Инновации Благодаря Сотрудничеству: Функциональность Системы GML — Новое Слово в Проходке Тоннелей

Старший Менеджер Orica – Измерительные Технологии, Benny Chen

Менеджер по Продукции GroundProbe – Лазеры и Датчики, Nick Carter

Руководитель Компании GroundProbe – Туннельные Решения, Peter Ayres

Когда речь заходит о проходке тоннелей, то нельзя не упомянуть, что современная технология Geotech Monitoring LiDAR (GML) от компании GroundProbe значительно повышает эффективность выемки грунта, снижает затраты, связанные с повторной доработкой при удалении скальной породы, а также позволяет избежать ненужной траты материалов.

Технология GML позволяет добиться эффективного и результативного этапа выемки грунта, при котором каждая стадия строительства выполняется согласно проекту и с наименьшими затратами средств и времени.

Как правило, проходка тоннелей требует непрерывного контроля на протяжении всего этапа удаления скальной породы. Это трудоёмкий процесс, который включает в себя сбор, передачу данных и сравнительный анализ фактического результата строительных работ и проектной документацией.

До сих пор операторы по всему миру сталкиваются с общей проблемой, связанной с выявлением участков проходки, требующих серьёзной переделки из-за отсутствия качественной информации в режиме, приближённом к реальному времени. Этот процесс приводит к снижению производительности и увеличению расходов, связанных с повторной обработкой.

Технология GML — это эффективное решение, сочетающее в себе высокую скорость вычислений и технологию LiDAR с высоким разрешением, позволяющая производить проверку и коррекцию процесса строительства почти в режиме реального времени. Кроме того, технология обеспечивает оперативный контроль во время работ по торкретированию.

В конечном счёте это значительно сократило объём доработок, связанных с типичными проходками тоннелей. Технология позволяет наносить торкрет-бетон на проектную толщину с покрытием должного качества, определяемым до завершения этапа возведения крепи.

Компьютерная Технология и LiDAR

С 2016 года в отрасли строительства наблюдается активная разработка и внедрение высокоскоростных интегрируемых компьютерных платформ, во многом благодаря глобальной разработке алгоритмов и процессорных ядер для платформ машинного обучения и проектов автономных транспортных средств, работающих в режиме реального времени.

С внедрением высокоскоростных лазерных сканеров с высоким разрешением появилась возможность оцифровки результатов сканирования с высоким качеством изображения. Это существенно изменило способность создавать модели с помощью компьютерного проектирования (Computer Aided Design, CAD) на основе данных сканирования и контролировать процесс строительства в соответствии с проектом.

В современных методах построения информационной модели здания (BIM) используются лазерные сканеры для сканирования готовых элементов конструкции. Они используют обычную методику проектирования, строительства, проверки и устранения дефектов, при этом информация передаётся в офис на стройплощадке для обработки и анализа с целью определения соответствия результатов строительства заданным техусловиям.

Процесс Строительства

В обычном процессе строительства соответствие элементов конструкции в пространственном и относительном выражении неизвестно до завершения этапа изысканий. Тем самым любые выявленные переделки должны происходить на последующих стадиях строительства, что приводит к потере производительности и увеличению расходов, связанных с переделкой.

Рисунок 1: Типичный Процесс Строительства Туннеля НАТМ

Именно на этапе удаления скальной породы GML выходит на первый план и демонстрирует свои передовые возможности.

Применение GML

Контроль и Устранение Ошибок Строительства на Месте в Информационной Модели Здания

GML может использовать технологию «на месте», работающую почти в режиме реального времени, чтобы помочь бригаде строителей обнаружить и устранить возможные строительные дефекты пока работа ещё не завершена. Для сканирования участка требуется один оператор со сканером, планшет и штатив, при этом проектные профили конструкции загружаются в систему до начала сканирования.

Рисунок 2: Подготовка к Работе Системы GML

Развёртывание

Расположение GML рядом с передним стабилизационным домкратом установки для торкретирования позволяет системе спокойно оставаться в безопасном месте в течение всего процесса нанесения бетона, что обеспечивает широкую зону сканирования и не создаёт препятствий для работы.

Процесс состоит из следующих этапов:

1. Система GML осуществляет начальное сканирование за две минуты до начала напыления торкрет-бетона.
2. Оператор наносит торкрет-смесь.
3. После того, как оператор удовлетворён качеством первого прохода, стрела установки опускается и производится второе сканирование.
4. Оператор торкретирования получает результаты сканирования на цифровом устройстве в режиме, близком к реальному времени, выявляя участки с браком, как показано на рисунке 3.
5. Оператор сканера подсвечивает светильником или лазерной указкой участки со слишком тонким слоем бетона, а оператор повторно покрывает эти области торкрет-смесью.
6. Финальное сканирование подтверждает результаты повторного нанесения.

Рисунок 3: Нанесение торкрет-бетона, визуализированное с помощью настраиваемых цветовых порогов. Полученное изображение в цветовой кодировке может быть настроено в соответствии с требуемой проектной толщиной для каждого нанесения торкрет-бетона

TКак правило, передача информации — довольно трудоёмкий процесс, связанный с подготовкой отчётов, требующих анализа и их дальнейшей рассылки по электронной почте персоналу объекта, что может занять несколько часов.

GML использует специально разработанную архитектуру «клиент-сервер», которая позволяет оператору сканера прикреплять планшет к сетевой док-станции и запускать программное обеспечение синхронизации для копирования данных на центральный сервер.

Персонал объекта может получить данные с сервера практически в режиме реального времени при помощи фирменного ПО SSR-Viewer.

Кроме того, система GML был разработана таким образом, чтобы соответствовать стандарту IP54. Такой уровень защиты в сочетании с защитным кожухом эффективно обеспечивает сохранность оборудования во время работы в суровых подземных условиях, совершенно не влияя на работу сканера.

Руководящие Указание на Месте во Время Проходки Тоннеля

DВо время проходки система GML обеспечивает помощь и помогает ориентироваться инженерам и операторам на объекте. Благодаря системе они могут быстро понять, завершена ли выемка грунта до такой степени, чтобы можно было приступить к следующей фазе строительства или для достижения минимального профиля требуется дополнительный объём работ.

GML помогает решить проблемы, связанные с проходкой тоннелей с использованием проходческих комбайнов, у которых обычная точность систем позиционирования составляет максимум 50 мм. На этом уровне, системы управления проходческих комбайнов зачастую используется в качестве инженерного контроля над процессом выемки грунта, а не для определения соответствия проектным требованиям.

После этого проходка обычно выполняется с использованием стандартных методов маркшейдерской съёмки, в ходе которых для сравнения с проектным профилем отбираются только определённые точки на поверхности снятого грунта. Для этого требуется привлечение команды маркшейдеров, установка оборудования, сбор данных, кроме того, обработка информации и подготовка отчётов происходят в офисе.

В отсутствие системы управления проходческого комбайна, GML может использоваться в качестве системы «старт-стоп» при проведении горнопроходческих работ.

Точность Измерения

Путём сравнения результатов существующих отчётов о толщине торкрет-бетона, полученных стандартными маркшейдерскими замерами, с толщиной, сообщённой сканером GML, проверяется точность измерения толщины торкрет-бетона тахеометрами.

Если система GML устанавливается рядом с тахеометром во время сбора данных, для сканирования пройденных секций до установки каких-либо опор и анкерных болтов, для проведения финального сканирования могут быть использованы оба устройства.

Рисунок 4: Сравнение результатов измерений системы GML и тахеометра

Рисунок 5: Сравнение результатов измерения системы GML и контроля высверливанием. Система GML использовалась для проверки толщины образцов, вырезанных из толщи бетона. Она сканирует сечение тоннеля до установки крепи после затвердевания торкрет-бетона и проделывания контрольных отверстий. На этом рисунке показаны результаты сверления в программе GML SSR-Viewer. На фотографии запечатлено реалистичное изображение, полученное с помощью данных GML, на котором чётко видны сделанные отверстия. Для каждого отверстия выбрана группа точек, создающая аннотированные цифры. Среднее значение толщины рассчитывалось для каждой аннотированной группы точек.

Исследование на Конкретном Примере: Проект Тоннеля NorthConnex (Сидней, Австралия)

TСистема GroundProbe GML эффективно использовалась при строительстве тоннеля NorthConnex — девятикилометрового двойного туннеля, соединяющего районы Большого Сиднея.

Технология GML позволила завершить строительство участков автодорожного тоннеля размером 35 х 120 м без необходимости исправлений брака. Завершение работ по окончательной футеровке автомобильных тоннелей протяжённостью 4,2 км заняло всего 2,5 месяца. В рамках проекта в сутки использовалось порядка 60 м3 торкрет-бетона, а в течение уже первого месяца использования технологии GML объём закупки торкрет-бетона сократился на 30%.

Во время окончательной обделки торкрет-бетон непрерывно наносился между вспомогательными штольнями 120-метровыми секциями, что позволило сэкономить общее время и расходы, обычно связанные с доработкой.

Рисунок 6: Проект тоннеля NorthConnex. Области, не соответствующие требованиям, которые требовали доработки. Первоначально буровая установка и бригада должны были продвигаться во время торкретирования секциями протяжённостью от 4 до 6 м, чтобы добиться нанесения бетона нужной толщины. На этом рисунке показаны забетонированные секции, на которых есть участки со слишком тонким слоем торкрета, и участки с избыточным количеством бетона, которые требуют доработки.

Рисунок 7: Забетонированная секция, соответствующая проекту с уменьшенным количеством избыточного нанесения торкрет-бетона. Система GML была установлена рядом с платформой для торкретирования и осуществляла сканирование и руководство действиями оператора по нанесению торкрет-бетона во время бетонирования 8-метровых секций за раз, что позволило системе работать одновременно с процессом распыления торкрета. Скорость, с которой данные о толщине слоя бетона генерируются прямо на месте, играет значительную роль в его нанесении, лимитированном по времени.

Рисунок 8: На изображении слева красным цветом показаны зоны недостаточного нанесения (промежуток между анкерными болтами). На изображение справа фиолетовым цветом выделены участки с избыточным количеством бетона. На ней видно нанесение бетона на болтах, которые, как предполагалось, должны были в достаточной степени закрыты. Система GML выявила, что оставались большие участки между болтами с недостаточным нанесением торкрет-смеси, а по всей площади имеются участки с избыточным слоем бетона.

Рисунок 9: На снимке видно, что с помощью GML оператор торкретирующей установки смог обнаружить тонкие участки и сразу исправить ошибки. Руководящие подсказки позволили добиться высокой эффективности работы уже на ранних стадиях реализации проекта при минимальном количестве избыточно нанесённого бетона.

Рисунок 10: Показывает сокращение площадей избыточного нанесения. В течение двух недель было зафиксировано снижение расхода торкрет-бетона на 33%.

Преимущества использования GML в проектах, с точки зрения качества, стоимости и сроков вполне очевидны. Теперь во время строительства туннеля можно проводить исправление ошибок и контроль качества работы в оптимальные сроки.

Будет весьма интересно понаблюдать за дальнейшим развитием этой технологии в будущем.

Читать Далее

Эта статья является резюме доклада, представленного на Всемирном конгрессе ITA-AITES World Tunnel Congress (WTC2020) и на 46-м общем собрании в Куала-Лумпурском конференц-центре, Малайзия, 15—21 мая 2020 года.