Технологии повышения точности передачи координат через вертикальную скважину при строительстве тоннелей

Тхань Шон Чан¹, Тхи Кхуй Нгуен¹, Мань Хунг Чан¹, А.И. Шихов^2
1 Ханойский университет природных ресурсов и окружающей среды, г. Ханой, Вьетнам
² Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация
Горная Промышленность №3 / 2025 стр. 52-56

Резюме: Для обоснования сбойки встречных тоннелей, удовлетворяющей требованиям точности, требуется создать исходную геодезическую основу в туннеле. Для этого необходимо по вертикальным или наклонным скважинам передавать координаты, высоты и азимуты опорной геодезической сети на поверхности земли в туннель. В случае использования вертикальных скважин говорят об ориентировании через вертикальные скважины. При наблюдениях за вертикальностью проекта в процессе строительства больших зданий традиционные решения оказались неэффективными и во многих случаях не соответствующими требованиям строительства. В статье рассматриваются вопросы передачи топоцентрических координат через вертикальную скважину при строительстве тоннелей и мониторинг вертикальных конструкций с использованием ГНСС-технологии и топоцентрической системы координат. Показан пример реализации на конкретном объекте во Вьетнаме. Техническое решение, испытанное в первом метро Вьетнама, может быть применено к аналогичным видам работ. Сделаны выводы, что: 1 – использование лазерного прибора для замены отвесов при передаче координат в туннель через вертикальные скважины соответствует техническим требованиям при строительстве тоннелей; 2 – топоцентрическая система координат имеет очень удобные характеристики для контроля вертикальности зданий по данным ГНСС-технологии; 3 – ГНСС-технология преодолевает недостатки традиционных методов при определении вертикальности здания во время строительства, особенно для многоэтажных зданий.

Ключевые слова: туннель, вертикальные конструкции, подземные выработки, топоцентрическая система координат

Для цитирования: Чан Т.Ш., Нгуен Т.К., Чан М.Х., Шихов А.И. Технологии повышения точности передачи координат через вертикальную скважину при строительстве тоннелей. Горная промышленность. 2025;(3):52–56. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2025-3-52-56

Информация о статье

Поступила в редакцию: 09.03.2025

Поступила после рецензирования: 10.04.2025

Принята к публикации: 11.04.2025

Информация об авторах

Тхань Шон Чан – доцент кафедры управления земельными ресурсами и недвижимости, Ханойский университет природных ресурсов и окружающей среды, г. Ханой, Вьетнам; https://orcid.org/0000-0003-2401-4274; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Тхи Кхуй Нгуен – доцент кафедры управления земельными ресурсами и недвижимости, Ханойский университет природных ресурсов и окружающей среды, г. Ханой, Вьетнам, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Мань Хунг Чан – доцент кафедры информационных технологий в управлении земельными ресурсами, Ханойский университет природных ресурсов и окружающей среды, г. Ханой, Вьетнам, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Шихов Александр Игоревич – кандидат технических наук, ассистент кафедры метрологии, приборостроения и управления качеством, Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0002-8213-0989; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Введение

В настоящее время для передачи координат и азимутов в туннель существует множество методов, наиболее популярный из которых – ориентирование способом соединительного треугольника из двух отвесов [1–3]. Точность передачи дирекционного угла способом створа двух отвесов характеризуется ошибкой в 30˚. Способ створа двух отвесов применяют для предварительных ориентировок, выполняемых при проходке подземных выработок при их удалении от ствола не более чем на 50 м. В некоторых случаях для выполнения земляных работ на поверхности используется экскаватор-драглайн, который обеспечивает высокую производительность при подготовке рабочего участка [4; 5]. Однако в этом способе из-за колебаний каната операция является очень сложной и требует специального оборудования для маркировки положения отвесов в туннеле. Таким образом, необходимо изучить и применить современные передовые измерительные приборы в соответствии с условиями Вьетнама, чтобы преодолеть вышеуказанные недостатки и повысить точность передачи координат и азимутов через вертикальную скважину [6–8].

Результаты и их обсуждение

Использование прибора вертикального проектирования для передачи координат и азимутов в туннель при ориентировании через вертикальные скважины

Прибор вертикального проектирования (ПВП), например PLZ или GEOBOX ZL100, позволяет с минимальной погрешностью переносить вертикальную разметку и контролировать правильность постройки лифтовых шахт и многоэтажных домов. Точность проектирования при зенитных замерах составляет 1 мм на 100 м. Схема использования прибора вертикального проектирования для передачи координат в туннель показана на рис. 1.

Рис. 1. Ориентирование способом соединительного треугольника с помощью лазерного прибора
Fig. 1. Orientation using the connection triangle method with a laser device

При использовании ПВП в туннеле выбираются две точки O1 и O2. Эти точки с помощью ПВП проецируются на земную поверхность и закрепляются на двух специальных стеклянных панелях. Измерения координат и азимутов в туннеле проводятся в соответствии с методикой, применяемой при использовании двух отвесов. Это техническое решение [9–11] позволяет повысить эффективность, уменьшить трудности, возникающие при использовании отвесов для передачи координат и азимутов, а также избавляет от необходимости использования специального оборудования для фиксации отвесов. Для оценки применимости метода мы провели эмпирические измерения в метро Бен Тхань – Суой Тиен (Вьетнам) [12; 13]. Это первое метро во Вьетнаме, построенное в городе Хошимине.

На первоначальном этапе была создана замкнутая сеть полигонометрии из 10 пунктов (рис. 2). Стороны и углы сети были измерены высокоточным электронным тахеометром TCR 1201 (Leica), обеспечивающим точность угловых измерений m_β = ± 1” и точность линейных измерений m_S = 1 мм + 1,5 ppm (на отражатель). В результате построения сети угловая невязка ω составила 16˚, ошибка измерения угла после уравнивания m_β = ± 4.2”.

Рис. 2. Схема геодезической сети
Fig. 2. Layout of the geodetic network

Далее согласно вышеописанной методике в туннеле на расстоянии 3,5 м были выбраны две точки O1 и O2. С помощью ПВП DZJ 300A точки O1 и O2 были спроецированы на высоту 35 м. Для измерения сторон треугольников использовалась стальная линейка. Значения измеренных длин и углов соединительных треугольников показаны в табл. 1

Таблица 1 Значения измеренных величин соединительных треугольников
Table 1 Measured values of the connection triangles

Для оценки точности метода передачи координат и азимутов через вертикальную скважину при строительстве туннелей с использованием прибора вертикального проектирования использовалась следующая формула:

 (1)

где m — среднеквадратическая погрешность измерений (СКП); A — отклонение количества для сравнения (разность); n — количество проведенных измерений.

Согласно (1) СКП координат m_x = ± 3,8 мм; m_y = ± 4,4 мм; m_p = √(m_x² + m_y²). СКП азимутов при передаче способом соединительного треугольника с помощью ПВП m_α = ± 6,9".

Во Вьетнаме популярным методом туннелирования является использование технологии Туннельная бурильная машина (Tunnel Boring Machine — TBM). Строительство тоннеля по TBM-технологии работает только в одном направлении, поэтому СКП исходной стороны при передаче азимута через вертикальную скважину в туннель определяется по формуле [14–16]:

m_q = (m_α L) / ρ ⇒ m_α = (m_q ρ") / L, (1)

где m_q — СКП горизонтального направления подземной полигонометрии сетки в тоннеле; m_α — СКП азимута; L — длина туннеля.

Согласно плану до 2030 г. все линии метро во Вьетнаме рассчитаны на расстоянии между двумя последовательными станциями около 1 км (L = 1 км), а СКП планового геодезического обоснования по технологии TBM во Вьетнаме составляет m_t = 19 мм. Включает в себя следующие основные ошибки:

— СКП горизонтального направления сети полигонометрии на земле;
— СКП горизонтального направления подземной сети полигонометрии в тоннеле (m_q);
— СКП горизонтального направления через две вертикальные скважины соединительного треугольника.

По принципу равного влияния получаем: m_q = m_t / √2 = 9,5 мм. Заменяя L = 1 км, m_q = 9,5 мм, получим m_α ≈ 3". Если ограниченная ошибка равна 2,5 СКП (2–3 разряда), то допустимая ошибка при передаче азимута через две вертикальные скважины для строительства туннеля f_adm = ± 2,5 m_α = ± 2,5 · 3". Таким образом, точность передачи азимута должна обеспечить m_α < ± 7,5". Результаты измерений и экспериментальных расчетов соответствуют требованиям точности при строительстве туннелей (m_α = ± 6,9").

Преобразование координат пунктов ГНСС-измерений из геоцентрической системы координат в локальную топоцентрическую систему координат проводят по формуле:

 (3)

Результаты исследований показывают, что точность определения топоцентрических координат после преобразования зависит только от СКП измерения геоцентрических координат точек [17; 18]. Кроме того, современные спутниковые приемники могут обеспечить определение координат позиционирования с СКП – 3 мм [19–21]. Уклонение отвесной линии составляет около 10" в районе Ханоя и может составлять 18" по эллипсоиду WGS-84.

Здания обычно строятся на поверхности Земли. При использовании равноугольной поперечно-цилиндрической проекции для контроля вертикального направления здания не будет выгодна, потому что плоская проекция в этом случае поверхность эллипсоида. Между тем, можно выбрать точку P₀ начала топоцентрической системы координат. И если выбирать эту точку в качестве высоты поверхности фундамента, то система координат xP₀yz является топоцентрической системой в точке P₀, т.е. реальной поверхности земли, очень удобной для изучения вертикальности строительства.

Предельная погрешность определения наклона (крена) зданий и сооружений определяется их видом и высотой (табл. 2).

Таблица 2 Предельная погрешность определения наклона (крена) зданий и сооружений
Table 2 Limiting error of determining the inclination (tilt) of buildings and structures

Результаты показывают, что в большинстве случаев отклонение отвесной линии не превышает точности, необходимой для определения наклона. Следовательно, можно использовать топоцентрическую систему координат для контроля вертикальности при возведении высотных сооружений.

Принцип определения вертикальной конструкции по данным ГНСС-технологии

В зависимости от режима относительных ГНСС-измерений приемник устанавливается на разных уровнях в соответствии с графиком строительства. Результаты обработки данных позволяют определить приращение вектора координат, тем самым определяя координаты i точки в геоцентрической системе координат (рис. 3).

Рис. 3. Топоцентрическая система координат
Fig. 3. Topocentric coordinate system

Согласно формуле рассчитаем топоцентрические координаты точек следующим образом:

Методика определения вертикальности сооружений была апробирована на проекте башни A в комплексе башни Кеангнам (Ханой, Вьетнам) в процессе строительства в циклах 13, 14 и 15, соответствующих этажам 40, 43 и 46. Чтобы определить вертикальность этого проекта по данным ГНСС-технологии, была создана опорная геодезическая наземная сеть. Сеть состояла из четырех пунктов M1–M4 (рис. 4).

Рис. 4. Опорная геодезическая наземная сеть
Fig. 4. Reference geodetic ground network

Точки X3718, X3721 и X5721 представляют собой пересечение осей с одноименным названием здания. Эти точки проецируются с 1-го этажа прибором вертикального проектирования (лазерный прибор), а также используются для проверки (контрольные точки). В каждом цикле для измерения в точках опорной сетки и в контрольных точках использованы 4 ГНСС приемника Trimble R3. После наблюдений каждого цикла геодезическая сеть обработана в системе координат VN-2000, центральный меридиан L₀ = 105°00' (UTM-зона 3°, m_e = 0.9999). Результаты расчетов полностью согласуются с выводами из отчёта о мониторинге наклона жилой застройки A проекта башни-ориентира в Кеангнам¹.

Заключение

Из результатов теоретических и эмпирических исследований, представленных в статье, можно сделать следующие выводы:

1. Использование лазерного прибора для замены отвесов при передаче координат в туннель через вертикальные скважины соответствует техническим требованиям при строительстве. Техническое решение, испытанное в первом метро Вьетнама, может быть применено к аналогичным видам работ;

2. Топоцентрическая система координат имеет очень удобные характеристики для контроля вертикальности зданий по данным ГНСС-технологии. Благодаря характеристикам ГНСС-технология преодолевает недостатки традиционных методов при определении вертикальности здания во время строительства, особенно для многоэтажных зданий. Передача топоцентрических координат обеспечивает согласованность в одной системе координат, сокращает время измерений и повышает точность при создании геодезической основы в строительстве.

¹ Report of tilt monitoring for block residence A of the Keangnam landmark tower project, Vietnam Institute of Building Science and Technology, Hanoi; 2010.

Список литературы

1. Линь Н.К., Динь Д.В., Габов В.В., Фук Л.К., Тханг Н.В. Повышение адаптируемости оборудования к демонтажу стоек рамной крепи в горной выработке. Уголь. 2024;(9):81–86. https://doi.org/10.18796/0041-5790-2024-9-81-86 Linh N.K., Dinh D.V., Gabov V.V., Phuk L.Q., Thang N.V. Enhancing the equipment adaptability for removing frame supports in the mine workings. Ugol’. 2024;(9):81–86. (In Russ.) https://doi.org/10.18796/0041-5790-2024-9-81-86

2. Malozyomov B.V., Martyushev N.V., Babyr N.V., Pogrebnoy A.V., Efremenkov E.A., Valuev D.V., Boltrushevich A.E. Modelling of reliability indicators of a mining plant. Mathematics. 2024;12(18):2842. https://doi.org/10.3390/math12182842

3. Linh N. K., Tien N.T., Luan D.C., Dinh D.V., Thang N.V. Enhancing efficiency of steel prop recovery processes in unused mining excavation. International Journal of Engineering. 2025;38(2):400–407. https://doi.org/10.5829/ije.2025.38.02b.14

4. Соловьев С.В., Кузиев Д.А. Исследование жесткостных параметров привода тягового механизма драглайна ЭШ-10/70. Уголь. 2017;(1):37–38. Soloviev S.V., Kuziev D.A. Dragline ESH-10/70 linkage stiffness parameters study. Ugol’. 2017;(1):37–38. (In Russ.)

5. Клементьева И.Н., Кузиев Д.А. Выемочно-погрузочный драглайн с ковшом инновационной конструкции. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2019;(7):149–157. Режим доступа: https://giab-online.ru/files/Data/2019/7/149_157_7_2019.pdf (дата обращения: 13.02.2025). Klementyeva I.N., Kuziev D.A. Extracting-and-loading dragline with innovative design bucket. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2019;(7):149–157. (In Russ.) Available at: https://giab-online.ru/files/Data/2019/7/149_157_7_2019.pdf (accessed: 13.02.2025).

6. Mustafin M., Nasrullah M., Abboud M. A comparative analysis of GNSS processing services for static measurements: evaluating accuracy and stability at different observation periods. International Journal of Geoinformatics. 2024;20(9):112– 121. https://doi.org/10.52939/ijg.v20i9.3553

7. Mustafin M.G., Nasrullah M. Estimating coordinates transformation parameters from global to local coordinates systems in lebanese republic based on zonal division. International Journal of Engineering. 2025;38(4):796–806. https://doi.org/10.5829/ije.2025.38.04a.11

8. Mustafin M., Nasrullah M., Abboud M. 3D modeling of Sidon sea castle utilizing terrestrial laser scanner combined with photogrammetry. International Journal of Geoinformatics. 2024;20(5):28–39. https://doi.org/10.52939/ijg.v20i5.3227

9. Babyr N.V. Topical themes and new trends in mining industry: Scientometric analysis and research visualization. International Journal of Engineering. 2024;37(2):439–451. https://doi.org/10.5829/ije.2024.37.02b.18

10. Wang K., Ye S., Gao P., Yao X., Zhao Z. Optimization of numerical methods for transforming UTM plane coordinates to lambert plane coordinates. Remote Sensing. 2022;14(9):2056. https://doi.org/10.3390/rs14092056

11. Son T.N. Optimization of the engineering surveys geodetic coordinate frame based on the Mercator projection use. E3S Web of Conferences. 2021;281:5001. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202128105001

12. Son T.T., Kuzin A.A., Mustafin M.G. Development of a local quasigeoid model for Vietnam land area using the global EGM2008 model. Journal of Physics: Conference Series. 2019;1384:012056. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1384/1/012056

13. Buddhika W., Premawansha K., Bandara T.R., Samaranayake L., Dayananda V., Mudannayaka C., Priyadarshani S. Revolutionizing spatial data analysis: unveiling a cutting-edge approach for batch coordinate transformation. Data Science and Management. 2023;6(4):214–226. https://doi.org/10.1016/j.dsm.2023.07.001

14. Pham Thi Hoa. The terrain effect in vertical deflection in the northwest and highlands mountainous areas. Journal of Science about Earth. 2012;34(1):92–96. (In Vietnam.).

15. Фомина Е. Е., Гуськов М. А., Медведев Д. А., Самыловская Е. А. Оценка степени вины участников несчастного случая в условиях Крайнего Севера. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2024;(6):123–134. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2024_6_0_123 Fomina E. Е., Guskov M. A., Medvedev D. A., Samylovskaya E. A. Evaluating degree of guilt of participants to an accident in the Extreme North conditions. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2024;(6):123–134. (In Russ.) https://doi.org/10.25018/0236_1493_2024_6_0_123

16. Nguyen C.T., Do N.A., Dias D., Pham V.V., Gospodarikov A. Behaviour of square and rectangular tunnels using an improved finite element method. Applied Sciences. 2022;12(4):2050. https://doi.org/10.3390/app12042050

17. Nguyen T.T., Do N.A., Karasev M.A., Kien D.V., Dias D. Influence of tunnel shape on tunnel lining behaviour. Proceedings of the Institution of Civil Engineers: Geotechnical Engineering. 2021;174(4):355–371. https://doi.org/10.1680/jgeen.20.00057

18. Nguyen T.T., Do N.A., Karasev M.A., Dias D., Dang V.K., Vilner M.A. Numerical investigation of the horseshoe tunnels structural behavior. Indian Geotechnical Journal. 2022;52(4):799–814. https://doi.org/10.1007/s40098-022-00618-y

19. Lebedev M.O., Karasev M.A., Belyakov N.A., Basova L.A. Face stability in heavy clay: Theory and practice. Journal of Mining Science. 2022;58(2):234–245. https://doi.org/10.1134/S1062739122020077

20. Nguyen C.T., Do N.A., Pham V.V., Nguyen P.T., Gospodarikov A. Prediction of blast-induced the area of the tunnel face in underground excavations using fuzzy set theory anfis and artificial neural network ann. International Journal of GEOMATE. 2022;23(95):136–143. https://doi.org/10.21660/2022.95.3327

21. Nguyen C.T., Gospodarikov A. Hyperstatic reaction method for calculations of tunnels with horseshoe-shaped cross-section under the impact of earthquakes. Earthquake Engineering and Engineering Vibration. 2020;19(1):179–188. https://doi.org/10.1007/s11803-020-0555-0