Разработка и исследование технологии геодезического обеспечения строительства и установки технологического

На правах рукописи

Разработка и исследование технологии геодезического обеспечения строительства и установки технологического оборудования ускорительно-накопительного комплекса (УНК)

Специальность – 25.00.32

«Геодезия»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой

степени кандидата технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ускорители заряженных частиц открывают исключительные возможности получения новых сведений о фундаментальной природе окружающего нас мира. Развитие ускорительной техники идёт по пути увеличения интенсивности пучка заряженных частиц. Связанное с этим увеличение размеров физических установок при требованиях к точности сопряжения основных элементов порядка десятых и сотых долей миллиметра требует решения новых задач в области прикладной геодезии.

Появление новых прикладных направлений использования ускорителей, модернизация ранее созданных установок, участие специалистов нашей страны в реализации грандиозных международных проектов, таких, как Адронный Коллайдер (LHC) в ЦЕРНе, подтверждают актуальность темы диссертационной работы. Поэтому технология геодезического обеспечения строительства самого крупного (длина кольцевого тоннеля ~ 21км) из запроектированных в нашей стране ускорителей – ускорительно-накопительного комплекса (УНК) в г. Протвино представляет научный и практический интерес и для перспективы создания новых ускорителей, и как пример решения прецизионной задачи в пределах весьма значительного по размерам сооружения.

Целью диссертационной работы является проведение исследований и разработка технологии, позволяющей качественно дополнить теоретическую основу производства и обработки высокоточных геодезических измерений, выполняемых на ускорителях.

Направления исследований связаны с решением следующих научных задач.

Провести сравнительный анализ результатов математического моделирования вариантов построения наземной геодезической сети.

Оценить результаты решения редукционных задач в процессе создания наземных и подземных геодезических сетей УНК.

Разработать методику и определить степень влияния неоднородности гравитационного поля на установку оборудования в проектное положение по высоте по результатам астрономо-геодезического нивелирования.

Провести исследование, связанное с оценкой влияния кривизны поверхности относимости на измерения при строительстве тоннеля и при установке технологического оборудования в проектное положение по высоте.

Усовершенствовать и практически применить методику обработки плановых измерений с целью выявления деформаций, основанную на принципе конформного преобразования.

Объектом исследования являются строящийся ускорительно-накопительный комплекс УНК на территории Московской области, проектные данные и материалы геодезических измерений по этому объекту.

Методы исследований. Численное моделирование, метод наименьших квадратов, метод дифференциального исчисления, линейная алгебра.

Научная новизна работы. Основные результаты диссертационной работы, представляющие научную новизну, заключаются в следующем.

1.Усовершенствованы методические положения развития наземных и подземных геодезических сетей при строительстве кольцевых ускорителей.

2.Обоснованы необходимость и порядок учёта редукционных поправок в плановые измерения в процессе создания геодезического обоснования при строительстве и монтаже оборудования УНК.

3.Выявлены особенности, связанные с учетом поправок за кривизну поверхности относимости при строительстве тоннеля и при установке технологического оборудования в проектное положение по высоте.

4.Разработан метод оценки степени влияния неоднородности гравитационного поля на результаты высотных измерений при монтаже оборудования по результатам астрономо-геодезического нивелирования.

5.Разработан и практически применён алгоритм оценивания внешней и внутренней деформации плановых геодезических сетей кольцевых ускорителей.

Практическое значение работы заключается в решении проблемы повышения точности и надёжности геодезического обеспечения путем использования высокоточной технологии построения многоступенчатого геодезического обоснования для строительства ускорителей кольцевой формы, впервые обеспечивающей одновременное выполнение как строительных, так и монтажных работ. Разработанные в диссертации методические положения использовались при строительстве тоннеля УНК. Составлена и опробована прикладная программа уравнивания сетей с оценкой деформаций на основе принципа конформного преобразования, которая может использоваться при проведении геодезического мониторинга на кольцевых ускорителях.

Апробация и публикация работы. По материалам диссертации опубликовано 5 работ. Основные положения и результаты исследований докладывались на научно-технической конференции, посвященной 225-летию МИИГАиК в 2004г и конференции, посвященной 85-летию кафедры инженерной геодезии МГСУ в 2006г.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы. Основное содержание диссертации изложено на 117 страницах, содержит 27 таблиц и 25 рисунков. Список литературных источников включает 55 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы, определение цели и задач диссертанта.

Первая глава «Ускорительно-накопительный комплекс и аналитический обзор технологий и принципов построения опорных геодезических сетей ускорителей заряженных частиц» характеризует объект исследования в плане конструктивных особенностей и технических требований к строительству тоннеля и монтажным работам. В процессе поиска пути решения задач, связанных с УНК, приводится аналитический обзор технологий геодезического обеспечения при строительстве двух самых крупных ускорительных комплексов в мире (диаметры 8,6 и 2,0км): в ЦЕРНе (Швейцария) и в национальной ускорительной лаборатории им. Э.Ферми (США).

УНК создаётся на базе действующего кольцевого ускорителя У-70 с диаметром 470м. Его запуск даёт возможность благодаря переводу пучка из У-70 через канал инжекции в кольцевой ускоритель комплекса увеличить энергию пучка с 70 до 3000 Гэв (рисунок 1).

Кольцевой ускоритель УНК запроектирован в форме, близкой к эллипсу. Максимальная глубина заложения тоннеля – 60м. Наклон плоскости орбиты к горизонту – 0,67мрад (2′18″). Общее количество устанавливаемого технологического оборудования составляет 3000 единиц. Это магнитные линзы, поворотные магниты и корректирующие магниты. Точностные требования к строительству тоннеля и монтажу оборудования приведены в таблице 1.

Технология построения геодезического обоснования должна обеспечивать взаимосвязь этапов геодезических измерений с целью сохранения их преемственности для достижения заданных точностей монтажа оборудования и при этом возможности ведения строительных и монтажных работ на разных участках проходки одновременно.

Таблица 1

Требования к точности строительно-монтажных работ

Специалистами геодезических служб Института физики высоких энергий (ИФВЭ) и ФГУП ГСПИ при участии автора [2] был разработан «принцип преемственности», задающий идеологическую основу методики измерений и обработки при последовательном развитии геодезических сетей.

На основании этих методических положений в технологическую схему построения планово-высотных сетей включено пять ступеней геодезического обоснования. Исходной основой для строительства является наземная тоннельная сеть. Она сгущается ходами основной полигонометрии с целью обеспечить исходными данными ориентирование и передачу координат в подземные выработки. Подземная маркшейдерская сеть необходима для строительства тоннеля и установки закладных деталей под основное технологическое оборудование. На этапе предварительного монтажа оборудования создаётся монтажная сеть. Окончательная установка электромагнитного оборудования будет выполняться не от опорной сети, а посредством измерений по знакам, расположенным на оборудовании (юстировочная сеть).

На начальном этапе создания многоступенчатого обоснования автором были проведены исследования методом численного моделирования различных схем и методов построения и обоснован выбор наиболее оптимального варианта наземной тоннельной сети, который был реализован на объекте.

В связи с большими размерами ускорителя и высокими требованиями выноса проекта в натуру исследовались вопросы учёта влияния редукционных поправок на плановые геодезические измерения, а также влияния кривизны поверхности относимости и неоднородности гравитационного поля на высотные геодезические измерения.

Во второй главе «Математическое моделирование наземной геодезической сети УНК» методом математического моделирования исследуются варианты построения наземной геодезической основы. Указанный метод позволяет предрассчитать точность определения координат пунктов геодезических сетей на уникальных объектах.

Рассматривались следующие варианты наземной сети: триангуляция, трилатерация, линейно-угловая сеть (центральные системы), полигонометрия и специальная полигонометрическая сеть с измеренными астрономическими азимутами (рисунки 2,3). Перечисленные варианты схем после уравнивания сгущались полигонометрическими ходами (II ступень обоснования).

Геометрические данные моделей и погрешности измерения элементов сетей максимально приближены к фактическим и проектным значениям соответственно: длина стороны в сетях I ступени – 3,3км, в сетях II ступени – 1км; СКП измерения углов - 1² и 1,2², сторон – 10 и 5мм (I и II ступени). Дополнительные точностные характеристики отдельных вариантов: СКП измерения базиса в триангуляции 1: 800 000; СКП определения трёх дополнительных сторон в трилатерации со средней длиной 6км - 15,0мм; погрешность определения астрономического азимута в специальной полигонометрической сети – 0,7², широты – 0,4² и долготы – 0,5². В пятом варианте сети реализована одна ступень наземного обоснования.

Основными заданными критериями оценки качества вариантов геодезической основы служили: СКП дирекционного угла наиболее слабой стороны m _α = 1,5", СКП положения пункта в наиболее слабом месте сети m = 25мм. При уравнивании использовалась специально созданная программа на основе параметрического способа. Оценивалась точность определения положения пунктов нуль-свободных и свободных геодезических построений различными методами (таблица 2). Нуль-свободные геодезические сети имеют минимальный набор исходных данных (исходный пункт и дирекционное направление) и необходимы для обеспечения единства системы координат УНК и У-70. Свободные сети целесообразно использовать при обработке деформационных измерений на кольцевых ускорителях.

Таблица 2

СКП положения пунктов (m ) по результатам уравнивания

Из таблицы 2 следует, что:

погрешности положения пунктов в нуль-свободных сетях триангуляции, полигонометрии и трилатерации сравнимы между собой, такой же вывод можно сделать и по отношению к свободным сетям;

линейно-угловая сеть характеризуется несколько большей точностью;

погрешности положения пункта и дирекционного угла в наиболее слабом месте нуль-свободных сетей не превысили соответственно величин 25мм и 1,5", предусмотренных техническим заданием;

свободные сети кольцевой и радиально-кольцевой формы являются более точными и имеют меньший диапазон изменения погрешностей по сравнению с аналогичными нуль-свободными сетями.

Таким образом, все приведённые варианты построений обеспечивают необходимую точность наземной геодезической сети. С точки зрения экономических соображений, исходя из особенностей района строительства (залесённость и пр.), вариант 5 отличается от других меньшими трудностями в организации производства измерений и возможностью одновременного создания сети пунктов полигонометрии необходимой густоты вдоль кольцевого тоннеля. Количество ступеней наземного обоснования сокращается до двух (тоннельная и основная полигонометрия). Благодаря включению в сеть пунктов Лапласа появляется возможность не только контролировать угловые измерения, но и исследовать влияние неоднородностей гравитационного поля Земли на результаты высотных измерений на основании астрономо-геодезического нивелирования.

В третьей главе «Исследование влияния редукционных поправок на результаты плановых геодезических измерений» обосновывается необходимость использования при вычислениях рекомендуемого осевого меридиана и поверхности относимости.

Обработка измерений наземных и подземных плановых геодезических сетей объекта связана с большим объёмом редукционных вычислений. Его можно значительно уменьшить, если использовать поверхность относимости со средней отметкой оси тоннеля и при переходе к проекции Гаусса-Крюгера применить не меридиан 3˚ зоны (L ₀ =36˚), удалённый от объекта на 80км, а меридиан, проходящий недалеко от центра кольцевого ускорителя (L ₀ =37˚14′). Это позволяет уменьшить величины редукционных поправок до пренебрегаемых величин. В результате анализа вычислений автором рекомендуется следующее.

Измеренные длины линий наземных сетей следует редуцировать на поверхность относимости со средней отметкой оси тоннеля 118м. Поправки достигают 15мм при изменении высот от 140 до 177м. При вычислении используется известная формула, включающая средний радиус эллипсоида.

2. Редукционные поправки в линии при переходе к плоскости в проекции Гаусса-Крюгера не учитываются при использовании осевого меридиана L₀ =37˚14′. Для километровых линий тоннельной полигонометрии они находятся в пределах 0,2мм, что несущественно при точности измерения 5мм.

3. При переходе от измеренных астрономических к геодезическим азимутам в измерения вводят поправку за несовпадение плоскостей астрономического и геодезического меридианов (поправку Лапласа).

4. При переходе от геодезических азимутов к дирекционным углам поправки за кривизну изображения геодезической линии на плоскости пренебрегаемо малы (менее 0,003″) и не учитываются.

5. При проектировании координат геодезических пунктов с дневной поверхности в шахту поправки в координаты за влияние уклонений отвесных линий находятся в пределах 0,1мм и не учитываются.

Четвёртая глава - «Исследование влияния редукционных поправок на результаты высотных геодезических измерений». По техническим условиям электромагнитное оборудование кольцевого ускорителя устанавливается по заданной плоской кривой, повторяющей форму орбиты. Высокоточное геометрическое нивелирование не позволяет решить задачу определения высот относительно плоскости установки оборудования. При выраженных сотыми долями миллиметра допустимых погрешностях на взаимное положение элементов оборудования по высоте в результатах измерений необходим учёт неоднородностей гравитационного поля и кривизны поверхности относимости.

Величина поправки за кривизну поверхности относимости δ R зависит от положения отсчётного эллипсоида и радиуса его кривизны. Величины поправок при переходе к проектной плоскости кольцевого ускорителя будут меньше, если предположить, что эллипсоид или поверхность параллельная ему проходит через два репера высотной сети. В этом случае проектная плоскость кольцевого ускорителя будет секущей к поверхности эллипсоида.

Для секущей плоскости примем дополнительное условие: если реперы высотной сети, через которые она проходит (a , c ), находятся на севере и юге кольцевого ускорителя, то максимальные поправки за кривизну, приблизительно равные между собой, будут находиться на западе и востоке в точках k и b (рисунок 4).

При учёте кривизны поверхности относимости на стадии строительства кольцевого тоннеля допустимо использовать сферическую поверхность относимости со средним радиусом кривизны эллипсоида. Пользуясь известной формулой для поверхности сферы, определим максимальную поправку за кривизну: (1)

В формуле (1): - расстояние от точки "а " до центра кольцевого ускорителя "0" с известными координатами, - расстояние от центра кольцевого ускорителя до определяемой точки оси тоннеля.

Рисунок 4 – Поправка за кривизну поверхности относимости

Максимальная поправка при переходе к плоскости орбиты ускорителя составляет 218мм.

Высокая точность монтажа оборудования не позволяет использовать поверхность сферы. Докажем это, принимая во внимание, что основное требование к точности установки смежных квадруполей по высоте выражается СКП 0,06мм. В этом случае точность вычисления поправок за кривизну поверхности относимости должна быть ~ 0,01мм. Продифференцировав (1), получим выражение для допустимой погрешности радиуса:

(2)

При точности вычисления поправки m_{d R} =0,01мм, максимально допустимая погрешность радиуса составит 293м. Для широты данного объекта несовпадение среднего радиуса кривизны эллипсоида и радиусов кривизны меридиана М и первого вертикала N составляет приблизительно 7км. Таким образом, при учёте кривизны поверхности относимости в высотных измерениях на УНК необходимо пользоваться формулой, включающей радиус кривизны произвольного сечения и меридиана:

(3)

На основании изложенного, на объекте рекомендуется вычислять поправку за кривизну поверхности относимости, используя в качестве этой поверхности эллипсоид, и вводить её на стадии вычисления проектных высот оси тоннеля.

Впервые при строительстве инженерного сооружения, на сравнительно небольшой площади, были проведены астрономические наблюдения на 6-ти астропунктах, включённых в наземную сеть УНК. Они позволили для оценки влияния аномального гравитационного поля на высотные измерения при монтаже технологического оборудования воспользоваться методом астрономо-геодезического нивелирования. Использование метода даёт возможность


29-04-2015, 00:33