Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, Ι, τεύχ. 3 2007 Tech. Chron...

of 12 /12
Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, Ι, τεύχ. 3 2007 Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 21 Περίληψη Στην εργασία αυτή περιγράφεται ένα ολοκληρωμένο σύστημα – σχε- διασμός, μεθοδολογία και λογισμικό εφαρμογής – παρακολούθησης των συγκλίσεων σε σήραγγες, το οποίο με κάποιες μικρές τροποποι- ήσεις μπορεί να αναφέρεται σε όλη τη γεωμετρία της κατασκευής. Επιχειρείται να παρουσιαστεί ένα σύνολο οδηγιών και διαδικασιών για την αξιόπιστη παρακολούθηση των σημαντικών, για την «υγεία» της κατασκευής, συγκλίσεων. Επιπροσθέτως και λόγω της εφαρ- μοσμένης ενασχόλησης σε διάφορες περιπτώσεις σηράγγων της «Εγνατίας Οδός Α.Ε.» παρουσιάζεται σε εισαγωγικό στάδιο το νέο λογισμικό πακέτο “Tunnel-Eye”. Το λογισμικό αυτό επιχειρεί να δώ- σει αξιόπιστη, αυτοματοποιημένη και φιλική στο χρήστη απάντηση στις καθημερινές ανάγκες για την παρακολούθηση της γεωμετρικής συμπεριφοράς της σήραγγας κυρίως στη φάση της κατασκευής. Σε πολλές περιπτώσεις, λόγω της ασάφειας των γεωλογικών συνθηκών, η γεωμηχανική (γεωμετρική-τοπογραφική και γεωτεχνική) γενικότε- ρα παρακολούθηση τείνει να γίνει οδηγός – περισσότερο και από τη μελέτη της σήραγγας - για όλο τον κύκλο εργασιών κατασκευής του έργου, ενός είδους έργου ιδιαίτερα υψηλού κόστους και ρίσκου. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το Εργαστήριο Γεωδαισίας και Γεωματικής του Τμήμα- τος Πολιτικών Μηχανικών του Α.Π.Θ. και το προσωπικό του μέσα από την πολυετή ενασχόλησή του με την παρακολού- θηση παραμορφώσεων των κατασκευών, πρανών ή κατολι- σθήσεων επιχειρεί να παρουσιάσει στην εργασία αυτή μια ολοκληρωμένη πρόταση για την παρακολούθηση της ανά διατομή ακτινικής μεταβολής της γεωμετρίας (συγκλίσεις) σηράγγων κυρίως στη φάση της κατασκευής τους. Η βασική θεώρηση της εργασίας είναι η ολοκληρωμένη αντιμετώπιση του προβλήματος, ξεκινώντας από το σχεδιασμό των Δικτύ- ων Παρακο-λούθησης και Ελέγχου και καταλήγοντας στο Λογισμικό επεξεργασίας και διαχείρισης των δεδομένων και αποτελεσμάτων. Στόχος είναι η περιγραφή μιας εφαρ- μοσμένης και πρωτότυπης (βελτιωμένης) μεθοδο-λογίας για την παραγωγή επεξεργασμένης γεωμετρικής πληροφορίας προερχόμενης από γεωδαιτικά δεδομένα, την οποία θα χρη- σιμοποιήσουν, στη συνέχεια, γεωτεχνικοί και δομοστατικοί μηχανικοί με στόχο την αντιμετώπιση προβλημάτων «στήρι- ξης μιας σήραγγας». Το εξαγόμενο της όλης μεθοδολογίας είναι οι ακτινικά μεταβαλλόμενες ως προς το κέντρο βάρους της κατασκευα- σμένης διατομής της σήραγγας γεωμετρικές διαφορές (από μέτρηση σε μέτρηση), οι οποίες ως γνωστόν ονομάζονται συγκλίσεις. Για να ικανοποιηθεί ο στόχος της μεθοδολογίας που πε- ριλαμβάνει και τον όρο εφαρμοσμένη, έγινε μια προσπάθεια να έχουμε μια σχετικά «εύκολα» εφαρμόσιμη μεθοδολογία, η οποία όμως να μην περιέχει καμία έκπτωση ως προς την ακρίβεια και αξιοπιστία του αποτελέσματος (σχετική – από μέτρηση σε μέτρηση - ακρίβεια προσδιορισμού του μεγέ- θους των συγκλίσεων). Έτσι, έγιναν κάποιες παραδοχές και ελήφθησαν υπόψη κατασκευαστικές πρακτικές. Λαμβάνοντας υπόψη την αύξηση στην κατασκευή υπογείων έργων που παρατηρείται παγκοσμίως, έχουν ανα- πτυχθεί για την κάλυψη του θέματος διάφορες τεχνικές, οι οποίες βασίζονται στις ίδιες γνωστές μεθόδους τρισδιάστα- της συνόρθωσης για μετρήσεις με GPS, δισδιάστατης για τις κλασικές μετρήσεις με γεωδαιτικό σταθμό και μονοδιά- στατης για την υψομετρία. Η διαφοροποίηση που συνήθως παρατηρείται είναι εάν στις μετρήσεις στο εσωτερικό της σήραγγας υλοποιείται κλειστή εξαρτημένη όδευση – συνορ- θούμενη ή όχι – ή χρησιμοποιείται η μέθοδος του ελεύθερου σταθμού. Η μέθοδος του ελεύθερου σταθμού (free station) καθιερώθηκε παγκοσμίως και στο πλαίσιο της μεθόδου ΝΑΤΜ (New Austrian Tunneling Method) [1] και θα πρέπει να αναφέρουμε ότι κερδίζει συνεχώς έδαφος και στα ελλη- νικά έργα. Στην παρούσα εργασία προτείνεται, επίσης, μια προσπάθεια βελτίωσης των μεθόδων παρακολούθησης συ- γκλίσεων σηράγγων μέσα από τη βελτίωση της διαδικασίας ορισμού του κάθετου επιπέδου προβολής των ανά διατομή μετρήσεων, χρησιμοποιώντας ως άξονα του έργου όχι το θεωρητικό (της μελέτης που υλοποιείται στη χάραξη), αλλά αυτόν που κάθε φορά υπολογίζεται από τα κέντρα βάρους των μετρήσεων των διατομών, όπως αυτές έχουν διαμορφω- θεί στη χρονική περίοδο των μετρήσεων. Τέλος, παρουσιά- Σχεδιασμός, Μεθοδολογία και Λογισμικό Παρακολούθησης Συγκλίσεων Σηράγγων με Μεθόδους Τεχνικής Γεωδαισίας Κ. ΛΑΚΑΚΗΣ Σ. Π. ΧΑΛΙΜΟΥΡΔΑΣ Π. ΣΑΒΒΑΪΔΗΣ Λέκτορας Α.Π.Θ. Υπ. Διδάκτωρ Α.Π.Θ. Καθηγητής Α.Π.Θ. Υποβλήθηκε: 4.5.2006 Έγινε δεκτή: 5.6.2007

Embed Size (px)

Transcript of Τεχν. Χρον. Επιστ. Έκδ. ΤΕΕ, Ι, τεύχ. 3 2007 Tech. Chron...

  • . . . . , , . 3 2007 Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 21

    -, , - . , , . - .. Tunnel-Eye. - , . , , (- ) - - , .

    1.

    - ... - , - () . , - - . - () - , -, ,

    - .

    - ( ), .

    - , , ( - - ). , .

    , - , - GPS, - . - . (free station) (New Austrian Tunneling Method) [1] - . , , - , ( ), , - . , -

    ,

    . . . . ... . ... ...

    : 4.5.2006 : 5.6.2007

  • 22 . . . . , , . 3 2007 Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 . . . . , , . 3 2007 Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 23

    Tunnel-Eye, ...

    2.

    x,y,Ho :

    i : - i

    :

    ij : , i j

    i : i

    Si : ,i

    i : ,i

    bi , bij ,

    bi ,

    bi :

    Dr :

    Dh :

    3.

    , .

    - , , ( ) () [2].

    - .

    1. () -

    .

    5 - 150 m.

    - 1,3 - 1,5 m , 1,2 m . - , , (.. -) 5-10 cm [2].

    2. ()

    : -

    3 /, . .

    , - .

    .

    - , - 6-7 .

    3.

    - , 1,5 m - .

    () - 1,5 m 1,5 m , - . , - , ( ) .

    4. ( - ) -

    10 m -. - , , - .

  • 22 . . . . , , . 3 2007 Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 . . . . , , . 3 2007 Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 23

    , - .

    4.

    - , - [3]: 1. -

    , . , , - - , - . , , ( ) +/- 3 mm .

    2. - . . , ( ) +/- 3 mm .

    3. , , , , . , , . , -

    , . , , . , , - . . , , ,

    . -, , , .

    , , - . ( -) , +/- 3 mm.

    , - , +/- 2-3 mm +/- 1-2 mm. , - - .

    S = f(l1, l2,, ln) [4]:

    ms = 222

    22

    2

    21

    2

    1

    )...)()( nn

    ml

    fm

    l

    fm

    l

    f

    (4.1)

    - - - - - -, .

    , , - GPS - -, ( - -) , . , +/- 2-3 mm +/- 1-2 mm.. , - ,

  • 24 . . . . , , . 3 2007 Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 . . . . , , . 3 2007 Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 25

    a-priori , - 1-2 mm. , , - a-priori 3-4 mm 2-3 mm., , , , . , , , - ( ) () .

    5. -

    - . , () , , - .

    [3, 4]:1. GPS ,

    .2.

    1 () +/- (1mm +/- 2ppm) 3 m .

    3. , - , -. , , , .. .

    6.

    , - , .

    - -

    87 - WGS84 (x,y) - z h H0 H0 = h N (6.1). , GPS - . , k . - x, y 87, WGS84 - z H0 , (6.1). , , - . , , x, y Ho, +/- 2-3 mm. 1-2 mm.

    6.1

    - . , - , GPS - (static DGPS). 60 15 .

    6.2

    ( ) - .

    6.2.1

    -:

  • 24 . . . . , , . 3 2007 Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 . . . . , , . 3 2007 Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 25

    - . - , () .

    . - . - ( ) . - , - .

    6-7 , .

    7.

    : P ( ) (, , ) m - ( m>3). (x,y,z) P.

    ( x,y,z P , ) , [5],[6]. P , x, y, z :

    i =arctan yy

    xx

    i

    i

    - (7.1)

    ij =arctan yy

    xx

    j

    j

    - arctan

    yy

    xx

    i

    i

    (7.2)

    S i = 22 yyxx ii (7.3) i = 222 zzyyxx iii (7.4)

    i =arctan

    zz

    yyxx

    i

    ii

    22

    (7.5)

    i , Si , i i , -, i ij i j.

    , yk, :

    b k =a k1 *x + a k2 *y + a k3 *y + v k (7.6)

    , :

    b k =a k1 *x + a k2 *y + a k3 *y + v k (7.7)

    x = x x0, y = y y0 - , = 0 , vk bk, a1k, a2k, a3k :1.

    b k = bi - (arctan 0

    0

    yy

    xx

    i

    i

    - 0 ) (7.8)

    a k1 = - 20

    0

    )( i

    i

    S

    yy (7.9)

    a k2 = 20

    0

    )( i

    i

    S

    xx (7.10)

    2.

    b k = bij - (arctan 0

    0

    yy

    xx

    j

    j

    - arctan 0

    0

    yy

    xx

    i

    i

    ) (7.11)

    a k1 = 20

    0

    )( i

    i

    S

    yy -

    20

    0

    )( j

    j

    S

    yy (7.12)

    a k2 = 20

    0

    )( j

    j

    S

    xx -

    20

    0

    )( i

    i

    S

    xx (7.13)

    3.

    b k = bi - arctan

    zz

    yyxx

    i

    ii

    2020

    (7.14)

    a k1 = - 020

    00

    *)(

    )(*)(

    i

    ii

    S

    zzxx

    (7.15)

    a k2 = - 020

    00

    *)(

    )(*)(

    i

    ii

    S

    zzyy

    (7.16)

  • 26 . . . . , , . 3 2007 Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 . . . . , , . 3 2007 Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 27

    a k3 = 20

    0

    )( iS (7.17)

    4.

    b k = bi - 202020 zzyyxx iii (7.18)

    a k1 = - 0

    0

    xxi (7.19)

    a k2 = - 0

    0

    yyi (7.20)

    a k3 = - 0

    0

    zzi (7.21)

    002, :

    NNNN

    NNNN

    NNNN

    NNNN

    zyx

    zzzyzxz

    yyzyyxy

    xxzxyxx

    z

    y

    x

    =

    u

    zu

    yu

    xu

    (7.22)

    003 -

    xx =

    n

    k k12

    21ka

    , xy =

    n

    k k122k1kaa

    , xz =

    n

    k k123k1kaa

    yy =

    n

    k k12

    22ka

    , yz =

    n

    k k123k2kaa

    , zz =

    n

    k k12

    23ka

    N x = -

    n

    k k12

    1ka

    , N y = -

    n

    k k12

    2ka

    , N x = -

    n

    k k12

    3ka

    ,

    N x =

    n

    k k12

    1

    u x =

    n

    k k12

    k1kba

    , u y =

    n

    k k12

    k2kba

    , u z =

    n

    k k12

    k3kba

    ,

    u = -

    n

    k k12

    kb

    d k yk.

    8.

    -

    NATM (New Austrian Tunneling Method) . - - . , .. .

    (0,0) .

    Tunnel-Eye - . ( ), - , - (). - ( ).

    , - :

    i - ( ) , - (_i). , (_i) - (, ).

    (.. _i, _i) (Az_i) . .

    . , , .

    . Dr (.1) :

    Dr = Dx i * cos(Az) Dy i * sin(Az) (8.1)

    Dxi Dyi x, y i -

    (7.23)

  • 26 . . . . , , . 3 2007 Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 . . . . , , . 3 2007 Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 27

    , . -, Az .

    Dh - (.1) - z .

    , - . - , , -. , ( ) , , - . , - , , - .

    Dh (-)

    Dr (+)

    Dr (+)

    Dh (-)

    1

    2

    3

    4 5

    . 1.

    9.

    9.1

    Tunnel-Eye - Windows. (x,y), (z) (x,y,z) (- ) [5, 7]. , Free Station, , ()

    , ( ) - .

    - , [8].

    , - DXF, CAD.

    Tunnel-Eye , , - .

    9.2

    (. 2), - .

    . 2.

    mouse -. . . - Windows drive, directory . - , . , / path .

  • 28 . . . . , , . 3 2007 Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 . . . . , , . 3 2007 Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 29

    9.3

    9.3.1 Free Station

    FREE STA-TION FREE STATION (. 3).

    3.

    - , , . , , . , - (. 4).

    . 4

    - , - .

    - 5. - - . . - , . - , Dx, Dy, Dz, , , .

    .5 .

    9.3.2

    NETS (.6), .

    .6

  • 28 . . . . , , . 3 2007 Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 . . . . , , . 3 2007 Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 29

    10. -

    - , , - : -

    , - Tunnel-Eye. ( Free Station). , - , - .

    - ( ) - . , , - , , .

    -

    . ( ), ( ), - . , - ( +/- 3 mm) .

    1. : (Monitoring) . , . , 2005.

    2. ., .: , & .., , 1990.

    3. .: , .., , 2003.

    4. ., ., ., .: : , , , 1999.

    5. .: , , , 1992.

    6. ., ., .: , , , 1993.

    7. . : - , , 1987.8. Sippel K. : Modern monitoring system software development,

    Proceedings, 10th FIG Symposium on Deformation Measurements, California, 2001.

    . , , ..., 54124 ... 465 . . , , ..., 54124 ... 465 . , , ..., 54124 ... 465

  • 30 . . . . , , . 3 2007 Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 . . . . , , . 3 2007 Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 31

    AbstractThe present study aims to describe a complete system planning, methodology and software development for monitoring the geom-etry of tunnels. It also includes a presentation of instructions and procedures for the reliable monitoring of geometric displacements of a tunnel, with emphasis on the tunnel convergence, that are very important for the health of the tunnel construction. In addition, the software application program Tunnel-Eye is presented. This software attempts to present a reliable, automated and user-friendly answer to everyday needs for monitoring of tunnel geometry dur-ing construction. In many cases, the geometrical and geotechnical monitoring of tunnels tends to become a significant factor affecting the whole construction procedure, which is a type of project with high cost and risk.

    1. INTRODUCTION

    Based on long experience of the deformation monitor-ing of constructions and/or landslides, the members of the Laboratory of Geodesy and Geomatics of the Department of Civil Engineering, A.U.Th., attempt in this study to present an integrated approach for the monitoring of alterations in the geometry of tunnels, primarily during their construction stage. The key object of this study is an integrated approach to the problem, starting from the planning of the geodetic control networks and ending with the development of soft-ware for the processing and managing of data and results. In addition, this study contributes to the improvement of already known methods of monitoring the convergence of tunnels. This is achieved by improving the reliability of the projection plane for every cross-section measurement by using not the theoretical axis of the tunnel, but the one measured each time and computed as the connection of the weighted average centers of each cross-section. There fol-lows an analytical description of the method, and the rel-evant software package, named Tunnel-Eye, is presented

    at the end of this study. This software was developed in the Laboratory of Geodesy and Geomatics of the Department of Civil Engineering, A.U.TH.

    2. PLANNING THE CONTROL NETWORK

    The approach to the problem of monitoring the conver-gences involves a unified monitoring scheme that includes measurements both outside and inside the tunnel.

    The whole scheme could be divided into different net-work types, such as the Reference Control Network (RCN), the Surface Control Network (SCN), the Traverse Stations and the Monitoring Points inside the tunnel.

    In all these three cases, three-dimensional (3D) position-ing is accomplished.

    3. TIMEPLAN AND ACCURACY OF MEASUREMENTS

    A timeplan for measurements should be established, in-volving different control network types, which must satisfy the following criteria: 1. The required accuracy of the measurement results and

    the program of re-measurements must be linked to the type of geological phenomenon that causes the conver-gences.

    2. The need to establish a timeplan of continuous re-mea-surement and computation of the deformation of SCN points is mandatory.

    3. The RCN must also be re-measured using a program that involves the geologically dynamic attributes of the bed-ding area of RCN points.

    Extended summary

    Planning, Methodology and Software for Geometrical Monitoring of Tunnels with

    Surveying Engineering Methods

    K. LAKAKIS S. P. CHALIMOURDAS P. SAVVAIDISLecturer, A.U.TH. Ph.D. Candidate, A.U.TH. Professor, A.U.TH.

    Submitted: Apr. 4. 2006 Accepted: June 5. 2007

  • 30 . . . . , , . 3 2007 Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 . . . . , , . 3 2007 Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 31

    4. GEODETIC INSTRUMENTS FOR MONITORING OF DEFORMATION

    Geodetic instruments and surveying marks for control points always derive from the need for accuracy in the de-termination of position and in its changes. As a result, instru-ments must be of high accuracy, resistant, with permanent and forced centering devices.

    5. MEASUREMENTS AND PROCESSING METHODS

    The principal methodologies for the determination of coordinates of control points in the tunnel also include ad-justment procedures.

    A method to be used with the Reference & Surface Con-trol Networks (RCN & SCN) points is the 3D Free network adjustment.

    The most widely used methods for the determination of the three-dimensional position of points inside the tunnel are: the method of using least-square adjusted closed tra-verses and the method of free stationing using a high preci-sion Total Station instrument. The method that has been used in the Tunnel-Eye software is free-stationing.

    5.1 Free stationing method

    This is based on the already-known method of multiple resections and must meet the following criteria: Each time, the unknown point is the position of the Total

    Station inside the tunnel and the known points are the 3D determined reflectors at the cross-section, already mea-sured in a previous survey.

    Each measurement period should ideally start from the area outside the tunnel, based on the RCN and SCN. The coordinates of the reflectors that have already been marked are re-determined.

    It must include three-dimensional adjustment of observa-tions, and for that reason it is necessary to aim and mea-sure at least 7 known points, with a three-dimensional determination of position.

    6. ADJUSTMENT OF 3D RESECTIONS

    The problem of the multiple resections is formulated as follows: from point P (the unknown resection point) observations (directions, horizontal and vertical angles, and distances) towards m points with known coordinates (where

    m>3) are made. The coordinates (x, y, z) of point P must be computed.

    Provided that the number of observations is always great-er than the number of the unknowns, the above mentioned problem can be solved by using least squares adjustment of observations.

    7. THE WEIGHTED-AVERAGE CENTRE

    An important issue for the monitoring of tunnel conver-gences is the projection plane on which the 3D coordinates of the reflectors at cross-sections will be projected for every tunnel section. The current procedure uses for this purpose the plane vertical to the theoretical (from the tunnel design) axis, as staked out during the construction.

    In this paper we suggest a dynamic procedure for the determination of the construction axis which also means of its vertical layer which is based on the weighted-average centres of the constructed cross-sections of the tunnel. This method can improve the accuracy of the computed conver-gences as a result of the more accurate projection layer.

    8. SOFTWARE PACKAGE

    8.1 Introduction

    The software application program Tunnel-Eye runs under Win32 based operating systems. The software pack-age has been developed in order to design, optimize and adjust horizontal and vertical networks (2D and 3D geodetic networks) in order to resolve the Free-station problem, as well as performing deformation analysis of the behavior of control points and graphic presentations.

    The program is supplied with a modern, object-oriented, graphical user-interface. With the results of observations tak-en in two epochs, a deformation analysis can be calculated, to determine the displacements of individual points.

    It is also able to generate files that include the coordinates of points in DXF format, so that the design may be manipu-lated with the aid of any standard CAD program.

    Tunnel-Eye is a unified application that provides file processing, performs calculations, and uses graphics allow-ing friendly communication with the user.

    8.2 Description of the program

    Through the main form, the user can choose the prob-lem to be solved or the computational procedure to be per-formed.

  • 32 . . . . , , . 3 2007 Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 . . . . , , . 3 2007 Tech. Chron. Sci. J. TCG, I, No 3 33

    The choice is made by clicking with the mouse on the relevant icon. When the choice is made, the appropriate subprogram is activated and the corresponding forms are opened. The data that must be filled in may either be given through the keyboard or be imported from an already cre-ated file. The choice of file name uses the standard Windows environment, allowing the selection of drive, directory and

    file. After the import of the necessary data, the correspond-ing calculations are performed and in a new window the results appear in both an analytical and a graphical way that indicates to the user the geometry of the solution. After that, and in certain applications, there is the possibility of printing the results or/and saving them in a new file by entering path and name.

    K. Lakakis, Lecturer, School of Civil Engineering A.U.TH., Aristotle University of Thessaloniki, 541 24 ThessalonikiP. S. Chalimourdas, Ph.D. Candidate, School of Civil Engineering A.U.TH., Aristotle University of Thessaloniki, 541 24 ThessalonikiP. Savvaidis, Professor, School of Civil Engineering A.U.TH., Aristotle University of Thessaloniki, 541 24 Thessaloniki