые и др.), грунтовые или рабочие (бетонные, трубчатые и др.) и стенные реперы из литья или изготовленные в мастерских. Высотные деформационные марки (рис. 2.1) иногда называют осадочными. Их закладывают в стены и фундаменты зданий, промышленных, гидротехнических и других сооружений. Они могут иметь различную конструкцию, но должны быть жёстко связаны с конструктивными элементами сооружения, быть достаточно эстетичными и не уродовать фасады зданий и сооружений, но в то же время должны иметь антивандальную защиту. В простейшем исполнении осадочная марка представляет собой отрезок уголковой стали или арматуры около 15 см длины при закладке в каменные фундаменты. При закладке марок на стальных конструкциях их длину и место креплении подбирают с учётом удобства установки нивелирной рейки. При высокоточных наблюдениях используют более сложные конструкции марок закрытого типа с потайным (в виде втулки) креплением ответственной её части. Нивелирные рейки заменяют шкаловыми марками, имеющими та68 кую же оцифровку, что и инварная полоса. Для наблюдений за осадками в основаниях земляных и бетонных сооружений используют так называемые глубинные деформационные марки, которые могут быть трубчатые, металлические или железобетонные плиты-марки и др. Рис. 2.1. Деформационные марки Для измерения осадок и просадок грунтов дневной поверхности используют поверхностные марки. Марка для измерения осадок отдельных слоёв пород, залегающих непосредственно под сооружением, представляет собой штангу, верхний конец которой имеет полусферическую головку, а нижний – башмак в виде опорного диска с арматурными шипами. Проектирование мест расположения деформационных марок и опорных геодезических знаков и их закладка является одной из основных и ответственных этапов всего комплекса работ по измерениям вертикальных и горизонтальных перемещений исследуемых сооружений. От того насколько рационально размещены знаки, от их оправданного количества во многом зависит качество, полнота и информативность результатов измерений. Поэтому места расположения знаков согласовываются с проектировщиками, строителями, геологами и другими специалистами генплана проектной организации. Проект размещения марок на сооружении (рис. 2.2) составляют с учётом конструкции фундамента, нагрузки на отдельные части основания, геологических и гидрологических условий площадки. Деформационные марки устанавливают примерно на одной высоте в нижней части несущих конструкций через 69 10 – 15 м по всему периметру сооружения. Марки устанавливают также внутри сооружения, на углах и стыках строительных блоков, по обе стороны осадочных или температурных швов, в местах примыкания продольных и поперечных стен, на несущих колоннах, вокруг зон с большими динамическими нагрузками и т.п. Рис. 2.2. Проект расположения деформационных марок Деформационные знаки, служащие для контроля плановых перемещений объекта, имеют различную конструкцию в зависимости от способа измерений плановых деформаций. Так, если измерения выполняются электронным тахеометром способом полярных координат, то в качестве деформационных знаков могут быть использованы марки из светоотражательной плёнки (катафоты). Эти марочки приклеиваются в характерных точках исследуемого объекта так, чтобы их отражающая поверхность была направлена на опорный знак, где устанавливается прибор. Если плановое положение деформационного знака определяется из угловых измерений, то знак выполняется в виде обычной визирной марки. Визирные марки могут быть закреплены на объекте постоянно или центриро70 ваться над точками в процессе измерений. Места расположения деформационных знаков проектируют на планах и разрезах фундаментов, каждой марке присваивают номер. Исходные или опорные геодезические знаки, служащие для измерений вертикальных перемещений, как отмечено ранее подразделяются на:  глубинные фундаментальные реперы, закладываемые в коренные, стабильные породы;  грунтовые реперы, закладываемые ниже глубины промерзания грунта;  стенные реперы – знаки, заложенные в стенах капитальных зданий и сооружений, осадку фундаментов которых можно считать практически завершённой. Глубинные реперы (рис. 2.3) могут быть металлические, биметаллические, биструнные и другие. Основания глубинных реперов закрепляются в коренных скальных и других практически несжимаемых грунтах на глубину от 2 до нескольких десятков метров. Основные конструктивные элементы глубинного репера это реперная труба, реперная головка, защитная труба, колодец с люком и сальник из смолистых веществ. Реперная труба состоит из стальных газовых или буровых труб диаметром около 90 мм. Для длительной сохранности трубу заполняют битумом или цементным раствором. В верхний конец трубы ввинчивается или приваривается реперная головка из бронзы или нержавеющей стали. Защитная труба предохраняет реперную трубу от возможных смещений, вызываемых сжатием или набуханием окружающего грунта. На защитную трубу надевается крышка. Колодец предохраняет верхнюю часть репера от смещения вследствие температурных изменений, случайных повреждений или пучения грунтов от промерзания. Сальник выполняется из стального цилиндра, заполняется тяжёлыми смазочными материалами или битумом и служит препятствием для проникновения ила в пространство между трубами. 71 Главным требованием, предъявляемым к глубинным фундаментальным реперам, является их высотная устойчивость на весь период наблюдений за деформациями. Рис. 2.3. Глубинный репер Для производства измерений II, III и IV классов точности разрабатываются конструкции грунтовых реперов, которые закладываются ниже глубины сезонного промерзания грунта, а также стенные реперы, устанавливаемые на несущих конструкциях зданий и сооружений, осадки фундаментов которых практически стабилизировались. Грунтовые реперы (рис. 2.4) устанавливаются в котлованах, скважинах или путём забивки и могут быть металлическими, железобетонными и трубчатыми. Число исходных грунтовых реперов должно быть не менее трёх, а стенных реперов не менее четырёх. Грунтовые реперы должны располагаться в стороне от проездов, подземных коммуникаций, вне зоны распространения давления от исследуемых сооружений, вне пределов влияния осадочных явлений оползневых склонов, подземных выработок, карстовых образований, на расстоянии, исключающем влияние вибрации от транспортных средств, машин и механизмов. Реперы рекомендуются располагать в газонах, скверах, в местах, где от72 сутствуют подземные коммуникации. Якоря реперов закладываются на 1 м ниже уровня промерзания грунтов. Рис. 2.4. Грунтовый репер При закладке в стенах и фундаментах зданий стенных реперов (рис. 2.5) необходимо руководствоваться следующим:  здания должны быть капитальными, построены за несколько лет до закладки знаков в местах, не подверженных оползневым явлениям и пучению;  при осмотре зданий необходимо убедиться в отсутствии видимых деформаций стен;  не допускается производить закладку стенных реперов в сооружениях, предназначенных к сносу или капитальному ремонту, расположенных среди железнодорожных путей или содержащих работающие станки и механизмы. Закладка реперов возможна в любое время года, а использование допускается не ранее 10 дней после окончания работ по их устройству. В целом относительно опорных высотных знаков следует сказать, что их конструкция определяется проектной организацией исходя из поставленных задач, условий района работ, свойств грунтов и их гидрогеологического режима. Перечисленные параметры весьма разнообразны, также многообразны и 73 конструкции опорных знаков, что отражено в нормативных актах и технической литературе [6, 11, 21, 26]. Рис. 2.5. Стенной репер Надёжность результатов наблюдений за осадками в значительной степени зависит от стабильности высотного положения исходных реперов. Для целей контроля исходную высотную основу создают из нескольких реперов (не менее трёх), расположенных кустом или равномерно по всей площади объекта. Наблюдения за взаимным положением нескольких реперов позволяют судить о степени устойчивости каждого и наиболее устойчивый выбрать в качестве исходного. Анализ устойчивости реперов и выбор исходного должны производиться в каждом цикле наблюдений, но с привлечением результатов предыдущих циклов для большей представительности статистического материала. Все известные способы оценки устойчивости реперов условно можно разделить на две группы. В основе первой группы лежит принцип неизменной отметки одного из наиболее устойчивых реперов, в основе второй – принцип неизменной средней отметки всех реперов сети или группы наиболее устойчивых. Идея анализа устойчивости, присущая способам первой группы заключается в том, что в текущем цикле наблюдений каждый из реперов сети последовательно принимается за исходный и относительно него вычисляются вертикальные смещения других реперов. Репер, для которого сумма смещений или среднее смещение минимально, принимается за неподвижный. При наличии многочисленных наблюдений используются статистические методы анализа. 74 Для способов второй группы характерна оценка устойчивости по изменению высотного положения реперов относительно средней отметки, вычисленной в текущем цикле по отметкам n реперов исходной основы:  n    Hi   H ср   1 n . (2.13) В этом случае задача сводится к выявлению изменения высотного положения неустойчивых реперов относительно средней отметки. При этом смещение относительно средней отметки можно считать значимым, если выполняется условие Sср  t Qs , где - среднее значение смещения репера; t – нормированный множитель, принимаемый равным 2, 2,5 или 3; веса; (2.14) - обратный вес величины - средняя квадратическая ошибка единицы . Рис. 2.6. Опорный плановый знак 75 Плановые знаки, используемые для определения горизонтальных смещений и сдвигов сооружений также как и высотные подразделяются на:  деформационные или контрольные, закладываемые на исследуемом сооружении (в тело плотины, здания и т.п.) или в толщу оползневого участка земли, что позволяет по его пространственным перемещениям судить о смещениях всего исследуемого объекта;  опорные, или наблюдательные столбы, закладываемые вблизи исследуемого объекта и с которых непосредственно производятся измерения смещений деформационных знаков;  исходные, закладываемые за пределами зоны возможных деформаций, служащие для определения смещений опорных и, по необходимости, деформационных знаков. Рис. 2.7. Скрытый опорный знак 76 Опорные знаки устанавливаются в стороне от сооружения в скальных или коренных породах, и служат для контрольных измерений стабильности положения наблюдательных столбов и деформационных знаков. Опорные знаки и наблюдательные столбы могут быть выполнены в виде металлических труб, заглублённых ниже уровня промерзания грунтов (рис. 2.6). В большинстве случаев знаки предназначены для высокоточных измерений, поэтому в их конструкциях предусмотрены устройства для принудительного механического центрирования марки, тахеометра или теодолита. При наблюдениях с таких знаков прибор (теодолит, тахеометр) устанавливается на центрировочное устройство знака. Наиболее точное центрировочное устройство представляет собой плиту с калиброванной втулкой. В этом случае измерительный прибор (теодолит, электронный тахеометр, сканер или створный прибор) в своём основании на подставке должен иметь калиброванный шар для посадки во втулку. Принятый по умолчанию диаметр втулки и шара – 1 дюйм. В оживлённых местах в качестве опорных плановых знаков используют скрытые трубчатые знаки, закладываемые способом бурения в стороне от транспортных магистралей в удобном отдалении от наблюдаемого объекта, на тротуарах или в скверах (рис. 2.7). Если сеть знаков плановой основы создаётся с целью наблюдений за креном сооружения, то знаки располагают в местах, обеспечивающих стабильность их положения и максимальную сохранность на удалении порядка двух – трёх высот от сооружения. Технические требования к построению опорной геодезической сети должны соответствовать положениям СП 11-104 97. Точность определения планового положения опорных пунктов должна быть выше требуемой точности определения крена, или планового смещения, по крайней мере, в 1,5-2 раза. После установки знаков плановой и высотной основы на них передаются координаты и высоты от ближайших пунктов государственной геодезической сети. 77 2.5. Методы и схемы измерений вертикальных перемещений Вертикальные перемещения оснований фундаментов измеряют одним из следующих методов или их комбинацией: геометрическим, тригонометрическим или гидростатическим нивелированием и методами фотограмметрии. С появлением лазерных сканеров появилась возможность измерять горизонтальные и вертикальные смещения сооружений наземным лазерным сканированием. Геометрическое нивелирование, как известно, есть процесс измерения превышений, который выполняется горизонтальным визирным лучом по вертикально установленным в нивелируемых точках рейкам. Тригонометрическое нивелирование состоит в определении превышений одной точки над другой путём измерения угла наклона визирного луча и расстояния до точек визирования. Гидростатическое нивелирование заключается в определении превышения одной точки над другой по уровню жидкости в сообщающихся сосудах, установленных в нивелируемых точках. Фотограмметрический способ заключается в периодическом фотографировании сооружения в целом или его отдельных частей и сравнении координат наблюдаемых точек по их фотоизображениям. Методы измерения вертикальных перемещений принимаются в зависимости от назначенного класса точности измерений. Так методы геометрического и гидростатического нивелирования применяются для всех классов точности измерений (классы I – IV), но методы тригонометрического нивелирования и фотограмметрии только для II – IV классов точности измерений. Здесь заметим, что классы точности измерений вертикальных перемещений не соответствуют программам I или II класса государственного нивелирования не по методике производства наблюдений не по точности результатов. Кроме того, внедрение в практику инженерно-геодезических работ новых высокоточных цифровых нивелиров и штрих-кодовых реек привело к переосмысливанию, как устоявшихся методик измерений, так и понятий точности измерений. Поскольку на настоящий момент нет устоявшихся и отражённых в нормативных актах методик производства измерений цифровыми нивелирами, а также нет реальной оценки точности результатов, ниже приводятся существующие требования к приборам и методам произ78 водства работ оптико-механическими приборами с цилиндрическими уровнями, а также компенсаторами. Метод геометрического нивелирования применяется в качестве основного метода измерения вертикальных перемещений. Приведём некоторые технические характеристики геометрического нивелирования при измерениях вертикальных перемещений I и II классов точности оптико-механическими нивелирами:  для измерений вертикальных перемещений I и II классов точности должны применяться нивелиры Н-05 или ему равноточные с компенсаторами, а также цифровые нивелиры;  рейки применяются односторонние, штриховые с инварной полосой и двумя шкалами, типа РН-05 или штрихкодовые;  длина визирного луча не более 25 и 40 м соответственно;  неравенство плеч на станции не более 0,2 и 0,4 м;  накопление неравенств плеч в замкнутом ходе не более 1,0 и 2,0 м соответственно;  допускаемая невязка в замкнутом ходе для рассматриваемых клас- сов нивелирования может быть подсчитана по формулам ± 3 L (мм) и ± 5 L (мм) соответственно, где L длина хода в км. Нивелирование I класса точности выполняют способом совмещений двойным горизонтом, замкнутым ходом или в прямом и обратном направлении. При высокоточном нивелировании для I класса точности измерений ошибки превышений на станции в среднем составляют около 0,1 мм, а предельные невязки ходов не превосходят величины f hI  0,3 n  мм  , (2.15) где n – число станций в ходе. Для II класса точности измерения перемещений геометрическим нивелированием выполняют способом совмещений одним горизонтом, замкнутым ходом в прямом и обратном направлениях. При выборе приборов следует отдавать предпочтение нивелирам с самоустанавливающейся линией визирования, позволяющим производить измерения по штриховым нивелирным рейкам, либо цифровым нивелирам соответствующей точности. 79 На строительных площадках крупных промышленных сооружений, гидроузлах и др. для целей измерений деформаций сооружений схемы ходов составляют таким образом, чтобы высотная основа по фундаментальным реперам образовалась из ходов нивелирования высшего класса. Ходы нивелирования низших классов прокладывают в виде одиночных ходов или замкнутых полигонов, опирающихся на построения высших классов. Предельная невязка в замкнутых ходах II класса может быть подсчитана по формуле f hII  1,0 n  мм  (2.16) где n – число станций в ходе. На земляных и каменно-набросных плотинах, при наблюдениях за просадками грунтов над туннелями и горными выработками, а также на сооружениях, возводимых на сильно сжимаемых грунтах, измерения вертикальных перемещений может выполняться геометрическим нивелированием III класса точными нивелирами при двух горизонтах в одном направлении. Рейки применяют двусторонние, шашечные с сантиметровыми делениями. Неравенство плеч контролируют, не допуская его более 2 м; накопление в ходе – не более 5 м. Предельная невязка хода вычисляется по формуле f hII  2,0 n  мм  (2.17) где n – число станций в ходе. Метод тригонометрического нивелирования применяется при измерениях вертикальных перемещений объектов в условиях резких перепадов высот (на горных плотинах, глубоких котлованах, больших насыпях, на косогорах и т.п.). Измерения выполняются короткими визирными лучами (до 100 м) высокоточными электронными тахеометрами. Предпочтения отдаются схемам измерений, когда на исследуемом объекте закрепляются марки-катафоты, а прибор устанавливается на столбах-штативах, заложенных в стабильных грунтах. Если измерения выполняют по отражателям, то их выставляют по уровню и закрепляют; высоту прибора измеряют и фиксируют на отражателях с точностью 1 мм. Измерения выполняют по однотипной схеме. Вертикальные смещения наблюдаемых точек вычисляют как разность их 80 превышений (высот точек) в соответствующих циклах. Исследования показывают, что в благоприятных условиях на расстояниях до 100 м, используя специальные схемы и методики измерений, превышения между деформационной маркой и стационарным пунктом может быть измерено с погрешностью не хуже 0,5 мм. Для простого хода тригонометрического нивелирования по отражателям точность несколько хуже. Нетрудно подсчитать, что при надлежащем соблюдении условий измерений тригонометрическое нивелирование короткими лучами с использованием электронных тахеометров обеспечивает точность измерений на уровне II - III класса. Одной из причин, влияющих на точность тригонометрического нивелирования, является вертикальная рефракция, которая может значительно искажать истинные значения зенитных расстояний. Для уменьшения влияния вертикальной рефракции измерения выполняют в разное время суток циклами и находят среднее. Гидростатическое нивелирование (переносным шланговым прибором или стационарной гидростатической системой) применяется для измерения относительных вертикальных перемещений большого числа точек, труднодоступных для измерений другими методами, при отсутствии прямой видимости между измеряемыми точками или в случаях, когда в местах производства измерительных работ пребывание человека невозможно или нежелательно по условиям техники безопасности. В разделе 1 описана переносная система гидростатического нивелирования, состоящая из двух сообщающихся сосудов, заполненных жидкостью. Измерения таким прибором производят по деформационным маркам, заложенным в тело наблюдаемого объекта. Как минимум, два наблюдателя последовательно переносят систему из двух сосудов с трубопроводом от марки к марке и, закрепив прибор, производят измерения установившегося уровня жидкости. Однако наиболее эффективной является стационарная система гидростатического нивелирования, в которой измерения уровня жидкости в сосудах автоматизированы. Такая система состоит из множества датчиков (сосудов), закреплённых на исследуемом сооружении, соединенных между собой трубопроводом. Кроме того каждый датчик (пьезометр) соединяется с пультом управления электрической цепью. Уровень жидкости в сосудах измеряется различными 81 известными способами (электромеханическим, электрооптическим и т. п.), а результат измерения по электрической цепи передаётся на пульт управления. Таким образом, оператор, опросив все датчики в разных циклах измерений и, сравнив уровни между собой, может судить о вертикальных перемещениях точек сооружения. Основные ошибки гидростатического нивелирования возникают из-за локального изменения температуры жидкости в трубопроводах. Диапазон вертикальных перемещений датчиков таких стационарных систем невелик: 5 – 10 мм, однако точность способа достаточно высокая, около 30 мкм. Способ микронивелирования применяют при наблюдении за взаимным высотным положением близко расположенных точек (порядка 1 м). Задачи такого рода возникают при изучении осадок и наклонов отдельных конструкций: балок, ферм, фундаментов, технологического оборудования. Измерения выполняются при помощи микронивелира, описание и способ работы с которым нами приведены ранее в разделе 9. Отметим, что приборная точность микронивелира характеризуется средней квадратической ошибкой 0,01 мм. Фотограмметрические и стереофотограмметрические способы предусматривают применение фототеодолита или цифровой фотокамеры для получения фотографического (цифрового) изображения изучаемого объекта. Определение этими способами пространственных перемещений объектов вообще и вертикальных перемещений в частности заключается в измерении разности координат (высот) точек сооружения, найденных по фотоснимкам в нулевом цикле и в текущем цикле. На этом же принципе построен способ измерения перемещений лазерным сканированием. Фотограмметрический способ применяется, когда деформации определяются в плоскости фотоснимка, а при стереофотограмметрическом способе деформации определяют по любому направлению. В первом случае фотографирование производят с одной точки при неизменном положении фотокамеры в циклах. При этом плоскость прикладной рамки стремятся установить параллельно основной плоскости сооружения. Для вычисления деформаций кроме координат или параллаксов на снимках необходимо знать отстояние фотокамеры от объекта и фокусное расстояние объектива. 82 Во втором случае фотографирование объекта в каждом цикле наблюдений производят с двух точек базиса известной длины, в результате чего получают стереопары. Для получения деформаций измеряют по снимкам координаты точек и горизонтальные параллаксы. В обоих способах обработку снимков производят на стереокомпараторе. Тщательно выполненные полевые и камеральные измерения и должный учёт элементов ориентирования позволяют определять перемещения точек исследуемого объекта описанными способами со средней квадратической ошибкой менее 1,0 мм. При наблюдениях за осадками крупных и ответственных инженерных сооружений, отличающихся повышенными требованиями к точности производства этих работ, разрабатывается специальная методика геодезических измерений, а в некоторых случаях и специальные приборы. Исходными данными для разработки методики измерений служат заранее установленные величины ошибок определения осадок наблюдаемых точек относительно исходных геодезических знаков. В качестве геодезической основы при наблюдениях за вертикальными перемещениями сооружений используются, как ранее было сказано, высотные знаки, иначе реперы или группа реперов, расположенных вне зоны возможных деформаций (рис. 2.8). На рисунке показана примерная схема организации наблюдений за осадками здания, в стены которого заложены деформационные марки М1...М8. Реперы геодезической основы Rp1...Rp5 размещены вне зоны распространения давления от контролируемого сооружения и в стороне от подземных коммуникаций, вне пределов влияния осадочных явлений и подземных выработок. На схеме по каждой линии хода геометрического нивелирования выписано количество установок (станций) нивелира. Три репера Rp1, Rp2, Rp3, образуют, так называемый куст из одинаковых по конструкции реперов, расположенных на расстоянии в 30 – 50 м друг от друга в вершинах треугольника таким образом, чтобы все превышения можно было получить с одной установки нивелира. Если один из реперов куста изменит свою отметку, то превышения на этот репер изменятся, в то время как превышения между двумя другими оста83 нутся неизменными. Положение реперов в кусте можно считать стабильным, если превышения между ними не изменяются более чем на 0,3 – 0,4 мм. Периодичность наблюдений зависит в первую очередь от ожидаемых деформаций и должна быть определена на этапе разработки и согласования технического задания на производство работ. Программой работ должен быть предусмотрен анализ получаемых деформационных характеристик и возможность изменения периодичности в случае появления деформаций, превышающих предельно допустимые для данного объекта мониторинга. Методика производства измерений должна выбираться таким образом, чтобы средняя квадратическая ошибка определения высот в слабом месте схемы была не менее чем в 1,4 раза меньше заданной ошибки определения деформационных характеристик. Найдём класс нивелирования для схемы измерений, приведённой на рис. 2.8. Рис.2.8. Пример схемы измерений Пусть по техническому заданию для этого сооружения необходимо органи84 зовать натурные наблюдения с цикличностью в 1 месяц. Здание возводится на глинистых грунтах, а ожидаемая (расчётная) величина осадки составляет 180 мм. По таблице 1.1 определим допустимую среднюю квадратическую погрешность измерения вертикальных перемещений, которая составит 2 мм, а по таблице 2.2 определится класс точности измерений – II. По формуле 2.9 определим допустимую среднюю квадратическую ошибку измерения высоты слабой марки хода. Она составит mH  mS 2  2  1,4 мм. 1,4 Таблица 2.3. Показатели нивелирных ходов Класс нивелирования Длины Число ходов Допуст. С.к.о. плеч, м Число линий невязка превышения на станции I 50 4 2 3 L 0,3 мм II 65 2 2 5 L 0,5 мм III 75 2 2 10 L 1,0 мм IV 100 1 1 20 L 3,0 мм Техническое 125 1 1 50 L 10,0 мм Теперь, обратившись к схеме измерений (рис. 2.8), определим количество нивелирных станций от исходного репера до самой удалённой марки хода. Это может быть марка М4 (4 станции от Rp5, или 3 станции от Rp4). Однако следует предусмотреть возможность выхода из строя одного из исходных реперов. Так, если будет забракован Rp5, то слабой маркой окажется марка М6 до которой необходимо 6 установок нивелира. Таким образом, нами найдено значение n = 6 и известно mS = 2 мм. Из формулы 2.12 найдём среднюю квадратическую ошибку измерения превышения на станции нивелирного хода – 0,82 мм. Чтобы определить класс геометрического нивелирования необходимо знать некоторые показатели классов нивелирования (табл. 2.3). Основная часть этой таблицы заимствована из работы [27]. Из таблицы видно, что для реализации требований технического задания 85 геометрическое нивелирование по приведённой схеме необходимо производить по программе нивелирования II класса. 86 2.6. Обработка результатов измерений и отчётная документация В ходе камеральной обработки результатов измерений для каждого цикла выполняются следующие операции:  Проверка полевых журналов и контроль выполнения установленных допусков;  Уравнивание высотной сети опорных знаков и контроль стабильности исходных реперов;  Уравнивание сети деформационных знаков и вычисление высот и осадок деформационных марок;  Составление отчёта. Уравнивание высотной сети опорных знаков выполняется по методу наименьших квадратов. В качестве исходного используется один репер, «Исходный», высота которого не претерпела каких-либо изменений. Контроль стабильности репера «Исходный» выполняется для всех циклов, кроме первого, в следующей последовательности:  Вычисляются осадки контрольных реперов;  Если как минимум для одного из контрольных реперов выполняется неравенство S  1мм, где S = Hj –H1 – осадка контрольного репера, то считается, что репер «Исходный» не изменил своего положения и можно переходить к уравниванию сети деформационных знаков. В противном случае следует вычислить новую отметку репера «Исходный». Вычисление новой отметки репера «Исходный» выполняется в том случае, если критерий S  1мм, не выполняется для всех контрольных реперов, и при этом их осадки примерно равны в пределах нескольких десятых долей миллиметра по абсолютной величине и знаку. Вычисления выполняют в следующей последовательности:  В качестве «Исходного» назначается один из контрольных реперов (любой). Его отметка берётся из предыдущего цикла наблюдений;  Относительно этого репера (одного) выполняется уравнивание сети опорных знаков и вновь вычисляются осадки её реперов.  Если гипотеза о наличии осадок репера «Исходный» верна, то для 87 этого репера будет обнаружена значимая осадка, т.е. S Исх > 1 мм, а у второго контрольного репера осадка обнаружена не будет, т.е. S Контр  1 мм. Уравнивание сети деформационных знаков также выполняется по методу наименьших квадратов. В качестве исходных используются все реперы опорной сети. Рис. 2.9. Пример оформления результатов наблюдений Для каждой деформационной марки вычисляется её осадка S = Hj –H1 и средняя квадратическая ошибка этой осадки mS  mH  2 , где mH средняя квадратическая ошибка высоты марки. На рис. 2.9. приведён пример оформления результатов наблюдений очередного цикла. Схематически изображено здание с деформационными марками, а в кружочках показаны осадки этих марок между последними циклами и общая осадка с момента начала наблюдений. Кроме того, могут приводиться также графики осадок деформационных марок за период наблюдений (рис. 2.10) и ведомости осадок. График строится для каждой марки одного сооружения и наглядно отражает ход деформационного процесса во времени. Состав отчётной документации определяется техническим заданием. Практикой геодезического мониторинга определён некоторый общий состав отчётной документации: 88 1. Краткое техническое заключение (экспресс-отчёт). Составляется после каждого цикла наблюдений с целью оперативного информирования заказчика о состоянии объектов мониторинга; 2. Итоговый технический отчёт. Рис. 2.10. График осадок деформационных марок В состав краткого технического заключения (экспресс – отчёта) включаются: o Информация о номере цикла и сроках выполнения наблюде- ний. o Сводные ведомости деформационных характеристик, определение которых предусмотрено техническим заданием. В них указывают вычисленные значения деформационных характеристик и предельные погрешности их определения. Для каждой контрольной точки вычисляют текущее значение деформационной характеристики по результатам наблюдений в текущем и пре89 дыдущем циклах и суммарное значение деформационной характеристики по результатам наблюдений в текущем и начальном циклах наблюдений. o План объектов мониторинга в произвольном масштабе. На плане показываются места расположения и номера деформационных и исходных знаков, а также текущие и суммарные значения деформационных характеристик для каждой марки. o Если предусмотрено техническим заданием, то составляются графики деформаций. o Если предусмотрено техническим заданием, то составляется план объектов мониторинга с линиями равных деформаций. Значения деформационных характеристик, величины которых оказались меньше предельных погрешностей их определения принимаются равными нулю. Экспресс-отчёт должен быть направлен заказчику в течении 2-3 рабочих дней после выполнения очередного цикла измерений. Однако, если в процессе обработки результатов наблюдений выявлены деформации, превышающие предельные значения, то информация об этом должна быть направлена заказчику незамедлительно. В состав итогового технического отчёта включаются:  Краткая пояснительная записка, в которой приведены общие сведения об объекте, основаниях для выполнения работ, методиках измерений и обработки результатов.  Итоговые ведомости деформационных характеристик, в которых указываются вычисленные значения деформационных характеристик и предельные погрешности их определения. Для каждой контрольной точки вычисляют итоговое значение деформационной характеристики по результатам наблюдений в последнем и начальном циклах.  Приводится план объектов мониторинга в произвольном масштабе с отображёнными местами исходных и деформационных знаков, текущих и итоговых значений деформационных характеристик для каждой деформационной марки.  Графики деформаций, если предусмотрено техническим заданием. 90  План объектов мониторинга с линиями равных деформаций, если предусмотрено техническим заданием.  Эпюры распределения осадок по периметру сооружения, если предусмотрено техническим заданием. В случае выявления деформаций, превосходящих предельные значения, необходима организация углублённого анализа результатов наблюдений. Выполнение такого анализа является самостоятельной научно-технической задачей. 2.7. Методы измерений горизонтальных перемещений. Горизонтальные перемещения объектов определяют из сравнения плоских прямоугольных координат точек сооружения между циклами. При изучении горизонтальных перемещений перед началом измерений в общем случае производят следующие подготовительные работы:  устанавливаются надёжные и стабильные в плановом отношении опорные знаки, часто снабжённые принудительными центрировочными приспособлениями;  на исследуемом объекте на внешних или внутренних его конструкциях закрепляются контрольные геодезические знаки – деформационные марки;  разрабатываются методы контроля стабильности опорных знаков, чаще всего в виде программы наблюдения ориентирных пунктов;  разрабатываются методы наблюдений деформационных марок, обеспечивающие необходимую точность определения их координат. Горизонтальные перемещения фундаментов зданий и сооружений могут быть измерены одним из следующих методов или их комбинированием:  методом створных наблюдений;  методом засечек и отдельных направлений (горизонтальных углов);  координатными методами (триангуляции, полигонометрии, спутниковыми методами и т.п.);  фотограмметрическими методами или лазерным сканированием. 91 Допускается применение методов трилатерации, линейно угловых построений, а также сочетаний перечисленных методов. Кроме того могут быть использованы прямые и обратные отвесы. Отдельные методы измерений горизонтальных перемещений могут применяться лишь для некоторых классов точности измерений. Так метод фотограмметрии применим только для II – IV классов точности, а метод полигонометрии лишь для III – IV классов точности. Плановые опорные пункты располагают вне сооружения по возможности в устойчивых грунтах, в стороне от проездов и с удобным подходом. Ранее на рисунках 2.6 и 2.7 нами показаны возможные простые конструкции плановых опорных знаков открытого и закрытого типов. Закрытые знаки закладывают в горные выработки и обжитые районы заподлицо с земной поверхностью (асфальтом). При наблюдениях с таких знаков прибор устанавливается на штативе и центрируется при помощи оптического центрира. Открытые опорные знаки выступают над поверхностью земли на высоту, удобную для производства наблюдений. Прибор непосредственно устанавливается на центрировочное устройство знака. В реальности конструкции плановых знаков весьма разнообразны и могут быть достаточно сложными. Положение этих знаков контролируют по другим, так называемым, ориентирным пунктам, располагаемым на значительных расстояниях (1 – 2 км). Деформационные (контролируемые) знаки закрепляются на элементах конструкций сооружений по возможности ближе к основанию не реже 20 м, по углам, по обе стороны осадочных (температурных) швов, в местах максимальных горизонтальных нагрузок. Места установки деформационных марок должны быть согласованы с заказчиком (проектной организацией). На гидротехнических сооружениях наиболее выгодным местом установки марок считается пол нижней потерны, над конечными точками которой и по обе стороны секций или монолитных блоков должны быть оставлены отверстия для выноса центров знаков на гребень плотины. Конструкции деформационных марок достаточно разнообразны и зависят от принятого способа измерений. Так, если наблюдения предполагается осуществлять засечками, способом горизонтальных углов или отдельных направле92 ний, словом деформационную марку следует наблюдать, то её конструкцию проще выполнить в виде визирной цели из геометрической фигуры, раскрашенной в два цвета, например жёлтый и чёрный. Если измерительным прибором является электронный тахеометр, то визирная цель может быть представлена в виде втулки, в которую на момент измерений принудительно вставляется призменный отражатель. Визирная цель для наблюдений электронным тахеометром может быть также выполнена в виде квадратика светоотражательной плёнки – марки катафота, наклеенной в интересующем наблюдателей месте. Визирные цели могут быть подвижными и неподвижными. Неподвижные визирные цели, описанные выше, используются при оптическом и электрооптическом измерении угловых и линейных величин, нестворностей по окулярному или оптическому микрометру, а также при наблюдении опорных и ориентирных пунктов. Рис. 2.11. Метод створных наблюдений Подвижные визирные цели используются для непосредственного измерения отклонений деформационных знаков от линии створа. Они имеют приспособления для принудительного центрирования и могут перемещаться перпендикулярно плоскости створа. Эти перемещения и являются объектом измерений. Метод створных наблюдений при измерениях горизонтальных перемещений объектов применяют в случаях значительной вытянутости (прямолинейности) исследуемого объекта или его частей. Обеспечив устойчивость концевых опорных знаков створа (точки А, В, С и D, рис. 2.11), измеряют отклонения Δ деформационных марок М1, М2, М3 и т.д. от заданного створа различными способами. Нестворности Δ1, Δ2 и т.д. могут быть измерены непосредственно. Для 93 этих целей створ ВС задаётся на местности или струной, или лазерным лучом или визирной осью зрительной трубы теодолита и алиниометра. Если створ задаётся лазерным лучом или коллимированным световым потоком, то роль подвижной визирной цели должен осуществлять приёмник света с отсчётным приспособлением. Если створ задаётся визирной осью зрительной трубы теодолита, то измерения нестворностей выполняют на подвижные визирные цели при двух кругах теодолита в прямом и обратном направлениях, а число приёмов измерений должно удовлетворять расчётной точности измерений. Визирование на подвижную визирную цель, центрированную на деформационной марке, осуществляется точными и высокоточными теодолитами, снабжёнными накладными уровнями. Нестворности Δ1, Δ2 и т.д. могут быть вычислены, если измерены расстояния s до деформационной марки и малые углы β:   s  sinβ  s β . ρ (2.18) Расстояние s от пункта стояния до деформационной марки проще всего измерять электронными тахеометрами. Число приёмов измерения расстояний и горизонтальных углов рассчитывается исходя из предписанной точности измерения перемещений. Более детально створные способы измерений рассмотрены в разделе 1. Метод отдельных направлений применяется для измерения горизонтальных перемещений строительных объектов при невозможности закрепить створ или обеспечить устойчивость концевых опорных знаков створа. Для реализации способа необходимо закрепить за пределами зоны деформаций ряд опорных знаков (Т1, Т2 и т.д.) и неподвижные ориентирные пункты (ОРП), рис. 2.12. Величина горизонтального перемещения Δ деформационной марки М определяется с каждого опорного знака по расстоянию S, от опорного знака до марки и по изменению направления β, между ориентирным знаком и деформационной маркой в двух циклах измерений по формуле  94 βS , ρ (2.19) где ρ число секунд в радиане. Марки проще выполнить в виде светоотражательной плёнки (марки катафоты), а наблюдения производить электронным тахеометром. Точность и количество приёмов измерения горизонтальных направлений следует предварительно рассчитать исходя из точности определения сдвига сооружения. Величину и направление горизонтального перемещения каждой марки можно определять также графически. Рис. 2.12. Метод отдельных направлений Координатные методы применяют для измерения горизонтальных перемещений объектов, возводимых в пересечённой или горной местности, а также при невозможности обеспечить устойчивость концевых опорных знаков створа. Величина и направление перемещения деформационной марки определяются по изменениям её координат за промежуток времени между циклами наблюдений. Система координат может быть принята условной, а координатные оси развёрнуты перпендикулярно или параллельно осям сооружения. Линейно-угловые построения для координатных определений могут быть представлены в виде специальных сетей триангуляции и трилатерации, комбинированных сетей, угловых и линейных засечек, ходов полигонометрии, сетей из вытянутых треугольников с измеренными сторонами и высотами. Выбор способа геодезического построения зависит от формы сооружения, требуе95 мой точности и условий измерений, организационных и других факторов. Во многих случаях применяют комбинированные линейно-угловые построения, сочетающие трилатерацию и триангуляцию. В таких построениях обычно принято измерять все углы и все или часть сторон. Точность измерения угловых и линейных величин определяется на основе расчётов, исходя из требований точности определения величин смещений. Рис. 2.13. Схема координатных определений на гидроузле В расчётах используют формулы для оценки точности определения смещений по осям принятой системы координат X и Y. mqx  μ 2Qx ; mqy  μ 2Qy , где μ – средняя квадратическая ошибка веса (обычно ошибка измерения угла или направления); Qx и Qy – обратные веса определения координат наблюдаемых точек соответственно по осям Х и Y. Линейно-угловые построения могут быть одноступенчатыми, когда в единую сеть включают исходные пункты, принимаемые за неподвижные, и деформационные марки на сооружении. При двухступенчатом построении сначала создают опорную сеть, которая может состоять из опорных и вспомогательных 96 знаков. Повторные измерения в такой сети позволяют контролировать устойчивость опорных знаков и определять координаты вспомогательных знаков, относительно которых производят наблюдения за положением деформационных марок на сооружении. Угловую, линейную засечку или способ полярных координат, в качестве второй ступени геодезического построения, часто применяют для определения смещений недоступных точек сооружения (рис. 2.13). Для определения смещений основания сооружения относительно его верхней части, например, подошвы плотины относительно гребня, применяют прямые и обратные (поплавковые) отвесы. В теле сооружения отвесы размещают в вертикальных шахтах или в специально заложенных трубах. В прямом отвесе вертикальную ось задают проволокой диаметром 0,81,2 мм, которую подвешивают наверху и натягивают снизу грузом в 20-30 кг. На нижних ярусах положение проволоки определяют координатомером. В обратном отвесе вертикальность проволоки реализуют поплавковым устройством в верхней его части. Снизу проволока закрепляется при помощи якоря. Поплавок выполняется в виде полого тора, плавающего в круговом сосуде с жидкостью. Поплавок натягивает проволоку в отвесном положении. При взаимном смещении подошвы плотины и её верха, перемещается осевая точка плавающей системы, что фиксируется микроскопом координатного столика. 2.8. Способы измерения кренов Крен является наиболее характерным показателем совместной деформации высотного сооружения и его основания. В таких сооружениях, обладающих повышенной чувствительностью к деформациям грунтов основания, крен вызывает развитие дополнительного момента, который в свою очередь способствует увеличению крена и может привести к потере устойчивости сооружения. Крен сооружения может быть выражен в линейной, угловой и относительной мере. Под линейной величиной абсолютного крена понимается отрезок между проекциями на горизонтальную плоскость центра подошвы фундамента и положения центра верхнего сечения сооружения. 97 Абсолютный крен в угловой мере определяется острым углом между отвесной линией в центре подошвы фундамента и положением вертикальной оси сооружения. Относительным креном называют отношение абсолютного крена сооружения к высоте сооружения. Наблюдения за кренами сооружений, также как и за остальными видами деформаций, проводятся в соответствии с требованиями СНиП 2.02.01-83 «Основания зданий и сооружений». Эти нормы ограничивают совместную деформацию основания и сооружения предельно допустимой величиной, соответствующей пределу эксплуатационной пригодности сооружения. Для промышленных дымовых труб предельные относительные крены составляют: iпр = 0,005 при Н ≤ 100 м; iпр = 1 при Н> 100 м. 2Н Для многоэтажных бескаркасных зданий предельные крены установлены значением 0,005 при высоте сооружения более 100 м. Основная задача наблюдений за кренами сооружений башенного типа состоит в предупреждении возможного появления недопустимых величин кренов и разрушения строения. Решение этой задачи является необходимым условием нормальной эксплуатации сооружения. Для производства высокоточных систематических наблюдений за кренами высотных инженерных сооружений геодезические службы осуществляют следующие работы:  построение опорной планово-высотной геодезической сети при сооружении, находящемся в эксплуатации (для строящихся сооружений наблюдения за деформациями производятся с пунктов разбивочной сети);  производство геодезических измерений по разработанной и обоснованной методике;  обработка результатов измерений и составление технического отчёта. Наблюдения за кренами сооружений производятся на основе технического задания, в котором указывается точность измерений, схема размещения дефор98 мационных марок, периодичность и сроки наблюдений, а также требования к построению геодезической основы. На основе технического задания разрабатывается проект производства геодезических работ, включающий в себя:  расчёт необходимой точности геодезических измерений;  выбор и обоснование схемы построения планово-высотной основы и конструкции опорных пунктов;  конструкции деформационных знаков и способ их закрепления;  методику геодезических измерений в соответствии с выбранными приборами и методами наблюдений крена;  перечень инструментов и оборудования и календарный план производства работ;  методы обработки результатов измерений, расчёт численности и штатов исполнителей и смету на производство работ. Наблюдения исследуемого сооружения следует выполнять способами, обеспечивающими требуемую точность и надёжность определения крена и вместе с тем экономически наиболее выгодными. Определение крена эксплуатируемого сооружения в зависимости от требуемой точности и высоты объекта, а также местных условий может быть осуществлено одним из следующих геодезических способов:  координат;  высокоточного нивелирования осадочных марок;  измерения горизонтальных углов или направлений;  вертикального проектирования и зенитных расстояний;  методами фотограмметрии и лазерного сканирования. Для измерений кренов высокого сооружения в его окрестностях строится геодезическая планово-высотная опорная сеть, с пунктов которой производятся наблюдения интересующих точек сооружения. Исходя из способа измерений, опорные пункты располагают таким образом, чтобы составленные ими стороны и базисы явились основой для производства измерений по избранным точкам фасадов и контуров сооружения. Наблюдения производят циклично (периодически) в соответствии с разработанной и принятой методикой измерений. Способ координат заключается в циклическом координировании центров 99 деформационных марок, расположенных в верхних и нижних поясах высотного сооружения. Для этих целей против исследуемого фасада высотного сооружения необходимо установить не менее двух опорных знаков, образующих базис, с концов которого определяются координаты верхней и нижней деформационных марок, закреплённых на фасаде сооружения (рис. 2.14). Рис. 2.14. Способ координат Чаще всего вокруг исследуемого сооружения строится сеть из пунктов замкнутого полигонометрического хода или линейно угловой сети. Опорные сети привязывают к Государственным сетям. На рисунке 2.14 точки А, В, С, D – пункты опорной сети, а точки М1,...,М4 – деформационные марки. Конструкции плановых опорных знаков рассматривались ранее (рис. 2.6 и 2.7). В качестве деформационных марок могут быть использованы марки из светоотражательной плёнки (марки катафоты). Координаты центров марок могут быть определены по координатам опорных знаков способами прямой угловой засечки, а также способом полярных координат. По разностям координат точек между начальным и текущим циклами наблюдений находят составляющие крена за данный промежуток времени: 100 Qx  xi  x0 ; Qy  yi  y0 ; (2.20) полную величину крена и его направление Q  Qx2  Qy2 , tgQ  Qy Qx (2.21) Методику и точность наблюдений следует обосновать исходя из необходимой точности измерения крена. Способ высокоточного нивелирования основан на цикличном высокоточном геометрическом или гидростатическом нивелировании деформационных марок, расположенных на диаметрально противоположных сторонах цокольного сечения сооружения (рис. 2.14). Рис. 2.14. Определение крена нивелированием На рисунке исходное положение деформационных марок обозначено точками 1о и 2о. Высотное положение тех же точек в i – том цикле наблюдений обозначено точками 1i и 2i. Соответствующие осадки названных точек за время наблюдений обозначены через S1 и S2. При неравномерных осадках деформационных марок возникнет их разность, равная S  S2  S1 . Относительный крен сооружения определится выражением  S . (2.22) H d В этой формуле d – расстояние между марками, а Н – высота сооружеQ 101 ния. Q – линейная величина абсолютного крена. Для измерения крена сооружения сложной геометрической формы используют ранее описанные метод измерения отдельных направлений (горизонтальных углов) с двух постоянно закреплённых опорных пунктов и базисов, образованных этими и ориентирными пунктами. Направления с опорных пунктов на исследуемый объект могут быть взаимно перпендикулярны, но могут также составлять некоторый угол γ (рис. 2.15). Рис. 2.15. Определение крена измерением горизонтальных углов Способ заключается в определения составляющих абсолютного крена и его величины в первом цикле и приращений крена в последующих циклах по результатам измерений горизонтальных направлений. На рис. 2.15 точки 1 и 2 – опорные пункты геодезической сети, построенной для исследования кренов некоторого высотного объекта. Точки А и В – пространственное положение наблюдаемой верхней точки (деформационной марки) сооружения соответственно в нулевом и текущем циклах наблюдений. Следовательно, вектор АВ = Q есть линейный сдвиг (пространственное перемещение) верхней точки сооружения за истекший период наблюдений. Составляющие этого перемещения q1 и q2 могут быть найдены, если в точках 1 и 2 измерены горизонтальные углы, образованные какими либо исходными направлениями и ис102 следуемой точкой, найдены изменения (приращения) горизонтальных углов (Δβ1 и Δβ2) за время между циклами, а также измерены горизонтальные расстояния (S1 и S2) между опорными пунктами и проекцией наблюдаемой точки на основание сооружения. Таким образом, по величине изменения направлений между циклами на верхнюю точку сооружения и горизонтальному проложению до наблюдаемой точки находят составляющие крена q1 и q2 : q1  S11  ; q2  S2  2  . (2.23) Полная величина крена Q и направление перемещения верхней точки находятся из соотношений Q  q12  q22 , tg Q  q1 q2 . (2.24) Отношение линейной величины крена Q к высоте сооружения Н даёт крен в угловой мере Q . (2.25) H Величина крена определяется по линейной величине сдвига, отнесённого к высоте деформационной марки над подошвой фундамента. Если наблюдения за кренами ведут с пунктов, линии визирования с которых располагаются под некоторым углом засечки γ, то полный крен вычисляют по формуле i Q 1 sin  q12  q22  2q1q2 cos  . (2.26) При измерении кренов фундамента или сооружения методом вертикального проектирования применяются высокоточные теодолиты, снабжённые накладным уровнем или приборы вертикального проектирования. Способ применяется для наблюдений за наклоном сооружений небольшой высоты при условии обеспечения видимости и доступа к нижней их части. Способ удобен для выверки вертикальности оси сооружения и в процессе строительства. Проектирование верхней деформационной марки вниз и отсчитывание по палетке (рейке), установленной в цокольной части, выполняют c трёх опорных пунктов при двух положениях зрительной трубы теодолита или четырёх положе103 ниях трубы зенит прибора. Величина крена определяется по разности отсчётов по рейке или по разности координат палетки, отнесённой к высоте сооружения в двух циклах. Для реализации стереофотограмметрического способа напротив фасада исследуемого сооружения разбивается базис фотографирования, располагая его симметрично объекту и ориентируя примерно параллельно какой-либо плоскости фасада. Расстояние от базиса до сооружения определяется высотой объекта и требуемой точностью измерений. Концы базиса фотографирования закрепляются постоянными знаками, а его длина рассчитывается по известным соотношениям и тщательно измеряется [6, 19]. Систематические наблюдения за креном сооружения ведутся по результатам измерения координат маркированных точек, которые располагают в верхнем и нижнем сечениях сооружения. Начало пространственной фотограмметрической системы координат совмещается с левым концом базиса фотографирования, ось ординат – с направлением оптической оси камеры фототеодолита, ось абсцисс – с проекцией базиса фотографирования на горизонтальную плоскость, ось аппликат – вертикальна. В каждом цикле наблюдений изучаемое сооружение фотографируют с двух концов базиса, применяя нормальный случай съёмки. Полученные в результате съёмки стереопары обрабатывают на стереокомпараторе и вычисляют пространственные фотограмметрические координаты X, Y, и Z маркированных точек сооружения, что даёт возможность вычислять линейные величины частных кренов, направление и абсолютные значения кренов сооружения. Крены фундаментов под машины и агрегаты могут быть определены посредством переносных или стационарных наклономеров или клинометров – уровней, снабжённых микрометренным винтом. Наиболее точными современными приборами для измерения наклонов являются электронные уровни и датчики углов наклона. 2.9. Методика и точность измерений при определении кренов сооружений В процессе строительства геодезический контроль вертикальности кон104 струкций и собственно сооружения осуществляется при помощи тяжёлых отвесов, лазерных и оптико-механических зенит приборов, накладных уровней с большой базой и т. п. При определении кренов сооружений методика измерений непосредственно зависит от принятого способа этих определений. Так, если крен определяется вертикальным проектированием при помощи зенит прибора, то методика измерений будет полностью соответствовать технологическому процессу вертикального переноса базовой точки на монтажные горизонты. Средняя квадратическая ошибка построения оптической вертикали зенит приборами при высоте до 100 м составляет 1 мм. Методика наблюдений за кренами способами, основанными на прямой угловой засечке или способе полярных координат, разрабатывается в соответствии с требуемой точностью измерений горизонтальных углов и длин линий исходя из требуемой точности определения крена. Определение кренов сооружений даже при благоприятной форме засечки требует применение высокоточных теодолитов типа ОТ-02, Т-1 и т. п. и современных электронных тахеометров. Перед началом измерений приборы следует тщательно исследовать и выполнить все поверки. Следует убедиться в устойчивости инструмента на туре или штативе, разыскать все визирные цели, подлежащие наблюдению и составить таблицу установок лимба между приёмами. Углы следует измерять способом круговых приёмов. Количество приёмов для измерения углов с точностью 2-3″ теодолитами ОТ-02 и Т-1 должно быть не менее трёх. Измерения следует производить при благоприятных условиях видимости в пасмурные дни, в периоды спокойных и чётких изображений. Инструмент следует установить на пункте наблюдения заблаговременно, чтобы его температура сравнялась с температурой воздуха. Для исключения влияния ветрового потока на результаты угловых измерений наблюдения следует производить в безветренную погоду. Для ослабления влияния рефракции пункты наблюдения за креном располагают так, чтобы визирные лучи проходили не ближе 10 м от нагреваемых поверхностей. Существенное влияние на точность определения кренов могут оказать 105 ошибки, вызываемые неровностями поверхности сооружения и несимметричностью поясов относительно его оси. Для ослабления влияния этого фактора следует предусмотреть наблюдения нескольких сечение на разных высотах. Предельные погрешности измерения кренов в зависимости от высоты Н наблюдаемого сооружения определены ГОСТ 24846-81. «Грунты. Методы измерения деформаций оснований зданий и сооружений» и не должны превышать величин, мм, для:  гражданских зданий и сооружений  промышленных зданий и сооружений, дымовых труб;  доменных печей, мачт, башен и др.  фундаментов под машины и агрегаты - 0,0001Н; – 0,0005Н; - 0,00001Н. Так, для гражданского здания высотой 200 м предельная погрешность определения крена составит 20 мм. Следовательно, средняя квадратическая погрешность определений крена не должна превысить 10 мм. Зная эту величину, подбирают схему и способ измерений, а также приборы. Например, если определение крена предполагается осуществлять координатным методом (способом полярных координат) с твёрдых пунктов опорного базиса при помощи электронного тахеометра, то предварительные расчёты выполняют следующим образом. Составляют схему опорной сети и определяют среднее расстояние от знаков этой сети до деформационных марок, расположенных на исследуемом здании. Пусть это расстояние находится в пределах 400 м.  Определяют точностные параметры используемого прибора, электронного тахеометра. Пусть эти параметры для наиболее распространённых приборов будут: средняя квадратическая ошибка измерения дальности на указанных расстояниях ms = 3 мм, а средняя квадратическая ошибка измерения горизонтального угла mβ  2″. Тогда средняя квадратическая ошибка планового положения деформационной марки в отдельном цикле наблюдений определится по известной формуле 2 пол m m S 2 s 2 mβ2 ρ2 . (2.27) Эта формула отражает ошибку способа определения координат марки без учёта ошибок исходных данных и центрирования. 106 Подставив в эту формулу приведённые выше числовые значения, получим mпол = 5 мм. Однако линейная величина абсолютного крена определяется по разности координат деформационной марки в нулевом и текущем цикле наблюдений. Следовательно, средняя квадратическая ошибка линейной величины крена по отношению к mпол увеличится по крайней мере в 2 , что составит 7 мм. Иными словами, в первом приближении можно заключить, что метод определения крена полярной засечкой электронным тахеометром обеспечивает условия ГОСТ 24846-81. Следовательно, способ измерения и принятый прибор позволяют получить результаты в пределах установленных норм точности, т. е. полученные расчётные значения сравнивают с допустимыми, нормативными или строительными допусками и принимают решения о целесообразности принятого метода и приборов. Для более уверенного заключения следует детализировать процесс измерений и выполнить строгую оценку точности с учётом влияния всех возможных ошибок, свойственных принятому способу 107 3. ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ РАБОТЫ В ТУННЕЛЕСТРОЕНИИ 3.1. Общие сведения о туннелях Туннели являются ответственными инженерными сооружениями и подразделяются на туннели на путях сообщения (железнодорожные, метрополитены, пешеходные и судоходные), гидротехнические туннели (в комплексах гидроузлов, водоснабжения, мелиорации), промышленные и горнопромышленные, коммунальные туннели (водостоки, коллекторы и др.) а также специальные. Рис. 3 1. Схема строительства туннеля открытым способом Туннели мелкого заложения обычно сооружают открытым способом без нарушения обустройства на земной поверхности. Ось запроектированной трассы в этом случае переносят в натуру и закрепляют знаками. По контуру будущего туннеля сооружают свайное или шпунтовое ограждение, разрабатывают грунт и производят бетонные и изоляционные работы. Сооружают подготовку из бетона, устраивают защитную кирпичную стену (рис. 3.1), далее возводят стены, лоток и перекрытие. Особое внимание уделяется гидроизоляционным работам. Работы завершают обратной засыпкой котлована. 108 Туннели глубокого заложения сооружают или через порталы (рис. 3.2 и рис. 3.3) или через вертикальные стволы шахт и специальные камеры (рис. 3.4). Рис. 3.2. Схема сооружения туннеля через порталы в разрезе Рис. 3.3. Фронтальный вид портала Порталом называют защитные бетонные или бутовые стены, оформляющие вход в туннель (рис. 3.3). Через порталы строят чаще всего горные туннели, а также туннели, входящие в депо. В горных условиях полотно железной дороги доводят до горного массива, затем производят выемку грунта и возводят защитную стенку, предназначен109 ную для предохранения входа в туннель от обвалов, снежных лавин и ливневых вод. Иногда перед порталом строят рампу – длинную, постепенно увеличивающуюся по глубине выемку с укреплёнными бетоном или камнем бортами. Рис. 3.4. Схема сооружения туннеля через ствол Туннели метрополитена глубокого заложения сооружают обычно посредством вертикальных стволов шахт (рис. 3.4), которые для удобства при дальнейшей эксплуатации располагают на расстоянии около 40 м от трассы туннеля. После проходки до проектной глубины и закрепления ствола под землёй сооружают приствольные выработки и штольни для выхода от ствола на трассу туннеля. После выхода подходных штолен на трассу строят камеры для сборки проходческого оборудования. Таким оборудованием для механической разработки грунта может быть проходческий щит – устройство цилиндрической формы диаметром, равным диаметру туннеля, оборудованное ножами и гидравлическими домкратами, продвигающими щит вперёд по оси выработки. По внешнему контуру поперечного сечения туннеля после выемки грунта сооружают постоянное крепление, называемое обделкой. Обделка бывает металлическая или железобетонная и состоит из отдельных колец шириной 0,75…1,0 м, каждое из которых собирается из отдельных блоков или тюбингов. Такую об110 делку применяют преимущественно в мягких грунтах для гидротехнических туннелей и туннелей метрополитена. Рис. 3.5. Габариты туннеля При сооружении туннелей на путях сообщения установлено три вида габаритов (рис. 3.5): подвижного состава, приближения строения и приближения оборудования. Габарит подвижного состава определяется контуром, внутри которого помещается подвижной состав со всеми выступающими частями с учётом наклона вагонов и поломки рессоры. Габарит приближения оборудования определяется контуром, соединяющим наиболее выступающие точки различного оборудования (кабелей, светофоров, релейных шкафов, осветительных фонарей и др.), устанавливаемого в туннелях. Габарит приближения строения определяется контуром, соединяющим выступающие внутрь точки обделки туннеля. Пространство между габаритом подвижного состава и габаритом приближения оборудования называют габаритным запасом. Габаритный запас, обычно равный 100 мм, устанавливается проектировщиками и служит исходной величиной при расчёте требуемой точности производства геодезических работ. Форма поперечного сечения зависит от размера поперечного сечения строящегося туннеля, от его назначения, способа строительства, интенсивности и направления давления грунта. Туннели метрополитена глубокого заложения 111 обычно строят однопутными с круглым сечением. При мелком заложении они имеют прямоугольное сечение и могут быть как однопутными, так и двухпутными. Проектирование туннелей осуществляют двумя способами: геометрическим и аналитическим. Геометрический способ чаще всего применяют при проектировании туннелей мелкого заложения на путях сообщения и гидротехнических сооружений при несложных топографических условиях района работ. Ось туннеля трассируют непосредственно в натуре на поверхности земли. Измеренные углы и линии вынесенной на поверхности и закреплённой оси туннеля принимают за основу при его строительстве, поэтому ошибки геодезических измерений оказывают влияние на точность сбойки подземных встречных выработок, что является существенным недостатком. Аналитический способ применяют на застроенных территориях и в сложных топографических условиях. Он заключается в том, что трассу проектируют (наносят) на плане города крупного масштаба (1:2000) и графически определяют координаты углов поворота. По этим координатам, решая обратные задачи, вычисляют длины линий и дирекционные углы прямых участков. По разностям дирекционных углов находят углы поворота трассы. Такой метод расчёта позволяет получать строго математически согласованные между собой элементы трассы. 3.2. Аналитический расчёт трассы туннеля Вычисление элементов кривой и длины неправильного пикета. В плане трасса туннеля состоит из прямых участков и круговых кривых. Для придания транспорту большей плавности перехода с прямолинейного участка на кривые между ними вписывают так называемые переходные кривые переменного радиуса. В профиле трасса также состоит из прямых участков разных уклонов, сопрягаемых вертикальными круговыми кривыми. Ось трассы туннеля, состоящую из прямых участков и круговых кривых, называют разбивочной осью. Туннели метрополитена строят преимущественно однопутными, поэтому для движения поездов в прямом и обратном направлениях сооружают два тун112 неля с расстоянием между ними в 25,4 м. Один из туннелей называют левым, а другой правым Трассу проектируют на топографических планах и картах и разбивают на местности стометровыми участками, которые называются пикетами (ПК). Началу трассы приписывают нулевой пикет. Для удобства пользования пикетами при проектировании и расчётах, связанных с переносом трассы на местность, пикеты располагают на перпендикуляре к трассе обоих туннелей. Для перенесения на местность запроектированной трассы на круговой кривой в проектных чертежах указываются основные элементы: угол поворота трассы θ; радиус круговой кривой R; длина кривой K и длина тангенса T. На криволинейных участках длину K и радиус R круговых кривых на правом и левом туннелях проектируют одинаковыми, поэтому число пикетов на внутреннем туннеле будет меньше, чем на внешнем. По этой причине одноимённые пикеты на прямых участках трассы не будут находиться на одном перпендикуляре к оси пути, что вызывает значительные неудобства при строительстве и эксплуатации. Для устранения этих неудобств изменяют длину одного из пикетов, вводят так называемые неправильные пикеты, длины которых могут быть больше или меньше 100 м. Так как длины круговых кривых в левом и правом туннелях одинаковы, то отклонение длины неправильного пикета от 100 м определится величиной а = а1 + а2, (рис 3.6), причём а1 = а2. Опустив перпендикуляр из центра кривой левого тоннеля Цл на линию правого туннеля при расстоянии между осями путей D, получим отрезок ЦпА = D, так как радиусы круговых кривых в обоих туннелях одинаковы. Из треугольника АЦлЦп получим  a1  Dtg , 2 (3.1) следовательно,  a  a1  a2  2 Dtg . (3.2) 2 Величина а может быть введена в последний пикет внешней кривой со знаком плюс или в пикет внутренней кривой с отрицательным знаком. 113 Главными точками круговой кривой называют начало круговой кривой (НКК), середину кривой (СКК) и конец круговой кривой (ККК). Пикетажные значения главных точек круговой кривой вычисляются по пикетажному значению вершины угла поворота (ВУП) и основным элементам кривой: тангенсу Т, длине круговой кривой (К), домеру Д (Д = 2Т - К). Пикетажное наименование начала кривой (рис. 3.6.) находят из соотношения НКК = ВУП – Т. Тогда конец круговой кривой найдётся из равенства ККК = НКК + К. Пикетажное наименование середины кривой (СКК) находят через половину кривой, т.е. СКК = НКК +0,5К. Рис. 3.6. Расположение пикетов на кривых в двухпутном туннеле Вычисление координат пикетов на прямолинейных участках трассы и на кривой. Для вынесения проекта туннеля в натуру необходимо знать координаты всех пикетов трассы и точек кривых. На прямых участках приращения координат между пикетами вычисляют по известным формулам xi  d  cos  i ; , yi  d  sin  i .  (3.3) где d - проектное расстояние между пикетами, обычно равное 100,0 м, а αi - дирекционный угол прямых участков, определяемый через углы поворота трассы. 114 Координаты пикетов, расположенные на круговой кривой, можно вычислить или через центральные углы и длины радиусов по координатам центра кривой или по стягивающим хордам и углам между ними. Центральные углы определяются по формулам (рис. 3.7.)  1  k1   / R;  П  kП   / R;  НП  kНП   / R;  2  k2   / R, ......(3.4) где γ1 – центральный угол при точке О между радиусами, проведёнными через точку НКК и первый пикет, лежащий на кривой; γ2 - центральный угол между радиусами, проведёнными через последний пикет, лежащий на кривой и точку ККК; γП - центральный угол, соответствующий нормальному пикету; γНП - центральный угол, соответствующий неправильному пикету; k1, k2, kП и kНП - длины дуг, соответствующие одноимённым центральным углам. Выполненные вычисления следует проконтролировать по формуле: γ1 + γ2 + nγП + γНП = θ. (3.5) Рис. 3.7. Вычисление координат пикетов на кривой В этой формуле n - число нормальных пикетов на кривой; θ – угол поворота трассы. 115 Длины круговых кривых, используемые для вычисления центральных углов, также следует проконтролировать: k1  nkп  kнп  k2  K , (3.6) где К – длина всей круговой кривой. Координаты центра кривой вычисляют решением прямой геодезической задачи от точки НКК по длине радиуса R и дирекционному углу первого тангенса αТ1 + 90°. Дирекционные углы направлений на пикеты из центра кривой О определяют по известному дирекционному углу линии О-НКК путём прибавления соответствующего центрального угла γ. По этим дирекционным углам и известному радиусу кривой находят приращения координат и координаты всех пикетов на кривой. Для вычисления координат точек на кривой по стягивающим хордам необходимо знать дирекционные углы и длины этих хорд. Дирекционные углы хорд находят по исходным дирекционным углам линий тангенсов αТ1 и αТ2 через значения углов поворота хорд, которые вычисляются из равнобедренных треугольников, образованных радиусами и стягивающими хордами (рис. 3.8). При точке НКК дирекционный угол хорды, вычисленный по дирекционному углу тангенса и углу γ/2 получит значение αТ1 + γ/2. В точке ПК 32 дирекционный угол хорды bп найдётся через угол между хордами γ/2 + γп/2 и т.д. Длину хорды можно найти из соотношения  b  2 R sin . (3.7) 2 Иногда для целей контроля с некоторым приближением используют следующую формулу: ki3 . bi  ki  24 R 2 (3.8) Вычисление координат точек переходной кривой. Переходные кривые, обеспечивающие плавность перехода от прямого участка трассы к круговой кривой, имеют переменный радиус кривизны, меняющийся от бесконечности в 116 начале переходной кривой до величины радиуса круговой кривой в конце переходной кривой. Рис. 13. 8. Вычисление координат по стягивающим хордам Величина радиуса переходной кривой в любой её точке определяется по формуле C , (3.9) l где С – параметр переходной кривой, а l – расстояние от начала переходной кривой до точки, в которой определяется величина переменного радиуса. Параметр переходной кривой зависит от расчётной скорости движения транспорта V, ширины колеи железнодорожного пути b и других величин и для высокоскоростных магистралей может принимать значения от 45000 до 150000. Для небольших скоростей этот параметр принимают менее 45000. В результате применения переходной кривой круговая кривая сместится к центру кривизны на величину р, которая определяется по формуле r L3 , p 24C где L – вся длина переходной кривой. 117 (3.10) Если R - радиус круговой кривой, то радиус смещённой круговой кривой будет равен R – p. Ось трассы, включающей прямые отрезки, переходные и смещённые кривые называют осью пути. Переходные кривые предварительно располагают таким образом, чтобы её середина находилась на радиусе, проходящем через НКК или ККК (рис. 3.9). Для точного расчёта положения переходной кривой находят расстояние от НКК или от конца круговой кривой (ККК, рис. 3.9) до начала переходной кривой (НПК) по формуле L L5 (3.11) t1   2 60C 2 Положение конца переходной кривой находят через её проекцию на ли- нию тангенса: Рис. 3.9. Вставка переходных кривых L L5 . (3.12) t2   2 24C 2 Следовательно, координаты начала переходной кривой можно найти по дирекционному углу тангенса и величине t1, используя координаты точки НКК или ККК. 118 Угол φ поворота переходной кривой вычисляют по формуле L L2 . (3.13)   = 2R 2C Зная угол поворота переходной кривой и радиус смещённой круговой кривой (R – р), легко подсчитать координаты концов переходной кривой через координаты центра круговой кривой. При вычислении координат конца переходной кривой на оси пути по абсциссе и ординате за начало координат принимают точку начала переходной кривой, а за ось Х – линию тангенса. Координаты точки конца переходной кривой в этой системе находят из формул L5 L3 ' x L ; y  . 40C 2 6C ' (3.14) Очевидно x'  t1  t2 . Пикетажные значения начала и конца для первой переходной кривой вычисляются по очевидным соотношениям: НПК1 = НКК – t1; КПК1 = НПК1+ L. То же для второй переходной кривой: НПК2 = ККК + t1; КПК2 = НПК2 – L. Для уравнивания действия центробежной силы, возникающей при движении вагона по криволинейному участку пути, внешний рельс возвышают по отношению к внутреннему на величину h. Возвышение внешнего рельса над внутренним подсчитывают для расчётной скорости движения транспорта на данном участке пути V по формуле b V 2 , h gR (3.15) где g = 9,81 м/с2 – ускорение силы тяжести; b = 1,524 м ширина нормальной колеи (расстояние между осями рельсов). Вследствие возвышения наружного рельса на кривой вагон наклоняется и его центр смещается на некоторую величину. Горизонтальную проекцию этого смещения вычисляют по формуле d qh , b где d = 1,850 м высота центра тяжести вагона над головками рельсов. 119 (3.16) Поэтому на участках кривых ось туннеля следует сместить на величину q относительно оси пути для того, чтобы габариты подвижного состава вписались в габариты туннеля. Такую смещённую кривую называют осью туннеля. Таким образом, на криволинейных участках в проектных чертежах приводятся сведения по трём осям трассы туннеля:  разбивочной оси радиусом R;  оси пути с радиусом Rпут = R – р;  оси туннеля с радиусом Rтон = R – (р +q). Длина круговой кривой по оси туннеля вычисляется через Rтон и центральный угол, на который эта кривая опирается:   2 , т. е. K тон    2 Rтон .  (3.17) Рис. 3.10. Схема разбивки кривой по хордам Детальная разбивка круговых и переходных кривых. Перенесение трассы туннеля в натуру на криволинейных участках осуществляется по ломаному контуру, состоящему из прямых линий, находящихся под некоторым углом друг к другу. В качестве прямых линий выбирают или хорды или секущие. 120 Длину хорды выбирают таким образом, чтобы стрелка прогиба f0 (рис. 3.10) не превышала бы определённой величины (обычно это 100 мм). От этого зависит как точность и удобства производства разбивочных работ, так и их объём. Стрелку прогиба находят из соотношения f0  R(1  cos  / 2) . (3.18) Разложив косинус угла в ряд до членов второго порядка, получим R 2 f0  2 . 8 (3.19) Центральный угол γ, опирающийся на дугу k, определяется известным соотношением  ''  k ''  . Подставляя значение γ в формулу 3.19, находим R k2 (3.20) . 8R Для приближённых расчётов длину хорды можно принять равной длине f0  дуги. Тогда f0  b2 /8R . Из этого выражения легко определить длину bпр такой хорды, при которой стрелка прогиба не превышала бы заданной величины f max : bпр  8Rf max . (3.21) Для вынесения круговой кривой по хордам необходимо вычислить координаты концов хорд. Это можно сделать двумя путями:  кривую выносят в натуру равными хордами так, чтобы все хорды в пределах разбиваемой круговой кривой имели одинаковую длину с точностью до миллиметра;  хордами, длины которых выражены целым числом метров, а последняя хорда (остаток) – длиной, вычисленной до 1 мм. При условии равенства длин хорд в пределах всей круговой кривой по оси туннеля (между концами переходных кривых) определяют приближённую их длину, а затем, пользуясь приближённой длиной хорды, подсчитывают их приближённое число nпр по формуле nпр = Кт/bпр. Длина кривой на оси туннеля определяется формулой Kт  т Rт /  , где т    2 ; Rт  R  ( p  q) . Округлив значение nп до ближайшего целого числа, вычисляют длину кривой, которая соответствует длине принятой хорды по формуле k  K т / n . Зная длину кривой, 121 вычисляют соответствующие ей центральные углы и длину стягивающей хорды по ранее приведённым формулам. Координаты концов хорд вычисляют по замкнутому ходу, последовательно решая прямую задачу по хордам и радиусам Rn, соединяющим центр кривой О и концы переходных кривых, расположенных на оси туннеля. 3.3. Геодезическое обоснование трассы туннеля. Геодезическое плановое и высотное обоснования трассы туннеля можно условно разделить на две части: геодезическое обоснование на поверхности и геодезическое обоснование в самом туннеле. Геодезическое обоснование создаётся для обеспечения точного перенесения в натуру проекта всех подземных и наземных сооружений, входящих в комплекс строительства туннеля и подразделяется на плановое и высотное. Геодезическая основа является исходной для всех разбивочных работ и предназначена для обеспечения точного совпадения осей при сбойках туннелей, сооружаемых встречными забоями. Плановым геодезическим обоснованием на поверхности для вынесения в натуру проекта трассы туннеля до последнего времени служила туннельная триангуляция, линейно-угловая сеть или полигонометрия, заменяющая триангуляцию. Туннельная триангуляция могла быть заменена трилатерацией. Сегодня основным методом построения плановых геодезических сетей на поверхности является спутниковый метод. Традиционная схема построения планового геодезического обоснования на поверхности приведена на рис. 3.11. Туннельная триангуляция представляет собой вытянутую вдоль трассы цепочку треугольников или геодезических четырёхугольников, со связующими углами не менее 40°. В качестве базисов используют непосредственно стороны, расположенные на концах цепочки, а при длинных туннелях и в середине. Для получения исходных координат один из пунктов привязывают к пунктам государственной геодезической сети. При создании туннельной триангуляции обязательно предусматривается возможность передачи дирекционных углов через два смежных ствола от одной 122 и той же стороны, что исключает влияние ошибки исходного дирекционного угла на величину несбойки. Пункты сети стремятся располагать ближе к стволам шахт, но вне зоны возможных деформаций, возникающих под влиянием подземных выработок. Все измерения в сети производят дважды с перерывом в один месяц. Рис. 3.11. Схема планового геодезического обоснования туннеля Разряд и, следовательно, технические характеристики туннельной триангуляции зависят от длины строящегося туннеля. Так при длине туннеля от 2 до 5 км следует принять третий разряд триангуляции с длинами сторон от 1,5 до 5 км. Средняя квадратическая ошибка измеренного угла в такой сети, подсчитанная по невязкам в треугольниках должна быть не хуже 1,5″, а относительная ошибка измеренной длины базиса должна быть не ниже 1:400000. Основным нормативно-техническим документом для геодезистов при сооружении транспортных туннелей является «Инструкция по геодезическим и маркшейдерским работам при строительстве транспортных туннелей. ВСН 16069», изданным в 1970 г. В «Инструкции» приведены нормы точности производства геодезических и маркшейдерских работ на всех стадиях строительства транспортных туннелей. 123 В качестве второй ступени приведённой схемы планового обоснования туннеля выступает основная полигонометрия, главное назначение которой – передача координат от пунктов триангуляции в район ствола и на подземные выработки. Её создают вдоль трассы туннеля вытянутыми ходами или полигонами, опирающимися на пункты туннельной триангуляции. При длине туннеля менее 1 км она может служить первичным плановым обоснованием. Длины ходов между пунктами триангуляции допускаются до 4 км, а между узловыми точками – 1 км. Длины сторон находятся в пределах 150 – 500 м. Сегодня измерения в полигонометрических ходах целесообразнее выполнять электронными тахеометрами. До недавнего времени стороны в полигонометрии измерялись инварными проволоками или фазовыми светодальномерами, а горизонтальные углы теодолитами Т2. Относительная невязка полигонометрического хода не должна превышать 1:30000, а допустимая угловая невязка определяется по формуле f  6 n . На строительных площадках стволов шахт для передачи координат в подземные выработки создают подходную полигонометрию в виде замкнутых полигонов или ходов с узловыми точками. Подходная полигонометрия должна опираться на пункты основной или туннельной полигонометрии. Длины ходов не допускаются более 300 м, а стороны менее 30 м. Углы измеряют со средней квадратической ошибкой 4". Допустимая угловая невязка в ходах и полигонах определяется по формуле f   8 n . Относительная ошибка измерения сторон не должна превышать 1:20000. Применение электрооптических светодальномеров и электронных тахеометров позволило заменить метод триангуляции методом полигонометрии. Пункты туннельной полигонометрии рекомендуется закладывать вне зоны возможных деформаций и не далее 1 км от трассы туннеля. Приведённая на рис. 3.11 схема планового обоснования при этом упростится: из схемы выпадет триангуляционное построение. Серьёзные изменения претерпела схема планового геодезического обоснования трассы туннеля в связи с внедрением спутниковых технологий. Сегодня, используя спутниковые определения, с некоторыми обобщениями и упро- 124 щениями схему построения планового обоснования туннеля на поверхности можно представить следующим образом. Вблизи ствола будущего туннеля, вне зоны возможных деформаций строится сеть из пунктов GPS определений. Количество и расположение пунктов выбирают таким образом, чтобы в образовавшейся фигуре можно было проконтролировать геометрические связи, выполнив традиционные измерения длин сторон и горизонтальные углы. Кроме того, проложив полигонометрический ход между пунктами GPS смежных стволов, можно судить о точности построения планового обоснования на поверхности туннеля, и, таким образом, гарантировать надёжные исходные данные для ориентирования подземных сооружений. Дальнейшие работы по геодезическому обеспечению строительства туннеля заключаются в ориентировании подземных выработок. Ориентировать подземные выработки означает передать в забой координаты и дирекционный угол. Ориентирование производят на пункты подземной полигонометрии, которые закрепляют у ствола. В подходных штольнях, до выхода на ось туннеля, прокладывают подходную подземную полигонометрию. После выхода на трассу вслед за движущимся вперёд забоем прокладывают ходы сначала рабочей полигонометрии со сторонами 25 – 50 м, затем основной подземной полигонометрии со сторонами 50 – 100 метров. И, наконец, при удалении забоя на 200 м и более от ствола для повышения точности передачи дирекционного угла от приствольной линии к забою прокладывают главные ходы подземной полигонометрии. Пункты главных полигонометрических ходов совмещают через две-три стороны с пунктами основной подземной полигонометрии. Высотное геодезическое обоснование также строится в виде сетей на поверхности и нивелирных ходов в подземных выработках. Класс нивелирных сетей выбирается в зависимости от длины туннеля и длин встречных подземных выработок, предусмотренных проектом. При длине туннеля более 2 км, а в горных районах более 1 км, согласно действующим инструкциям, следует выполнять нивелирование II класса, а при длине туннелей менее 2 км – нивелирование III класса. При сооружении метрополитенов высотное геодезическое обоснование, кроме обеспечения сбойки подземных выработок, служит основой для наблюдения за осадками зданий и сооружений. 125 Нивелирные сети II и III класса, развиваемые для строительства туннеля, представляют собой вытянутую вдоль трассы систему замкнутых полигонов, охватывающую всю полосу возможной деформации местности. От реперов этих ходов высоты передаются к стволам шахт, а затем через стволы – в подземные выработки. 3.4. Анализ источников ошибок сбойки встречных забоев При сооружении туннеля от двух стволов встречными забоями под влиянием накопления ошибок геодезических и строительных работ при встрече туннельных обделок могут возникнуть расхождения (несбойка). Расстояние между одноимёнными проектными точками обделки встречных туннелей называют общей несбойкой δ (рис. 3.12). По причине неизбежных ошибок геодезических измерений на поверхности и под землёй оси встречных туннелей не совпадут и займут различные пространственные положения. Расстояние между концами осей встречных забоев принято называть несбойкой рабочих осей σ, плановое положение которых задаётся координатами и определяется из встречных полигонометрических ходов. Конечная точка для обоих встречных ходов закрепляется общей. Координаты этой точки, полученные по ходу от ствола А и по ходу от ствола В, будут различаться. Для дальнейших разбивочных работ принимают среднее значение этих координат и производят раздельное уравнивание встречных ходов. В таком случае полученное фактическое смещение конечной точки по каждому ходу уменьшается примерно в два раза. По этой причине ошибку сбойки в осях двух встречных выработок можно допустить в два раза больше установленного допускаемого отклонения в обделке туннеля. Иначе говоря, предельно допустимую несбойку в обделке можно принять в качестве средней квадратической ошибки конечной точки двух встречных ходов подземной полигонометрии. 126 Величина общей несбойки всегда больше величины несбойки рабочих осей встречных туннелей (    ). Допустимая величина δ определяется габаритным запасом, предусмотренным проектом и зависит от: Рис. 3.12. Сбойка встречных выработок  ошибок планового обоснования δ1;  ошибок высотного обоснования δ2;  отклонение колец при их укладке от разбивочной оси (эксцентриситет) δ3;  отклонение геометрической формы колец от проектной (эллиптичность) δ4;  деформация колец под влиянием горного давления δ5. Общая величина уклонения обделки туннеля от проектного положения определится суммированием перечисленных ошибок:   12   22   32   42   52 . (3.22) Полагая, что влияние ошибок высотного обоснования на общую величину несбойки в два раза меньше, чем планового, т.е. δ2 = 0,5 δ1, а также принимая δ3 = δ4 = δ5 = 50 мм, с учётом того, что δ = 100 мм, из (13.22) получим δ1 = 45 мм, а δ2 = 22,5 мм. Несбойку в плане можно разложить на поперечную σu и продольную σt несбойки. Трассы туннелей близки к прямолинейным и по этой причине продольная несбойка не имеет существенного значения. В связи с этим при расчётах 127 точности построения планового обоснования весь допуск в плане относят на поперечную несбойку, принимая δ1 = σu. На несбойку в плане при строительстве встречных туннелей через стволы А и В оказывают влияние следующие основные ошибки:  построения планового обоснования на поверхности – m1;  ориентирования подземной основы через ствол А – m2;  ориентирования подземной основы через ствол В – m3;  полигонометрического хода, идущего от ствола А – m4;  полигонометрического хода, идущего от ствола В – m5. Таким образом, средняя квадратическая ошибка сбойки рабочих осей встречных туннелей, сооружаемых через стволы, составит m  m12  m22  m32  m42  m52 . (3.23) Для туннелей длиной 1 – 1,5 км влияние перечисленных ошибок можно принять одинаковыми, т.е. m1  m2  m3  m4  m5 =μ. Тогда m    5 и, следовательно  m  0,45  m . 5 (3.24) Согласно расчётам, выполненным ранее, m  1  45 мм и, таким образом μ = 0,45×45 = 20 мм. Полученное значение может служить основой для расчёта необходимой точности измерений на различных стадиях геодезических работ при строительстве через стволы прямолинейных туннелей длиной менее 1,5 км. Для более длинных туннелей расчёты несколько усложнятся. Если туннель сооружается через порталы, то на точность сбойки рабочих осей влияют только три ошибки: геодезического обоснования на поверхности и геодезических измерений в ходах подземной полигонометрии, идущих от одного и от другого порталов к месту сбойки. Ошибка отдельного источника на сбойку определяется формулой п  m 3  0,58m Рассмотрим принцип расчёта требуемой точности измерений на различных стадиях классической схемы построения геодезического обоснования. 128 Геодезическое обоснование на поверхности по классической схеме создают построением триангуляции, сгущаемой основной полигонометрией. Поэтому влияние на сбойку ошибок геодезического обоснования на поверхности выразится величиной m1  mТ2  mп2 , где mт – влияние ошибок триангуляции; mп - влияние ошибок полигонометрии. Исходя из принципа равных влияний, получим mT  mп  m1 2 . (3.25) Поскольку влияние туннельной триангуляции на сбойку между смежной парой стволов составляет m1, то для всего ряда триангуляции mTu  m1 n , (3.26) где n – число сбоек между стволами. Если обозначить через L общую длину туннеля, а через l – среднее расстояние между смежными стволами, то n  L l Подставляя значение n в формулу (3.26), получим mTu  m1 L . l Величина (3.27) определяет поперечное смещение конечного пункта триан- гуляционного ряда по отношению к начальному и с учётом (3.24) и (3.25) составит mTu  m L . l 2 5 (3.28) Эта формула позволяет подсчитать допустимую среднюю квадратическую поперечную ошибку определения взаимного положения пунктов триангуляции, находящихся на противоположных концах строящегося туннеля. Поперечный сдвиг конечной точки триангуляционного ряда без учёта ошибки исходного дирекционного угла может быть определён по формуле mTu  L m  129 2 k2  k  3  , 15 k (3.29) где L – длина полной диагонали ряда; mβ – средняя квадратическая ошибка измерения угла; k – число промежуточных сторон в полной диагонали ряда. Из этой формулы можно выразить и подсчитать ошибку измерения горизонтальных углов в триангуляционном ряду. Непосредственное ориентирование подземных выработок осуществляется с пунктов основной или подходной полигонометрии. Рассчитаем необходимую точность измерения горизонтальных углов в основной полигонометрии, опирающейся на пункты триангуляции. На участке туннеля между двумя смежными стволами поперечная ошибка в средней точке уравненного полигонометрического хода согласно (3.25) не должна превышать величины m m . 10 2 5 mTu  Поперечный сдвиг конечной точки полигонометрического хода определяется по формуле mu  m  s  n3  12 Так как поперечный сдвиг в середине вытянутого уравненного хода считается в два раза меньше ожидаемого смещения конечной точки хода до уравнивания, то поперечный сдвиг конечной точки хода до уравнивания можно определить формулой m   s n  3 2m  10 12 (3.30) где [s] – длина полигонометрического хода; n – число сторон в ходе. Из этой формулы можно выразить и подсчитать допустимую ошибку измерения горизонтальных углов в ходе основной полигонометрии. 130 3.5. Ориентирование подземных выработок При ориентировании подземных геодезических сетей с дневной поверхности в подземные выработки передают дирекционные углы, координаты и высоты. Этот комплекс работ является наиболее ответственным в туннелестроении и требует максимального внимания и полной отдачи всех служб строительства. В тех случаях, когда туннельные выработки выходят на дневную поверхность, ориентирование осуществляется проложением полигонометрического хода через горизонтальные и наклонные туннели. При сооружении туннеля через вертикальную шахту ориентирование подземных ходов может быть выполнено несколькими способами, как-то: створа двух отвесов, соединительного треугольника, двух шахт, гиротеодолитом и др. Ориентировать подземные сооружения можно и при помощи магнитной буссоли. Для этих целей на поверхности определяют магнитный азимут известного дирекционного направления, определяют склонение магнитной стрелки, а, спустившись в подземную выработку, строят нужный дирекционный угол с учётом найденного склонения. Однако точность таких построений не превысит 1 угловой минуты. Ориентирование способом двух отвесов находит наибольшее применение при передаче дирекционных углов в подземные выработки. Средняя квадратическая ошибка передачи дирекционного угла этим способом составляет около 30″. Несколько усовершенствовав способ, ошибку можно уменьшить до 10 – 15″. Отвесы О1 и О2 подвешивают в шахте таким образом. чтобы исключить их касания с ограждающими конструкциями ствола и влияния потоков воздуха. Отвесы нагружают грузами, а грузы помещают в ёмкости с вязкой жидкостью для уменьшения колебаний. От пунктов наземной подходной полигонометрии выносят и закрепляют над шахтой ось подземной подходной штольни точками Т1 и М1 (рис. 3.13). Над точками центрируют соответственно теодолит и визирную марку. Строго в створе визирной линии зрительной трубы теодолита, наведённой на марку, выставляют отвесы О1 и О2. Таким образом, дирекционный угол створа двух отвесов равен дирекционному углу оси подходной штольни. 131 В подземных выработках теодолит устанавливают на координатном столике. Передвигая теодолит перпендикулярно плоскости отвесов, устанавливают визирную ось в створе отвесов, а построив угол в 180°, подвешивают отвес (или устанавливают визирную марку) и закрепляют в створе точку М2. Закрепив точку Т2 на продолжении оси вращения теодолита, получают в подходной штольне её ось Т2М2, дирекционный угол которой принимают равным оси Т1М1 на поверхности. Рис. 3.13. Ориентирование по способу двух отвесов Ориентирование методом двух шахт. По мере продвижения забоя от ствола по трассе в подземных выработках прокладываются полигонометрические ходы, в которых измеряются стороны l и углы β и вычисляют приращения координат и координаты пунктов хода. При значительном удалении забоя от ствола с поверхности бурят скважину для подачи строительных материалов и улучшения вентиляции в забое. Наличие такой скважины по трассе туннеля позволяет проконтролировать построенный подземный полигонометрический ход и выполнить его переориентирование. 132 Для этих целей в вентиляционной скважине подвешивается отвес, на который передаются координаты с пунктов основной полигонометрии на поверхности. Координаты отвеса на поверхности и, следовательно, под землёй принимаются за основу для переориентирования подземного хода. Обозначим координаты отвеса, опущенного через скважину и полученные на поверхности от пунктов полигонометрии через уп и хп, а координаты того же отвеса, полученные посредством полигонометрического хода, проложенного под землёй, через уш и хш. Тогда разница координат определит невязки по осям: f x  xш  хп ; f y  уш  уп (рис. 3.14) По полученным невязкам fx и fy вычисляют абсолютную и относительную невязки подземного полигонометрического хода: fs 1  . L T Если 1:Т окажется более 1:10000, то считают, что точность измерений в подземном полигонометрическом ходе недостаточна и измерения следует повторить. Ориентирование подземных выработок способом двух шахт выгодно отличается от всех остальных способов, поскольку позволяет получить дирекционный угол стороны подземного полигонометрического хода непосредственно у забоя. Однако способ применим для прямолинейных трасс туннелей, когда ход подземной полигонометрии считается вытянутым. Ошибка способа около 8″. Для вытянутого полигонометрического хода продольная невязка t является результатом суммарного действия на положение конечной точки Тк ошибок линейных измерений; равным образом, поперечная невязка u есть результат совместного действия ошибок угловых измерений (рис. 3.14). Переход от fx и fy к t и u основан на переходе от одной системы координат к другой. Непосредственно из рисунка вытекает, что t  f x  cos   f y  sin  , (3.25) u  f y  cos   f x  sin . fs  f x2  f y2 ; Для угла ω имеем sin    y  ; L 133 cos    x , L где L   x  y  2 2 является замыкающей полигонометрического хода. В соответствии с этим формулам (13.25) можно придать вид: t f x   x   f y   y  ; L (3.26) f y   x   f x   y  u . L Полученные величины t и u можно проконтролировать по формуле f y2  f x2  f s2  u 2  t 2 . (3.27) Поперечная невязка u служит исходной величиной для ориентирования подземного геодезического обоснования по способу двух шахт. Она является следствием влияния ошибок геодезического обоснования на поверхности m1, ошибок угловых измерений в подземном полигонометрическом ходе m2 и ошибки ориентирования первой линии подземного полигонометрического хода m3 . Так как обоснование на поверхности считается исходным и неизменным, то полученную поперечную невязку u устраняют путём введения поправок в исходный дирекционный угол и измеренные углы подземного полигонометрического хода. Ожидаемое влияние ошибок обоснования, созданного на поверхности, на поперечную невязку вычисляют по формуле mu1  L : 45000 . (3.28) Для вычисления величины ожидаемого влияния ошибок измеренных углов подземного полигонометрического хода применяют формулу mu 2  m  L n  1,5 . 3 (3.29) Влияние ошибки ориентирования приствольной линии подземного полигонометрического хода подсчитывают по формуле mu 3  mo  L, (3.30) где m0 – средняя квадратическая ошибка исходной стороны подземного полигонометрического хода, которая определяется способом ориентирования подземной выработки. Суммарная ожидаемая величина полной поперечной ошибки хода будет 134 mu  mu21  mu22  mu23 . (3.31) Таким образом, часть поперечной невязки, устраняемая исправлением дирекционного угла исходной стороны подземного полигонометрического хода, определится из соотношения mu23 u3  u 2 . mu (3.32) Поправка в исходный дирекционный угол подземного полигонометрического хода найдётся из выражения u3 . (3.33) L Вторая часть поперечной невязки, равная (u – u3) исключается введением    Рис. 3.14. Продольная и поперечная невязка полигонометрического хода поправок в измеренные углы подземного полигонометрического хода. Угол, образованный диагональю хода, находят по формуле   u  u3    , L а поправку в измеренные углы вычисляют по формуле 135 (3.34)  i  u3  u 6  n  2  i  1  ,  L  n  1 n  2  (3.35) где n – число сторон хода по трассе, i – текущая точка хода. Продольную невязку t распределяют с обратным знаком пропорционально длинам сторон хода. Поправка в каждую линию будет t (3.36) L После распределения поправок в углы и длины сторон подземного полигонометрического хода вычисляют поправки в приращения координат по формулам li    li . yi  li  sin  i  xi  li  cos i  xi   i  yi   i  ; (3.37) . Описанный способ уравнивания измерений при ориентировании подземной геодезической основы по способу двух шахт не является строгим, но вполне применим на практике. 3.6. Спутниковые технологии в туннелестроении В туннелестроении геодезическая разбивочная основа на дневной поверхности создаётся в районе подземного строительства до начала горнопроходческих работ, а подземная разбивочная основа – в течение всего периода горностроительных работ во всех подземных сооружениях по мере их возведения. Разбивочная основа создаётся в единой системе координат и высот. Назначение разбивочной основы – обеспечение точного перенесения в натуру проектов всех подземных и наземных сооружений подземного комплекса. Классическая схема развития геодезической разбивочной основы, приведенная ранее (раздел 3.3), представлена следующими последовательными этапами построения:  На первом этапе на дневной поверхности над будущим подземным сооружением строится туннельная триангуляция или полигонометрия IT, IIT, IIIT и IVT разрядов (Инструкция ВСН 160-69). 136  На втором этапе на поверхности производится сгущение наземной геодезической сети основными и подходными полигонометрическими ходами.  Подземная разбивочная основа создаётся методами полигонометрии путём построения свободных (висячих) ходов основной и рабочей полигонометрии, а при длинных туннелях – прокладкой главных полигонометрических ходов.  Ориентирование подземной полигонометрии осуществляется различными способами через вертикальные стволы шахт, гироскопическими приборами и непосредственным примыканием подземной полигонометрии к сторонам геодезической основы через портальные, боковые и наклонные выработки Выбор способа построения наземных сетей зависит от условий местности (городская застройка, горный ландшафт, равнинная местность и т. п.), но также и от возможностей и предпочтений геодезической организации, производящей работы. Основная наземная полигонометрия прокладывается во всех случаях строительства метрополитена вдоль его трасс в виде систем одиночных или замкнутых ходов. Одиночные ходы основной полигонометрии целесообразно применять при значительных длинах перегонных туннелей между станциями. Для проектирования наземных сетей необходимо иметь следующие топографические и проектные материалы: o Топографические карты масштаба 1:10000 – 1:50000; o Генеральный план подземных сооружений; o Проект организации строительства с площадками у порталов и стволов шахт; o Технические отчёты и материалы по ранее выполненным топогеодезическим работам, сведения о геодезических сетях и системах координат в районе работ. В связи с широким внедрением в практику инженерно-геодезических работ электронных тахеометров преимущества проектирования и построения разбивочной основы на поверхности и в туннелях методом полигонометрии стали более чем очевидны. Полигонометрические построения с дистанционно измеренными сторонами значительно экономичнее триангуляционных. Электронны137 ми тахеометрами легко достигается высокая точность измерения длин сторон полигонометрических ходов. Так стороны хода длиной 500 - 1000 м могут быть измерены с погрешностью 1:200000 и точнее. Углы же, особенно в городских условиях следует измерять особенно тщательно, избегая бокового влияния рефракционных полей от нагретых стен, лесных массивов или водных бассейнов. С появлением спутниковых методов возникли новые возможности и новые схемы построения опорных геодезических сетей для целей туннелестроения. С внедрением спутниковых технологий появилась возможность получения в непосредственной близи к стволам шахт геодезических пунктов с высокоточными координатами из одноступенчатого построения. Координаты всех приствольных и припортальных пунктов туннеля могут быть получены относительно одного или нескольких исходных пунктов городской или региональной сети в нужной системе координат с высокой точностью. Одна из возможных схем построения опорной геодезической сети с применением спутниковых методов при строительстве подземных сооружений приведена на рис. 3.15. Исходных пунктов может быть несколько, если есть уверенность в высокой точности и надёжности определения координат этих пунктов. Определяемые спутниковые пункты располагают в удобных местах у порталов и стволов шахт. По определяемым пунктам прокладывается магистральный полигонометрический ход, связывающий все пункты спутниковой геодезической сети и опирающийся на стороны и пункты исходной сети. Ход может быть замкнутым. Назначение полигонометрического хода – это, во-первых, контрольные функции, но также стороны хода являются опорными для целей ориентирования подземных выработок, т. е. передачи дирекционных углов через стволы и порталы в туннели. 138 Рис. 3.15. Схема туннельной спутниковой геодезической сети Другая возможная схема построения спутниковой геодезической сети для туннелестроения может быть реализована, основываясь исключительно на спутниковых определениях. Для этого у каждого ствола или портала необходимо определить три пункта СГС: один в непосредственной близи к входу в туннель, а два других, ориентирных, на некотором удалении, образуя треугольник с первым. Расстояние, на которое должны быть разнесены ориентирные пункты от припортального легко найти исходя из средней квадратической ошибки определения координат пунктов СГС и необходимой точности ориентирных направлений. Так, если координаты пунктов СГС определены с погрешностью 20 мм, а исходные дирекционные направления необходимо знать с ошибкой не хуже 4", то расстояния между прискваженным и ориентирными пунктами должны быть 2 км и более. 139 Ориентирные пункты СГС могут быть общими для нескольких шахтных скважин или порталов. Например, они могут быть установлены на крышах зданий или на господствующих высотах. 140