МЕТОД УЛЬТРАЗВУКОВОГО МОНИТОРИНГА МАССИВА ВПЕРЕДИ ЛБА ЗАБОЯ ТОННЕЛЯ

АННОТАЦИЯ

Развитие подземной инфраструктуры требует постоянного внедрения инновационных решений в области механизации проходки тоннелей, особенно при работе с многослойными грунтами, обладающими сложной структурой и переменными физико-механическими характеристиками. Традиционные системы мониторинга геологических процессов демонстрируют существенные ограничения в части своевременного выявления изменений массива, что может привести к рискам техногенных аварий и снижению эффективности строительного процесса. Актуальность разрабатываемого метода обусловлена возрастающей интенсивностью развития городской подземной инфраструктуры в условиях высокой плотности застройки, когда минимизация рисков геотехнических аварий становится критически важным фактором для обеспечения безопасности населения и защиты существующих коммунальных сетей.

ABSTRACT

The development of underground infrastructure requires the continuous implementation of innovative solutions in tunnel excavation mechanization, particularly when operating in multilayer soils with complex structures and variable physico-mechanical properties. Conventional systems for monitoring geological processes demonstrate significant limitations in the timely detection of changes within the rock mass, which may lead to risks of man-made incidents and reduced construction efficiency. The relevance of the proposed method is determined by the increasing intensity of urban underground infrastructure development under conditions of high building density, where minimizing geotechnical accident risks becomes a critically important factor in ensuring public safety and protecting existing utility networks.

Ключевые слова: проходческий щит, ультразвуковой мониторинг, подземное строительство, перегонный тоннель.

Keywords: tunnel boring machine, ultrasonic monitoring, underground construction, running tunnel.

Обзор технологической задачи и предпосылок развития

Основная задача разработки – повышение достоверности и непрерывности мониторинга состояния массива непосредственно перед забоем в процессе строительства тоннеля [1-3]. Современные горно-строительные технологии часто сталкиваются с проблемами недостаточной детализации изучения структуры массива, что приводит к увеличению аварийности, удорожанию процессов и увеличению сроков строительства [4-6].

Инженерные решения, применяемые ранее, базировались на использовании дистанционных методов и внешних датчиков, характеризующихся сложностью передачи данных сквозь породы при динамических изменениях в зоне забоя [7-9]. Возможна разработка защищённой сенсорной среды непосредственно в конструкции исполнительного органа щита, способной автономно и точно фиксировать изменение структуры и характеристик массива, с возможностью интеграции в автоматизированное управление тоннелепроходческим комплексом.

Конструкция и принципы действия предлагаемого устройства [10]

Исполнительный орган щита представлен металлическим диском, с обратной стороны которого предусмотрена герметизированная полость, ограниченная диафрагмой, что обеспечивает изоляцию внутренних устройств от воздействия грунта и влаги. Материал диска выбран на основе прочностных расчётов с учётом максимальных нагрузок, возникающих в условиях строительства выбранного участка, и обладает повышенной износостойкостью для обеспечения долгосрочной эксплуатации без существенных деформаций и усталостных разрушений.

Рисунок 1 – Лицевая часть исполнительного органа проходческого щита:

1 - исполнительный орган; 2 - узлы крепления датчиков; 3 - шарошки; 4 - резцы; 5 - отверстия

На поверхности диска размещаются породоразрушающие инструменты различной конфигурации, обеспечивающие разрушение массива в зоне забоя и образование проходных каналов для выводимого грунта (рис. 1). В углах данных отверстий монтируются ультразвуковые датчики, расположенные по четырем концентрическим окружностям относительно центра диска для полноценного охвата забоя тоннеля, что обеспечивает полноту собираемой информации (рис. 2). Встраиваемость сенсорной системы в рабочий орган щита, позволяющая получать геологическую информацию максимально близко к зоне непосредственного разрушения массива и исключить искажения, присущие существующим методикам. Ультразвуковые датчики обладают модульной конструкцией и защищены индивидуальными кожухами, что позволяет оперативно производить их замену или техническое обслуживание без демонтажа всего узла. Использование ультразвуковых датчиков позволяет существенно расширить спектр фиксируемых характеристик – от плотности и однородности пород до наличия водонасыщенных зон, открытых трещин и других дефектов в непосредственной близости к забою. Высокая скорость распространения акустического сигнала и адаптация алгоритмов визуализации могут обеспечить быстрый и точный отклик системы на изменяющиеся условия строительства, оптимизируя процессы разрушения породы и поддержания забоя тоннеля.

Рисунок 2 – Лицевая часть исполнительного органа проходческого щита:

1 - исполнительный орган; 2 - узлы крепления датчиков; 5 - отверстия; 6 - главный вал исполнительного органа

Датчики автономно синхронизируются c центральным управляющим блоком посредством беспроводной передачи данных через встроенные передатчики данных, исключая необходимость использования внешних соединительных кабелей, что невозможно для данной конструкции. Передача данных с ультразвуковых модулей осуществляется в реальном времени на рабочую станцию оператора щита, где посредством программной обработки производится анализ параметров структуры массива, выявление зон повышенного риска и формирование алгоритмов управления исполнительными механизмами. Протоколы беспроводной коммуникации возможно оптимизировать для минимизации помех и обеспечения надёжной передачи данных.

Для питания ультразвуковых датчиков используются сменные аккумуляторные блоки, размещённые в камере с датчиком под защитной крышкой. Надежная защита датчиков предохраняет элементы мониторинга от воздействия агрессивной среды, продлевая срок эксплуатации устройств. Интеграция автономных передатчиков и аккумуляторных блоков позволяет создавать технологически независимые сенсорные узлы, снижающие риски отказа всей системы. Ёмкость аккумуляторных блоков необходимо рассчитать для непрерывной работы в ходе строительства объекта с дополнительным запасом для обеспечения бесперебойного мониторинга при непредвиденных ситуациях и задержке графика производства работ.

Область применения и перспективы внедрения технологии

Запатентованный комплекс ориентирован на применение в городских и промышленных тоннелестроительных проектах с высоким уровнем сложности геологических условий – строительстве метрополитенов, транспортных тоннелей, гидротехнических и инженерных коммуникаций. Его использование позволяет существенно повысить безопасность работ, снизив количество аварийных ситуаций, и оптимизировать планирование и реализацию проектов. Также система позволит обеспечить более эффективное взаимодействие с органами надзора и контроля, требующими документированной информации о состоянии массива.

Разработка может отвечать современным требованиям по цифровизации и интеллектуализации строительных процессов, в части внедрения BIM-технологий и автоматизированного анализа информации для комплексного управления жизненным циклом объекта. Интеграция с BIM-моделями позволит накапливать данные мониторинга в едином информационном пространстве, обеспечивая возможность трёхмерной визуализации геологических аномалий и их корреляцию с проектными параметрами объекта.

Существенное повышение точности мониторинга состояния массива позволяет снизить аварийность и предотвратить возможные техногенные аварии на этапе строительства.

Уменьшение времени реакции системы на критические изменения в породах способствует своевременному принятию управленческих решений, оптимизации режимов работы исполнительного органа и сокращению сроков строительства.

Снижение эксплуатационных затрат за счёт увеличения ресурса сенсорных элементов, минимизации необходимости проведения внеплановых ремонтов и сокращения количества отказов оборудования. Модульная конструкция датчиков позволяет осуществлять их выборочную замену во время плановых остановок, без срыва графика строительства.

Накопленные массивы данных о структуре пройденных грунтов создают основу для уточнения геологических моделей территории и могут быть использованы для оптимизации будущих проектов подземного строительства.

Конструкция адаптивна к локальным условиям и имеет возможность модификации сенсорной конфигурации под специфические требования участка, в том числе по количеству, расположению и типу датчиков. Специалисты могут оперативно переналаживать схему работы датчиков в зависимости от предполагаемых геологических условий, что обеспечивает максимальную информативность системы для каждого конкретного объекта.

При реализации реализации каждого конкретного исполнительного органа необходимо выполнить моделирование распространения ультразвуковых сигналов, что позволит оптимизировать геометрию размещения сенсоров, а также выбрать необходимые алгоритмы обработки информации на этапах строительства. При внедрении технологии в строительный процесс необходимо предусмотреть функциональные возможности программного обеспечения, анализирующего входные данные, по интеграции результатов обработки в цифровые двойники объектов, а также передачи информации в диспетчерские центры контроля за строительством. При моделировании распространения ультразвуковых сигналов в массиве необходимо учитывать геометрию исполнительного органа, акустические свойства различных типов грунтов и материала исполнительного органа.

Система управления оснащается специализированным программным обеспечением, реализующим алгоритмы обработки акустических сигналов для выявления изменений структуры массива и формирования предупреждений о них оператора. При этом необходимо внедрить методы фильтрации информации, минимизирующие влияние шумов и ложных срабатываний, а также автоматическое сопоставление сигналов со стандартными образцами пород.

Использование специально обученных нейронных сетей может позволить автоматически распознавать типы пород по характерным для них акустическим спектрам, обучаясь на основе исторических данных, накопленных в процессе проведения предыдущих тоннелестроительных работ.

В перспективе система позволит генерировать уточненные геологические разрезы, которые могут существенно отличаться от предварительных прогнозов на основе данных скважин, обеспечивая более полное понимание внутренней структуры грунтового массива вдоль трассы тоннеля.

Рассмотрены отечественные и зарубежные патенты аналогичного назначения и выявлены существенные отличия предлагаемого изобретения по части конструктивной реализации, степени интеграции сенсорных сетей и защитных механизмов, что подтверждает инновационный характер решения.

В дальнейшем предполагается разработка методов адаптации изобретения к условиям проходки в породах с экстремальными характеристиками – повышенной влажностью, агрессивной средой, высоким уровнем вибрационных нагрузок. Для полномасштабного развития технологии необходимо проведение опытно-конструкторских работ на объектах подземного строительства в многослойных грунтовых массивах.

Заключение

Приведённая конструкция исполнительного органа тоннелепроходческого щита с интегрированной сенсорной системой обеспечивает непрерывность мониторинга состояния массива, существенно увеличивает безопасность и эффективность работ в сложных геологических условиях. Научная новизна разработки заключается во внедрении модульной сенсорной среды непосредственно в рабочий орган щита, автоматизации передачи и обработки данных, интеграции системы в интеллектуальные строительные комплексы следующего поколения. Ожидаемый экономический эффект от внедрения технологии на крупных объектах метростроения может достигать значительных величин за счет снижения общей стоимости строительства при минимизации аварийных ситуаций и оптимизации режимов работы механизированного комплекса.

Список литературы:

1. Chen P., Li J., Kong L., Tang L. Experimental study on face instability of shield tunnel in sand // Tunnelling and Underground Space Technology. 2013. Vol. 33. P. 12-21. DOI:10.1016/j.tust.2012.08.001
2. Aghdam M., Hosseini M. Investigating the Effect of Face Pressure on Ground Settlement in Tunneling with Earth Pressure Balance (EPB) Shield (Case Study: Qom Metro Line A) // English article specials. 2018. Vol. 12 (5)/ P. 107-134. DOI:10.18869/acadpub.jeg.12.5.107
3. Wang X., Li Y., Wei G., Wei X., Yan Z., Yan J., Li B. Model Design and Application for Excavation Face Stability in Upward Shield Tunneling // Buildings. 2024, Vol. 14, P. 2514. DOI:10.3390/buildings14082514
4. Maheswari U., Boominathan R., Dodagoudar A. Use of Surface Waves in Statistical Correlations of Shear Wave Velocity and Penetration Resistance of Chennai Soils // Geotech Geol Eng. 2010. Vol. 28. P. 119–137. https://doi.org/10.1007/s10706-009-9285-9
5. Xia J., Miller R., Park C., Hunter J., Harris J., Ivanov J. Comparing shear-wave velocity profiles inverted from multichannel surface wave with borehole measurements // Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2002. Vol. 22 (3). P. 181-190. 10.1016/S0267-7261(02)00008-8
6. Rix GJ., Meng J. A Non-Resonance Method for Measuring Dynamic Soil Properties // Geotechnical Testing Journal. 2005. Vol. 28 (1). P. 1-8. DOI:10.1520/GTJ12125
7. Falls S., Young P. Acoustic emission and ultrasonic-velocity methods used to characterise the excavation disturbance associated with deep tunnels in hard rock // Tectonophysics. 1998. Vol. 289 (1-3). P. 1-15. DOI:10.1016/S0040-1951(97)00303-X
8. Dias D., Kastner R. Movements caused by the excavation of tunnels using face pressurized shields — Analysis of monitoring and numerical modeling results // Engineering Geology. 2013. Vol. 152 (1). P. 17-25. DOI: 10.1016/j.enggeo.2012.10.002
9. Lee I., Truong Q., Kim D., Lee J. Discontinuity detection ahead of a tunnel face utilizing ultrasonic reflection: Laboratory scale application //Tunnelling and Underground Space Technology. 2009. Vol. 24 (2). P. 155-163. DOI:10.1016/j.tust.2008.06.001
10. Кумов В.В., Протосеня А.Г. Исполнительный орган проходческого щита для строительства тоннелей в многослойном массиве // Патент РФ № 2835416, Бюл. №6.