Использование тахеометров Leica в строительстве

В данной статье изложен новый подход к определению крена сооружений башенного типа. На основе экспериментальных геодезических наблюдений измерен крен вытяжной трубы высотой 150 м электронным тахеометром Leica TCRA1201 c безотражательным дальномером с одной точки стояния прибора, что позволило оперативно выполнить натурные измерения и автоматизированно получить окончательные результаты в программном комплексе LISCAD Plus.

Опыт использования электронного тахеометра для измерения крена сооружений башенного типа

Анализ существующих методов определения крена сооружений башенного типа

Объекты башенного типа (дымовые трубы, ректификационные колонны, грануляционные башни, радиотелевизионные антенные опоры и др.) (далее – сооружения) являются одними из самых ответственных инженерных сооружений. При проведении строительных работ или в процессе эксплуатации сооружения вследствие неравномерной осадки или других причин могут подвергаться деформации. Кроме того, деформации могут проявляться вследствие некоторых конструктивных особенностей сооружений, которые также могут подвергаться кручению и изгибу, вызываемым неравномерным солнечным нагревом или давлением ветра[1], что приводит к их крену (отклонению от вертикальной плоскости).

Подобные деформации могут привести к потере устойчивости сооружения. Поэтому периодическое определение деформаций (мониторинг) приобретает особенную актуальность в части активно ведущегося в Республике Беларусь строительства в первую очередь высотных и уникальных объектов, а также крупных объектов. По результатам таких измерений (мониторинга) при необходимости могут разрабатываться профилактические меры для устранения крена с целью обеспечения безаварийной эксплуатации сооружения.

«важно» Современные тенденции оценки деформационного состояния сооружений заключаются в создании автоматизированного, постоянно действующего мониторинга с использованием высокоточных систем космического позиционирования (GPS-систем), роботизированных электронных тахеометров, высокоточных инклинометров (типа Leica Nivel210/Nivel220) с точностью измерения угла наклона 0,09 сек и применением программного комплекса GeoMoS (Leica Geosystems).

Автоматизированная система деформационного мониторинга требует значительных временных и материальных затрат, специального обучения специалистов, поэтому не утратили своей актуальности и более простые способы и критерии оценки деформационного состояния сооружений. Как отмечалось выше, таким критерием оценки может служить крен – наиболее характерный показатель общей деформации сооружения. Существует значительное количество традиционных способов определения крена сооружений[2], а именно:

по разности отметок осадочных марок, установленных на фундаменте или цокольной части сооружения;

путем вертикального проецирования верхней точки сооружения на горизонтальную рейку;

путем измерения горизонтальных углов на верхнюю точку сооружения;

путем определения произвольных направлений или магнитных азимутов на образующие сооружения;

путем определения прямоугольных координат (способ засечек) некоторой верхней точки сооружения;

другие менее известные способы: измерение малых углов, горизонтальных и вертикальных углов; фоторегистрации, одного опорного пункта; использование приборов вертикального проецирования.

В основе подавляющего большинства перечисленных выше способов определения кренов лежат угловые измерения с фиксированного базиса с использованием высокоточных теодолитов. При этом даже в случае использования современных геодезических приборов с автоматической регистрацией и обработкой результатов измерений они являются весьма трудоемкими и не обеспечивают достаточную оперативность и точность измерений.

Появление электронных тахеометров с большим радиусом безотражательных измерений расстояний позволило вычислять координаты на поверхности сооружения с большой точностью и на разных сечениях (высотах), в результате чего стало возможным получение трехмерной модели поверхности сооружения[3]. Исходя из этого представим следующий способ определения кренов.

В работах авторов для разработки и апробации предлагаемого способа использовался высокоточный роботизированный электронный тахеометр Leica TCRA1201 с безотражательным режимом измерения производства концерна Leica Geosystems, Швейцария[4]. Тахеометры указанной серии оснащены двумя дальномерами: традиционным IR-дальномером и безотражательным дальномером (RL) повышенной мощности. Технология PinPoint, основанная на использовании лазерного дальномера видимого спектра излучения с чрезвычайно малой расходимостью пучка, обеспечивает высокую точность наведения на цель и измерения. Точность измерения расстояний тахеометром TCRA1201 в стандартном режиме работы с отражателем составляет 2 мм + 2 ppm (2 мм на 1 км), время одного измерения – 1,5 сек; в безотражательном режиме – 3 мм + 2 ppm (2 мм на 1 км), время – 3–6 сек. Точность угловых измерений в обоих режимах составляет 1 сек.

Проведение измерений

В качестве примера реализации предлагаемого способа приведем результаты, полученные при плановых измерениях крена металлической вытяжной трубы одного из цехов ОАО «Гродно Азот». Измерения выполнялись 2 раза в течение года – в июне и декабре. Высота трубы составляла 150 м.

Для определения величины крена электронный тахеометр Leica TCRA1201 (см. рис. 1) устанавливался на точке с хорошей видимостью полной стороны башенного сооружения. Расстояние до трубы выбиралось таким образом, чтобы с уверенностью можно было регистрировать координаты верха трубы, поскольку он находится на максимальном расстоянии от тахеометра. С помощью встроенной программы обратной засечки выполнялись ориентирование прибора и определение плановых координат точки стояния тахеометра.

Рис. 1. Схема выполнения измерений.

 

«совет, подсказка» В случаях, когда требуется определить только величину крена, все измерения можно выполнять в относительной системе координат.

Затем выбиралось количество сечений (см. рис. 1 – h1, h2, h3, h4, h5, h6) на вытяжной трубе, на которых впоследствии вычислялся центр сооружения. Обычно это были горизонтальные швы на вытяжной трубе. Далее на каждом горизонтальном сечении приблизительно через равные угловые расстояния тахеометром измерялись трехмерные координаты поверхности башни. Как правило, в зависимости от прямой видимости могло быть от 6 до 10 точек. Координатам точек каждого сечения присваивался свой код, и они записывались в оперативную память тахеометра. Далее эти точки проецировались на горизонтальную плоскость. Таким образом, для каждого сечения определялись точки, описывающие полуокружность, которая получается в сечении башни на высоте h.

«совет, подсказка» Следует отметить, что для определения радиуса башни на высоте h и координат центра достаточно трех точек, лежащих на этой полуокружности. Однако, учитывая, что реальные измерения подвержены некоторым погрешностям, а сечение башни на высоте h не является идеальным кругом при построении радиуса и центра окружности, авторами был применен известный метод наименьших квадратов.

Обработка и анализ результатов

В настоящее время существует ряд программных комплексов, в которых процедуры построения окружности по методу наименьших квадратов по эмпирическим данным достаточно эффективно реализованы. Для этой цели может быть применено специализированное программное обеспечение по обработке и интерпретации геодезических данных LISCAD Plus, ориентированное в первую очередь на обработку полевых данных геодезических приборов фирмы Leica.

Результаты измерений с электронного тахеометра (проекции) импортировались непосредственно в LISCAD Plus. Определение координат центров и величины радиуса горизонтального сечения трубы на высоте hi выполнялось в стандартной процедуре LISCAD Plus интерактивного построения дуги окружности по методу наименьших квадратов. Данная процедура позволяет вычислить радиус и построить центр окружности по любому количеству точек, оценить отклонения измеренных на поверхности трубы точек от вычисленной дуги окружности для каждого измерения, повторить вычисления, исключив (например, точки с большими отклонениями) либо добавив новые точки.

На рис. 2 приведен пример такой обработки, где крестиками обозначены местоположения проекций точек на горизонтальную плоскость, вниз от крестиков – идентификаторы точек, вверх под углом в 45° – высоты от основания вытяжной трубы, на которых находятся точки. Сверху от дуги – фрагмент экрана результатов построения окружности на высоте ~ 100 м. В верхнем окне в графе «Смещение» приведены отклонения положения измеренных точек от построенной по методу наименьших квадратов окружности. В нижнем левом углу окна «Радиус 1.166» – вычисленный радиус вытяжной трубы на высоте 100 м. Как видно из рисунка, максимальное отклонение от окружности составляет 7 мм для точки с идентификатором 804.

Рис. 2. Построенная окружность, описывающая сечение вытяжной трубы на высоте 100 м.

Такие построения окружностей выполнялись для каждого из сечений, на которых проводились измерения. Результаты определения вычисленных радиусов для двух серий измерений, выполненных в июне и декабре, приведены в следующей таблице.

Результаты определения радиусов вытяжной трубы по сечениям


сечения
Высота уровня на трубе, м

 

Вычисленный радиус

 

июнь

2013 г.

декабрь 2013 г.

 

1

 

26

 

1,204

 

1,209

 

2

 

37

 

1,183

 

1,174

 

3

 

45

 

1,18

 

1,201

 

4

 

57

 

1,201

 

1,194

 

5

 

67

 

1,186

 

1,179

 

6

 

79

 

 

1,181

 

7

 

92

 

1,199

 

1,175

 

8

 

100

 

 

1,166

 

9

 

108

 

 

1,159

 

10

 

119

 

1,186

 

1,194

 

11

 

131

 

1,188

 

1,187

 

12

 

139

 

1,207

 

1,208

 

Среднее значение радиуса

 

1,193

 

1,186

 

 

Исходя из данных таблицы можно сделать вывод, что отклонение значений от средней вычисленной величины радиуса не превышает 1,5–2,0 см. Указанная осредненная величина может являться косвенным подтверждением точности рассматриваемых определений. Отметим, что в эту погрешность могут входить и другие неточности, возникающие при эксплуатации трубы за счет неравномерного нагрева, вибрации, влияния электромагнитных полей и других негативных процессов.

Согласно ГОСТ 24846-81 «Грунты. Методы измерения деформаций оснований зданий и сооружений», утвержденного и введенного в действие постановлением Комитета по стандартизации, метрологии и сертификации при Совете Министров Республики Беларусь от 17.12.1992 № 3, допустимые ошибки определения осадок не должны превышать следующих значений[5]:

0,0001 высоты стен гражданских и производственных зданий и сооружений;

0,0005 высоты труб, мачт сооружений связи и линий электропередачи и других подобных сооружений.

В данном случае высота вытяжной трубы составляет: 150 м ´ 0,0005 = 0,075 м (7,5 см). Это свидетельствует о том, что предлагаемый новый способ определения крена башенных сооружений может быть применен на практике, преимущественно на производственных предприятиях, где имеются от 10 и более башенных сооружений.

Спроецированные на горизонтальную плоскость центры окружностей, построенных для каждого из уровней (1–12) (см. табл.), изображены на рис. 3. При этом точками отмечено плановое положение центра окружности (оси трубы) для каждой высоты. Высоты для этих точек приведены в таблице выше. Стрелками на рис. 3 обозначено перемещение центра вытяжной трубы от одного сечения к другому.

Рис. 3. Смещение центров сечения трубы по уровням.

 

Измерив расстояние между центром окружности для сечения 1 (точка 1) и центром окружности для сечения 12 (точка 12), можно получить абсолютное значение величины крена. В данном случае она составляет 290 мм. Среднее значение крена этой трубы, определенное за 8 последних лет традиционным способом, составляет 295 мм. Линия 1–12 будет соответствовать его направлению.

Заключение

Таким образом, предлагаемый способ обладает следующими преимуществами:

1) позволяет с одной точки стояния тахеометра получать данные для определения величины и направления крена башенных сооружений;

2) не требует предварительной закладки и последующей сохранности опорных геодезических пунктов (базисов);

3) применим для различной конфигурации башенных сооружений (цилиндрических, конических, треугольных и др.);

4) позволяет оперативно выполнять натурные измерения и получать окончательные результаты в автоматизированном режиме программного комплекса LISCAD Plus.

Владимир Михайлов, кандидат географических наук, доцент БНТУ

Сергей Кононович, старший научный сотрудник ГНПО «НПЦ НАН Беларуси по биоресурсам»

Юрий Чиберкус, научный сотрудник Ю.Н. ГНПО «НПЦ НАН Беларуси по биоресурсам

[1] Бикташев М.Д., Башенные сооружения. Геодезический анализ осадки, крена и общей устойчивости положения: учебное пособие для студентов / М.Д. Бикташев. – М. : – Изд-во АСВ, 2006. – 376 с.

 

[2]  Руководство по определению кренов инженерных сооружений башенного типа геодезическими методами / Центр. н.-и. и проект.-эксперим. ин-т организации, механизации и техн. помощи стр-ву Госстроя СССР. – М. : Стройиздат, 1981. – 56 с.

 

[3] Опыт применения электронного тахеометра для измерения вертикальности стен / В.Н. Михайлов, С.И. Кононович,
Ю.И. Чиберкус // Главный инженер в строительстве. – Издательский дом Гревцова, 2013. – № 9 – C. 26–31.

 

[4] Опыт применения электронного тахеометра для измерения вертикальности стен / В.Н. Михайлов, С.И. Кононович,
Ю.И. Чиберкус // Главный инженер в строительстве. – Издательский дом Гревцова, 2013. – № 9 – C. 26–31.

 

[5] Шеховцов Г.А. Современные геодезические методы определения деформаций инженерных сооружений [Текст]: монография; / Г.А. Шеховцов, Р.П. Шеховцова; Нижегород. гос. архит.-строит. ун-т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2009. – 156 с.