Разбивка тоннеля с учетом переходных кривых

3. Геодезические работы при эксплуатации мостов

Как отмечалось во введении, на элементы построенного сооружения оказывают воздействия различные факторы. Это факторы погоды: сезонные перепады температур и паводковой воды, ветровая, ледовая нагрузка и др.; факторы условий эксплуатации: осадка фундаментов от действия веса конструкции, осадка (сдвиг) грунтового массива над тоннелем, общий и местный размыв грунта насыпей и у фундаментов опор. Воздействие этих факторов суммарно выражается в движении различных элементов конструкции. Здесь необходимо постоянно контролировать эти движения и путем анализа абсолютных величин и направлений деформаций устанавливать (прогнозировать) устойчивость всей конструкции в целом. Исходные данные для анализа движений элементов конструкции должны быть получены в период эксплуатации сооружения путем специальных геодезических измерений.

3.1. Классификация деформаций

Перемещения элементов и конструкции в целом построенного сооружения (мостового перехода) могут появляться в различных направлениях.

Перемещения элементов конструкции, фундамента или сооружения в целом по направлению силы тяжести Земли вниз называют осадкой.

Перемещения элементов конструкции, фундамента или сооружения в целом по направлению силы тяжести Земли вверх называют подъемомиливыпучиванием(пучением).

Перемещения элементов конструкции, фундамента или сооружения в целом по горизонтальным направлениям называют сдвигом.

Все перемещения характеризуются величиной, направлением и скоростью. При изучении деформаций различных частей сооружения осадка, пучение или сдвиг могут иметь одинаковые или различные величины, направления и скорости. Поэтому при относительно одинаковых величинах, направлениях и скорости перемещений деформации называют равномерными. В противном случае – неравномерными.

3.2. Геодезические методы определения деформаций

К геодезическим методам определения деформаций относятся:

• метод геометрического нивелирования I, II и III класса. Применяется для измерения осадок и пучения;

• метод гидронивелирования;

• метод угловых измерений. Применяется для определения горизонтальных смещений вертикальных (высотных) конструкций;

• метод координат. Применяется для определения горизонтальных смещений конструкций произвольной формы;

• фотограмметрический метод. Применяется для определения горизонтальных и вертикальных смещений конструкций сложной формы.

• стереофотограмметрический метод. Применяется для определения горизонтальных и вертикальных смещений конструкций сложной формы.

Метод геометрического нивелирования. Этот метод является основным при определении осадок и пучения. Применение того или иного класса нивелирования определяется величинами абсолютных значений вертикальных деформаций. Исходя из абсолютных значений деформаций для их определения, в основном используется нивелированиеIIкласса.

Вертикальные деформации мостовых конструкций устанавливаются относительно реперов, установленных вне зоны действия нагрузки и в таких местах, где были бы исключены какие-либо их вертикальные перемещения. Такие знаки по результатам нивелирования должны иметь отметки классом выше, чем предполагаемый класс нивелирования по определению осадки сооружения. В качестве таких знаков используют специальные конструкции реперов, которые закладывают в грунтовый массив на глубину от 2,5 до 100 метров. Конструкция репера представляет собой двойную трубу цельной конструкции. Внутренняя труба диаметром 50 – 75 мм выходит верхней частью к поверхности земли, к которой приваривается головка. Верх головки нивелируется и определяется ее отметка. Головка репера закрывается предохранительным колпаком. Внешняя обсадная труба диаметром 100 – 150 мм не соприкасается с внутренней трубой Нижняя часть обоих труб, закрепляется в грунтовом массиве специальным грузом – башмаком (крестовиной), который бетонируется на расстояние по высоте от 0,5 – до 5 метров.

Осадочные марки и репера закладываются в элементы изучаемой конструкции. Причем точки закладки реперов выбирают в местах, удобных для установки нивелирной рейки. Осадочные репера представляют собой стержни с обратными зазубринами, закладываемые в отверстие, пробитое в вертикальной части конструкции на бетон. Выступающая часть (3 – 5 см.) осадочного репера должна быть овальной формы с той стороны, на которую планируется устанавливать нивелирную рейку. К стальным конструкциям осадочные репера могут быть приварены, как горизонтально, так и вертикально.

Нивелирные хода по реперам, относительно которых планируется определять осадку, выполняются по разработанной схеме и независимо от нивелирных ходов по осадочным реперам. Результаты нивелирования уравниваются по способу наименьших квадратов.

Нивелирование осадочных реперов выполняют с заданной периодичностью, которая устанавливается в зависимости от значимости объекта и ожидаемой скорости осадки. Каждый цикл нивелирования выполняют по одной и той же разработанной схеме и одинаковым методом уравнивания измеренных превышений.

Осадка (пучение) h для каждого осадочного репера вычисляется по формуле:

hi = H_i – H₀,

где H_i– отметка осадочного репера установленного вi-м цикле измерений;

H₀- отметка осадочного репера установленного в нулевом цикле измерений.

Метод гидронивелированияприменяют для определения относительных смещений точек конструктивных элементов мостовых конструкций или элементов тоннеля расположенных на небольших расстояниях (или в стык) друг от друга. Например, смежных балок пролетных строений моста. Для прецизионного (высокоточного, с точностью 0,1 мм) определения смещений применяют прибор, представляющий собой две мензурки, на внешней стороне которых имеется вертикальная шкала с миллиметровыми делениями. Нижние части мензурок снабжены выходным наконечником, на которые надевается шланг, соединяющий обе мензурки. Принцип действия – в сообщающихся сосудах вода занимает один и тот же уровень.

При определении деформаций гидронивелиром выполняют серию измерений с заданным циклом. Деформацию вычисляют как разность между превышениями, измеренными в i-м и в начальном цикле. При этом превышения между точками, на которые устанавливают мензурки в одном цикле измерений, вычисляют как разность между отсчетами. Отсчеты читают одновременно на шкалах обоих мензурок по мениску уровня воды.

Метод угловых измеренийприменяют для определения горизонтальных смещений верхних относительно нижних частей элементов конструкций, крена сооружения и контроля симметричности элементов сооружения относительно вертикальной оси. Например, для высоких опор виадуков.

Параметры деформаций определяются в соответствии с методикой угловых измерений. При этом используется теодолит, точность измерения углов которым составляет не менее 2.

Метод заключается в измерении горизонтальных углов с одной и той же точки (рис.27) по направлениям на заведомо неподвижную точку и на намеченные точки по высоте сооружения. По высоте сооружения намечают точки на краях его фасада, симметрично относительно вертикальной оси. Для измерений устанавливаются два взаимно перпендикулярных створа, направления которых принимаются за оси координат. Например, створ 1 за ось Yи створ 2 за осьX(см. рис. 27). На этих створах закрепляются точки 1 и 2. Их закрепление выполняют после измерения горизонтальных углов γ₁и γ₂и при выполнении условия: γ₁+ γ₂= 90° (см. рис.27). С закрепленных точек 1 и 2 измеряются, горизонтальные углы между направлениями, соответственно, на неподвижные точки 1′ и 2′ (см. рис.27) и по направлениям на видимые края фасада сооружения. Углы β₁и β₂(см. рис.27) вычисляют по формуле

(45)

где А_ПР, А_ЛЕВ– отсчеты по горизонтальному кругу теодолита при наблюдении, соответственно, на правую и левую сторону видимого края фасада сооружения;

В – отсчет на неподвижную точку.

Выполняют серию измерений с заданным периодом во времени. По этим измерениям устанавливают степень подвижности точек сооружения, которые расположены на различных его высотах. Для чего сопоставляют значения углов β. Если средняя квадратическая погрешность, ряда углов β, вычисленных по формуле (45) для одной и той же высоты сооружения не превышает заданного допуска (точности измерений), то такая точка на сооружении считается неподвижной. Как правило, неподвижной точкой является самая нижняя точка сооружения.

Для определения расстояний d_xиd_y(см. рис.27) используют метод паралактического угла. При этом, если сооружение в плане имеет круглую форму, то выполняют измерение длины окружности и вычисляют его диаметр. Если сооружение в плане имеет не круглую форму, то измеряют расстояние между правой и левой точками, которые использовались при наблюдении углов. Диаметр сооружения или измеренное расстояние между правой и левой точками сооружения принимается в качестве базиса (b) при вычислении расстоянийd_xиd_y. Эти расстояния вычисляют по формуле

, (46)

где ρ= 206265″ - значение радиана в угловых секундах;

ε – угол между направлениями на видимые края фасада сооружения.

d_y, м

Y

Створ 2

Т 1′

γ₂

X

β₂

Т 2′

β₁

γ₁

Т 1

Рис. 27. Схематический план расположения створов

для определения деформаций способом угловых измерений

Горизонтальные смещения точек (i), расположенных на различных высотах объекта, относительно вертикальной оси, проходящей через выявленную неподвижную точку, устанавливают следующим образом. Если верхние и нижние части сооружения находятся симметрично относительно вертикальной оси сооружения, то средние значения отсчетов на правую и левую части сооружения должны быть одинаковы. В противном случае угловое смещение “Δβ_i” устанавливают по формуле:

(47)

где ₀и_i– средний отсчет, соответственно на нижний (неподвижный) уровень иi-й уровень по высоте сооружения. То есть,

. (48)

Линейное значение смещения (δ)устанавливают по следующей формуле

. (49)

Обозначение в формулах см. выше.

Для линейных смещений, вычисленных по формуле (49), принимается знак, который получают для угловых смещений, вычисленных по формуле (48). В этом случае полученный знак смещения соответствует направлениям принятых осей координат (см. рис.27). При этом смещения, измеренные на створе 1 (см. рис. 27) имеют направление по оси Х, то есть, ±δ_i= ±ΔX_i, и смещения, измеренные на створе 2 (см. рис. 27) имеют направление по осиY, то есть, ±δ_i= ±ΔY_i. Используя значения линейных смещений вычисленных в серии измерений, составляются векторные диаграммы, по которым выясняется динамика перемещений на каждом уровне по высоте сооружения.

Рис. 27(а). Векторная диаграмма смещений объекта

Метод координатприменяют для определения горизонтальных смещений элементов конструкций относительно неподвижных точек (пунктов полигонометрии или триангуляции), установленных вне сооружения. Для этого на элементах конструкции фиксируются точки, которые включаются в развиваемую сеть триангуляции (полигонометрии). После ее наблюдения и строгого уравнивания вычисляются координаты зафиксированных на элементах конструкции точек. Эти работы повторяются с заданной периодичностью. Смещения деформационных точек по осям координат устанавливаются по формулам:

X_i = X_i – X₀

Y_i = Y_i – Y₀

гдеX₀,Y₀- координаты деформационной точки в начальном цикле измерений;

X_i,Y_i- координаты той же деформационной точки вi-м цикле измерений.

Полное смещение равно .

Направление смещения равно , где по знакамX_iиY_iустанавливают румб и далее дирекционный угол смещения (см. параграф “Разбивка прямолинейного тоннеля” – решение обратной геодезической задачи).

По этим данным для каждого цикла измерений составляют картограмму смещений элементов и всей конструкции в целом. По картограмме смещений разрабатывают мероприятия по приостановке деформаций элементов конструкции или всего сооружения.

Фотограмметрический или стереофотограмметрический метод применяется для определения деформаций точек объекта, которые иными методами выполнить затруднительно. Реализация метода заключается в фотографировании объекта с одной точки (фотограмметрический метод) или с наземного базиса с двух точек (стереофотограмметрический метод) с заданным циклом. Преимущества в сравнении с иными методами заключается в том, что фиксирование постоянных и временных смещений происходит с достаточной точностью за короткое время фотосъемки. Фотосъемка может быть выполнена в любое время года, а обработка материалов может откладываться на неопределенное время или выполняться сразу после фотографирования. Кроме того, фотоснимок представляет собой документ с зафиксированным положением деформационных марок и положением в пространстве всего сооружения. Фото методы могут быть с успехом реализованы для контроля технологического процесса по возведению зданий, мостов, тоннелей, и иных сооружений, а так же при определении объемов земляных работ на горных разработках. Фото методы так же используются при изучении деформаций, как всего сооружения в целом, так и его частей.

Для фотографических методов используются осадочные марки, которые представляют собой специально изготовленные круглой формы пластины (диаметром 15 – 20 см). На их тыльную сторону приваривается стержень с обратными зазубринами. В намеченной для изучения смещений точке (рис. 28) бурится горизонтальная скважина, в которую набивается бетонная смесь. Стержень с обратными зазубринами вдавливается в бетон скважины. Лицевая сторона марки раскрашивается так чтобы на снимке четко (контрастно) было видно ее изображение в виде креста или в виде концентрической окружности. Деформационные марки устанавливаются в достаточном количестве на фасаде изучаемого объекта (см. рис. 28).

Рис.28. Схема расположения осадочных марок на опорах и пролетных строениях мостового перехода при фотографических способах изучения его деформаций.

Фотограмметрический метод. Величину смещения точки между моментами фотосъемки устанавливают по серии фотоснимков, выполненных с одной и той же точки. При этом в каждый последующий момент фотографирования в их серии фототеодолит должен быть установлен аналогично установочным данным начального цикла. Идентичность установки фототеодолита при каждом фотографировании контролируют по элементам внешнего ориентирования. Для этого используют специально установленный столик, на который закрепляют фототеодолит. Столик представляет собой вертикально установленную трубу, высотой над поверхностью земли 1,0 – 1,3 м. К этой трубе приваривается горизонтальная пластинка с отверстием. Отверстие служит для закрепления фототеодолита становым винтом. В этом случае остается постоянным пространственное положение точки фотографирования. Ориентирование фототеодолита по сторонам света выполняют при использовании заранее намеченной на расстоянии 50 – 100 метров от фототеодолита неподвижной точке. Горизонтальность оптической оси фототеодолита и разворот снимка в своей плоскости контролируют с помощью двух цилиндрических уровней, установленных во взаимно перпендикулярных плоскостях на его корпусе.

После фотографирования объекта с заданным циклом получают серию фотоснимков. Их маркируют датой фотографирования. Измерения на снимках координат (z, x) осадочных марок выполняют на стереокомпараторе. Значения смещений (деформаций) точек вычисляют по формулам:

,

где ΔZ, ΔX – значения смещений точки, соответственно, по вертикали и по горизонтали;

Y – расстояние от фототеодолита до объекта съемки по направлению оптической оси фотографирования; z₀, z_i, x₀, x_i – координаты одной и той же точки снимка в нулевом и i-м цикле фотографирования; f – фокусное расстояние фотокамеры.

Стереофотограмметрический метод. Величину смещения точки между моментами фотосъемки устанавливают по серии фотоснимков, выполненных с двух точек – с концов базиса. Так же как при фотограмметрическом методе определения смещений точек в каждый последующий момент фотографирования в их серии фототеодолит должен быть установлен аналогично установочным данным начального цикла. Для этого концы базиса закрепляют столиками (см. выше). Ориентирование фототеодолита в пространстве (в горизонтальной плоскости) выполняют по противоположному концу базиса, а остальные элементы внешнего ориентирования контролируют по аналогии с фотограмметрическим методом.

После фотографирования объекта с заданным циклом получают серию фотоснимков (стереопар). Их маркируют датой фотографирования (i). Измерения на снимках координат осадочных марок выполняют на стереокомпараторе, стереоавтографе и др. При измерениях на стереокомпараторе значения смещений (деформаций) точек вычисляют по формулам:

,

где В – длина базиса фотографирования;

x_0л, x_iл – значение координаты x деформационной точки на левом снимке в нулевом и i-м цикле фотографирования;

z_0л, z_iл – значение координаты z деформационной точки на левом снимке в нулевом и i-м цикле фотографирования;

p₀, p_i – продольный параллакс деформационной точки в нулевом и i-м цикле фотографирования;

f – фокусное расстояние фотокамеры.

Продольный параллакс точек в каждом цикле фотографирования устанавливают по формуле:

,

где x_Л, x_П – координаты деформационной точки, соответственно, на левом и правом снимке.

При выполнении измерений на стереоавтографе, стекометре и др. получают непосредственно пространственные (геодезические) координаты деформационных точек X, Y, H. В этом случае смещения точек устанавливают по формулам:

,

где i = 0, 1, 2, …, n – номер цикла измерений.

При использовании стереофотограмметрического метода кроме смещений деформационных точек можно определить область, размеры и динамику развития деформаций. Эти характеристики объекта можно установить, используя два способа.

Первый заключается в том, что на левую и правую каретки стереоприбора устанавливают снимки разного цикла фотографирования. Например, на левую каретку устанавливают снимок нулевого цикла, а на правую – первого цикла фотографирования. В этом случае после взаимного ориентирования снимков по контрольным точкам, заведомо не имеющим смещений, стереоэффект будет наблюдаться только для тех точек, которые не деформировались за период цикла фотографирования. Контур таких мест объекта представляет собой область деформаций. По контуру намечаются точки, для которых определяют координаты. По координатам устанавливают размеры области деформаций. Динамику развития деформаций (увеличение или уменьшение во времени) устанавливают путем последовательной установки на правую каретку стереоприбора снимков в очередности дат фотосъемки. При этом на левой каретке стереоприбора должен быть постоянно установлен фотоснимок нулевого цикла.

Определяя для каждого цикла область деформаций, и, сопоставляя эти области между собой, устанавливают динамику и скорость развития деформационного процесса во времени.

Второй способ предполагает использование стереоприбора, оптическая система которого должна быть модернизирована (рис. 29). Модернизация заключается в использовании оптических кубов. Оптический куб играет роль делителя луча зрения наблюдателя. При этом можно выполнить раздельное и одновременное наблюдение пар снимков. Одну пару по прямому направлению зрения, другую по отклоненному на 90° направлению зрения наблюдателя. Для переключения используются специальные экраны (см. рис. 29).

Рис. 29. Схема раздельного и одновременного наблюдения стереоснимков

нулевого и первого цикла фотографирования:

1) Снимки стереопары нулевого цикла; 2) Снимки стереопары i-о цикла; 3) Оптические кубы; 4) Экраны для переключения на раздельное и одновременное наблюдение стереопар

В каретки прямого направления зрения устанавливают стереопару нулевого цикла, а в каретки отклоненного направления зрения устанавливают снимки (стереопару) i-о цикла фотографирования. Их раздельно ориентируют по заведомо неподвижным контрольным точкам объекта. Получают стереомодель нулевого и i-о цикла фотографирования, при одновременном наблюдении которых неподвижные (не деформированные) точки сольются в одно изображение. Точки нулевого цикла фотографирования и точки, имеющие смещения в i-м цикле фотографирования образуют некоторый объем. Этот объем представляет собой деформационную область объекта. Деформационная область объекта может быть измерена в необходимых направлениях для определения ее характеристик.

При изучении динамики перемещений объекта в целом или его частей (развития деформаций во времени) в каретки отклоненного направления зрения поочередно устанавливают снимки (стереопары) серии фотографирования. Выполняют измерения деформационных характеристик. Разделив их на период между моментами фотосъемки, устанавливают скорость деформаций.