Мониторинг деформаций

Последние десятилетия мир охватил строительный бум: здания, мосты, тоннели, дамбы и прочие объекты инфраструктуры становятся всё больше, выше и длиннее. Этому способствует как повышение спроса человечества на повышение удобства и качества жизни, так и развитие сопутствующих отраслей, позволяющих за счёт новых технологий осуществить это.

При этом всё в нашем мире находится в относительном движении: смещение грунта вблизи наблюдаемого объекта, его сложная конструкция и большой вес, повышенная сейсмическая активность района нахождения объекта – всё это, в дополнение к естественным процессам старения, приводит к возникновению деформационных процессов в построенных объектах, которые могут быть как допустимыми, так и критическими.

При критических деформациях может произойти полное или частичное разрушение объекта, что приведёт к большим экономическим потерям или даже человеческим жертвам. Своевременное выявление развития деформационных процессов позволит провести ряд мероприятий с минимальными затратами, направленных на сохранение целостности объекта.

Существующие регламенты и инструкции по эксплуатации объектов определяют порядок, объём работ и периодичность геодезического мониторинга. Недостатком такого подхода является отсутствие информации о состоянии объекта между периодами проведения мониторинга, что в предельном случае не позволяет отследить быстроразвивающиеся деформационные процессы. В качестве примера можно привести контроль за склоном карьера, деформационные процессы в котором могут развиться за 1-2 часа и привести к его обрушению.

Автоматизированные системы мониторинга свободны от такого недостатка, и позволяют собирать и обрабатывать данные о деформационных процессах контролируемого объекта с любой периодичностью, а также осуществлять экстренное оповещение заинтересованных служб о нештатных ситуациях.
Автоматизированные системы деформационного мониторинга могут быть геодезическими, геотехническими или комбинированными. В геодезических системах мониторинга в качестве датчиков используются геодезические приборы, позволяющие непосредственно измерять координаты или смещения контролируемых точек объекта (например: тахеометры, спутниковые навигационные приёмники, инклинометры). В геотехнических системах используются датчики различных физических величин, которые обеспечивают дополнительную информацию о состоянии объекта (например: тензометры, акселерометры, экстензометры, датчики температуры, давления и влажности и др.). Наиболее полную информацию о состоянии контролируемого объекта дают, безусловно, комбинированные системы. Такие системы рекомендуется устанавливать на значимые объекты инфраструктуры.

Остановимся подробнее на геодезическом деформационном мониторинге.
Деформационный мониторинг – это контроль и систематические  измерения геометрических размеров и положения объекта. Полученные измерения используются для последующего вычисления отклонений, анализа деформационных процессов, проверки на вхождения в допуск и генерирования оповещений о тревожных событиях. Правильно рассчитанная и настроенная система мониторинга позволяет вовремя выявить и предупредить деформационные процессы в контролируемом объекте, что минимизирует убытки и позволяет избежать человеческих жертв и потерь дорогостоящего оборудования, - это является важной составляющей риск-менеджмента, осуществляющего контроль за сложными инженерными объектами. При этом система мониторинга может быть установлена как в процессе строительства объекта, так и во время его последующей эксплуатации.

Система мониторинга – это сложный аппаратно-программный комплекс, включающий в себя высокоточное измерительное оборудование (датчики), оборудование центра мониторинга и каналов связи, а также программное обеспечение управления, сбора и обработки данных. Остановимся подробнее на каждом компоненте системы.
Как уже было упомянуто выше, используемые в системе датчики могут быть как геодезическими, так и геотехническими. Геодезические датчики используют оптические (роботизированный тахеометр, инклинометр) и спутниковые технологии (навигационный приёмник). Точность таких датчиков с учётом последних разработок и достижений весьма высока. Так, роботизированный тахеометр Leica TM30 позволяет достичь точности в 1 мм на расстояниях до 400 м, спутниковый навигационный приёмник Leica GMX902 определяет координаты с точностью до 3 мм + 0,5ppm, инклинометр Leica NIVEL220 измеряет угол наклона с точностью до 0,005 мрад, что позволяет определить горизонтальное смещение в 1 мм на 200 м высоты.

Роботизированный тахеометр обычно устанавливается в месте, не подверженном деформациям, с которого обеспечен хороший обзор наблюдаемого объекта. При невозможности обеспечить стабильность места установки тахеометра, допускается в стабильных зонах расположить несколько опорных отражателей, а тахеометр будет периодически определять своё положение методом обратной засечки по этим отражателям. В места контрольных точек устанавливаются высокоточные отражатели, которые надёжно закрепляются на объекте. Смещение контрольной точки приводит к смещению отражателя. Тахеометр последовательно, при помощи управляющего программного обеспечения, определяет местоположение отражателей в локальной системе координат. Типовое применение роботизированных тахеометров – для контроля мостов, фасадов зданий и сооружений, склонов (гор и выработок), туннелей.
 

Спутниковый навигационный приёмник может быть установлен в любой точке объекта, в которой обеспечивается приемлемая видимость небосвода. Типовое применение спутниковых навигационных приёмников – для контроля мостов (высоких пилонов и пролёта), дамб и плотин, высотных зданий, нефтяных платформ. Особенностью применения спутниковых технологий является обязательное наличие опорной базовой станции, которая обеспечивает необходимые поправки и позволяет достичь высокой точности спутниковых измерений. Базовая станция может быть локальной (располагаться недалеко от объекта) или сетевой (используется одна, ближайшая к объекту базовая станция из существующей в данном регионе или области сети базовых станций).

Инклинометры обычно устанавливаются на опорах мостов, вдоль оси высотных зданий и в фундаментах различных сооружений, расположенных на нестабильных грунтах.  

Выбор состава и мест расположения геотехнических датчиков всегда зависит от типа объекта и его состояния. 
Важную роль при выборе оборудования каналов связи играет место расположения сервера центра мониторинга, технической доступности объекта по прокладыванию кабелей и пожелания заказчика. Также следует обеспечить бесперебойное электропитание для всего оборудования системы мониторинга. Отметим, что подбор оборудования каналов связи и электропитания является задачей проектирования индивидуально для каждого объекта. 

Основным компонентом системы мониторинга является специализированное программное обеспечение (ПО), устанавливаемое на сервере центра мониторинга. Данное ПО должно обеспечивать следующие функции: управление измерительными датчиками, сбор, обработку и сохранение в локальной базе данных измеренных параметров, визуализация, проверка каждого параметра на вхождение в заданные допуска, формирование оповещений при нештатных и критических ситуациях (при помощиSMS, e-mail, включении локальной сирены). Всем перечисленным функционалом обладает специализированное программное обеспечение Leica GeoMoS Monitor. Дополнительное ПО, Leica GeoMoS Analyzer, позволяет осуществлять просмотр накопленных данных за любой период времени и повторно обрабатывать их, формировать отчёты.

Также заказчику может быть дополнительно предоставлена возможность просмотра всех собираемых данных через Интернет. Таким функционалом обладает сервис Leica GeoMoS Web, который обеспечивает доступ и просмотр всех накопленных данных даже в случае временного отсутствия связи сервера мониторинга с сетью Интернет.
В пользу выбора автоматизированной системы мониторинга говорит следующее обстоятельство. Если провести экономические расчеты ресурсов, необходимых для проведения измерений традиционными методами (транспортные расходы, затраты на оборудование и персонал), то станет очевидно, что система автоматического деформационного мониторинга окупается за 2-3 года эксплуатации. При этом для обслуживания даже самой сложной системы достаточно одного – двух специалистов, а вероятность ошибки измерений близка к нулю. В частности, такие ошибки как неточное наведение на отражатель или пропущенные цели полностью исключаются. Наличие системы мониторинга также способно существенно сократить расходы на страхование инженерного объекта.

При проектировании системы мониторинга необходимо, прежде всего, чётко представлять объем необходимой информации о контролируемом объекте, которая давала бы исчерпывающую информацию о его пространственном положении и качественном состоянии. Исходя из этого определяется состав датчиков и программного обеспечения системы мониторинга.
Важным преимуществом
автоматизированных систем деформационного мониторинга является масштабируемость
и гибкость в выборе оборудования. При необходимости возможно добавлять,
исключать или изменять определенные элементы без остановки общего процесса
наблюдения за объектом. Любой проект может быть расширен или объединен с
текущими инженерными системами объекта.