Обзор координатных методов инструментального контроля при мониторинге деформаций земной поверхности
Согласно СП 47.13330.2016 наблюдения за деформациями и осадками зданий и сооружений, движениями земной поверхности как и все инженерно-геодезические изыскания оказывают влияние на безопасность объектов капитального строительства. Согласно «Правилам охраны недр» ПБ 07-601-03 проведение маркшейдерских наблюдений является основным требованием для обеспечения безопасного ведения работ.
При проведении геодезических и маркшейдерских работ в мониторинг включается: разработка проектной документации и согласование ее с Ростехнадзором, закладка наблюдательной станции, проведение периодического инструментального контроля и анализ полученных данных.
Для реализации координатного метода при мониторинге деформаций используются следующие геодезические приборы:
- электронные тахеометры (далее ЭТ);
- лазерные сканеры;
- глобальные навигационные спутниковые системы (далее ГНСС).
Электронный тахеометр определяет пространственные координаты точки отражения узконаправленного лазерного пучка от цели путем определения расстояния до нее и двух (горизонтального и вертикального) углов. Современные ЭТ способны обеспечить точность измерения углов от ±0,5" и точность измерения линий от ±(1,0 мм + 1,5 мм/км). ЭТ использовались специалистами НИПИ «МарГео» для определения планового и высотного положения рабочих реперов на наблюдательной станции карьера Верхнебаканского месторождения цементных мергелей ОАО «Верхнебаканский цементный завод» с 2007 по 2018 гг. В 2018 г. была выполнена Корректировка проекта, закладка наблюдательной станции и изменен метод наблюдений на ГНСС.
Для достижения необходимой точности в геодезии при выполнении измерений методами ГНСС применяют относительное позиционирование по фазовым измерениям. Чтобы обеспечить необходимую точность измерений используют статический и быстрый статический режимы измерений. Данные режимы предполагают длительные (от 10 минут и больше) сеансы измерений. Отсюда и особенности ГНСС технологий: планирование спутниковых измерений на каждом пункте, когда при проведении одновременных измерений геометрический фактор будет наиболее благоприятным, и определение величины маски по углу возвышения для каждого пункта для исключения переотраженных сигналов. ГНСС используются специалистами НИПИ «МарГео» для определения планового и высотного положения рабочих реперов на наблюдательной станции карьера Новороссийского IV месторождения мергеля с 2016 г. по настоящее время.
Лазерные сканирующие системы позволяют создать цифровую модель местности путем определения пространственных координат точек поверхности объекта безотражательным дальномером. Существует три технологии лазерного сканирования:
- наземное лазерное сканирование (далее НЛС);
- мобильное лазерное сканирование (далее МЛС);
- воздушное лазерное сканирование (далее ВЛС).
По методу измерения расстояний лазерные сканеры бывают фазовыми (для расстояний до 200 м, с точностью измерений менее 1 мм) и импульсными (расстояния от нескольких сот метров до нескольких км, с точностью от нескольких мм до нескольких см). При создании планово-высотного обоснования для лазерного сканирования используют ЭТ или ГНСС. У лазерных сканирующих систем следующие достоинства: сокращение работ по закладке пунктов, наблюдение недоступных для других методов участков, получение сведений о деформациях любой точки модели, безопасное ведение работ в зонах провалов и т.д. Перед использованием данных технологий необходимо проведение оценки точности с учетом требований действующих нормативов по мониторингу земной поверхности.
НЛС при благоприятных условиях способны обеспечить точность менее 1 см. При реализации данной технологии прибор устанавливают на неподвижный штатив. Для создания цифровой модели (плотностью до десятков точек на 1 см2) сервопривод в горизонтальной и вертикальной плоскостях автоматически поворачивает измерительную часть прибора с высокой скоростью (от 5000 измерений в секунду). Данная технология использовалась специалистами нашей компании при производстве геодезических наблюдений за деформациями, сдвижением земной поверхности и расположенными на ней объектами при строительстве водоотводных тоннелей в районе 13-го и 14-го ущелий ПК «Шесхарис» АО «Черномортранснефть» с 2019 по 2020 гг.
МЛС при благоприятных условиях способно обеспечить точность 5-10 см. МЛС устанавливается на автомобиль или любое другое передвижное средство, далее осуществляется съемка всех объектов, попадающих в поле зрение. Средняя скорость движения составляет 60-70 км/час, таким образом, в течение суток можно отснять порядка 1200 погонных километров по курсу движения транспортного средства.
ВЛС при благоприятных условиях может обеспечить точность порядка 30-40 см. Сканер устанавливается на борт самолета, вертолета или беспилотных летательных аппаратов. За один полетный день можно выполнить съемку нескольких тысяч гектар земной поверхности.
По результатам полевых работ составляется технический отчет, где делается заключение о соответствии проведенных измерений требованиям действующих нормативно-технических документов. По результатам повторных серий также выполняется контроль стабильности опорных реперов наблюдательной станции, по разнице планового и высотного положения рабочих реперов определяются значения деформаций земной поверхности, анализируется степень их опасности и даются рекомендации по устранению влияния негативных процессов. По результатам мониторинга в зависимости от характера наблюдаемых деформаций может быть принято решение о внесении изменений в принятую методику измерений или в периодичность наблюдений. В таком случае выполняется корректировка проектной документации. Преимущество координатных способов состоит в том, что после обработки измерений в специализированных программных продуктах становится известно пространственное положение пунктов наблюдательной станции, либо, в случае лазерного сканирования, в каждой серии создается цифровая модель местности, позволяющая в ходе сравнения получить исчерпывающее представление о процессах произошедших на земной поверхности.
Комплексные наблюдения с использованием нескольких видов рассмотренного оборудования позволяют обеспечить требуемую точность, за исключением высокоточного определения высот, и полноту оценки происходящих деформационных процессов. Поскольку в нормативной литературе не освещены вопросы использования рассмотренных приборов при осуществлении геодезического мониторинга земной поверхности, при выборе тех или иных средств измерения необходимо учитывать возможности достижения требуемой точности при конкретных условиях.
Авторы статьи: геодезист Евгения Коновалова, эксперт в области инженерных изысканий Мария Костенко.