Отечественная автоматизированная система гидростатического нивелирования "Монитрон" для мониторинга ГТС (на примере мониторинга шлюза №9 канала им. Москвы)

Целью мониторинга (натурных наблюдений) судоходных гидротехнических сооружений (СГТС) является обеспечение их сохранности [1–3]. Задача мониторинга – как можно раньше обнаружить неблагоприятные изменения технического состояния объекта, чтобы оставалось достаточно времени для осуществления мер по предотвращению возможной аварии. Поэтому важно повышение быстродействия процесса мониторинга, что достигается автоматизацией: от телеметрического (дистанционного) снятия показаний приборов до оперативного анализа результатов измерений в режиме реального времени с помощью интеллектуализированных информационно-диагностических систем (ИДС).

Автоматизированная система гидростатического нивелирования «Монитрон» представляет собой высокотехнологичную систему мониторинга нового поколения, которая разрабатывается в России с 2012 г. с применением новейших промышленных и информационных технологий. Система «Монитрон» в режиме реального времени контролирует вертикальные перемещения (далее – осадки), что обладает новизной для мониторинга СГТС, поскольку измерение осадок обычно проводилось в ручном режиме методом оптического нивелирования (ориентировочная цикличность контрольного нивелирования – один раз в три месяца). Автоматизация нивелирования расширяет возможности мониторинга, в частности, создаёт условия для применения цифровых двойников СГТС, как будет рассмотрено ниже.

Гидростатическое нивелирование (ГН) основано на создании системы сообщающихся сосудов, внутри которых уровень жидкости занимает равную высотную отметку (рис. 1). Метод ГН является классическим методом нивелирования. Имеется опыт его применения в различных отраслях строительства и геофизики для измерения осадок с любой необходимой точностью, при любой, определяемой размером сооружения, базе нивелирования [4–8].

Принятые в международной практике технические характеристики систем ГН строительного назначения были полностью соблюдены при разработке отечественной системы «Монитрон». Важной инновацией стало применение оптико-электронной системы детекции уровня жидкости внутри измерительного сосуда [9]. Это обеспечило аналогичную точность и надёжность нивелирования при значительном уменьшении (до 10 раз) стоимости аппаратуры по сравнению с зарубежными аналогами, в которых применяются чрезвычайно дорогостоящие преобразователи давления.

Система «Монитрон» обладает важными преимуществами по сравнению с геометрическим (нивелиры) и тригонометрическим (тахеометры) методами нивелирования.

1. Абсолютная отметка передаётся на все датчики ГН непрерывно по принципу сообщающихся сосудов. Таким образом, на каждом цикле нивелирования исключаются затраты труда и времени на прокладку нивелирных ходов с перестановкой геодезических приборов.

2. Как следствие из предыдущего пункта, все датчики ГН производят измерения одновременно в режиме реального времени (с цикличностью 1 раз в минуту).

3. Измерения независимы от температурно-влажностного режима, погодно-климатических факторов, опасностей и вредностей разного рода, нет необходимости в прямой видимости между датчиками. Такую надёжность и непрерывность наблюдений невозможно обеспечить ручным или роботизированным оптическим нивелированием.

Основным элементом системы «Монитрон» являются измерительные сосуды – датчики гидростатические цифровые (ДГЦ-21), с точностью снятия показаний ± 0,05 мм при диапазоне измерений 100 мм. Датчики выпускаются в универсальном исполнении с широким температурным диапазоном эксплуатации от минус 65 до плюс 50 °С, с высокой степенью защиты IP 66 (пыленепроницаем, защищён от сильного воздействия струи воды) и базовым сроком службы 15 лет.

Датчики обладают современным дизайном и могут быть замаскированы под приборы освещения или архитектурной подсветки (рис. 2). На поверхности грунтовых сооружений датчики размещаются на грунтовых реперах.

Для оценки относительных разностей осадок, кренов и изгибов конструкций достаточно группы из двух (измерение поворота в плоскости) или более (измерение поворота в пространстве) датчиков ДГЦ-21. Для этой же цели возможно использование одного датчика с функцией измерения углов поворота ДГЦ-22, который в настоящее время применяется экспериментально и находится на этапе испытаний для включения в Государственный реестр средств измерений.

Накоплен опыт применения системы «Монитрон» на десятках объектов в России и за рубежом, в частности, при строительстве московского метро, а также для мониторинга осадок фундаментов башен ветрогенераторов.

Представляет интерес применение системы «Монитрон» на шлюзе № 9 Карамышевского гидроузла в Москве при проходке в его основании двух перегонных тоннелей метрополитена диаметром 6,0 м между станциями «Народное ополчение» и «Мнёвники» Большой кольцевой линии. Расстояние в свету между тоннелями и подошвой камеры шлюза 15 м при общей длине камеры шлюза 300 м и размере поперечного сечения 30×12,5 м, ширина камеры по подошве 40,4 м. Трасса тоннелей пересекает камеру шлюза в районе секций №№ 8–9 под углом 70° (рис. 3 и 4).

Принимая во внимание повышенный класс ответственности СГТС и определенный геотехнический риск при проходке тоннелей под эксплуатируемым объектом, применено две взаимно дублирующие системы мониторинга осадок, предусматривающие измерения в одинаковых пунктах:

• оптическое нивелирование электронным тахеометром с цикличностью каждые 6 часов;
• гидростатическое нивелирование системой «Монитрон» на базе ДГЦ-19 с ежеминутной цикличностью.

Проходка выполнялась тоннелепроходческим механизированным комплексом (ТПМК) Herrenknecht S-791 с грунтопригрузом забоя и с тампонажем заобделочного пространства через технологические отверстия в хвостовой части щита. Обделка сборная из высокоточных железобетонных блоков толщиной 300 мм, наружный диаметр 6,0 м, внутренний диаметр 5,4 м, ширина кольца обделки 1,4 м.

Расчётная осадка секций камеры шлюза над тоннелями 4,9 мм, ширина расчётной зоны влияния 61 м, в её пределах расположены секции №№ 7–10 камеры шлюза.

Наблюдения велись с ноября 2018 по апрель 2019 г. Проходка тоннелей под шлюзом осуществлялась последовательно: в декабре 2018 г. пройдён первый тоннель, в феврале 2019 г. – второй тоннель.

Скорость проходки тоннелей составила в среднем 10,3 м/сут, т.е. 2,6 м за время 6-часового цикла тахеометрической съёмки (которая проводится последовательно, от пункта к пункту, поэтому проявляется некоторая погрешность во временной привязке результатов нивелирования). Сопоставление результатов оптического и гидростатического нивелирования показало, что невязка результатов не превысила 0,3 мм (рис. 5).

Активное воздействие проходки на шлюз продолжалось около 8 суток для каждого тоннеля (учитывая время подхода и отхода ТПМК). Телеметрия осадок позволила оперативно корректировать технологические параметры производства работ, отвечающие за минимизацию геотехнического влияния (давление грунтопригруза, параметры тампонажа). В результате осадки шлюза уменьшились до 2,1 мм, т.е. на 60 % по сравнению с расчётными (полученными для условий обычной проходки без оперативных корректировок по данным телеметрического мониторинга).

Система «Монитрон» может подключаться к действующей на объекте автоматизированной системе диагностического контроля (АСДК), например, семейства БИНГ. Также возможно использование собственной АСДК «Монитрон», включающей автоматизированную систему опроса датчиков (АСО) и современную ИДС.

В составе ИДС «Монитрон» имеются все необходимые инструменты для анализа осадок, построения графиков и исследования трендов. Система представляет собой облачный сервис и доступна через интернет-браузер на портале https://monitron.ru с любого компьютера без установки дополнительного программного обеспечения. Это позволяет предоставить онлайн-доступ к данным нивелирования всем заинтересованным участникам. Пользователи ИДС «Монитрон» могут подключить рассылку оповещений на свою электронную почту и телефон о достижении осадками определенных значений.

ИДС «Монитрон» позволяет обратиться к результатам расчёта напряженно-деформированного состояния (НДС) и фильтрации прямо из интернет-браузера, без установки специализированной расчётной программы (в настоящее время поддерживаются форматы ZSoil, Plaxis и Midas).

Цифровой двойник (ЦД) в ИДС «Монитрон» использует математическую модель (обычно метода конечных элементов, МКЭ), выполняющую расчёт НДС для заданного момента календарного времени, с учётом действующих в этот момент времени нагрузок и воздействий (например, уровни бьефов, температуры окружающей среды).

Физико-механические характеристики конструкций и грунтов подвержены естественной изменчивости (вариации), их действительные значения отличаются от проектных. Это обуславливает необходимость калибровки математической модели, чтобы определить действительные значения параметров. Для этого параметры многократно варьируются в допустимом диапазоне, а результаты расчётов сопоставляются с натурными данными. После совпадения расчётных и натурных данных, модель верифицируется на дополнительном объёме натурных данных, и валидируется путём использования в составе ЦД в течение опытного периода.

Откалиброванный, верифицированный и валидированный ЦД позволяет эффективно контролировать НДС и фильтрационный режим, оценивать соответствие проекту осадок и напряжённого состояния, прогнозировать развитие предельных состояний (например, трещинообразования), оптимизировать расходование средств на ремонт. В случае отклонения натурных данных от результатов ЦД, имеется возможность оперативно идентифицировать риски аварии и заблаговременно на них отреагировать.

Благодаря высокой цикличности измерений система «Монитрон» позволяет накопить данные для калибровки и верификации ЦД за полугодовой период (между экстремальными сезонными температурами), тогда как при традиционном измерении осадок 4 раза в год необходимы данные за несколько лет.

Таким образом, ЦД отражает уникальное состояние сооружения, которое возникает каждый день в силу нового сочетания нагрузок и воздействий (и предшествующему ходу их изменения). Особенно это прослеживается по температурному воздействию, которое неповторимо каждый год.

Соответствие результатов мониторинга и данных ЦД указывает на соответствие технического состояния сооружения проекту.

Анализ состояния сооружения с использованием ЦД может проводиться параллельно с законодательно установленным анализом по критериям безопасности [10–11].

ЦД шлюза № 9 Карамышевского гидроузла (рис. 6) позволил назначить для каждого датчика «Монитрон» предполагаемую зависимость осадки от положения забоя тоннеля в виде проектного коридора осадок (рис. 7). Преимущество такого подхода в том, что в случае отклонения работы системы «шлюз – тоннели – основание» от проектных ожиданий в неблагоприятную сторону, это было бы зафиксировано ещё при малых знаниях осадок, пока сохраняется возможность корректировки технологических и конструктивных решений. Это позволяет избежать случаев, когда предельные осадки достигаются в середине работ, и возможности по уменьшению осадок уже упущены.