Применение глубинных трехкоординатных датчиков наклона при решении задач геотехнического мониторинга наклонного хода метро

УДК 553.087

,

( Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» ,Санкт-Петербург)

,

( подземной навигации»,Санкт - Петербург)

ПРИМЕНЕНИЕ ГЛУБИННЫХ ТРЕХКООРДИНАТНЫХ ДАТЧИКОВ НАКЛОНА ПРИ РЕШЕНИИ ЗАДАЧ ГЕОТЕХНИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА НАКЛОННОГО ХОДА МЕТРО

Анализируются результаты применения первой отечественной измерительной системы построенной на глубинных трехкоординатных датчиках наклона при решении задачи геотехнического мониторинга во время бурения наклонного хода станции метро «Спасская» (г. Санкт-Петербург).

Введение

Геотехнический мониторинг – это система наблюдений и контроля за состоянием и изменением грунтовых, природных и техногенных условий в процессе строительства и эксплуатации объекта.

Бурение наклонного хода эскалаторного тоннеля производится тоннеле-проходческим комплексом(ТМПК), с диаметром щита – 10,72 метров, под углом в 30 градусов. Во время бурения ТМПК создает большое давление на забой, а так же на ТМПК давит верхний слой земли, с учетом неоднородности земли возникает риск изменения крена ТМПК, что может привести к нежелательным последствиям.

Таким образом наиболее важной компонентой мониторинга движения грунта при прохождении щита во время строительства наклонного хода станции метрополитена является изменение его вертикальной глубины. Классические системы геотехнического мониторинга подразумевают или вертикальные или горизонтальные контрольные скважины, в независимости от характера датчиков. Но чтобы измерить это смещение по всей длине наклонного хода, потребовалось бы пробурить более десятка горизонтальных скважин, что, практически, невозможно осуществить. Единственно возможным типом скважин, которые можно было пробурить в данных условиях, являются скважины с продольной осью, параллельной направлению наклонного хода, т. е. скважины с зенитным углом в 60°. Предлагаемый доклад посвящен анализу результата работы первой отечественной измерительной системы построенной на ТДН, при работе в наклонной скважине.

За рубежом класс систем построенных на микромеханических акселерометрах, и позволяющих организовывать геотехнический мониторинг называют Shape acceleration array. Поскольку корректно перевести эту аббревиатуру почти невозможно обычно применяется терминология SAA-системы.

Система построенная на глубинных трехкоординатных датчиках наклона, это SAA-система. Каждый датчик включает в себя трехкоординатный микромеханический акселерометр, или как в нашем случае два: двухосный и одноосный акселерометры, датчик температуры, контроллер, схемы питания и интерфейса.

Описание: C:\Users\Владимир0\Desktop\e2d767eab1671b4adabe8ffb.jpg

Рисунок 1. Макет трехкоординатного датчика наклона.

Каждый ТДН вместе с контроллером схемы питания и интерфейса, а также датчиком температуры, располагается на индивидуальном жестком шасси длиной 25 см и диаметром 27 мм. ТДН вместе с присоединенным к нему кабелем помещается в гибкую трубу-проставку, длина которой в зависимости от решаемой задачи может составлять 0,5; 1; 2 м. Объединение труб-проставок позволяет легко собрать косу нужной длины для погружения в скважину.

Материал трубы-проставки выбирается специальным образом, чтобы коса могла работать только на изгиб (без скручивания). Все ТДН соединяются общим кабелем, по которому подается питание и производится считывание информации.

В состав системы мониторинга также входит персональный компьютер, устройство сопряжения для подключения косы к компьютеру, программное обеспечение, осуществляющее сбор, обработку и визуальную интерпретацию поступающих данных.

Все ТДН проходят калибровку на стенде, в процессе которой определяются их масштабные коэффициенты, погрешности смещения нуля, «геометрические» параметры, коэффициенты температурного влияния. Полученный массив коэффициентов модели погрешностей каждого ТДН записывается в память соответствующего датчика и используется для коррекции его выходных показаний.

Разработке данной системы предшествовало проведение долговременных стендовых испытаний стабильности показаний применяемых акселерометров при изменении температуры окружающей среды в заданном диапазоне. Эти испытания подтвердили высокую надежность ТДН и возможность их работы с требуемыми характеристиками

Рисунок 2. фрагмент косы (20м×10 ТДН),

Алгоритм работы.

Для получения алгоритма мониторинга смещений координат, обусловленных движением грунта, введем систему координат ENh с географической ориентацией осей и систему координат XYZ, связанную с ТДН. Положение ENh относительно XYZ задается углами Эйлера (рис.3) – зенитным , азимутальным – А и углом поворота вокруг оси - ψ («угол поворота отклонителя»).

При использовании углов искомая матрица определяется следующим образом:

Текущие значения зенитного угла и угла положения отклонителя - ψ можно вычислить по показаниям акселерометров: (2)

Описание: слайд оси_03_безНК

Рисунок.3

Используя третий столбец матрицы (1) при знании расстояния между сегментами ТДН, можно вычислить текущие координаты скважины:

(3)

Азимут А, входящий в выражение (3), определяется внешними средствами при проведении бурения исходных прямолинейных скважин, куда впоследствии погружают ТДН. Однако в процессе движения щита, вызывающего подвижки грунта во всех направлениях, было бы некорректно считать А = const.

Более правильно считать, что при этом возникают изменения всех введенных углов Эйлера: .

Как уже отмечалось, «косы» с ТДН должны работать только на изгиб. Это условие как раз и позволяет найти искомое значение . Введем следующие параметры, характеризующие положение систем координат ENh и XYZ: , задающие положение продольной оси скважины относительно плоскости горизонта (рис. 4), и угол поворота относительно плоскости меридиана. Из условия отсутствия «скручивания» косы следует: = const.

Рисунок.4

Для матрицы направляющих косинусов получим следующее выражение:

Приравнивая элементы , получим связь улов :

(5)

Варьируя выражение (5) и учитывая = const, получим:

(6)

Варьируя выражения (2), имеем:

(7)

(8)

Подставляю (7) и (8) в (6), получим:

(9)

При проведении геомониторинга смещения грунта при строительстве наклонного хода метро, текущие значения углов , можно получить следующим образом:

(10)

(11)

Используя выражения (10), (11) на основании (3), можно получить текущие значения координат скважины.

Точность системы мониторинга с применением ТДН

Ошибка Δxf (рисунок 5) появляется из-за многочисленных ошибок построения траектории на каждом из сегментов.

Поскольку основные ошибки возникают как некоррелированный Гауссовский шум, ошибки, как правило, делятся поровну между положительными и отрицательными, поэтому их сумма, меньше чем ошибка каждого из сегментов в отдельности.


Рисунок 5

Заключение

Показано, что рассматриваемая система позволяет реализовать оперативный контроль смещений массивов грунта, обеспечивая, тем самым, своевременное предупреждение возможных неблагоприятных ситуаций в процессе работы тоннеле-проходческого механизированного комплекса.

Доказано преимущество данного подхода перед традиционными методами, система позволила зафиксировать смещения грунта за пределами строительной площадки.

Достигнутый уровень точности измерения деформации грунта, составляющий несколько миллиметров, сравнительно невысокая стоимость, а также малый диаметр измерительной системы с глубинными трехкоординатными датчиками наклона, делают данную систему наиболее привлекательной при организации непрерывного геотехнического мониторинга особо сложных и протяженных конструкций и геологических объектов.

Литература

1. Bennett V., Zeghal M., Abdoun T. Wireless Shape-Acceleration Array System for Local Identification of Soil and Soil Structure Systems // Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board. – 2007. – V. 12. – Р. 60–66.

2. , , , Об использовании различных схем гиро-инклинометров для непрерывной съемки скважин произвольной ориентации. Проблемы и решения // Гироскопия и навигация. – 2010. – № 4. – С. 92–110.

3. , , Применение глубинных трехкоординатных датчиков наклона при решении задач геотехнического мониторинга. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики,2012, № 6 (82) с. 58-62.






Подпишитесь на рассылку:

Датчики

Проекты по теме:

Основные порталы, построенные редакторами

Домашний очаг

ДомДачаСадоводствоДетиАктивность ребенкаИгрыКрасотаЖенщины(Беременность)СемьяХобби
Здоровье: • АнатомияБолезниВредные привычкиДиагностикаНародная медицинаПервая помощьПитаниеФармацевтика
История: СССРИстория РоссииРоссийская Империя
Окружающий мир: Животный мирДомашние животныеНасекомыеРастенияПриродаКатаклизмыКосмосКлиматСтихийные бедствия

Справочная информация

ДокументыЗаконыИзвещенияУтверждения документовДоговораЗапросы предложенийТехнические заданияПланы развитияДокументоведениеАналитикаМероприятияКонкурсыИтогиАдминистрации городовПриказыКонтрактыВыполнение работПротоколы рассмотрения заявокАукционыПроектыПротоколыБюджетные организации
МуниципалитетыРайоныОбразованияПрограммы
Отчеты: • по упоминаниямДокументная базаЦенные бумаги
Положения: • Финансовые документы
Постановления: • Рубрикатор по темамФинансыгорода Российской Федерациирегионыпо точным датам
Регламенты
Термины: • Научная терминологияФинансоваяЭкономическая
Время: • Даты2015 год2016 год
Документы в финансовой сферев инвестиционнойФинансовые документы - программы

Техника

АвиацияАвтоВычислительная техникаОборудование(Электрооборудование)РадиоТехнологии(Аудио-видео)(Компьютеры)

Общество

БезопасностьГражданские права и свободыИскусство(Музыка)Культура(Этика)Мировые именаПолитика(Геополитика)(Идеологические конфликты)ВластьЗаговоры и переворотыГражданская позицияМиграцияРелигии и верования(Конфессии)ХристианствоМифологияРазвлеченияМасс МедиаСпорт (Боевые искусства)ТранспортТуризм
Войны и конфликты: АрмияВоенная техникаЗвания и награды

Образование и наука

Наука: Контрольные работыНаучно-технический прогрессПедагогикаРабочие программыФакультетыМетодические рекомендацииШколаПрофессиональное образованиеМотивация учащихся
Предметы: БиологияГеографияГеологияИсторияЛитератураЛитературные жанрыЛитературные героиМатематикаМедицинаМузыкаПравоЖилищное правоЗемельное правоУголовное правоКодексыПсихология (Логика) • Русский языкСоциологияФизикаФилологияФилософияХимияЮриспруденция

Мир

Регионы: АзияАмерикаАфрикаЕвропаПрибалтикаЕвропейская политикаОкеанияГорода мира
Россия: • МоскваКавказ
Регионы РоссииПрограммы регионовЭкономика

Бизнес и финансы

Бизнес: • БанкиБогатство и благосостояниеКоррупция(Преступность)МаркетингМенеджментИнвестицииЦенные бумаги: • УправлениеОткрытые акционерные обществаПроектыДокументыЦенные бумаги - контрольЦенные бумаги - оценкиОблигацииДолгиВалютаНедвижимость(Аренда)ПрофессииРаботаТорговляУслугиФинансыСтрахованиеБюджетФинансовые услугиКредитыКомпанииГосударственные предприятияЭкономикаМакроэкономикаМикроэкономикаНалогиАудит
Промышленность: • МеталлургияНефтьСельское хозяйствоЭнергетика
СтроительствоАрхитектураИнтерьерПолы и перекрытияПроцесс строительстваСтроительные материалыТеплоизоляцияЭкстерьерОрганизация и управление производством

Каталог авторов (частные аккаунты)

Авто

АвтосервисАвтозапчастиТовары для автоАвтотехцентрыАвтоаксессуарыавтозапчасти для иномарокКузовной ремонтАвторемонт и техобслуживаниеРемонт ходовой части автомобиляАвтохимиямаслатехцентрыРемонт бензиновых двигателейремонт автоэлектрикиремонт АКППШиномонтаж

Бизнес

Автоматизация бизнес-процессовИнтернет-магазиныСтроительствоТелефонная связьОптовые компании

Досуг

ДосугРазвлеченияТворчествоОбщественное питаниеРестораныБарыКафеКофейниНочные клубыЛитература

Технологии

Автоматизация производственных процессовИнтернетИнтернет-провайдерыСвязьИнформационные технологииIT-компанииWEB-студииПродвижение web-сайтовПродажа программного обеспеченияКоммутационное оборудованиеIP-телефония

Инфраструктура

ГородВластьАдминистрации районовСудыКоммунальные услугиПодростковые клубыОбщественные организацииГородские информационные сайты

Наука

ПедагогикаОбразованиеШколыОбучениеУчителя

Товары

Торговые компанииТоргово-сервисные компанииМобильные телефоныАксессуары к мобильным телефонамНавигационное оборудование

Услуги

Бытовые услугиТелекоммуникационные компанииДоставка готовых блюдОрганизация и проведение праздниковРемонт мобильных устройствАтелье швейныеХимчистки одеждыСервисные центрыФотоуслугиПраздничные агентства

Блокирование содержания является нарушением Правил пользования сайтом. Администрация сайта оставляет за собой право отклонять в доступе к содержанию в случае выявления блокировок.