Разработка методики геодезического контроля за деформациями мостовых сооружений в процессе строительства

Актуальность темы исследования. Железные и автомобильные дороги – это транспортные артерии территории любой страны. Они способствуют освоению земель, рациональному использованию богатств, располагающихся не только наповерхности, но и в недрах. Наряду с экономическим развитием регионов, используя дорожную сеть, осуществляется общение народов, их взаимосвязь и не только в пределах одной страны, но и с сопредельными государствами, что так же весьма важно.
Россия – государство, расположенное на огромной территории. По долготе она простирается на 10 тыс. км, по широте, в среднем, на 4 тыс. км. Имеет 85,5 тыс. км железных дорог (124 тыс. км в однопутном эквиваленте) и 1,16 млн. км автомобильных с твердым покрытием. Россия занимает 3-е место в мире попротяженности дорожных сетей (после США и Китая). Требуется дальнейшее развитие дорожной сети. В настоящее время построена скоростная автомагистраль Москва – Санкт-Петербург, разрабатывается проект (совместно с Китаем) строительства высокоскоростной железной дороги сообщением Москва- Казань протяженностью 790 км, на которой будет построено 156 мостов, 55 эстакад, 24железнодорожных и 89 автодорожных путепроводов, строится железная дорога от Транссиба до г. Якутска. Осуществляется модернизация и ремонт существующих дорог в сторону повышения их пропускной способности транспорта в центральных регионах и на Дальнем Востоке страны.
Особенно интенсивно строятся и реконструируются автодороги, проезды автотранспорта в г. Москве, в городах с населением более 1-го миллиона человек. Вызвано это сложностями проезда из-за большого количества автотранспорта у населения в личном пользовании.
Расширение проезжей части существующих улиц в городах весьма сложная и дорогостоящая работа, требующая, как правило, перекладки инженерных подземных сетей, а также сноса имеющихся сооружений различного назначения. Поэтому устранение «пробок» автотранспорта возможно строительством эстакад, т.е. подъемом потока автомобилей на второй уровень над существующими проездами, что и реализуется во многих городах мира, в том числе и в г. Москве.
Проведение любой дороги через природное препятствие (крупные и малые реки, водоёмы, заболоченные долины рек, глубокие овраги, горные ущелья и др.) или сооружение антропогенного происхождения (городские кварталы, функционирующие автомагистрали и железные дороги, трубопроводы большого диаметра и др.) требует строительства мостового перехода или тоннеля, а строительство любого моста невозможно без геодезического сопровждения.
Всё вышеперечисленное подтверждает актуальность выбранной темы, так как строительство мостов сопровождается деформациями прогнозируемыми и непрогнозируемыми на различных этапах строительства, их изучение и учет крайне необходимы для исключения отрицательных последствий.
Степень разработанности темы исследования. Крупнейшие ученые – мостостроители России Д.И. Журавский, С.В. Кербедз, Н.А. Белелюбский, Г.П. Передерий, Л.Д. Проскуряков, К.С. Силин – Герой Труда СССР, А.С. Платонов, выдающиеся строители-мостовики В.И. Шмидт, А.В. Островский – Герой Труда России, В.Н. Коротин, В.В. Коротин, В.А. Климов О.И. Чемеринский и другие, ученые-геодезисты Х.К. Ямбаев, Г.П. Левчук, Н.Н. Лебедев, Е.Б. Клюшин, В.Е. Новак, В.Я. Швидкий и другие внесли вклад в мостостроение, в учет деформаций конструкций. В связи с появлением новых строительных материалов и техники совершенствуются как конструкции мостов, так и технологии их возведения. Проблеме учета деформаций элементов мостовых сооружений в процессе строительства и эксплуатации уделяется большое внимание. Это относится и к геодезическим методам наблюдений за деформациями. Сегодня в геодезическом сопровождении строительства мостов используются высокоточные электронные тахеометры (ЭТ), глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС), цифровые нивелиры, что позволяет разрабатывать новые методики выявления деформаций, измерения их величин, предотвращения влияния наразмеры и геометрию конструкции, в конечном итоге – продлевает срок эксплуатации мостов. Естественно, это приводит к большому экономическому эффекту.
Целью работы явилась разработка методики геодезического обеспечения
исследований зависимостей величин деформаций, возникающих при сборке стальных пролетов моста коробчатой конструкции на стапеле и надвижке на капитальные опоры в зависимости от влияния качества сварочных работ, изменения температуры окружающей среды, уровня солнечной радиации, точности монтажных работ с использованием электронных тахеометров, нивелиров, а также исследований влияния деформаций на положение опалубки при изготовлении железобетонных плит автосъездов эстакад виражей, и, как следствие, разработка мер предотвращения влияния деформаций и построение геодезической разбивочной основы для обеспечения строительства мостов.
Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:
– разработать методику геодезического контроля за деформациями мостовых сооружений в процессе строительства, включающая контроль за надвижкой пролетного строения на капитальные опоры и замыкания двух плетей в единую конструкцию пролетного строения;
– разработать схему уравнивания плановой сети ГРО, обеспечивающую требуемую точность координат пунктов разбивочной основы;
– исследовать зависимости величин деформаций пролетного строения, возникающих под влиянием технологических процессов, внешней среды и других факторов;
– выполнить расчеты необходимой и достаточной точности измерения углов наклона при различных расстояниях отметок, удовлетворяющих СП 46.13330.2012 «Мосты и трубы».
Научная новизна работы:
– разработана новая схема уравнивания ГРО, позволяющая эффективно учитывать возможные ограничения точности определения координат исходных геодезических пунктов, обеспечивая высокую точность создаваемой сети;
– доказано, что при использовании электронного тахеометра (ЭТ) метод тригонометрического нивелирования обеспечивает создание высотной основы сооружения в увеличенном диапазоне длин сторон (до 1000 м);
– по результатам исследований установлена эмпирическая зависимость
изменения величины деформаций стального пролета коробчатой конструкции при его сборке на стапеле от суммарного эффекта, вызванного влиянием сварки металла, изменением температуры внешней среды, солнечной радиацией.
Теоретическая значимость. Результаты использования разработанных теоретических положений обосновывают возможность повышения точности уравнивания сети ГРО длястроительства стальных мостов при привязке к опорным геодезическим пунктам, координаты которых определены с недостаточной точностью. Доказана возможность использования метода тригонометрического нивелирования для передачи высот через препятствия при расстояниях до 1 км.
Практическая значимость. Предложенные методические разработки и рекомендации, включая схему построения и уравнивания ГРО, предложения по развитию высотной основы с использованием метода тригонометрического нивелирования, комплексную методику геодезического контроля за деформациями мостовых сооружений в процессе строительства, охватывают практически весь технологический цикл геодезического обеспечения строительства, позволяя обеспечить постройку объекта на местности с точностными характеристиками, соответствующими нормативным документам с использованием штатного геодезического оборудования, без привлечения специальных приборов. Результаты работы внедрены в производство, успешно используются при строительстве стальных мостов коробчатого сечения, съездов разноуровневых автомобильных развязок мостовыми строительными организациями, что подтверждается справками о внедрении, выданными ведущими мостостроительными организациями: ПАО «МОСТОТРЕСТ», ООО «АВТОБАН–МОСТ», АО «МОСИНЖПРОЕКТ-ДОРОЖНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО».
Методология и методы исследования. Исследования выполнялись теоретическими расчетами необходимой и достаточной точности измерений присоздании плановой и высотной ГРО; расчетами точности предлагаемых методов контроля монтирования конструкции ПС коробчатого сечения на стапеле; натурными измерениями положения в плане и по высоте монтируемой плети стального ПС на стапеле, определение и учет деформаций при его сборке в зависимости оттемпературы окружающей среды и монтажных операций; циклической надвижке на капитальные опоры геодезическими методами. Полученные эмпирические данные положения ПС в плане и по высоте, при различных температурах окружающей среды и металла в процессе строительства, являлись исходными данными для построения графиков зависимостей деформаций ПС на разных стадиях строительства.
По данным натурных измерений положения опалубки изготовления монолитной железобетонной плиты проездов (виражей), по месту, разноуровневых эстакад автосъездов на развязках, до нагрузки и после нагрузки стальными каркасами и бетоном, установлены зависимости величин деформаций от расстояний относительно осей опирания плиты на капитальных опорах. Построен график зависимостей величин вертикальных деформаций опалубки в пролетах 14 м, 16 м.
Объект исследований – строящиеся стальные мосты со сборкой на стапельных площадках, с последующей продольной циклической надвижкой ПС на капитальные опоры, с замыканием пролетов в единую конструкцию и без замыкания. Строящиеся эстакады виражей с крутыми радиусами автосъездов на развязках, с изготовлением железобетонной плиты проезда, по месту, с длинами пролетов 14 м, 16 м. Основные положения, выносимые на защиту:
1. Изменение требований п. 2.9. СП 46. 13330. 2012 «Мосты и трубы».
2. Особенности построения и уравнивания ГРО для строительства
мостов (высокая точность взаимного положения объединяемых элементов мостовых конструкций в плане и по высоте) с использованием ЭТ, ГНСС
3. Методика высокоточного геодезического обеспечения монтажа главных несущих балок и пролета в целом, с заданной точностью, на стапеле, исключающая или минимизирующая деформации ПС.
4. Исследования зависимостей величин деформаций, вызываемых сварочными работами, изменением температуры окружающей среды, солнечной радиацией; построенные графики зависимостей величин деформаций для опускания концов главных балок (хвоста) по высоте на стапеле пристыковываемого блока на величину деформаций, с целью исключения или минимизирования деформации.
5. Методика инструментального геодезического контроля за положением пролетного строения в процессе его надвижки на капитальные опоры (деформации, положение лидирующего торца в пространстве в плане и по высоте – прогиб) с использованием ЭТ, момент остановки надвижки.
6. Методика геодезического обеспечения объединения двух плетей пролета, надвинутых с противоположных берегов, в цельную конструкцию (замыкание).
7. Исследование зависимости величин деформаций опалубки по высоте, дляизготовления железобетонной плиты проезда, по месту, вызываемые нагрузкой стального каркаса, уложенного бетона и расстояния от осей опирания. Построенный график зависимости величин деформаций опалубки от расстояний, относительно осей опирания плиты на капитальных опорах, в пролетах длиной 14м, 16 м эстакад виражей автосъездов.
Степень достоверности и обоснованности результатов подтверждается:
– успешным использованием разработок в строительстве мостов и полнотой постановки задач исследования, адекватностью использованных методов и алгоритмов;
– корректностью применения математического аппарата оценки точности
геодезических построений с использованием строгих методов и обработки результатов измерений;
– проверкой теоретических и методических положений на основе эмпирических исследований и использования фактической измерительной информации, полученной на реальных строительных объектах с использованием поверенных геодезических приборов;
– последовательностью и непротиворечивостью выводов и рекомендаций, полученных в результате исследований;
– успешным опытом практического использования выполненных разработок в специализированных производственных организациях.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены на:
1. 74-ой научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК, посвященной 240-летию основания МИИГАиК», 15- 19 апреля 2019 г., г. Москва;
2. Международной научной конференции «Геодезическое и геоинформационное обеспечение киберфизических систем на транспорте», 03- 04 декабря 2020 г., г. Москва, МИИТ, МИИГАиК.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Тема диссертации соответствует следующим пунктам паспорта научной специальности 25. 00. 32 – Геодезия:
– п. 5 «Методы, технические средства и технологии геодезического обеспечения строительно-монтажных, маркшейдерских работ»;
– п. 6 «Геодезическое обеспечение изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации крупных инженерных комплексов».
В рамках диссертационного исследования лично автором получены следующие научные результаты:
– разработана методика геодезического контроля за деформациями мостовых сооружений в процессе строительства, обеспечивающая сборку стального пролета моста на стапеле с учетом его деформаций, вызываемых сварочными работами и изменением температуры окружающей среды;
– предложена новая схема уравнивания сети ГРО, позволившая учесть возможные ограничения по точности определения координат исходных геодезических пунктов;
– выявлены эмпирические зависимости величин деформаций стального пролета коробчатой конструкции при его сборке на стапеле, вызванные суммарным влиянием сварки металла и температурой внешней среды, а также зависимости величин деформаций опалубки, вызываемые нагрузкой стального каркаса и уложенным бетоном в опалубку, от расстояний относительно осей опирания пролета на капитальных опорах к его середине (длины 14 м, 16 м) минимизирующие и исключающие деформацию путем изменения строительного подъема блоков монтируемого пролета;
– теоретически обоснована возможность передачи высот на пункты ГРО, с заданной точностью, через препятствия при расстояниях до 1 км, методом тригонометрического нивелирования. Теоретические расчеты апробированы в производственных условиях.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 статей (все из списка ВАК), 2 тезиса докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка источников использованной литературы (95 наименований) и 3-х приложений. Работа изложена на 185 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка и 6 таблиц. Краткая историческая справка о строительстве мостов в России
Развитие мостостроения в России, как и в других развитых странах, возрастало и изменялось в связи с уровнем и изменением производительных сил и производственных отношений. Последнее особенно важно для нашей страны, где произошло, и не однажды, изменение социально-экономических формаций: феодализм, капитализм, социализм и вновь капитализм. По мере развития человеческого сообщества осваивались новые территории земли, рос товарооборот между народами, строительство дорог стало жизненно необходимым. Возникла необходимость проводки дорог через природные препятствия: реки, озёра, ущелья, овраги и другие препятствия, а значит и строительство искусственных сооружений- мостов, обеспечивающих пересечение препятствий.
В богатой лесами Руси строили деревянные мосты вплоть до начала ХVI века, тогда как в Италии, Франции уже в ХIV веке возводили массивные каменные мосты, требующие больших трудозатрат. Частично объясняется это наличием дешевого рабского труда. В России первые каменные мосты были построены в г. Москве, старейший из них – Троицкий мост у Троицких ворот Кремля, построенный около 1500 г., и Большой каменный мост через р. Москву (протяженность 149м, ширина 23,4 м), построенный в 1682-89 гг., заменён новым, с металлическими арками, в 1859 г, а в 1938 г.- перестроенный на мост со стальными арками, перекрывающими реку одним пролётом, но первоначальное название моста сохранилось [52].
В начале XIX века в России интенсивно строятся железные дороги. В 1809 г. в Петербурге создан «Корпус инженеров путей», а в 1810 г. при нём открыт Институт инженеров путей сообщения. В 1818 г. И.П. Кулибин разработал проект моста длиной 277 м через р. Неву с тремя железными арками. В 1842- 1850 гг. по проекту русского инженера С.В. Кербедза через эту реку был построен мост, состоящий из 7-и пролётов, перекрытых чугунными арками, имеющий разводной пролёт поворотной системы. В 1938 г. мост был реконструирован по проекту выдающегося мостовика-академика Г.П.Передерия на цельносварные пролетные строения.
В это же время получают распространение висячие мосты, не требующие сооружения промежуточных опор в глубокой воде, их длина пролётов со временем возрастала и к середине XIX века достигла 265 м. В г. Киеве через р. Днепр построен (1847 г – 1858 гг.) многопролётный цепной мост длиной 710 м с пролётами 134,1 м. Но, в то же время конструкции не имели необходимой жесткости ни в плане, ни по высоте, что вызвало катастрофы в ряде стран. На железных дорогах стали строить балочные мосты. Большой вклад в теорию расчетов ферм с подкосами и подбалками, усиливающими опоры, внёс Д.И. Журавский, окончивший в 1842г. Петербургский институт инженеров путей сообщения, а также С.В.Кербедз. Крупный вклад в теорию конструкций мостостроения в России внес учёный, профессор Н.А. Белелюбский, предложивший в 1883-87 гг. применение литого железа, получаемого в конверторах, взамен сварочного – из пудлинговых печей. В 1896 г. в г. Москве открыто высшее учебное заведение по подготовке инженеров путей сообщения (МИИТ), первым профессором на кафедре мостов был Л.Д.Проскуряков, предложивший треугольные решетки в клёпаных фермах железнодорожных мостов. За проект моста через р. Енисей он был удостоен высшей премии на выставке в Париже в 1896 г. [52],
В 20-х годах XIX века был изобретен портландский цемент, позволяющий получать бетон – прочный искусственный камень. И уже во второй половине этого века в 1875 г. железобетон был применён в мостостроении. В России первые железобетонные конструкции – трубы были применены, по инициативе Г.П. Передерия, под насыпями для пропуска воды при строительстве железной дороги Москва – Казань. В 1886 г. под руководством Н.А.Белелюбского в Петербурге был построен мост длиной 17,1 м из железобетона. Он провёл испытания железобетонных арок, балок, плит, резервуаров – продвигая технологию в мостостроение [11,52].
После Революции 1917 г. страна получила новый мощный импульс развития, в том числе и в мостостроении. Так, в 1932 г. был построен железнодорожный мост через р. Днепр у г.Днепропетровска, пролёты железобетонных арок не превышали 55м, но у других мостов (р.Ангара, г. Иркутск) в это время пролёты достигали 70 м. В период с 1938 – 1941 гг. в СССР были арочные мосты с пролётами 100м – 126 м из монолитного железобетона [11].
С 1948 г. в СССР широко применяется предварительно напряженный железобетон, сначала в балках пролётных строений длиной до 33 м, далее, при сооружении больших мостов, например, в г. Москве – с центральными пролётами: Нагатинский – 114 м, Краснопресненский – 128 м, Автозаводский – 148 м, самым большим – 166 м – через р. Волгу у г. Саратова [11].
В СССР и сейчас, в России, строятся мосты из предварительно напряжённых железобетонных элементов, изготовленных в заводских условиях. Это позволяет получать изделия высокого качества, а труд людей – более производительным и комфортным. При этом конструкции автодорожных мостов могут быть балочные, неразрезные рамноконсольные, рамно-подвесные с главными пролётами до 120 м, 150 м. Так Автозаводский мост, построенный через р. Москву, балочно-консольной конструкции имеет схему 36,4 + 148 + 36,4 м, построен навесным способом из сборных элементов. Массово используются, где это возможно, лёгкие опоры из сборного и монолитного железобетона взамен массивных, трудоёмких, дорогостоящих из монолитного бетона [11, 12, 52].
Довольно часто в России строятся комбинированные мосты. Береговая пойменная часть возводится из элементов сборного железобетона (балок), а пролёт, перекрывающий водную поверхность – металлический, монтируется на береговом стапеле, а затем надвигается на капитальные опоры (например, мост через р. Клязьму на 220 км Горьковского шоссе, Владимирская область). При строительстве Байкало-Амурской железнодорожной магистрали (БАМ) было построено 150 больших мостов и около 3 тысяч искусственных сооружений. Для обеспечения строительства БАМ, дополнительно к действующим заводам в городах Воронеж, Улан-Удэ, Чехове (Московская обл.), на окраине г. Кургана был построен завод мостовых металлических конструкций со всей необходимой инфраструктурой, включая жилой посёлок городского типа для рабочих и инженеров. Завод успешно работает и в настоящее время.
Во второй половине ХХ – начала ХХI вв. первостепенное место среди мостовиков принадлежит К.С.Силину – Герою Социалистического Труда, Лауреату Ленинской и двух государственных премий, Почетному транспортному строителю. Он, во главе группы советских специалистов, руководил строительством моста через р. Янцзы в г. Ухани (Китай), где реализовал свою важнейшую теоретическую разработку – бескессоный способ сооружения фундаментов опор из сборных железобетонных столбов-оболочек – впервые в мировом мостостроении. С 1958 г. по 1996 г. Константин Сергеевич возглавлял Отделение искусственных сооружений ЦНИИС, совместно с опытными учеными А.С. Платоновым, Н.Н. Колоколовым, А.Л. Цейтлиным, К.П. Большаковым, Э.А. Блючиком, Г.С. Шестоперовым и др., выполнявшими крупные разработки по развитию мостостроения, в том числе и дополнение нормативной базы [11 -12, 20, 43, 50, 52].
Российские мостостроители корпорации «Трасстрой», имея большой опыт, построили (1994г – 1998 гг.) на строящемся окружном автобане г. Анкары (Турецкая Республика) три стальных цельносварных моста: Чубук, Байиндир, Караташ, протяженность которых составляет 300м, 400м, 598м, соответственно. Проездные полотна мостов – раздельные, шириной 21 м каждое. Пролёты монтировались на береговых стапелях с последующей продольной надвижкой накапитальные опоры. Центральные пролёты у мостов Чубук и Караташ составляют 147 м и 125 м. Конструкция рамно-разрезная, рамы имеют жесткое соединение с фундаментами опор [43, 74, 81, 82].
Для подготовки геодезических кадров в мае 1779 г. в г. Москве было открыто землемерное училище при Межевой канцелярии, получившее название Константиновского, в честь второго внука императрицы России Екатерины II, сына Павла I. 10 мая 1835 г. по указу императора Николая I училище было преобразовано в Константиновский межевой институт (КМИ), переведенный на полное казённое содержание, со сроком обучения 6 лет. С сентября 1873 г. институт размещается вглавном здании городской усадьбы Демидовых – крупнейших горнозаводчиков России, по адресу: Гороховский пер., 4.
Датой основания современной геодезии и картографии можно считать 15 марта 1919 г., когда Совет народных комиссаров РСФСР принял декрет «Об учреждении Высшего геодезического управления» при научно-техническом отделе ВСНХ РСФСР. В 1936 г. институт был переименован в Московский институт инженеров геодезии, аэрофотосъёмки и картографии (МИИГАиК), а 11 марта 1993 г. преобразован в Государственный университет геодезии и картографии, имеющий 6 факультетов [47-48, 70].
Неоценимый вклад в мостостроение внесли и продолжают работу в настоящее время выдающиеся руководители строительства мостовых переходов, опытнейшие инженеры – мостовики, проектировщики, В.И.Шмидт, Герой труда РФ А.В. Островский, В.Н. Коротин, В.А. Климов, С.Н. Корнев, С.А. Долганов, А.О. Хомский, О.И. Чемеринский и многие другие. Страна отметила их труд высокими правительственными наградами.
Большая нехватка инженеров-геодезистов в народном хозяйстве страны потребовала открытия в 1957 г. второго профильного института в Сибири – Новосибирского института инженеров геодезии и картографии (НИИГАиК), ныне – Сибирский государственный университет геосистем и технологий (СГУГиТ) [70].
Россия – территориально крупнейшая страна в мире, которая имеет подробные топографические карты на всю территорию, построила и продолжает строить уникальные инженерные сооружения, в том числе и мостовые переходы километровой и многокилометровой протяженности, например, Керченский автомобильный и железнодорожный. Протяженность автомобильного моста – 19 км, параллельно ему построен железнодорожный мост. Всё это заслуги многих поколений топографов, инженеров – геодезистов, инженеров-строителей, рабочих многих специальностей. Строительный комплекс и геодезия – неразделимы.