С ростом технологических возможностей реализации небывалых по масштабам инженерно-технических сооружений, например, небоскрёбов со сложной асимметричной формой каркаса, ГЭС на крупнейших реках с качественно большей энерговыработкой, мостов на тросовых растяжках многокилометровой протяжённости, проектирование мегасооружений становится год от года только сложнее и амбициозные. Однако возрастающая сложность и масштаб реализуемых проектов в равной степени требуют и пропорционального ужесточения нормативов по их безопасной эксплуатации.

По своим проектно-техническим и эксплуатационным характеристикам вантовые мосты относятся к конструкциям повышенного типа инженерной сложности. Техническое исполнение пролётных строений мостовых конструкций составляют балки жёсткости с поддерживающими их вантами — смонтированными на пилонах прямолинейными стержнями.

Современные мостовые сооружения высокой протяжённости рассчитаны на непрерывную работу при колоссальных нагрузках и общем напряжении на все элементы. Подобная стойкость достигается благодаря их возможности (лагу) к незначительным деформациям соответственно специфике условий внешней среды в конкретный момент. В частности, воздействия от:

- осадков (дождя, снега, града и т.д.);
- резких перепадов атмосферного давления и температур;
- сильных порывов ветра;
- сейсмической активности;
- приливов — отливов и т.д.

Помимо факторов естественно-природного характера, в эксплуатационный ресурс мостовых конструкций обязательно закладывается стойкость к транспортным нагрузкам (совокупное число, масса и средняя скорость движения единовременно пересекающего полотно моста транспортного потока).

На сегодняшний день с системными проблемами при эксплуатации мостов сталкиваются даже самые обеспеченные и технологически развитые государства, которые имеют постоянный и свободный доступ к наиболее высококачественным специалистам, занятым на всех этапах проектирования, строительства и последующей эксплуатации моста.

Так, к примеру, по данным US FHWA (Федерального агентства эксплуатация автомагистралей США) за 2005 г. было установлено, что порядка 15% от всех имеющихся в стране 595 тыс. мостов различных категорий полностью не соответствуют технически-эксплуатационным нормам по конструктивным причинам. В среднем по ЕС аналогичные показатели за этот период варьируются на отметке в 10%. Совокупно же в мире порядка 250 тыс. находящихся в активной эксплуатации мостов нуждаются в срочной ревизии состояния конструкций для осуществления экстренного ремонта. Примерно стольким же (т.е. в районе 25 тыс.) необходим системный мониторинг изменений в состоянии конструкции для осуществления планового ремонтно-технического обслуживания.

Задачи деформационного мониторинга мостовых сооружений

Постоянные нагрузки от воздействия внешних факторов приводят к износу любых конструкций и материалов. При сверхнормативных нагрузках темпы износа только усиливаются, вплоть до возникновения необратимых деформаций и общему разрушению целостности составных элементов.

Для надлежащего контроля и ответственного прогнозирования технического состояния мостовых конструкций, чтобы заблаговременно знать о негативных тенденциях — недопустимых деформациях геометрических параметров сооружения, необходимо планово проводить комплексное обследование конструкции моста, выполняя при этом весь комплекс обязательных геодезических измерений замеров изменений его параметров.

Но когда авария уже случилась, ценность подобных измерений резко снижается, так как они уже не позволяют получать оперативные данные вследствие быстро нарастающих критических деформаций в динамических характеристиках сооружения относительно заложенных в него проектных значений.

По этой причине сегодня наиболее актуальной задачей выступает разработка и внедрение постоянно действующей мониторинговой системы, способной заблаговременно и в кратчайшие сроки осуществлять сбор, анализ, хранение, систематизацию, преобразование, трансляцию (отображение на внешние носители) и распространение (копирование) пространственно-координационных данных о контролируемых в рамках плановой эксплуатации объекта элементах конструкции.

Помимо этого специфика мониторинга штатного возведения любых мегасооружений (к примеру, мостов с пилонами длиною в несколько сот метров) предполагает постоянный надзор за параметрами и динамикой изменения состояний смонтированных узлов конструкции с учётом добавления в неё новых активных элементов. Из-за которых меняется соотношение и происходит постоянный рост текущих нагрузок.

На практике на примере строительства пилонного моста этот процесс выглядит следующим образом. Деформационный мониторинг состояния пилонов необходимо производить ещё перед выносом проекта в натуру, так как по мере возведения отдельных элементов на мостовую конструкцию всё более активно воздействуют усиливающиеся нагрузки от факторов внешней среды (температурный режим, сила ветра и т.д.), а также от нарастающего давления собственного веса конструкции. В совокупности эти факторы могут привести к появлению недопустимых, выходящих за рамки проекта конструкционных деформаций.

Постоянный мониторинг технического состояния монтируемых элементов является обязательным условием соблюдения техники безопасности строительства и эксплуатации мостов вне зависимости от их назначения. Причём важность мониторинга не будет ослабевать даже после сдачи объекта в эксплуатацию. А со временем наоборот - роль наблюдения ввиду естественного износа материалов конструкции будет только возрастать. Следовательно, можно сделать вывод, что фактор мониторинга является обязательным процедурным условиям как в период возведения моста, то так и по мере его дальнейшей эксплуатации.

Методика деформационного мониторинга

Инструментом мониторинга деформаций моста выступает контроль разницы текущих геометрических параметров к заданным проектом (оптимальным). Обеспечение соответствия первых ко вторым является обязательным условием планового строительства и последующей надлежащей (штатной) эксплуатации моста. Периодический мониторинг состояния любого мостового сооружения производится с задействованием различных геодезических средств.

Для определения горизонтальных и вертикальных смещений используются спутниковые приёмники GPS (Глонасс) и электронные тахеометры TPS. Для уточнения конкретных параметров горизонтальных смещений также применяются дальномеры. Оптические высокоточные нивелиры помогают определить значения вертикальных осадков. Для расчёта дополнительных вводных применяются щелемеры, тензометры, акселерометры, датчики наклона и иные средства по сбору данных.

Конкретный алгоритм проведения обследования зависит от состояния и типологии инженерного сооружения. Как правило, ревизионные осмотры производятся спустя год после сдачи объекта или по запросу эксплуатирующей его организации. После получения всех замеров требуется время для их анализа и оцифровки.

По итогу обработки геодезических измерений мониторинговая комиссия получает данные по текущему состоянию объекта, представленные в виде значений по параметрам смещений, деформации и отклонения его различных элементов от их проектных значений и (или) данных по крайнему замеру.

Преимущества деформационного мониторинга

Геотехнические средства дают возможность фиксации комплексно анализируемых вместе с результатами геодезических изменений параметров, с целью их последующей корреляции для нахождения наиболее воздействующих на изменение состояния объекта факторов.

Год от года различные информационные системы становятся всё более важны (и по факту уже незаменимы) для подавляющего большинства отраслей экономики. Это объясняется их функционалом по получению оперативной и достоверной информации о текущем состоянии и долгосрочной динамике изменения исследуемого объекта с широким диапазоном корреляции вводных (ручной настройки) по конкретной специфике факторов влияния (учёт изменений погоды, температуры, влажности, неожиданных, выходящих за норму тектонических толчков и т.д.).

Важнейшим преимуществом современных средств измерений является их возможность предоставления данных сразу в читаемом вычислительными системами цифровом виде.

Это даёт возможность оперативной автоматизированной обработки данных в реальном времени, что значительно сокращает трудоёмкость и позволяет принять срочные выверенные меры по исправлению аварийной ситуации.

Следовательно, можно сказать, что цифровизация является ключом к действенному и оперативному проведению как периодически планового, так и экстренного обследования сооружений. При этом система, состоящая из комплекса современных коммуникационно-сенсорных средств, может быть быстро смонтирована на объекте практически любой сложности вне зависимости от его фактического места расположения.

Это особенно ценно для поддержания надлежащего эксплуатационного уровня инфраструктуры, расположенной в районах сложной логистической доступности (например, зона Заполярья или различные островные территории). Цена аварии на этих территориях особенно высока, ввиду сложности оперативного доступа к ремонтным комплектующим и материалам.

Дополнительным плюсом современных цифровых мониторинговых систем является их автономность (участие оператора после запуска программы зачастую больше вообще не требуется) и непрерывность трансляции и обновления поступающей информации о динамическом изменении режимных параметров. Это и делает современные автоматизированные системы деформационного мониторинга (АСДМ) ключевым техническим решением, востребованным с одинаковым безусловным приоритетом в эксплуатации строительных объектов больших масштабов и высокой инженерной сложности, как в России, так и за границей.

Эксперты компании «СМИС Эксперт» отмечают, что оптимальная автоматизированная система деформационного мониторинга мостовых сооружений должна быть комплексной и работать на объекте непосредственно сначала его возведения. Так технологически на начальном этапе в районе строительства должна быть смонтирована современная геодезическая инфраструктура. Она обязательно должна включать в себя разбивочную основу и трансформирующие дифференциальные RTD-поправки от базовой спутниковой станции.

Смонтированное в зоне строительства моста планово-высотное опорное обоснование необходимо увязывать с базовыми спутниковыми станциями, уже привязанными к пунктам общефедеральной геодезической сети по системе «от общего к частному». Это позволяет рассчитывать параметры трансформации координат в различных координационно-расчётных системах.

На момент выноса проекта в натуру по физическому контролю надлежит использовать спутниковые измерительные средства, так как на высоте 100 м+ корректно использовать традиционные оптические инструменты уже невозможно.

На этапе проведения геодезических разбивочных работ стандартным способом посредством автоматизированной системы геодезического обеспечения возведения конструкций следует применять единую базу данных от спутниковых станций.

Наличие подобной структуры в дальнейшем значительно удешевит и упростит последующий мониторинг состояния деформаций сооружения, так как архив данных по нему будет наглядно доступен, и обновляться в автоматическом режиме.

Состав системы деформационного мониторинга

АСДМ мостовой конструкции — это комплекс технических средств программно-аппаратного профиля, предназначенных для проведения измерений с дальнейшей интерпретацией получаемых результатов в рамках определения обеспечивающих штатное функционирование инфраструктурных параметров объекта. Далее следует архивирование полученных данных (результатов замеров) для определения характера дальнейшего состояния исследуемого объекта: отвечает ли он текущим требованиям безопасности для нормальной эксплуатации, или нуждаются в каком-либо обслуживании и ремонте.

Стандартный набор комплекса АСДМ должен состоять из:

- инклинометров (высокоточных измерителей углов наклона);
- коммуникационной аппаратуры;
- спутникового геодезического оборудования;
- компьютерного оборудования;
- геотехнических датчиков;
- коммуникационной аппаратуры;
- программного обеспечения (софта) для управления средствами сбора, обработки, систематизации и последующей трансляции на внешние носители (здесь визуализации на мониторы) определяемых параметров, результатов расчёта и отчётных сообщений.

Также для специфики работы с мостами АСДМ должна комплектоваться набором монтируемых в критических (узловых) точках исследуемой конструкции датчиков.

Обеспечивающая работу аппаратно-программных средств для наблюдения за деформациями инфраструктура должна состоять из:

- центра управления;
- проводного оборудования;
- систем коммуникаций и электропитания.

Наличие АСДМ при ревизионном мониторинге мостовой конструкции позволяет не только всеобъемлюще контролировать её текущее состояние, имеющиеся прогибы и смещения от различного вида нагрузок, но и осуществлять прогноз по потенциальным неблагоприятным деформациям на наиболее ответственных участках.

Важной функций АСДМ также является оперативное оповещение сотрудников службы эксплуатации моста, а также органов экстренного реагирования (МЧС, ГИБДД, скорая и пожарная помощь тд.) о возникновении потенциально опасной ситуации при выходе уровня деформаций конструкции за критически допустимые нормы.

Совокупно это значительно стабилизируют безопасность транспортных потоков, проходящих непосредственно по мостовому полотну и под ним. Что в итоге минимизирует риски возникновения ЧС с большим материальным ущербом и человеческими жертвами.

Так как массивы данных от системы мониторинга состояния моста поступают в круглосуточно-потоковом режиме, это даёт возможность своевременной реакции и предупреждения возникновения аварийной ситуации или необходимости во внеплановом ремонте моста.

Своевременно проведённые предупредительные мероприятия в конечном итоге значительно экономят средства, так как снижают риск необходимости срочного аварийного вмешательства и максимально отодвигают момент проведения капитального ремонта.

Цена за размещение и последующую работу АСДМ (с учётом расходников) может доходить до 0,01% цены возведения обслуживаемого системой сооружения. При этом все сопутствующие расходы от эксплуатации АСДМ (электроэнергия, поддержание работы каналов коммуникации, замена отдельных элементов системы и т.д.) значительно дешевле платы за периодическое плановое обследование традиционными геодезическими средствами.

Здесь важно отметить, что при комплексном централизованном обслуживании одновременно нескольких систем АСДМ из единого мониторингового центра затраты на эксплуатацию каждой из них также снижаются. Так одна группа составом в 5-10 сотрудников в состоянии полноценно обслуживать и обеспечивать работу мониторинговых систем АСДМ по конкретному городу или региону.

Качество строительно-монтажных работ и надлежащее осуществление мониторинга за состоянием деформаций конструкции масштабных объектов имеют решающее значение для предотвращения возникновения аварийных ситуаций, сопровождающихся тяжелыми травмами и даже летальным исходом случайных лиц и (или) персонала объекта.

Реализуемые компанией «СМИС Эксперт» мониторинговые системы состояния объектов транспортной инфраструктуры, промышленных зданий и сооружений, а также средства слежения за земной поверхностью (на предмет оползней или просадок) вносят существенный, а зачастую и определяющий вклад в поддержание нормального состояния и штатной работоспособности контролируемой конструкции.