автореферат диссертации по геодезии, 05.24.01, диссертация на тему:Разработка и исследование методов и средств изучения деформаций туннельных сооружений

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЗЕМЛЕУСТРОЙСТВА

На правах рукописи . АЛЬ КАНАТРИ ГАНИ МАХМУД

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗУЧЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ ТУННЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ

05.24.01 - Геодезия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени инженерно-строительном институте им. В.В.Куйбышева.

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Борисов Н.Н.

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Васютинокий И.Ю.

кандидат технических наук, доцент Прудников Г.Г.

Ведущее предприятие

- Метрогипротрано

Защита диооертации состоится у'/ "/1^ ¿л_^1992 г. в /4 ""^'час. на заоедании специализированного оовета К 120.59.01 по приоувденив учёной степени кандидата технических наук в Московском институте инженеров землеустройства по адресу: ЮЗОб'», г. Мооква, К-64, ул. Казакова, д. 15, МИИЗ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИИЗ.

Автореферат разослан п2> "^'у 1992 К

Учёный сёкретарь специализиррванного оовета, канд. техн. наук, доцент

А.Н.Сухов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

I. Актуальность темы' диссертации.

Тенденция современного строительства к освоению подземного пространства может приводить к негативным последствиям - деформациям земной поверхности и, как следствие, деформациям расположенных на ней зданий и сооружений. В этой связи проявляемая про.-. блема прогнозирования развития деформаций инженерных сооружений.

Современное решение проблемы связано с представлением системы "среда-обьект" в виде математической модели. Недостатком существующих геомеханических моделей, в основе которых лежит теория механики грунтов и оснований сооружений, является ее идеализация из-за теоретически-лабораторного задания входных параметров и их характеристик. Для повышения объективности оценки происходящих процессов такая модель должна постоянно корректироваться на основе результатов дискретных измерений положения характер-них точек системы "среда-обьект", их.траекторий г^ремещений во времени. Это обстоятельство является предпосылкой к созданию общей синтезированной математической-модели, важным компанентсм которой является геометрическая модель сооружения, в структуру которой Ь/;одят организацш и измерения полог.ен^п характерных точек системы "среда-обьект", математическая обработка этих измерений, включая анализ с целью получения информации об искажениях геометрической модели, которая в общепринятой форме по введенно-irj в общей модели каналу обратной связи корректирует расчеты прогноза деформация уточненными входными параметрами и характеристиками .

В этой связи разработка геометрической модели туннельного сооружения, является весьма актуальной и своевременной, как и научном, так и практическом плане при строительство метрополитена в г. Дамаске.

Одним из оановных методов измерений смещений характерных точек системы "среда-обьект" являются геодезические измерения. Классический по.иход в геодезической методологии к определению смещений частей объекта заключается в организации сети планово-высотных деформационных знаков, связанных линейно-угловыми параметрами, получаемыми в 7 зультате исходных и текущих измерений, и в анализе этих измерений во времени. Особенностью его "вляет-ся раздельное построение плановых и высотных сетей и раздельные наблюдения на ник, разнесенные во времени. Это объясняется д -статочной сложностью построения единой пространственной сети, отсутствием приборов для наблюдений на них, трудоемкостью матема-. тической обработки и анализа.

В этой связи следует заметить следующее. В результате ведения горных работ макросистема выводится из состояния равновесия. Переход массива вблизи зоны возмущения в новое равновесное состояние может происходить как в спокойной,, так и бурной форме, зависящей от изменения параметров, характеризующих его напряженно-деформированное состояние. Поэтому время измерений, обработки результатов и анализа становится важнейшим аспектом для своевременного прогноза развития деформаций инженерных сооружений и принятия совевременных инженерных решений, стабилизирующих процесс деформации. Отсюда вытекает вывод, что раздельные построения сетей деформационных знаков, определяющих соответственно плановые и высотные смещения, не являются оптимальными и получаемые результаты не являются в полной мере объективными из-за временного несогласования. Таким образом, проблема быстрого получения достоверных данных о деформациях сооружения остается в настоящее время по-прежнему актуальной как в период строи*»«».-ства сооружений, так и при его эксплуатации.

"г

Туннель - это сооружение линейного типа, специфичностью которого является ограниченность, вытянутость и замкнутость заключенного в нем пространства. Очевидно, что геометрическая модель туннеля должна быть адекватной этой специфике.

При выборе метода построения геометрической модели туннеля будем исходить из следующих предпосылок. Традиционное в геодезии уравнивание измеренных величин при организации плановых и высотных сетей пунктов приводит в соответствие все связи и теоретические соотношения в построенных геометрических фигурах. Такое уравнивание после каждого цикла измерений, на наш взгляд, приводит к завуалированию величин происходящих деформаций геометрической модели. В этой связи целесообразно анализировать параметры модели, получаемые непосредственно из измеренных вртичин, ужесточая при этом точность их измерений, исходя из предрасчет-ной точности определения деформаций модели.

С другой стороны при последовательном построении геометрических фигур и расчете англизируемых параметров (например, координат точек) случайные ошибки измерений приобретают квазислучай-ны'й характер, т.е. имеют тенденцию к накоплению и, как следствие, к систематическому искажению геометрической модели. Поэтому необходимо ограничение в протяженности последовательно развиваемых фи1„ р до момента, когда накопленные ошибки начинают искажать искомые деформации модели. .

Основу геометрической модели составляет планово-высотных ход, с пунктов которого выполняются линейные и угловые измерения повышенной точности. Каждый пунк}т определяет местонахождение контрольного сечения туннеля, в котором в полярной системе координат • определяется положение точек по периметру сечения.

- б -

Аналитическая обработка модели включает в себя вычисление пространственных координат пунктов планово-высотного хода, вычисление полярных координат точек сечений туннеля. Из аппроксимации точек сечения туннеля определяется центр оформляющих окружностей или эллипсов, к которым редуцируются координаты пунктов хода. Последующая аппроксимация центров оформляющих окружностей сечений туннеля определяет уравнение "оси" туннеля.

Анализ заключается в определении отклонений точек сечений от соответствующих оформляющих окружностей или эллипсов и уклонений их центров от линии, представляющей ось туннеля, и сравнение полученных уклонений от результатов, полученных в предыдущих циклах измерений.

Полученные результаты анализа поступаю? в общую геомеханическую модель туннельного сооружения, в которой формируются мероприятия по управлению происходящими геопроцессами.

Целью работы является разработка геометрической модели туннельного сооружения0 которая в своей структуре содержит весь комплекс организации получения количественных характеристик протекающих деформаций, являющихся контрольными и корректирующей кнформацией'для общей модели управляемого геомеханического процесса.

Основные задачи исследований:

- анализ существующих математических моделей расчета деформаций инженерных сооружений и обоснование мониторинговой.роли геодезических измерений в общей модели управляемого геомехани-чоского процесса;,

- анализ накопления ошибок в положении пунктов в сетях, адек-ьаткых геометрической специфике туннеля, построенных различным:' геодезическими методами, с целью определения числа пунктоа, составляющих опорную основу геометрической модели туннеля;

- совершенствование технологии линейно-угловых измерений на геометрической модали туннеля;

- исследование способа дифференциального измерения расстояний с целью разработки его модификации для измерений в сечениях туннеля;

- исследование методов математической обработки геодрчичес-ких измерений с целью получения единого взаимосвязанного алгоритма расчета геометрических параметров туннеля, характеризующих его деформации.

Научная новизна диссертации заключается в следующе.,.

Обоснована и разработана структура общей геомеханической модели управляемого процесса развития деформаций инженерного сооружения, важным звеном которой является геометрическая модель, которая наряду с контролем развивающихся деформаций инженерного сооружения дает количественную оценку точности расчета деформа* ций, а также выдает по каналу обратной связи информацию, необходимую для коррекции исходных данных в расчетах прогноза деформаций.

Обоснована и разработана структура геометрической модели инженерного сооружения, состоящая из следующих компонентов: организация и размещение деформационных знаков, их закрепление, линейно-угловые измерения на них, математическая обработка результатов измерений, анализ результатов измерений с выдачей информации о смещениях как отдельных точек сооружений, деформациях частей сооружения, так и об искажении геометрии сооружения в целом.

В результате анализа методов построения планово-высотной сети, составляющей основу геометрической модели туннельного

сооружения^ получены строгие формулы оценки точности положения пунктов сети. Введенные унификации геометрии сети, отвечающие специфике туннеля, понятия "вытянутости треугольника", "относительной соответственности линейных и угловых измерений" позволили не только упростить формулы, придать им расчетный вид, но и наглядно иллюстрировать характер накопления ошибок, что позволяет их использовать для определения протяженности сети (определения числа точек), при которой накопление ошибок не превосходит заданной величины - ошибки, характеризующей точность определения деформаций.

Теоретически обоснована методика "вставки пункта" при сгущении планово-высотной сети, при которой новый пункт в силу локальной геометрической связи с пунктами опорной сети не способствует накоплению ошибок в вытяцутом ходе.

Предложена унификация измерений вертикальных и горизонтальных углов поворотов в ходе, позволяющая применять единый алгоритм при расчете как плановых, так и высотных координат пунктов хода.

Выполнена теоретическая разработка модификации способа дифференциального измерения расстояний в сечении туннеля, на основании которой сформулированы требования к конструкции прибора, реализующего способ.

Разработана методика обработки результатов измерений и их поэтапного анализе, с логической связью между этапами по принцип "от частного к общему" - от выяснения смещений отдельных точек сооружения до деформаций сечений туннеля, характеризующихся поворотом эллиптического сечения и его эксцентриситетом, и далее до искажения протяженной геометрии туннеля в целом, определяемо;! кривизной и кручением его осевой линии.

Разработана методика аппроксимации точек, заданных пространственными координатами, пространственной кривой„ получая ее ураен нение в параметрическом виде, способном к дальнейшему ее анализу.

Практическая ценность работы заключается в следующем.

Теоретические разработки диссертации имеют направленной прикладкой характер, обосновывают геометрическую модель 2 являюгцую— ся составной частью общей математической модели управляемого геомеханического процесса, который будет сопровождать строительство и эксплуатацию туннеля метрополитена, проектировгчие которого ведется в г.Дамаске.

Очевидно, что разработанная модель может быть применена для любых туннельных сооружений, проектирование и строительств^ которых ведется в России и за рубежом.

Для повышения точности геометрической модели разработана кон-ре пера,

струкцйячТГметодика его эксплуатации, сохраняющего стабильность своего положения, в совокупности со сьемным штативом, обеспечивающим однозначность посадки измерительного прибора относительно репера.

Разработана конструкция дифференциального дальномера с лазерным излучателем, реализующая результаты теоретических исследований дифференциального способа измерений расстояний в сечениях туннеля. Лабораторные испытания прибора подтвердили его расчетную точность, оперативность измерений и обработки результатов. Разработан путь модификации дифференциального дальномера с фоторегистрацией.

Разработанные в диссертации средства измерений, методики их выполнения, алгоритмы обработки и анализа с расчетами на ЭВМ

позволяют повысить точность геометрической модели, сократить время и трудоемкость получения необходимой информации, что приведет при внедрении не только' к экономической эффективности, но и к повышению безопасности строительства и эксплуатации туннельных сооружений.

Реализация разработок диссертации.

Исследования предложенной в диссертации геометрической модели туннельного сооружения были выполнены экспериментально на эскалаторной галерее Московского метрополитена станции "Ленинские горы"о На геометрической модели были выполнены три цикла измерений0 обработка и анализ результатов которых показал теоретическую обоснованность предложенной модели и ее практическую реализуемость.

Публикации по теме диссертации. Основные положения и резуль таты диссертационных исследований отражены в автореферате диссертации, докладе на научно-технической конференции МИСИ им. В.В.Куйбышева в апреле 1991 года, а также в двух опубликованных работах.

Структура и обьем работы.

Диссертаиця состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Содержание работы изложено на 123 страницах машинописного текста, содержит 8 таблиц и 24 рисунка. Список литературы включает 92 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Глава Г. Анализ современной модели геомеханического процесса при строительстве туннельного сооружения.

Геологическая среда, в которой предполагаются строительные работы, представляет собой неуправляемую макроскопическую систему, находящуюся в состоянии статического равновесия только на этапе инженерных изысканий. При строительных работах в среде возникают переходные процессы, активность которых может быть регулирована с помощью определенных инженерных мероприятий, т.е. возникает предпосылка к применению современной теории управления. В основе теории управления лежат математические модели расчета смещений горных пород (геомеханическая теория) и смещений отдельных частей сооружений (теория мех<^ники оснований и фундаментов сооружений).

Анализ выполненный в диссертации, показывает недостаточную обьективность существующих моделей, их идеализированность из-за теоретически лабораторного задания входящих параметров. В главе обосновывается необходимость создания общей геомеханической модели управляемого процесса, связывающей все происходящие во времени в системе "среда-обьект" реальные процессы, имеющей систему обратной связи, позволяющей реально оценить решения задачи управления. Для этого необходимо ввести в структуру модели на паритетной основе геометрическую модель, построенную на основе геодезических измерений как на объекте, так и на окружающей ее натуре. Блок-схема такой модели приведена на рис.1.

Рис. I." - Блок-схема модели управляемого геомвхглическто процесса

Глава 2. Исследование методов создания геометрических моделей туннельного сооружения.

Основу геометрической модели составляет система опорных пунктов, между которыми выполняются лчнейно-угловые измерения. В результате ошибок измерений и их накопления при последовательном развитии сети пунктов (при последовательном применении алгоритма расчета координат) происходит искажение сети, которое может быть принято за искажения геометрической модели в следствие де1-формации туннеля. В этой связи в диссертации выполнен анализ накопления ошибок измерений при различных метода., поотроения сети: триангуляции, трихлатерации и полигонометрии.

В результате анализа получены строгие формулы средних квад-ратических ошибок положения конечных пунктов, которые значительно упрощаются при унификации сети, которая диктуется спецификой туннеля - его формой и габаритами. Для триангуляции расчетная формула имеет вид:

т - 8• т^У2 а(п-еЦ2А +1) СО

где В - исходная сторона; А - значение связующих углов со средней ;;вадратической ошибкой измерения т^.

Для трилатерации расчетная формула имеет вид

т - . (г)

где К - введенный коэффициент вытянутости треугольника -отношение основания треугольника к его высоте'; .

Для полигонометрии при условии равенства сторон, углов поворота и введенного принципа "относительной соответственности угловых и линейных измероннЧ", т.е. когда угловая ошибка, выраженная в радианах равна .значению относительной ошибки линейных

измерений формула средней квадратической ошибки приобретает очень простой вид

Таким образом, геометрические особенности туннеля - вытяну-

тость с малыми размерами сечений, требует создания плановых сетей

«

вытянутой формы. Построение сетей в виде рядов триангуляции и трилатерации требует значительной деформации формирующих их треугольников, что приводит к недопустимым деформациям сети уже при количестве пунктов 5...7.

Полигонометрический ход по своему геометрическуму строению наиболее отвечает специфике туннельного сооружения. Характер накопления ошибок .при развитии сети имеет достаточно простой характер.

Глава 3. Разработка и исследование геометрической модели туннельного сооружения.

В главе показывается структура геометрической модели туннеля, которая заключается в выборе и закреплении опорных пунктов сети, технологии выполнения измерений, последовательной обработки результатов измерений и их анализе.>

Для закрепления пунктов разработана конструкция знака (рис.2), имеющая две основные части: постоянная часть, сохраняющая свое неизменное положение в течение всего времени строительства и эксплуатации и устанавливаемая часть, которая с гарантированной точностью оперативно монтируется на постоянную часть к моменту измерений.

Рис. 2. . Конструкция репера

- 1ъ -

Постоянная часть - ото массивная плита в виде металлического диска I, жестко скрепленная в углублении оболочки туннеля 4 в нижней ее части. Особсностью знака является отсутствие маркировки его центра. В центре плиты укреплено зеркало 2 с внешним амальгированием в сторону туннеля. Между циклами, т.е. в период консервации знака зеркало закрыт^ предохранительной крышкой 3, в сам знак прикрыт люком 5 заподлицо с оболочкой туннеля. Для предохранения знака от внешних воздействий по периметру люка размещена пылевлагонепроницаемая прокладка.

При подготовке знака к наблюдениям люк 5 и крышка 3 снимаются и на металлический диск I устанавливается колонна б в виде пустотелого цилиндра, имеющая в нижней части фланцевый разьем. Однозначная по точности установка колонны на знак осуществляется с помощью калиброванных болтов-штифтов> 7, являющихся хранителем центровки знака.

Верхняя часть знака - столик б включает в себя элемент 8 принудительной установки геодезических приборов. Во внутренней его части установлено зеркало 9 с отверстием 10 в центре.

Очевидно, что в результате установки колонны на штифты принудительно центрируется ее нижняя часть, а верхняя часть из-за неперпецг кулярности оси цилиндра колонны смещена в плане. Для приведения с1И колонны в вертикальное положение используется автоколлимационный уровень.

Особенностью опорного планово-высотного хода является унификация угловых измерений, заключающаяся в измерении углов поворота в вертикальной и горизонтальной плоскости.

Необходимое сгущение точек геометрической модели производится независимо друг, от друга в системе координат, включающей, две

смежные точки планово-высотного хода (рис.3)

I I

I I

Сьемочная точка М^ , не включенная в основной планово-высотный ход, определяется независимой вставкой в системе координат Л,У стороны планово-высотного хода

а- 6 .

- —

с

при ошибка определения

тх = к(1-К)с-т$

где

о

- 18 -

Пункты планово-высотного хода и пункты-вставки являются полюсами в полярной системе координат, в которой измеряются положения точек по сечению туннеля. Полярную ось ориентируют горизонтально и полярные углы измеряют относительно горизонта. Расстояния от полюса до точек сечения туннеля измеряют дальномером.

Переход в прямоугольную систему координат ( X,У ) с центром, совпадающим с полюсом полярной системы, производится по формулам

^ =^005(8,4+ ...+вы>0

Аргументы тригонометрических функций представляют собой измеренные углы наклона

^ - . . .-01-.Д

В существующей практике анализа деформаций сечения туннеля измеренные координаты аппроксимируются окружностью при условии мин тлума квадратов уклонений. В результате получается достаточно ограниченная информация об общих деформациях сечения, таких как появление эллиптичности и, как следствие, его поперечных разворотах. В этом случае целесообразно проводить аппроксимацию положения точек сечения функций второго порддка в общем виде.

а11хе+2аихач-агг^+2а,ъос + 2аиуч-а5Ъ» О (?)

Откуда получим: коорудинаты центра эллипса

в

а-,5

ааг

а

и

а

и

а

а

25

(8)

- разворот канонической системы координат относительно исходной _

2. а,а

агс

ч -

сЧ

а„-а22

(9)

- параметры эллипса

а и 6 и

эксцентриситет

(Ю)

После редукции координат точек планово-высотного хода к центрам оллиптических сечений по формулам

VI - ^ (")

В результате возникает новое расположение пунктов планово-высотного хода, представляющего линию, соединшощую центры сечений туннеля, в расположении которой задействована вся информация о геометрических параметрах сечений туннеля, ею протяженности, направленности и их искажениях^

Осевая линия туннеля, соединяющая центры сечений туннеля прямыми, аппроксимируется функцией в параметрической форме, т.е. тз виде

ос = А,уъ + +

Глава 4. Экспериментальные исследования геометрической модели.

Исследования предложенной в диссертации геометрической модели туннельного сооружения были выполнены экспериментально на эскалаторнсй галереи Московского метрополитена станции "Ленинские горы". На геометрической мог-•ли были выполнены три цикла измерений, обработка и анализ результатов которых показали теоретическую обоснованность предложенной модели и ее практическую реализуемоетт-

Глава 5. Разработка и исследование дифференциального способа измерения расстояний в сечениях туннеля.

Исходя из условий измерений: малые расстояния,незначительно отличающиеся друг от друга, использование диффузного отражения светового сигнала, предлагается способ дифференциального измерения расстояний с помощью дальномера (рис.4).

Корпус лазерного излучателя дальномера располагают вдоль базы б, совмещая геометрический центр лазера с серединой базы В . Лазерный излучатель, имеющий два апертуршх выхода распространяет два строго противоположных луча в направлении точек А. и В, В этих точках лазерные лучи переориентируют о помощью поворотных зеркальных систем и направляют под углами на препятствие, до которого требуется измерить расстояние.

На препятствии возможны три варианта изображений лазерного излучения. Если расстояние равно П» , то будет видно одно светящееся пятно, если расстояние не равно Г"0 , то будет наблюдаться два светящихся пятна, причем при меньшем расстоянии расположение светящихся точек относительно неправления, измеряемого расстояния, будет соответствовать расположению точек Л и В, при большем расстоянии расположение будет противоположным. Тогда отклонение Л от величины Г* определяется по формуле

где Су - параллактический угол, измеряемый угломерным прибором.

Для определения точно-ти измерений расстояний дифференциальным методом был испытан в лабораторных условиях макет при'эра.

Расчет средней квадратической ошибки измерения показал результат тд = 0,6 мм, что согласуется с предвычнсленноЯ точностью метода дифференциального измерения расстояния.

Основными результатами научных исследований и разработок диссертации являются.

1. На основе анализа математической модели геомеханического процесса выявлена предпосылка к созданию системы управления строительством и эксплуатацией сооружения.

Анализ методов расчета смещений оснований и сооружений показывает идеализацию входных параметров, что снижает, обьективность расчетов.

Предложена блок-схема модели управления геомеханического процесса, важным звеном которой является геометрическая модель, осуществляющая принцип обратной связи.

2. Выполнен анализ построения геодезической сети методом триангуляции. Введены формулы оценки точности, позволяющие определить протяженность сети, точность угловых измерений, реализующие требуемую точность измерения искажений геометрической модели.

Выполнен анализ построения опорной сети методом полигономет-рии. Введен термин "вытяцутости треугольника", позволяющий ввести наглядные формулы для оценки точности.

Выполнен анализ точности построения полигонометрического хода. Выяснен механизм накопления ошибок в положении пунктов ме-

^ошибск И* J

тодом конечных приращений, иллюстрировано нако пл е ни е^гео м е т ри-ческой интерпретацией.

3. Предложена структура геометрической модели, в основе которой лекит планово-высотный вытянутый ход.

Разработала-конструкция .пунктов опорного хода, позволяющего с большей точностью сохранять свое положение в течение продол-

жительного Бремени. Разработана методика его установки, юстировки и приведения з рабочее положение.

Разработана методика измерений на пунктах планово-высотной сети, в которой применяется унификация измерений вертикальных и горизонтальных углов.

Разработана методика вставки опорных пунктов в системе планово-высотного хода, разработана оценка точности.

4. Предложена методика определения коордннат точек в сечениях туннеля в полярной системе координат и методика аппроксимации их функциями второго порядка. Предложена методика анализа этих функций.

Разработана методика редукции координат пунктов планово-высотного хода к центрам сечений туннеля и аппроксимации осевой линии туннеля пространственными кривыми и анализе тарометров этой кривой.

5. Разработан дифференциальный способ измерения расстояний в сечениях туннеля. Выполнена оценка точности способа.

Разработана принципиальная схема дифференциального дальномера и отдельные конструктивные элементы, приведены данные эксприментальных исследований.

Разработана методика поверок и котировок дифференциального дальномера, приведены данные экспериментальных исследований.

Таким образом, поставленная цель диссертационной работы -разработка методов создания и реализации геометрической модели туннельного сооружения для определения его деформативности выполнена в полном обьеме.

Основные положения диссертации отражены в следующих опубликованных работах автора:

1. Аль Канатри Гани, Борисов H.H. Геометрическая модель туннельного сооружения. - Деп. ОНИПР ЦНШГАиК, № 507-ГД 92 от 23.01.92 г.

2. Аль Канатри Гани, Борисов H.H. Анализ методов создания геометрической модели. - Деп. ОНИПР ЦНШГАиК, № 508-ГД 92 от 23.01.92 г.

Заи. J9J3. Тир.