В 2012 г. в г. Владивостоке сданы в эксплуатацию уникальные мосты – это вантовый мост через бухту Золотой Рог и низководный мост через Амурский залив. Технология строительства этих внеклассных сооружений требовала разработки соответствующего проекта производства геодезических работ, учитывающего специфику и технические особенности конструкций. Также в настоящее время возводятся и сдаются в эксплуатацию мосты на автомобильных дорогах «Чита -Хабаровск -Находка» и «Селихино-Ванино».
Комплекс геодезических работ при изысканиях, строительстве и эксплуатации мостов регламентируется СНиП 3.06.94 – 91, СНиП 3.06.07 – 86 и СНиП III–2–75 [161, 162, 163, 164].
Геодезическое обеспечение используют в следующих видах работ:
а) гидрометрические изыскания;
в) геологические изыскания;
в) морфометрические исследования;
г) определение длины мостового перехода;
д) разбивка центров опор мостов и осей регуляционных сооружений;
е) создание планово – высотного обоснования
ж) контроль строительства опор мостов и пролётных строений;
з) исполнительная съёмка возведённых объектов;
и) обследование и испытание мостов.
Для выполнения гидрометрических работ применяются и аэрофотосъемочные методы. Наиболее полно технология работ с применением аэрометодов изложена в работе [78]. С помощью аэрометодов можно определять скорости и направления поверхностных течений, расходы воды, глубины, отметки уровней воды, направления судовых ходов и движения льдин [42].
Состав, содержание и технология геодезических работ при строительстве мостов изложена в книгах и инструкциях [29, 69, 81, 94,]. К сожалению, в данных классических книгах не отражён уровень современного мостостроения.
Представляет научный и практический интерес работа авторов из СПбГУПС [132], в которой приведены результаты исследований контроля планово-высотного положения вантового моста в г. Владивосток.
Наиболее сложным и ответственным этапом геодезического обеспечения в мостостроении являются геодезические разбивочные работы.
Геодезические разбивочные работы производятся с целью построения сооружения в соответствии с формами и размерами, указанными в проекте. Эти работы являются составной частью технологического процесса строительного производства, они предшествуют каждому виду строительных работ, сопровождают его и завершают возведение сооружения.
Различают основные и детальные геодезические разбивочные работы. Основные разбивки имеют своей целью вынос в натуру и закрепление основных осей сооружений, а детальная разбивка выполняется для выноса в плане и по высоте частей и элементов конструкции, на основе вынесенных ранее осей сооружения. Разбивочная опорная сеть создаётся в тех случаях, когда геодезическое обоснование, созданное при изысканиях мостового перехода, либо не сохранилось, либо не соответствует заданной точности разбивки. В традиционных технологиях разбивочная сеть мостового перехода создаётся специально. Разбивочная опорная сеть состоит из пунктов планового обоснования и высотных реперов, при этом часто плановые и высотные пункты совмещены, то есть плановые пункты имеют отметки, а реперы – координаты. При разбивке больших мостов создаётся высокоточная опорная сеть в виде мостовой триангуляции или специальных построений, отражающих специфику местных условий на мостовом переходе.
Все разбивочные работы при строительстве мостов и других искусственных сооружений выполняют на основе проекта сооружения, плана мостового перехода с нанесёнными осями сооружений, схемы расположения геодезических пунктов и их описания, каталога координат и высот геодезических пунктов; знаков геодезической основы, закреплённых на местности и фиксирующих продольную ось сооружения.
Одной из важнейших характеристик качества работы моста является точность изготовления и установки конструкций в проектное положение, что определяет их прочность, эксплуатационную надёжность и долговечность.
В соответствии с ГОСТ 21778–81 точность каждого отдельно взятого размера характеризуется величиной действительного отклонения , определяемого из зависимости
где – действительное отклонение;
– номинальное отклонение.
Другой нормативной характеристикой точности является допуск. Допуск представляет собой разновидность между наименьшими и наибольшими предельными размерами и определяется по формуле
Производственные допуски соблюдаются при выполнении технологических процессов, а именно при изготовлении элементов конструкций, выполнении геодезических разбивочных работ, монтаже конструкции. Установленная проектом точность определяется допуском, а достигнутая точность оценивается СКП. Допуски на основные виды строительно-монтажных работ в мостостроении, приведены в таблице 1.1.
При расчёте норм точности возникает задача определения соотношения между функциональными (конструктивными) допусками и геодезическими допусками .
В большинстве работ и нормативных документов [46, 48, 49, 117, 178, 181] принято определять допустимую ошибку разбивки из соотношения
На точность производства работ в мостостроении влияют несколько факторов, основными из которых являются точность геодезической разбивки, изготовление конструктивных элементов, строительно-монтажные работы.
Т а б л и ц а 1.1 – Допуски на строительно-монтажные и разбивочные работы
В процессе строительства моста на различных этапах неизбежно возникают ошибки положения различных конструктивных элементов, которые обусловлены погрешностями разбивки, изготовления и монтажа. С целью уменьшения влияния этих ошибок и повышения общей точности возведения сооружения необходима поэтапная корректировка положения элементов моста суть, которой заключается в уменьшении влияния ошибок предыдущих этапов работ при переходе к последующим. Решение задачи корректировки рассмотрены в работах [50, 78]. Смысл решения задачи сводится к отысканию нового положения элементов при условиях максимального соответствия проектным размерам и минимальных отклонений от действительного положения, полученного на предыдущем этапе. Для этого устанавливается зона варьирования элемента, ограниченная допуском, и определяется его оптимальное положение в этой зоне.
Методика поэтапной корректировки положения элементов моста базируется на методе динамического программирования с созданием микроблуждающей системы координат. А метод динамического программирования основан на идее последовательного анализа вариантов с целью отыскания оптимального решения.
Исходными данными для решения задачи корректировки служат результаты исполнительной съёмки предшествующего этапа работ, проектные данные по сооружению и допустимые величины (допуски) корректирования, полученные в соответствии с расчётами элементов на прочность и устойчивость.
На рисунке 1.5 приведена схема корректировки положения центров опор моста на уровне обреза фундаментов в направлении оси мостового перехода.
Корректировка центров опор выполняется в следующей последовательности:
–по результатам обмеров верхней поверхности фундаментов определяются фактические центры (, ) опор моста, и между ними измеряются (непосредственно или косвенно) расстояния (, ).
– составляется уравнение целевой функции в виде зависимости общей длины моста от расстояний между центрами опор:
где n – количество пролётов;
и – соответственно фактические, проектные и полученные по результатам корректировки расстояния между центрами опор.
Компоненты целевой функции находят из условий
где – величина корректировки, подбираемая из условия ;
– допуск корректировки.
Решением задачи корректировки положения центров опор служат числовые значения величин , на которые затем смещаются фактические центры опор. Новые положения центров опор закрепляются на поверхности фундамента. От этих точек выполняется разбивка тела опоры. В аналогичном порядке выполняется корректировка положения остальных частей опоры.
Решением задачи корректировки положения центров опор служат числовые значения величин , на которые затем смещаются фактические центры опор. Новые положения центров опор закрепляются на поверхности фундамента. От этих точек выполняется разбивка тела опоры. В аналогичном порядке выполняется корректировка положения остальных частей опоры.
Если в общем случае суммарная средняя квадратическая погрешность возведения опоры определяется из выражения
то при условии поэтапной корректировки
где – соответственно СКП положения центра опоры на уровне фундамента, тела опоры, ригеля и опорных частей;
– коэффициент корректировки на соответствующем этапе возведения опоры.
В общем случае коэффициент корректирования может быть вычислен по формуле
где , , – соответственно фактический, проектный и откорректированный элемент (длины пролёта, положения центров фундаментов, тела опоры, опорных частей);
– число элементов ().
Предложенная методика корректировки не позволяет принимать оперативного решения в процессе строительства мостов (отсутствуют правила точного определения коэффициентов корректировки и реализация на компьютере) и контролировать вертикальность возводимых конструкций.
Геодезическое обеспечение и активный геодезический контроль процесса строительства мостов традиционными оптическими и электронными геодезическими приборами и методами достаточно трудоёмкие. Существенно повышается эффективность таких работ с применением лазерных приборов, задающих основные и вспомогательные оси сооружения световыми линиями и плоскостями, что позволяет перенести измерительные операции на строительные горизонты непосредственно к монтируемым элементам.
Перспективным является метод разбивочных работ при сооружении моста с использованием электронных тахеометров и приёмников ГНСС. Используя электронный тахеометр при сооружении опор моста, быстро и с высокой точностью получают, например, фактические координаты центров опор на фундаменте, сравнивают их с проектными значениями, а затем рассчитывают фактические длины пролётов и получают другие данные, необходимые для поэтапной корректировки.
Контрольные операции по геодезическому обеспечению строительно-монтажных работ при возведении мостов относятся к особому виду геодезической продукции. Объём этих работ обширен, но их результаты лишь косвенно фиксируются в материалах исполнительных съёмок, а непосредственной продукцией являются геометрические параметры сооружений, которые обусловлены как качеством геодезического обеспечения, так и качеством изготовления и монтажа конструктивных элементов сооружения.
Результаты исследований долевого соотношения ошибок геодезических разбивок, изготовления конструктивных элементов и их монтажа, изложенные в многочисленных работах позволяют наметить основной путь обеспечения общей точности строительства, а именно – повышение точности монтажных операций. На их долю приходится основной объём дополнительных строительно-монтажных работ, связанных с устранением дефектов производства работ, большинство которых приходится на монтаж элементов фундамента и тела опоры.
Геодезическое обеспечение монтажных работ сводится к таким измерениям, как задание створа, линейные измерения, нивелирование, наблюдение за вертикальностью и прямолинейностью.
Выполнение перечисленных видов работ традиционными геодезическими способами обладает рядом недостатков, в частности, таких как эпизодичность контроля, оторванность наблюдателя от места производства монтажных работ. В определённой степени эти недостатки устраняются применением лазерных геодезических приборов. Исследования по лазерным геодезическим приборам и устройствам приведены в работах [12, 120, 198, 199]. Все типы лазерных приборов можно разделить на два вида:
1) лучевые приборы, в которых в качестве референтного направления используется ось коллимирующего лазерного луча с помощью оптических формирователей;
2) дифракционные и интерференционные (по схеме опыта Юнга; с использованием многощелевых дифракционных решеток; зонных пластин и других средств когерентной оптики).
При возведении опор мостов существуют многокритериальные задачи, и в связи с этим возникает необходимость применения приборов многоцелевого назначения. Определённый интерес представляет лазерный теодолит (ЛТ) многоцелевого назначения [120], разработанный при участии автора, позволяющий задавать лазерные лучи любой ориентации и при этом формировать различные геометрические фигуры.
Устройство прибора показано на рисунке 1.6. Прибор состоит из основания 1, расположенного на нём корпуса 2. В корпусе последовательно установлены лазерный источник света 3, коллимирующая система 4 и система оптических элементов 5, 7.
Устройство работает следующим образом. Над базовой точкой устанавливают теодолит. Определяют порядок и установочные данные для угломерных устройств 6, 8, 10. При этом на выходе лазерный луч опишет заданную фигуру с определенными геометрическими параметрами. Однако этот прибор имеет существенный недостаток – высокая нестабильность пространственного положения лазерного луча, обусловленная конструктивной схемой прибора и погрешностью осевой системы развёртки луча.
Основным достоинством лазерных геодезических приборов является оперативность получения информации и перенесение измерений от приборов непосредственно к месту производства монтажных работ. Однако область применения лазерных приборов в мостостроении всё же ограничена и не позволяет решить полностью задачи обеспечения производства работ.
В связи с этим оптические и электронные методы измерения сохраняют свои позиции и остаются не менее важными в мостостроении. По этим причинам активный геодезический контроль точности производства монтажных работ должен основываться на разумном сочетании лазерных и оптических и электронных геодезических приборов. При этом предпочтение лазерным приборам должно быть отдано при выполнении «динамичных» видов работ (погружение свай и оболочек, надвижка, навесной и полунавесной монтаж пролётных строений).
Так как в настоящее время технологии работ в мостостроении меняются, поэтому необходимо разрабатывать и соответствующие способы производства геодезических работ, позволяющие оперативно определять геометрические параметры объектов и принимать инженерные решения по корректировки их пространственного местоположения.