автореферат диссертации по геодезии, 05.24.01, диссертация на тему:Разработка и исследование методов определения деформаций оснований современных ускорителей заряженных частиц (на примере ускорительно-накопительного комплекса ИФВЭ)

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ШШНЕРОВ ЗЕМЛЕУСТРОЙСТВА -

.1а правах рукописи

ЗАБОЛОТНЫй АВДРЕЙ ЛЕСНВДОШЧ

УДК 528.063

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ СШВДЕЛ1Ь.Л ДЕйОШЦИЙ ОСНОВАНИЙ СОБВШШХ УСКОРИТЕЛЕЙ ЗАИШЕИНЫХ ЧАСТЩ

(на пршера ускорительно-накопительного комплекса ИФВЭ) Специальность 05.24.01 - Геодезия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кавдцдага технических неук

/ /

I ' - !

Иоск'ва - 1992

Работа выполнена в Московской ордена Трудового Красного Знамени инженерно-строцтельноы институте им. В.В.Куйбышева.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Новак В.Е.

Официальные оппоненты - дЪктор технических наук,

профессор Бывшев В.А.

- кандидат технических наук, доцент Прокопович В.А.

Ведущее предприятие - Атомэнергопроект

Защита диссертации состоится "<24 " С?и^Ол.^ 1992 г. в "И час. на заседании специализированного совета К 120,59.01 по присуждению учёной степени кандидата технических наук в Московском институте инженеров землеустройства по адресу: 103064, г.Москва, К-64, ул. Казакова, д. 15, ШИЗ. ~

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ШИЗ.

Автореферат разослан " ¿О" Мс^ц'лсг^. 1992 г.

Учёный секретарь специализированного совета, кацд. техн. наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие фундаментальных наук всегда являлось одним из главных факторов научно-технического прогресса. Невозможно в перспективе ожидать существенных изменений в экономике, в повышении жизненного- уровня, не уделив и: .нно сейчас "достаточного внимания таким отраслям науки, как математика теоретическая и экспериментальная физика, химия и биология. Осознавая эту реальность, правительство страны, несмотря на большие трудности с бюджетом, до сих пор находит возможность -уш финансирования такого, например, научного направления, как ядер ая физика. Одной из главных предпосылок крупных открытий в этой области является наличие мощных ускорителей заряженных частиц.

Последние годы характеризуются ускорением темпов приме тения ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве и медицине. Успешно осваивается ряд новых радиационных технологических процессов с повышенной энергоемкостью, связанных с усилением работ по охране .окружающей среды. Есть примеры использования ускорителей небольшой мощности для радиационной модификации полиэтилена, дезинсекции зерна, очистки сточных вод промышленных предприятий а животноводческих комплексов.

Однако создание надежных и эффективных ускорителей заряжен-*ых частиц промышленного применения возможно лишь благодаря систематическим фундаментальным исследованиям на крупных ускорителях з высокими энергиями. Наиболее'эффективны в этом отношении кольцевые ускорители и составленные из них целые ускорительно-накопи-гелыше комплексы (УНК) с поэтапным накоплением пучка частиц.

Современный кольцевой ускоритель - это уникальное по слож-юсти инженерное сооружение, располагаемое, как правило, в подтипом тунА'елэ и содержащее тысячи единиц физического оборудовании Сложность конструкции и большие размеры ускорителя сочетают-

ся с высокой точностью геометрического согласования элементов его основного оборудования, которая достигает десятых и даке сотых долей миллимегра. Поэтому установка в проектное полояение элементов оборудования ускорителя требует как использования всего накопленного прикладной геодезией многолетнего опыта, так к разработки новых методов и средств, учитывающих специфические особенности кавдого конкретного ускорителя.

Вместо с развитием ускорительной техники сформировалось целое направление в прикладной геодезии - ускорительная геодезия. Уже накоплен значительнг"; опыт в вопросах геодезического обеспечения строительства ускорителей, монтааа оборудования, наблюдений за деформациями и обработки результатов измерений. Однако при всем своем многообразии опыт геодезических работ на ускорителях в теоретическом отношении изучен еще недостаточно полно. Это касается и проблемы описания траектории движения пучков заряженных частиц.. От решения этой проблемы зависит интерпретация результатов геодезических измерений, а значит и достоверность выводов и рекомендаций, без чего невозможна нормальная работа ускорителя. Решив этот вопрос, можно значительно сократить затраты на юстировку технологического оборудования, представляющую собой довольно дорогостоящий и трудоемкий процесс.

Правильно решить вопрос с описанием траектории движения частиц невозможно без глубокого изучения природы этого движения. Поэтому задача должна быть решена с учетом гармонического характера колебаний частиц.

Одной из главных причин нарушения нормальной работы ускорителя могут быть деформации его оснований. Поэтому необходимо разработать такую методику анализа деформационных характеристик, которая наилучшим образом соответствовала бы тем условиям, в которых будет действовать УЖ.

Целью работы является разработка и исследование методов определения деформаций оснований современных кольцевых ускорителей заряженных частиц, позволяющих созфатить число циклов наблюдений, повысить объективность г информативность полученных результатов, сократить процесс юстировки технологического оборудования.

Основные задачи исследований:

- разработка оптимальной методики определения радиальных и вертикальных деформаций туннеля УНК;

• - обоснование методики определения азимутальных смещений пунктов кольцевой геодезической сети;

- обоснование точности геодезических работ при создании ускорителя на встречных лучках;

- разработка методики анализа результатов геодезически^, измерений, оснований на учете гармонического характера работы ускорителя.

Метод исследований.. Рассмотрение всех вопросс ), затронутых в данной диссертационной работе, основано на анализе этих ^опросов, освещенных в отечественной и иностранной научной литературе, выполнении теоретических исследований и проверке достоверности их результатов по данным экспериментальных исследований, осуществленных в лабораторных и производственных условиях.

Обработка результатов измерений и их анализ выполнены на основе методов математической статистики с использованием оригинальных и стандартных программ на ЭВМ типа СМ-4 и РС.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработаны методы определения деформационных характеристик относительно вероятнейших кривых и прямых, а также их сопряжения;

- исследованы возможности применения классических.оргого-

нальных шогочленов для вычисления деформационных характеристик УПК;

- предложен в качестве универсального метод сплайн-функций для описания траектории пучка заряженных частиц, содержащий процедуры, позволяющие исключить опасные деформации, вызванные влиянием резонансных гармоник;

- на основе изучения физической сущности работы ускорителя обоснована точность установки фокусирующих линз при создании ускорителя на встречных пучках;

- разработан метод -оделирования деформаций кольцевой геодезической сети, приводящий весь' деформационный процесс в соот-

I

. ветствие с гармонически;,! характером работы ускорителя.

Практическая ценность работы состоит в:

- получении рабочих формул вычисления деформационных характеристик основания кольцевого ускорителя, позволяющих производить .предварительные вычисления на месте при наличии калькулятора;

- сокращение числа циклов наблюдений за деформациями туннеля УПК;

- повышении объективности и информативней насыщенности полученных результатов на основе учета физических аспектов работы ускорителя;

- сокращении до 50% процесса юстировки физического оборудования;

- исключение из обработки результатов наблюдений гармонического анализа;

- обосновании подхода к назначению точности геодезических работ при создании ускорителя на встречных пучках;

- существеном уменьшении времени пребывания персонала в радиационно опасной зоне при выполнении измерительных и юсти-

ровочных работ в период эксплуатации ускорителя.

Реализация результатов работы. Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований и разработок внедрены в геодезическое производство на ускорительно-накопительном комплексе Института Физики Высоких Энергий (ИФВЗ), осуществляемое лабораторией высокоточной геодезии. Разработки! значительно повысили информативность результатов наблюдений, что позволило сократить число циклов измерений в течение года на 40$. Полученный за счет этого экономический эффект составил 15 тыс. руб. в год-.

Кроме того, результаты исследований внедрены в учебный процесс Воронежского инженерно-строительного института. Методы расчета вероятнейших окружностей и кривых на основе применения сплайн-функций использованы при разработке расчетно-графических работ для специальности "Автомобильные дороги". Вопросы, связанные с геодезическим обеспечением строительства прецизионных сооружений и наблюдением за деформациями оснований, включены в тематику студенческих научно-исследовательских работ.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований по теме диссертации докладывались на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Московского ордена Трудового Красного Знамени инженерно-строительного института (1591 г.), на восьмой и девятой областной научно-технической конференции "Научно-технический прогресс в строительстве и подготовке специалистов" (г. Иваново, 1990 и 1991 г.г.), на семинаре секции инженерной геодезии и маркшейдерии'НТО ГУТК СССР (г. Москва, 1991 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 статей..

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения,-четырех глав, заключения,.списка литературы и приложений. Общий ооъем работы составляет 138 страниц, содержит 26 рисунков и II таблиц. Список литературы включает III наименований, из них 20 на иностранных языках.

СОДЕРЕАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, показана 1ль геодезических работ при создании ускорителей заряженных частиц, сформулированы цель и задачи исследований.

В первой главе дается инженерная характеристика современных ускорителей заряженных частиц. Показано, что наиболее эффективными в настоящее' время считаются кольцевые ускорители, работа которых основана на многократном проховдении частиц одних и тех же ускоряющих промежутков. С точки зрения энергетических показателей наиболее эффективными являются протонные ускорители. Б кольцевых ускорителях, энергия частиц зависит от радиуса и орбиты, поэтому в развитии мировой ускорительной техники доминирующей остается тенденция к увеличению радиуса ускорителей.

Принципиально новым.подходом к изучению взаимодействия частиц сверхвысоких энергий является создание ускорите.-)й на основе встречных электрон-позитронных лучков. С учетом этого при проектировании и строительстве современных ускорителей закладывается возможность создания ускорителей на встречных пучках.

Современные ускорители заряженных частиц представляют собой целые ускорительно-накопительные комплексы, в которых пучок частиц проходит несколько этапов накопления и ускорения. Так на ускорительно-накопительном комплексе ИФВЭ прежде чем попасть в основное кольцо радиусом более 3 км и ускориться до энергии.в . 3G00 ГэВ частицы пройдут предварительное ускорение до 76 ГэВ в #

'существующем кольцевом ускорителе. Инжектором для него в свою очередь будет служить ускоритель-бустер на энергию 1,5 ГэВ радиусом 16 м. Такое поэтапное ускорение частиц связано с важнейшей характеристикой ускорителя - интенсивностью, то есть количеством ускоренных частиц в одном импульсе. Чем выше интенсивность, тем выше производительность исследовательс.дх установок.

Траектория движения частицы в ускорительном кольце х.^едста-вляет собой сочетание прямолинейных и 1фиволинейных промежутков. Движение частиц по такой слошой орбите обеспечивается отклонением их магнитным полем, источником которого явлг тся кольцевой электромагнит.

Движение частиц в ускорителе характеризуется двумя типами колебаний. Первый - свободные или бетатронные колебания, полученные частицами в момент инжекции под воздействием фокусирук-^лх сил. Второй вид - вынужденные колебания, вызванные неоднородностью магнитного поля. Если свободные колебания вызывают образование некоторой области распределения частиц вокруг равновесной орбиты, то вынувденные колебания ведут к вполне определен, ым ис-какениям орбиты.

Такш 'образом выявляется гармонический характер движения частиц по орбите, что требует обязательного учета при проведении геодезического контроля за геометрией ускорителя. Показано, что опасной гармоникой, вызывающей наибольшие деформации, на УНК является 46-я гармоника. ..

л

Положение физических элементов ускорителя контролируется относительно пунктов опорной-геодезической сети,-повторяющей в основном форму траектории движения частиц, поэтому задача сводится к наблюдению за деформациями сети. Отсюда вытекает задача выбора таких оформляющих для определения деформацпоннкх харак-

о;

теристик кольцевого ускорителя, которые наилучшим образом соот-

Ьетствовали бы его геометрии.

Геометрия ускорителя диктует и выбор формы опорной геодезической сети, которая в то же время позволяла бы осуществлять оперативный контроль за положением физического оборудования.

Характерной особенностью геодезических сетей на ускорителях является то, что по аналогии с допусками «а положение блоков электромагнита к точности определения положения пунктов сетей в радиальном направлении и по высоте предъявляются более высокие требования, чем по азимуту. Причем здесь также особое внимание уделяется точности ~ ■•аимного положения соседних пунктов сети.

Как показала практика, наиболее оптимальным вариантом геодезической сети для монтажа ускорителей больших размеров является кольцевая сеть из вытянутых перекрывающихся треугольников. Наряду с обеспечением необходимых требований к точности, она, по сравнении с другими видали сетей, предусматривает минимальное 'количество пунктов, занимает небольшое пространство в кольцевом туннеле, а ее относительно простая геометрическая схема предусматривает меньший объем геодезических работ.

Особенностью опорной сети на УНК является то, что в ней отсутствуют "твердые" пункты, то есть пункты-, заложенные в коренные" породы. Все знаки располагаются на кронштейнах или непосредственно на тюбингах.

Расстояния между пунктами опорной сети соответствуют расстояниям между квадрупольными линзами и составляют в основном 45,5 м, а длины высот треугольников - около 0,8 м.

Высотная опорная сеть совмещена с плановой и на всех этапах полностью повторяет её. Геометрическое нивелирование в туннеле выполняется по специальным маркам, расположенным на расстоянии 22,8 ы друг от друга. При обосновании точности наблюдений на ускорителях заряженных частиц исходят из физических па-

раматрон установки. Определяющей здесь является амплитуда колебаний искаженной орбиты частиц относительно проектной равновесной орбиты. Поскольку основное действие на пространственное положение пучка частиц оказывают возг.тщения, направленные перпендикулярно его оси, требования к точности определения взаимного положения элементов ускорителя по радиусу и по высоте более высокие, нежели по азимуту. Так средняя нвадратическая ошибх;_ установки линз в проектное положение составляет по радиусу 0,05 мм, по высоте - 0,06 мм, а по азимуту - 1,0 мм.

• Вторая глава посвящена разработке оптимально;, методики определения деформаций УНК. В основу всех способов, разработанных в этой главе, положена теория оформляющих, суть которой сводится к выделении из величины деформации двух составляющих: общей и частной.

Траектория движения частиц в УНК представляет собой сочетание прямолинейных и криволинейных участков, что и послужило отправной точкой в разработке новых способов олредел ния .деформационных характеристик.

В работе сделан упор на определение радиальных деформаций, как, с одной стороны, наиболее критичных для работы ускорителя, а с другой стороны, наименее изученным. .

Первый способ, предлагаемый в работе, заключается в вычислении радиальных смещений точек трасса УНК от вероятнейшей1 прямой и вероятнейшей окружности.

Поскольку каждый прямолинейный участок примыкает к криволинейному, получаем случай оформляющей прямой, проходящей через начало координат. Уравнение прямой имеет вид

Хп - аУ (I)

где Хп - ордината точки, лег/ацей на вероятнейшей прямой.

КоэфТцщент Л в формуле (I) определяется методом наимень-

них квадратов с учетом того,, что наблюдаемые точки располагаются равномерно

а* , (2)

п(п-.)(2п-1)ЛУ здесь ¡2К1Хга Ха + 2Х5 + 3*4+... +(и~1) X« .

Смещение точки относительно найденной вероятнейшей прямой определяется следующим образом '

б>1 = ЛXI ¿03 <¿1 , . (3)

где дК(»Х1-хп;

Для общей оценки положения трассы УНК на данном участке находим среднее квадратическое уклонение точек

(4)

Как следует из технического задания, допуск на изменение среднего радиуса кольца УНК на три порядка ниже, чем на ради&ль-"ные смещения отдельных точек проектной окружности. Поэтому возникает задача определения по выявленным радиальным отклонениям наблюдаемых точек вероятнейшей окружности, которая может быть принята за новую рабочую ось кольцевого ускорителя, координат ее центра и радиальных уклонений точек от найденной вероятнейшей окружности.

Первый способ основан на вычислении центра тяжести замкнутой орбиты УНК . . е*

£ К Ж У«.

Хс-Н^. ; • (5)

Тогда радиальные расстояния мавду наблюдаемыми точками и центром вероятнейшей окружности находим по формуле

1« (Х1-Хс)Ч( Уг-и«)а (6)

Затем вычисляем радиус вероятнейшей окружности

'радиальные отклонения

6ti = Хы ~ Н ( 8)

и средние квадратические уклонения

——Г— (9)

Величины ill могут быть получены и по способу наименьших квадратов

6tt=» Ati - aR- XeCOSo^i- «eSinoiv, (xo)

где Aii - радиальное отклонение от проектной окружности

= XiCOSoil + yi&UidU - R, (ID

дЯ - разность между радиусами проектной и вероятнейшей окружности 2Р

? л*' N

Хс = ATi COS oii

Уе = I Л AtvSmcU

>

(12)

Вычисление вероятнейшх прямых и окружностей при определении радиальных смещений потребовало реиения вопроса сопряжения отдельных участков трассы УНК.

Уравнение кривой, сопрягающей прямую и окружность с сопряжением первого порядка гладкости имеет вид

при этом производные в узловых точках должны равняться нулю.

Для получения сопряжения второго и более высокого порядка гладкости нужно задавать.старшие производные в узлах интерполирующей функции.-

Очевидно, что наилучшш приближением к истинной траектории

движения частиц в ускорителе является произвольная плавная кривая. Задаваться такая,кривая может различными способами.

В основу одного из способов положено применение классических ортогональных многочленов. В работе рассмотрены возможности использования полиномов Чебшева Тщ(х) , Лекандра Рщ (х) , Лагерра

и Эрмита Нт(х) для вычисления радиальных смещений точек

«

кольцевой геодезической сети. Во всех этих полиномах аргументам является дарекционное направление , которое изменяется на интервале [о; 2*1 , Уравнение нолинока имеет вид

Д^-А. +А 1| + АтоС. (14)

Рассмотрена и другая возможность задания вероятнейшей кривой, которая состоит в нахоздении для дискретной функции аппроксимирующей рациональной функции:, наилучшей в смысле метода наименьших квадратов.

' Пусть даны целые положительные величины ф , Ц к значения аргумента XI и.функции ^ . Задача состоит в том, чтобы найти коэффициенты многочленов

. Р Ы- |>1+ + р-фХ1""1 О (XV + Я8Х+... + Яи»*Ц"'

такие, что

Непосредственное решение (15) приводит к системе нелинейных уравнений. Поэтому задача сводится к системе линейных уравнении вида АС» Ч , где С - вектор неизвестных коэффициентов, А -симметрическая положительно определенная матрица размерности т»т с элементами

= I

а Й - гп - мерный вектор с компонентами

И» ...

г> • 2 /ЫзИх0.

Здесь §1 (*;) - фундаментальные функции.

В этом способо для лучшей обусловленности систем нормальных уравнений в качество фундаментальных функций используются многочлеш ЧебышеваТ* (х) , т.е. числитель и знаменатель рациональной функции вычисляются с помощью их разложений по многочленам Чебышева.

Для вычисления вероятнейшей кривой очень удобно прнг.:о:шть кубические сплайн-функции вида

Задача здесь сводится к вычислению коэффициентов А*, , Ск

и Ък .

При определении радиальных смещений пунктов сети кольцевого ускорителя с применением кубических сплайнов существует опасность, что сплайн, хорошо согласованный с измеряемыми точками, не выявляет колебаний орбиты, которые лежат вблизи бетатронной частоты. Чтобы избегать такой опасности, для вычисления сплак-ю следует использовать только такие точки, взаимной отстояние которых больше, чем длина волны бетатронных колебаний.

Для УНК частота бетатронных колебаний составляет 46 гармонических колебании по периметру. При периметре орбиты У11К Р = 20771,8 м длина волны составит величину Л = 451,56 м. Однако эта величина несколько корроктируотся с учета.: те ремы Ь.Л.Ко-тельнлкова о выборке, согласно которой максимальная частота, содержащаяся в любой периодической функции, :.:о::<от бить определена из выражения

\) _ I- (IV)

где и - длина всиго интервала, на котором задана функция; Ьы* -мшымальноо расстояние ;.;е?/ду узловыми точкагш.

Исходя из этого, Ш1х;пы1сю расс?оя?ло между узловши точ-

— J.O —

ка;лк при определении радиальных смещений пунктов кольцевой гесь-дезической сети УНК сплайн-методом составит 225,78 м. Такое уменьшение величины ^min нам выгодно, поскольку оно приводит к двукратному увеличению числа узловых точек, что в свою очередь ведет к уыенылению величин радиальных смещений от сплайна &Si , а значит и к сокращению процесс? юстировки физического оборудования.

Бее разработанные в этой главе способы были апробированы на данных многолетних наблюдений за деформациями кольцевой сети ускорителя 7-70. Для этого были составлены программы RADIUS , CLASS , NOW-а языке РОРТШ с применением стандартных программ.

Результаты вычислений подтвердили целесообразность вычисления деформационных характеристик на основе теории оформляющих.

Достоинством метода вероятнейших прямых и окружностей является простота и возможность его использования исполнителем непосредственно в туннеле при наличии калькулятора. Классические ортогональные многочлены удобно применять при изучении деформаций небольшие участков трассы УНК, при монтаже технологического оборудования, а также при исследовании геометицп малых экспери-ментальннх кольцевых ускорителей.

Наибоее эффективным можно считать сплайн-метод, так как траектория, вычисленная этим методом, наилучшим образом соответствует истинном траектории движения заряженных частиц. Кроме того он позволяет выявить колебания орбиты, лежащие вблизи бе-татронной частоты, являющиеся наиболее опасными для работы ускорителя.

Методы расчета радиальных смещений целиком применимы и к вычислению вертикальных отклонений точек кольцевой геодезической сети. Формулы здесь принципиально не отличаются от тех, что

были получены для вычисления радиальных уклонений.

Анализируя существующую методику определения азимутальных смещений пунктов кольцевой геодезической сети, получен вывод о нецелесообразности вычисления для этой цели вероятнейших окружностей или других оформляющих. Связано это с тем, что азимутальное направление не является критичным для нормальной работы ускорителя.

В третьей главе дано обоснование точности выполнения инженерно-геодезических работ при создании ускорителя на встречных пучках.

Для достижения проектной мощности 0,4*о,0 ТэВ и исходя из конструктивных особенностей УНК необходимо, чтобы встреча прои-, зошла в ограниченной области длиной 12 см и диаметром 0,08 мм. Этого можно добиться лишь при условии точной установки на проект двух фокусирующих линз, непосредственно примыкающих к много-мюонному спектрометру Шй , на котором и произойдет встреча. Однако требований к точности взаимной ориентации фокусирующих

о

линз до сих пор сформулировано не было.

Очевидно, что энергия встречи напрямую зависит от интенсивности встречных пучков, или от. количества частиц, достигших моста встречи на Ш8 . Фактическая площадь сечения при встрече пучков определяется формулой £

»•»'[ (да

где =0,04 мм - радиус проектной области встречи; £ - несовпадение центров (эксцентриситет) встречных пучков.

Задавая различные значения эксцентриштета £ , по формуле (18)мото определить фактическую площадь сечения б и количество частиц N в процентах к проектной величине.

С учетом того, что при нормальной работе ускорителя от 20

до 40% частиц неизбежно оседает на стенках вакуумной камеры,

приходам к выводу, что для обеспечения проектной мощности ускорителя на встречных пучках фокусирующие линзы долети быть установлены на проект со средней квадратической погрешностью + 0,020 г,с.:.

Дано п более строгое обоснование этой точности, основанное на анализе исходно!! формул ядерной физики, определяющей зависимость энергии ускорителя Е от его радиуса И

Е-е2ВН%3002&К, (19)

где «Е - целое число, означающее кратность ионизации; В магнитная индукция.

Однако и в результате строгого обоснования мы опять приходим к той же величине средней квадратической ошибки установки фокусирующих линз, составляющей + 0,020 мы.

В четвертой главе выполнен анализ результатов использования разработанных методов исследований на У11К.

В силу того, что основное кольцо УНК в настоящее время находится в стадии строительства, и ецэ не существует замкнутой кольцевой геодезической сети, все предложенные методы были адаптированы к кошеретному случаю наблюдений.

Определение радиалкшх смещений выполнялось на участке сети ^одзешой полигон оме трии. Цель этих наблюдений - изучение дефор1.:ащ... строительных конструкций в процессе сооружения туннеля и в период заполнения пустот мезду тюбингами и породой „пещлльиой связующей смесью. Исследуемый участок включает 25 пунктов, отстоящих друг от друга на расстоянии около 90 м. Сеть построена в виде полигонометрического хода, в котором измерены, все сторсны и'угли.

Лпнешые измерения проводились высокоточным свстодадьноме-^ои СП-2 "Тог:аз" с паспортной точностью (2 см + 2 1С~°Д).

Угловые - секундным теодолитом Те-BI фирмы МОГ/ (Венгрия).

Определение деформаций осуществлялось путем сравнения координат пунктов относительно исходного цикла наблюдений. За исходный принят цикл наблюдений до закачки связующей смеси.

По полученным значениям ДХ и А У были вычислены радиалышо отклонения кавдого пункта от его проектного положения . По значениям üXi построен график деформаций (рис. I, а), из которого видно, что величины tili отягощены значительными систематическими составляющими. Для выделения этих составляющих была вычислена вероятцеишя кривая сплайн-методом (показана пунктиром). Для выявления колебаний орбиты, лекащих вблизи ботатроннои частоты, в качестве узловых выбраны пункты 10, 7, 4, I, |Д [б], (з} [12] п [15J, расстояние между которыми составляет 270 м и удовлетворяет требованиям формулы (17). Радиалыше смещения AS; осталышх пунктов вычислялись относительно полученного сплайна. По значениям ДS; построен второй график (рис. I, б)

-10

Рис. I

Графики показывают, что использование кубических сплайн-функций для определения радиальных уклонений приводит к значительному уменьшению величин уклонений. Кроме того, данная методика обработки результатов измерений позволяет дать более достоверную картину протекания радиальных деформаций туннеля, учитывающую гармонический характер колебаний частиц на орбите.

Результаты исследований показали, что нагнетание бетонной смеси за обделку туннеля привело к достаточно равномерной радиальной деформации, что не должно вызвать значительных нарушений геометрии туннеля и, тем более, его разрушений.

Определение вертикальных смещений выполнялось на контрольном участке специального высокоточного нивелирования. Эта высотная сеть представляет собой линейно-вытянутую цепочку из 91 знака, отстоящих друг от друга на расстоянии около 23 м и жестко скрепленных с внутренней обделкой туннеля.

Нивелирование знаков высотной сети выполнялось по специальной методике с '«польз ованк • компенсаторного нивелира N¿002 и полутораметровых шшарных реек. Измерения производились при д?ух горизонтах инструмента по основной и дополнительной шкалам со строгим соблюдением равенства плеч. Рейки устанавливались на деформационные марки с помощью специально установленных магнитных держателей, позволяющих зафиксировать рейку в строго вертикальном положении. Для обеспечения равномерной подсветки штрихов рейки были сконструированы компактные осветительные системы, закрепляемые на рейке. В вычисленные на станции значения средних превышений подались поправки за температуру и за неправильность нанесения штрихов на рейке. .

Производство нивелирования по одной и той же программе, строгое следование разработанной методике, практически неизменные в течение всего года условия наблюдений в подземном туннеле позволили добиться точности определения превышения на станции в 0,020мл в средних квадратических величинах. •

Всего с начала наблюдений выполнено 9 циклов измерений. Методика обработки результатов была той же, что и в случае радиальных смещений. Узловые точки выбирались с учетом требования (170 • расстояние между шага составило 230 м. Вертикальные смещения ос-

тальных точек вычислялись относительно полученного сплайна. По полученным значениям построены графики осадок.

На графиках легко можно выделить зоны наиболее интенсивных осадок, стабильные участкц, зоны пучения.

Очевидно, что используя разработанный метод обработки результатов измерений, мы фактически уходим от реально существующих деформаций, происшедших на том или ином участке. Величины смещений, полученные с помощью сплайн-метода, обусловлены гармоническим характером движения частиц по орбите ускорителя, главным образом, резонансной гармоникой, представляющей наибольшую опасность для нормальной работы установки, ^аким образом, речь идет о сознательном искажении деформационного процесса, позволяющем смоделировать воздействие резонансной гармоники на пространственное положение траектории пучка заряженных частиц.

Выполненные циклы наблюдений позволяют подвести некоторые итоги изучения микродвижений горных пород оснований УНК.

Построенные по значениям средних квадратических уклонений

О

деформационных знаков от вероятнейшей кривой графики (рис. 2) указывают на сезонную цикличность осадок оснований. Максимальные средние квадратические смещения пунктов приходятся на весну, минимальные - на осень. Это дает основание полагать, что основными природными причинами, вызывающими указанные деформации туп..еля УНК, являются вариации температурного и влакностного режима горных пород, изменение уровня грунтовых вод и вариации атмосферного

Рис. 2

Общая тенденция к возрастанию средних квадратических отклонений от вероятнейшей кривой объеясняется чисто техногенными факторами, главный из которых - продолжение строительства комплекса, проходка параллельных туннелей, обустройство готовых участков для последующего монтажа технологического оборудования, производство строительных работ на дневной погорхности и т.п. По мере завершения строительства ожидается стабилизация осадок, что, однако, не избавляет от необходимости периодического контроля.

Проведенный анализ показывает, что исследуемый участок туннеля в высотаои отношении очень стабилен. Но поскольку гесдоги-ческое строение оснований неоднородно на всей технологической площадке и с учетом продолжения строительства объекта, загрузил его технологическим оборудованием следует продолжать геодезические наблюдения, распространив их уже на все кольцо.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение новых методов определения и анализа деформаций оснований ускорителей вызвано необходимостью повышения эффективности использования геодезической информации для обеспечения проектирования, строительства и эксплуатации ускорителей на сверхвысокие эьаргии.

Выполненные теоретические разработки и экспериментальные исследования обеспечили наиболее практичный подход к оценке результате-; геодезических наблюдений, основанный на связи их с физическим процессом. В итоге поставленные в работе задачи по совершен-•ствованшо анализа к представления результатов геодезических измерений были успешно решены.

Основные положения диссертации заключаются в следующем.

I. На основе изучения физической сущности работы кольцевого 'ускорителя сформулированы подходы к репешга основных задач.

2. Анализ опыта проведения геодезических работ на кольцевых ускорителях показал, что наиболее оптныалышм вариантом геодезической сети для монтака ускорителей больших размеров является кольцевая сеть' из вытянутых перекрывающихся треугольников.

3. Наиболее простым и доступным способом вычисления радиальных смещений точек УНК является вычисление вероятнейших прямых

и окружностей.

4. Получено уравнение кривой, сопрягающей вероятнейшую прямую и вероятнейшую окружность.

5. Установлено, что для изучения деформаций небольших участков УЖ удобно применять классические ортогональные многочлены.

6. Разработана методика определения деформаций туннеля УЖ, основанная на применении кубических сплайн-функций, использование которой позволит сократить процесс юстировки технологического оборудования вдвое.

7. На основе изучения физического процесса рассчитана величина минимального расстояния Эгиги мевду узловыми точками при

о

вычислении кубического сплайна.

8. Установлено, что при создании ускорителя на встречных пучках фокусирующие линзы, непосредственно примыкающие к много-мюонному спектрометру, должны устанавливаться, в проектное положение со средней квадратической ошибкой +0,020 мм по радиусу и по высоте.

9. Разработан метод моделирования деформаций УНК, приводящий всю процедуру обработки результатов наблюдений в соответствие с гармоническим характером колебаний частиц при их движении по орбите.

10. На основе использования разработанных методов сделаны выводы об устойчивости отдельных, участков туннеля УНК.

11. Выявлена сезонная цикличность осадок оснований УНК, ус-

тановлеш основные природные факторы, вызывающие эти осадки.

В целом использование разработок позволило получить следующие технико-экономические показатели:

- повысить объективность и информативную насыщенность полученных результатов геодезических наблюдений;

- уменьшить число циклов нас шдений за деформациями туннеля, за счет чего долучен экономический эффект 15 тыс. руб. в год;

- сократить в два раза трудоемкий и дорогостоящий процесс юстировки физического оборудования в период эксплуатации ускорителя;

- существенно снизить г.^емя пребывания персонала в радааци-онно опасной зоне при выполнении измерительных и котировочных-работ;

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Бар^еньев A.A., Егоров В.В., Заболотный А.Л. Исследование причин нарушения соосности агрегатов турбогенератора Кб Воронежской ТЭЦ-I геодезическими методами. М., Деп. ВШШС, 1987, й5.

2. Новак Б.Е., Заболотный А.Л. К вопросу анализа деформаций оснпаний под прецизионные сооружения. Сборные научных трудов ВАЛ). Совершенствование геодезических и фотограмметрических работ. M.t 1990, с. 30-34.

3. Заболотный А.Л. Расчет радиальных деформаций сооружений кольцевой формы. В кн.: Тезисы докладов восьмой научно-техн. конф. "Научно-технический прогресс в строительстве и подготовке специалистов" - Иваново, 1990, с. 128.

4. Заболотный А.Л. Вычисление радиальных смещений пунктов кольцевых сетей на ускорителях заряженных частиц. М., Дел. ОНИПР ЦНИИГАиК, ЕУ ВЖТГЙ, 1991, Js6, с. 22.

5. Заболотный А.Л. Применение классических ортогональных

многочленов для вычисления радиальных, смещении пунктов сети кольцевого ускорителя. Ы., Деп. ОНШР ВДИИГАиК, БУ ВИНИТИ, IS9I, Г£, с. 22.

6. Новак В.Е., Заболотный А.Л. Вычисление деформационных характеристик оснований ускорительно-накопительного комплекса. Научные труды BATO. Инженерно-геодезические работы в строительстве. Г.!., 1991, с. 61-67.

7. Заболотныи А.Л. Вычисление радиальных уклонений от веро-ятнейшей кривой. Научные труды BATO. Инженерно-геодезические работы в строительстве. L1., 1991, с. 67-70.

8. Варламов С.К., Заболотныи А.Л., Иванов Е.А. Организация высокоточных геодезических наблюдений за вертикальными смещениями туннеля ускорительно-накопительного комплекса. В кн.: Тезисы докладов девятой обл. научно-тех. конф. "Теория и практика капитального строительства и подготовка инженерных кадров" - Иваново, 1991, с. 13.

9. Заболотный А.Л. Разработка методов определения радиаль-

ных смещений точек кольцевой геодезической сети. В кн.: Тезисы докладов девятой научно-тех. конф. "Теория и практика капитального строительства и подготовка инженерных кадров" - Иваново, 1991, с. 28.

О

Зах.Ш. Тир./00.