Мониторинг строительных конструкций

Система мониторинга позволяет осуществлять эффективный контроль за состоянием зданий и сооружений как на стадии строительства, так и в ходе последующей эксплуатации (рис. 1).

Система мониторинга может функционировать как отдельно, так и в составе единой системы управления жизнеобеспечения объектом.

Преимущества:

1. достоверная и оперативная информация о состоянии объекта;
2. своевременное предупреждение возникновения риска разрушения зданий и сооружений;
3. точное определение причины возникновения опасности для отдельных элементов здания/сооружения;
4. эффективный инструмент защиты инвестиций в капитальное строительство;
5. повышение уровня безопасности жизни людей.

Рис. 1. Мониторинг строительных конструкций

1. Мониторинг строительных конструкций как фактор обеспечения безопасной эксплуатациизданий и сооружений

Современное состояние строительного комплекса характеризуется высокими темпами производства работ, значительным количеством возводимых зданий, имеющих уникальные архитектурно-планировочные решения, и, соответственно, активным внедрением новых технологий на всех этапах строительства и последующей эксплуатации зданий.

К основным отличительным признакам применяемых сегодня проектных и технологических решений можно отнести:

• новые методики расчёта строительных конструкций, базирующиеся на широком использовании вычислительных методов и реализуемые при помощи соответствующих программных продуктов;
• нестандартные конструкторские и технологические решения, осуществляемые в нашей стране впервые;
• инновационные технологии и материалы.

Безусловно, перечисленные тенденции способствуют повышению качества строительства, однако число аварий на строительных объектах во всем мире не снижается. Дело в том, что развитие сложных математических моделей и применение высококлассной вычислительной техники породили иллюзию возможности рассчитать любую сколь угодно нестандартную конструкцию с «абсолютной» достоверностью. Реальность же такова, что за стройностью принятой численной модели стоит не всегда адекватное её воплощение при реализации конкретного проекта.

Любое разумное проектное решение не является абсолютной гарантией безопасного функционирования зданий и сооружений и не может исключить снижения надёжности в связи с объективно существующими несоответствиями между принятой и расчётной моделью и реальными условиями функционирования строительных конструкций, неизбежными отклонениями в технологии проведения строительных работ, реализацией факторов риска природного и техногенного характера.

Наличие сложных конструктивных элементов, которые находятся в комплексном многопараметрическом взаимодействии как между собой, так и с окружающей средой, определяет высокие требования к качеству проектирования и строительства, а также неизбежно сопряжено с возможностью возникновения дефектов на стадии эксплуатации.

Сложность построения расчётных моделей проиллюстрируем анализом действующих нагрузок, в значительной степени характеризующих общее напряжённо-деформированное состояние конструкции.

Все действующие нагрузки условно разделим на статические и повторно-статические (периодические).

Статические нагрузки могут привести к разрушению конструкции в случаях:

• несоответствия эксплуатационных нагрузок расчётным;
• наличия в конструкции грубых производственных дефектов.

Периодические нагрузки являются причиной появления локальных напряжённо-деформированных участков с повышенным уровнем напряжений. Эти участки группируются в зоне геометрических концентраторов и других нерегулярностей. Такие нагрузки приводят к возникновению или интенсификации дефектов, изменяют проектное положение конструкции.

По длительности воздействия нагрузки, действующие на здания и сооружения, можно классифицировать на постоянные и временные, а также носящие особый характер (табл. 1).

Таблица 1. Виды нагрузок

Принимая во внимание многообразие факторов, влияющих на техническое состояние строительных конструкций, и сложность их математического описания, становится очевидно, что они не могут быть в полной мере учтены в используемых математических моделях.

В дополнение к этому следует подчеркнуть, что строительные материалы, сочетаемые в конструкциях, обладают различной скоростью старения, имеет место статистический разброс характеристик грунтов основания и материалов строительной конструкции.

Как показывает статистический анализ (рис. 2), повреждения и дефекты в конструкциях зданий на 10… 12% являются результатом ошибок в геологических исследованиях; 18.20% — в проектировании, примерно 50% дефектов связаны с ошибками, возникающими на стадии строительства; в 20% случаев — на стадии эксплуатации.

Надёжная и безопасная работа строительных конструкций зданий и сооружений может быть обеспечена при правильном и своевременном проведении технического диагностирования с использованием современных методов и средств контроля на всех стадиях жизненного цикла строительных объектов с целью достоверного прогнозирования ресурса их безопасной эксплуатации.

Рис. 2 Диаграмма статического анализа

Одним из наиболее эффективных возможных решений данной проблемы является внедрение систем строительного мониторинга, включающих в себя технические средства, которые обеспечивают раннее выявление возможности обрушения здания под влиянием конструктивнотехнологических, эксплуатационных и природно-техногенных воздействий. Применение таких систем отражает мировую тенденцию перехода от периодического контроля к постоянному мониторингу строительных объектов с использованием комплексных автоматических систем. Необходимость данного решения связана в первую очередь с высокими скоростями роста эксплуатационных дефектов и, как следствие, относительно малым периодом времени от момента возникновения дефекта до полного разрушения.

Системы строительного мониторинга должны обеспечивать непрерывный контроль напряжений оснований и деформаций конструкций фундаментов и подземной части (осадки, крены, горизонтальные смещения и др.), раскрытия трещин, усилий в распорных и анкерных конструкциях, уровня колебаний фундаментов при наличии вибродинамических и потенциальных сейсмических, техногенных и иных воздействий.

Системы строительного мониторинга можно воспринимать как частный случай SCADA-систем, предназначенных для сбора и анализа информации о процессах с целью выработки решений по их управлению.

В структуру системы входят первичные преобразователи физических величин, характеризующих напряжённо-деформированное состояние конструкции (механические напряжения, деформации), аналого-цифровые преобразователи, модуль сбора данных и управляющий компьютер.

Один из важнейших параметров, по которому оценивается техническое состояние строительного объекта, является деформация его несущих конструкций.

Все существующие методы измерения деформаций строительных конструкций можно разделить на методы, основанные на преобразовании деформации в перемещение и измерении этого перемещения (косвенные методы), и методы, реализующие прямое измерение деформации.

В связи с тем что главной задачей систем строительного мониторинга является регистрация изменения напряжённо-деформированного состояния конструкции и оценка степени этого изменения, достаточно использовать первичные преобразователи (и датчики в целом) с относительной погрешностью, не превышающей 2%. При этом метрологические характеристики датчиков должны обладать стабильностью в течение длительного времени.

Применение строительного мониторинга, основанного на рассматриваемых принципах, позволит перейти на автоматическую систему непрерывного контроля технического состояния и обеспечит:

• получение измерительной информации в полном объёме и в установленные сроки вне зависимости от сложности доступа к элементам объекта в процессе эксплуатации;
• полную автоматизацию контрольных процедур;
• высокую информативность за счёт многократных измерений контролируемых параметров конструкции;
• высокую достоверность результатов за счёт исключения субъективного фактора вследствие автоматизации контроля, применения современных методов и средств измерений, использования оптимизированных алгоритмов обработки информации.

2. Мониторинг несущих строительных конструкций

2.1. Общие положения

Мониторинг несущих конструкций зданий и сооружений выполняется в соответствии с программой, которая должна быть разработана до начала строительных работ организацией, проводящей мониторинг совместно с проектировщиком при непосредственном участии организации, осуществляющей НТСС.

Программа мониторинга должна содержать определённый проектировщиком перечень особо ответственных конструкций и узлов; параметры, подлежащие контролю, их расчётные значения; перечень состава работ; выбор системы наблюдений; методы и объёмы контрольных операций; необходимое оснащение.

К особо ответственным узлам и конструкциям следует отнести:

• конструкции либо их элементы, разрушение или недопустимые деформации которых могут привести к снижению безопасности здания и людей, находящихся в нем;
• узлы и конструкции, разрушение или недопустимые деформации которых могут привести к прогрессирующему разрушению конструкций или объекта строительства в целом;
• конструкции, обеспечивающие пространственную жёсткость, неизменяемость и устойчивость сооружения;
• в большепролётных зданиях — это несущие конструкции, перекрывающие главные пролёты и опорные конструкции.

При выборе системы наблюдений необходимо учитывать скорости изменения напряжённо-деформационного состояния в несущих конструкциях, продолжительность измерений, ошибки измерений, в том числе за счёт изменения погодных условий, а также влияние помех и аномалий природно-техногенного характера.

При проведении мониторинга необходимо учитывать работу особо ответственных конструкций и узлов в условиях, не предусмотренных действующими нормами:

• повышенные нагрузки (особенно в высотном строительстве) на несущие конструкции, возникшие уже в ходе строительства;
• воздействие на конструкции природных и техногенных факторов
• перепадов температур, ветровых и снеговых нагрузок, вибраций, аварий, пожаров, диверсий (взрывы) и т.д.

Первоначальным этапом мониторинга несущих конструкций зданий и сооружений в случае, если он ведётся не с начала строительства, является обследование технического состояния уже смонтированных конструкций, в результате чего устанавливают категории их технического состояния.

2.2. Задачи, решаемые в ходе мониторинга несущих конструкций

В ходе мониторинга несущих конструкций должен осуществляться контроль их напряжённо-деформационного состояния.

Сопоставление полученных параметров состояния контролируемых конструкций с нормируемыми параметрами, определёнными в проекте, либо нормативных документах.

Составление заключения о текущем техническом состоянии объекта мониторинга и прогноза по изменению технического состояния на ближайший период.

Контроль соответствия параметров нагрузок и воздействий на конструкции величинам, принятым при проектировании или указанным в действующих нормативных документах.

Обеспечение безопасного функционирования несущих конструкций при возведении зданий и сооружений, а также в ходе их эксплуатации, принятие, в случае необходимости, своевременных и адекватных мер по усилению несущих конструкций.

Состав работ по мониторингу несущих конструкций зданий и сооружений определяется «Программой», включающей системы проведения измерений и анализа напряжённо-деформационного состояния несущих конструкций.

Инструментальный мониторинг конструкций здания базируется на учёте нагрузок и измерении деформаций в конструкциях фундаментов и надземной части, с использованием геодезических, сейсмических, вибрационных, акустических и других методов.

В ходе проведения работ по мониторингу следует проводить систематические наблюдения за:

• деформациями отдельных конструкций;
• деформациями отдельных узлов;
• общими деформациями здания.

При проведении длительных наблюдений необходимо предусмотреть и обеспечить стабильность системы наблюдений и параметров измерительных устройств, при изменениях в окружающей среде (температуры, влажности и т.д.) Следует проводить измерение деформаций при наблюдении за большепролётными конструкциями в процессе раскружаливания или снятия опор.

При наблюдениях за состоянием несущих бетонных и каменных конструкций в процессе их возведения необходимо фиксировать появление и состояние трещин (направление, протяжённость и величина раскрытия).

Для ранней диагностики технического состояния особо ответственных узлов и конструкций и локализации мест изменения напряжённодеформационного состояния необходимо проводить геодезический мониторинг за деформациями фундаментов, кренами здания и прогибами фундаментных плит, перекрытий и покрытий, а также проводить инструментальный мониторинг в автоматическом или автоматизированном режиме.

Для выявления изменений напряжённо-деформационного состояния конструкций, автоматические и автоматизированные средства контроля необходимо устанавливать в процессе возведения здания или сооружения. В последующем эти средства контроля могут быть использованы при проведении мониторинга здания или сооружения в период эксплуатации.

В случае выявления критических изменений напряжённодеформационного состояния конструкций или узлов, выполнять обследования этих зон с помощью инструментальных методов, производить анализ состояния всего здания и по этим результатам делать выводы о техническом состоянии конструкций, причинах изменения их напряжённодеформационного состояния и необходимости проведения мероприятий по восстановлению или усилению конструкций.

Следует применять системы инструментального мониторинга за состоянием конструкций, находящихся в проектном положении, основанные на измерениях деформаций в различных характерных точках конструкций с использованием отечественных и зарубежных магнитоупругих и струнных датчиков; пьезодинамометров; преобразователей напряжений; прогибомеров; оптиковолоконных датчиков и других устройств.

2.3. Основы диагностики несущих строительных конструкций зданий и сооружений

Техническое диагностирование строительных конструкций включает в себя поиск дефектов, измерение и контроль диагностических признаков, анализ и обработку измерений и контроля. Диагностика начинается с общего обследования зданий и конструкций и контроля их состояния.

При обследовании зданий необходимо установить конструкцию фундаментов. Особое внимание необходимо обратить на облегчённые и смешанные кладки. При выявлении фундаментов такой конструкции должны быть выделены границы несущих участков и ненесущего заполнения. Конструкция фундаментов и стен подвалов может быть определена путём контрольного зондирования кладки. При общем обследовании колонн необходимо измерить их сечения и обнаруженные деформации (отклонение от вертикали, выгиб, смещение узлов), зафиксировать и измерить ширину раскрытия трещин. При осмотре металлических колонн особое внимание следует уделять: коррозионным повреждениям, главным образом, на уровне пола первого этажа или подвала; общей геометрической форме колонн и соответствию их проектному положению. Фиксируются местные прогибы, вмятины и прочие механические повреждения поясов, элементов решётки, преимущественно в нижней части металлических колонн, а также монтажные стыки колонн и качество сварных швов. При обследовании колонн здания проверяются на: соответствие проекту узлов сопряжения колонн со смежными конструкциями; наличие всех элементов связевых конструкций, требуемых по проекту; общие искривления ветвей, связей и элементов соединительной решётки металлических колонн; местные механические повреждения связей. Контролируются состояние узлов примыкания связей к колоннам и стыковые соединения поясов связей. При осмотрах железобетонных колонн тщательно проверяют зоны крепления балок к колоннам; вертикальность колонн и балок; их взаимное расположение на опорах.

1. Диагностика стен и перегородок.

Осмотром стен и контрольным зондированием устанавливаются конструкция и материал стен. При обследовании наружных стен здания следует выявлять наличие или убедиться в отсутствии:

• искривлений горизонтальных и вертикальных линий, характерных трещин, что является, как правило, результатом неравномерных осадок грунтов основания;
• выпучивания, что может быть результатом бокового давления грунта или грунтовых вод; воздействия горизонтальных реакций распорных конструкций (сводов, арок, тяжей, оттяжек мачт, труб и т.п.);
• отклонение от вертикали, что может явиться следствием неравномерных осадок грунтов основания зданий; недостаточности поперечных связей или их разрыва; коррозионных разрушений закладных деталей или примыкающих участков арматуры.

2. Перекрытия.

Предварительным осмотром устанавливают тип перекрытия (по виду материалов и особенностям конструкции), видимые дефекты и повреждения, состояние отдельных частей перекрытия, подвергавшихся ремонту или усилению, действующие на перекрытие нагрузки. При осмотре перекрытий фиксируют наличие, длину и ширину раскрытия трещин в несущих элементах или их сопряжениях. При проведении работ по общему обследованию перекрытий здания выявляют наличие:

• прогибов, превышающих допустимые, возможно с раскрытием трещин в нижней (растянутой) зоне железобетонных элементов, возникших вследствие превышения расчётной нагрузки;
• погнутостей, вмятин и отверстий в настилах рабочих площадок;
• раковин в бетоне вследствие дефектов бетонирования;
• сколов, отверстий, гнезд и борозд в железобетонных перекрытиях (рабочих площадках).

3. Полы.

Натурное обследование полов здания включает: определение типов покрытий и конструкций полов и соответствия их проекту; выявление повреждений, дефектов с составлением необходимых эскизов, чертежей; исследование состояния полов с выполнением необходимого количества вскрытий. При визуальном обследовании фиксируют места и характерные виды разрушений (выбоины, трещины, отслоение покрытий от основания, участки коррозионного разрушения и т. п.).

2.4. Результаты мониторинга

По результатам мониторинга составляется отчёт, который представляется заказчику (застройщику), генеральному проектировщику и организации проводящей НТСС.

Отчёт должен содержать:

• результаты мониторинга, представленные в виде дефектных ведомостей, графиков изменения деформационного состояния отдельных узлов, элементов и конструкций в целом, актов освидетельствования технического состояния конструкций;
• заключение о надёжности выполненных конструкций и дальнейшей возможности продолжения работ по возведению здания, о соответствии фактических параметров состояния конструкций — расчётным (или проектным);
• техническое задание (при необходимости) на разработку мероприятий по предупреждению и устранению негативных изменений и прогноз их влияния на состояние здания в целом;
• предложения по дальнейшему проведению мониторинга.

В случае возникновения в ходе строительства деформаций (или других явлений), отличных от прогнозируемых и представляющих опасность для людей, здания или окружающей застройки, необходимо незамедлительно информировать об этом генпроектировщика и заказчика строительства.

2.5. Геодезический мониторинг несущих конструкций

За последние два-три десятилетия значительно возросла сложность возводимых зданий. Это связано, как с ростом этажности зданий и увеличением глубины подземной части зданий, так и с необходимостью размещать новые здания на площадках с неблагоприятными условиями (стесненная городская застройка, плывуны и прочее). Поэтому информация о фактическом состоянии строящихся или эксплуатируемых зданий в каждый реальный момент времени приобретает важное значение. Для получения такой информации существует специальная служба геодезического мониторинга.

Геодезические измерения следует проводить для определения:

• вертикальных деформаций фундаментов;
• горизонтальных деформаций фундаментов;
• кренов здания (сооружения);
• деформаций ограждения котлована;
• деформаций отдельных конструкций и частей здания (прогибы, смещения).

В настоящее время основным нормативным документом, определяющим вопросы определения деформаций здания и сооружения, является ГОСТ 24846-81. В этом нормативном документе в качестве основного метода измерения вертикальных перемещений рекомендовано геометрическое нивелирование, выполняемое оптическими нивелирами. Горизонтальное перемещение фундаментов зданий и сооружений рекомендуется измерять одним из следующих методов или их комбинированием: створных наблюдений, отдельных направлений, методами триангуляции и фотограмметрии. Эти методы также предполагают использование оптических приборов — теодолитов или фототеодолитов.

Для оценки значимости выявленных деформаций полученное значение деформационной характеристики сравнивают с предельной погрешностью её определения. Если абсолютное значение деформационной характеристики не превышает предельной погрешности её определения, считается, что контролируемая точка не изменила своего положения (деформации отсутствуют).

При измерении вертикальных перемещений следует применять (как основной) метод геометрического нивелирования с использованием нивелиров с погрешностью измерений не более 2,5 мм на 1 км двойного хода.

Для определения осадок сооружений наиболее широко используют способ геометрического нивелирования, обладающий высокой точностью и быстротой измерений. Превышения между точками на расстоянии 5… 10 м можно определять с точностью до 0,05…0,1 мм, а на расстоянии сотен метров — с точностью до 0,5 мм. При определении осадок промышленных и гражданских зданий используют нивелирование I и II классов, СКП превышений на станции в этих случаях равны 0,4 и 0,9 мм соответственно. Отметки деформационных точек (марок) на весь период наблюдений определяют относительно исходного опорного репера или группы реперов. Полученные результаты уравнивают, оценивают фактическую точность отметок, по разностям отметок в циклах строят графики осадок. В процессе наблюдений за осадками в каждом цикле измерений выполняется контроль стабильности реперов высотной основы. Для этого все они включаются в замкнутый полигон. Такие построения составляют деформационную сеть первого порядка. Измерения в ней производятся с максимальной точностью. Для определения высот деформационных марок их включают в нивелирные ходы, опирающиеся на реперы деформационной сети первого порядка. Эти построения составляют деформационную сеть второго порядка. В ней измерения производятся с меньшей точностью, чем в сети первого порядка.

Горизонтальные смещения точек сооружения определяют как разность их координат, полученных в разных циклах измерений в единой системе координат. Имеется два вида решения задачи определения величины смещений: по двум координатам или по одной координате. В первом случае для определения координат точек используют линейно-угловые построения, во втором — створные методы.

Линейно-угловые построения создают в виде специальных сетей триангуляции и трилатерации, ходов полигонометрии, комбинированных сетей, угловых и линейных засечек, сетей из вытянутых треугольников с измеренными сторонами и высотами. Углы измеряют с высокой точностью (0,5…2,0″) при коротких сторонах, большом количестве связей. Уравнение линейно-угловых сетей выполняют строгим способом. Величины смещений определяют по разностям координат в различных циклах. При наблюдениях за деформациями главным является вопрос надёжности их определения. Если заранее известно, что наблюдаемые деформации значительны, их количественные характеристики будут определены достаточно надёжно. В случае если абсолютные значения фиксируемых деформаций сопоставимы с ошибками их определения, надёжность определения деформаций зависит от метода обработки результатов измерений.

Инструментальные геодезические наблюдения выполняются периодически по циклам для определения величин, характера и интенсивности деформационных процессов во времени.

Данные работы связаны с новым строительством или реконструкцией существующих зданий и сооружений.

При строительстве многоэтажных зданий наблюдения проводятся не только за зданием, которое строится, но также за всеми зданиями и жилыми домами окружающей застройки, попадающими в зону строительства. Это связано с решением одного из важных вопросов — сохранность окружающей застройки в процессе нового строительства и его влияния на нормальное функционирование зданий, попадающих в зону его действия. Прежде всего необходимо, чтобы до начала строительства было обследовано техническое состояние всех зданий, прилегающих к новой строительной площадке.

В зависимости от конструктивных особенностей здания и его принадлежности к определённой категории (I — состояние нормальное, II — удовлетворительное, III — неудовлетворительное), обозначенной в техническом заключении проектной организацией, имеются предельно допустимые максимальные дополнительные осадки, которые возможны в процессе строительства нового здания или сооружения.

Эти допуски достаточно жёсткие, когда дело касается многоэтажных и одноэтажных зданий исторической застройки или памятников архитектуры с несущими стенами из кирпичной кладки без армирования. Например, предельно допустимые осадки в зависимости от категории здания (I, II, III) составляют соответственно 10, 5 и 2 мм. Поэтому только высокоточные наблюдения, выполненные нивелирами, могут обеспечить необходимую точность и оценить происходящие деформации.

В настоящее время большинство многоэтажных зданий строится с заглублёнными помещениями различного назначения (автостоянки и другие). В этих случаях обязательно ведутся наблюдения за состоянием ограждающих конструкций котлованов, которые могут быть использованы и как несущие конструкции нового здания.

Для организации подобных геодезических наблюдений за плановыми (горизонтальными) смещениями конструкций ограждающей стены котлована по её периметру устанавливаются плитные или светоотражающие марки с шагом 10…12 м. На эти марки со знаков опорной геодезической сети выполняются линейно-угловые измерения, для чего используются высокоточные электронные тахеометры.

Современные электронные тахеометры (ЭТ) одновременно могут измерять горизонтальные и вертикальные углы, расстояния и превышения. Фактически электронный тахеометр представляет собой объединения теодолита, светодальномера с полупроводниковым излучателем и микропроцессора или микрокомпьютера в единую неразъёмную или модульную конструкцию. В электронных тахеометрах неразъёмной конструкции вычислительное устройство встроено в сам прибор, а клавиатура управления выведена на переднюю панель прибора. При этом теодолит и светодальномер объединены не только конструктивно, но и имеют единое программное обеспечение.

Принцип работы тахеометра основан на отражении узконаправленного лазерного пучка от отражающей цели и измерении расстояния до неё. Отражателем в общем случае служит специальная призма, закреплённая на поверхности объекта. Измерение двух углов (вертикального и горизонтального) даёт возможность вычислить трёхмерные пространственные координаты точки отражения. Скорость измерения тахеометра невысока (не более 2 измерений в секунду). Появление безотражательных тахеометров, имеющих возможность работать без специальных отражателей, произвело революцию в геодезии. Теперь можно проводить измерения без отражателя достаточно просто навести прибор на необходимую точку. Луч может отражаться от любой ровной поверхности.

ЭТ позволяют создавать системы полностью автоматизированного картографирования, звеньями которого являются: электронный тахеометр, стационарный компьютер, графопостроитель. Предусмотрена также возможность использования приёмников.

Современные ЭТ условно можно разделить на три группы: простейшие, универсальные и роботизированные.

К первой группе относятся тахеометры с минимальной автоматизацией и ограниченными встроенными программными средствами. Такие тахеометры обеспечивают точность измерений углов ±5.10″, линий ±3.5 мм/км.

Ряд тахеометров этой группы не имеет внутренней памяти или же имеет ограниченную память, позволяющую хранить информацию лишь на 500 или 1000 точек (пикетов).

Ко второй группе относятся тахеометры с расширенными возможностями. Они оснащены большим количеством встроенных программ и имеют объёмную внутреннюю память — на 10000 и более точек. Точность измерения углов, обеспечиваемая этими приборами, как правило, ±1…10″, линий ±2…3 мм/км.

К третьей группе относятся роботизированные тахеометры с сервомоторами, обладающие всеми возможностями приборов предыдущей группы. Именно наличие сервомоторов, встроенных радиокоммуникационных устройств, а также систем автоматического поиска и слежения за отражателем позволяет отнести эти приборы к категории приборов-роботов.

В настоящее время наибольшая степень автоматизации геометрического нивелирования достигается при использовании цифровых нивелиров. В качестве приёмного устройства в них использована ПЗСматрица (прибор с зарядовой связью), устанавливаемая в плоскости изображений, создаваемых зрительной трубой цифрового нивелира. С помощью ПЗС-матрицы распознаётся кодовая маска на нивелирной рейке, изображение которой получают с помощью объектива зрительной трубы прибора в плоскости сетки нитей и в плоскости чувствительной поверхности ПЗС-матрицы. В отличие от традиционных оптических нивелиров, при работе с цифровым нивелиром отсчёт производится автоматически и вносится в память прибора.

С помощью цифрового нивелира можно автоматически осуществлять отсчёты по нивелирной рейке, определять расстояния до реки и вычислять между нивелируемыми точками. Внутренняя память рассчитана на хранение измерений нескольких тысяч (8.10) точек. Данные нивелирных ходов могут быть обработаны с помощью встроенного программного обеспечения. Возможности цифровых нивелиров обеспечивают увеличение производительности на 50% по сравнению с традиционными оптикомеханическими приборами.

Все цифровые нивелиры имеют компенсаторы. При работе с высокоточными приборами для нивелирования обычно используются инварные рейки, для менее точных приборов — фиберглассовые, имеющие несколько больший температурный коэффициент расширения, и поэтому менее точные. На эти рейки наносится кодовая маска, по которой автоматически считываются отсчёты в процессе нивелирования.

Лазерное сканирование — это метод, позволяющий создать цифровую модель окружающего пространства, представив его набором точек с пространственными координатами. Основное отличие от ЭТ — гораздо большая скорость измерений, наличие сервопривода, автоматически поворачивающего измерительную часть прибора как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях и самое главное — скорость (от 5000 измерений в секунду) и плотность (до десятков точек на 1 см² поверхности). Полученная после измерений модель объекта представляет собой гигантский набор точек (от сотен тысяч до нескольких миллионов), имеющих координаты с точностью в несколько миллиметров. Суть технологии лазерного сканирования заключается в определении пространственных координат точек поверхности объекта. Это реализуется посредством измерения расстояния до всех определяемых точек с помощью лазерного безотражательного дальномера.

Прибор, реализующий на практике приведённую технологию измерений, называется лазерным сканером. Результатом работы сканера является множество точек с вычисленными трёхмерными координатами. Такие наборы точек принято называть облаками точек или сканами. Обычно количество точек в одном облаке может варьировать от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов.

Все управление работой прибора осуществляется с помощью портативного компьютера со специальным ПО. Полученные значения координат точек из сканера передаются в компьютер и накапливаются в специальной базе данных.

Лазерные наземные сканеры часто классифицируют по принципу определения пространственных координат на импульсные, фазовые и триангуляционные.

В импульсных сканерах реализован метод определения расстояний, основанный на точном определении времени прохождения импульса до цели и обратно.

Так как в этом методе используется световой импульс для непосредственного измерения расстояния, то главное достоинство таких сканеров — в большой дальности измерений (несколько сотен метров). Дальность действия фазовых сканеров ограничена 100 м. В сканерах этого типа расстояние определяется на основе измерения сдвига фаз излучаемого и отражённого сигналов. Поскольку в этом методе используется модулированный световой сигнал, для определения расстояния, в отличие от импульсного метода, большой мощности лазера не требуется, поэтому расстояния могут быть измерены с ошибкой в несколько мм. Скорость измерений фазовых сканеров на несколько порядков (1-2) превосходит скорость импульсных сканеров. Триангуляционный метод реализован в высокоточных сканерах. Конструктивной особенностью сканеров такого типа является то, что излучатель и приёмник сигнала разнесены на известное расстояние (базис). Такие сканеры позволяют достичь точности измерений в десятые и даже сотые доли миллиметра, но на коротких дистанциях (в несколько метров). Последовательность производства работ по лазерному сканированию показана на рис. 3.

Проведение высокоточного геодезического мониторинга на строительной площадке — довольно сложная задача, так как связана с постоянным перемещением транспорта, работы строительной техники, сложностью сохранности знаков опорной сети, невозможностью порой встать с инструментами на опорный пункт.

При измерении кренов следует применять:

• метод проецирования с использованием теодолитов, снабжённых накладным уровнем или приборов вертикального проецирования;
• использовать метод координирования или метод измерения горизонтальных направлений с использованием теодолитов с погрешностью измерений 5″; 2″ или тахеометров с погрешностью угловых измерений 5″; 2″.

Деформации отдельных конструкций и частей здания следует определять с применением высокоточных геодезических приборов, обеспечивающих погрешность измерений не более 0,2 величин отклонений (или деформаций) допускаемых проектом или строительными нормами.

Рис. 3. Последовательность производства работ по лазерному сканированию

Объектом геодезического мониторинга являются элементы конструкции моста: опоры и верхнее строение.

Задача геодезического мониторинга моста — определять с заданной точностью и частотой количественные характеристики деформаций (вертикальных, горизонтальных, кренов) опор и верхнего строения моста.

Для решения этой задачи необходимо использовать сеть опорных и деформационных пунктов, на которых выполняются повторные (циклические) геодезические наблюдения за деформациями элементов конструкций моста.

Предметом геодезического мониторинга являются величины и изменения плановых и высотных координат пунктов деформационной сети на верхнем строении моста и на его опорах.

В качестве опорной нивелирной сети для определения деформаций опор Обского моста могут быть использованы глубинные реперы № 1, 2, 3. Опорная нивелирная сеть должна быть дополнена кустом из двух фундаментальных реперов на левом берегу реки Обь в районе острова Помазкин.

В качестве пунктов высотной деформационной сети могут быть использованы осадочные марки на береговых и русловых опорах моста, которые, согласно, результатам обследования, находятся в хорошем состоянии и пригодны для наблюдения.

Так как деформации верхнего строения моста геодезическими методами не определялись, то необходимо:

• создать совмещённую (планово-высотную) или пространственную геодезическую опорную сеть для проведения периодического геодезического мониторинга (ПГМ) верхнего строения моста;
• создать планово-высотную деформационную сеть для определения деформаций верхнего строения моста;
• определить координаты и отметки вновь создаваемых пунктов опорной и деформационной сетей для проведения ПГМ верхнего строения моста на начальный («нулевой») цикл наблюдений;
• определить фактическое плановое и высотное положение основных конструктивных элементов моста (ездового полотна, пролётного строения, опор) и сравнить их с проектными. Для этого создать цифровую модель верхнего строения моста точностью ±5… 10 мм с использованием технологии наземного лазерного сканирования;
• опробовать методику определения динамических характеристик пролётного строения моста (частоты и амплитуды колебаний) с учётом его конструктивных особенностей на основе ГНСС-технологий.

Интересен также опыт организации геодезического мониторинга на площадке строительства телебашни в Алмате, где наблюдение за осадками фундаментной плиты были начаты с 1977 г., продолжались в течение строительства и эксплуатации до 2001 г.

Высокоточные инструментальные геодезические наблюдения за осадками фундаментов телебашни были организованы по 9 стенным маркам, расположенным на опорных конструкциях телебашни, и 32 маркам на несущих колоннах здания технического центра. Поскольку телебашня строилась на горе Коктобе (отметки свыше 1000 м над уровнем моря) в условиях повышенной сейсмической активности и на просадочном грунтовом основании (лессовидные суглинки), в 1978 г. были организованы наблюдения за устойчивостью склонов горы. Для этого на склонах были заложены грунтовые марки на глубину до 3 м. По разнице координат марок, полученных в циклах наблюдения, можно судить о величинах и направлении смещений грунтового массива за определённый промежуток времени. Лессовидные суглинки, которые являются основой верхнего слоя горы легко размываются под действием воды и образуются оползневые очаги. Наблюдая за грунтовыми марками в плане и по высоте, 1990 — 1997 гг. удалось выявить процесс развития локального оползня в районе подземного пожарного резервуара. Неравномерные осадки подземного резервуара вызвали в 2001 г. значительное его отклонение (крен 1/100).

Однако, осадки фундамента телебашни по состоянию на июль 2001 г. находились в пределах 15…22 мм, что значительно меньше допустимых нормативных значений. Тенденция стабилизации осадок отмечено с 1986 г., что свидетельствует о надёжности основания и фундамента станции при условии сохранности грунтов основания в природном состоянии низкой влажности. Выполненные в конце июля — начале августа 2001 г. инструментальные геодезические наблюдения за отклонениями оси телебашни от вертикали показали, крены, полученные по всем сечениям, включая шпиль телебашни, не превышают 10 см, что значительно меньше значений, предусмотренных для таких сооружений.

Таким образом, можно утверждать, что геодезический мониторинг, проводимый высокоточными методами с использованием современной электронной техники позволяет своевременно решать ряд важных инженерных задач, связанных с угрозой безопасности сооружений в случаях превышения реальных деформаций и кренов от их нормативных величин и своевременно принимать противоаварийные меры.