Подземная навигация: Глобальное руководство по тоннелированию и использованию подземного пространства

Земля под нашими ногами все чаще становится полем для инноваций и развития. Поскольку пространство на поверхности становится ограниченным, особенно в густонаселенных городских районах, использование подземного пространства предлагает решения для инфраструктуры, транспорта, хранения и даже проживания. Эта бурно развивающаяся область в значительной степени зависит от точной и надежной подземной навигации — сложной дисциплины, которая гарантирует правильную проходку тоннелей, точное размещение инфраструктуры и безопасное и эффективное использование подземных пространств.

Это руководство представляет собой всеобъемлющий обзор подземной навигации, исследуя технологии, методы и проблемы, связанные с картографированием и навигацией в подземном мире. От традиционных геодезических методов до передовых роботизированных систем — мы углубимся в разнообразные подходы, используемые во всем мире для преодоления сложностей подземного строительства и использования пространства.

Важность точной подземной навигации

Точная навигация имеет первостепенное значение по множеству причин:

• Безопасность: Неправильно сориентированные тоннели или некорректно размещенная инфраструктура могут привести к катастрофическим конструктивным разрушениям и поставить под угрозу жизнь людей.
• Экономическая эффективность: Исправление ошибок при подземном строительстве чрезвычайно дорого и требует много времени. Точная навигация минимизирует риск таких дорогостоящих ошибок.
• Эффективность: Точная навигация позволяет вести строительство быстрее и эффективнее, сокращая сроки проекта и связанные с ним расходы.
• Взаимосвязанность: Подземная инфраструктура, такая как транспортные или коммунальные тоннели, должна беспрепятственно соединяться с существующими сетями. Точная навигация обеспечивает правильное сопряжение и интеграцию.
• Защита окружающей среды: Точная навигация помогает минимизировать воздействие на окружающую среду, защищая ресурсы подземных вод и предотвращая проседание грунта.

Традиционные геодезические методы

Хотя современные технологии становятся все более распространенными, традиционные геодезические методы по-прежнему играют жизненно важную роль в подземной навигации, особенно в небольших проектах или в качестве резервной системы. Эти методы основаны на точных измерениях углов и расстояний для создания опорных точек и сопровождения строительства.

Тахеометры

Тахеометры — это электронные приборы, используемые для высокоточного измерения горизонтальных и вертикальных углов, а также расстояний. В подземных условиях тахеометры обычно устанавливаются на стабильных платформах внутри тоннеля и используются для создания сети опорных точек. Эти опорные точки служат ориентирами для ведения тоннелепроходческого механизированного комплекса (ТПМК) или другого проходческого оборудования.

Пример: При строительстве Готардского базового тоннеля в Швейцарии маркшейдеры использовали сеть высокоточных тахеометров для поддержания точного направления на протяжении всего проекта. Тоннель длиной более 57 километров требовал тщательной геодезической съемки, чтобы обеспечить точную сбойку двух забоев под Альпами.

Гироскопическая съемка

Гироскопическая съемка использует гироскопы для определения направления на истинный север независимо от магнитных полей. Это особенно полезно в подземных условиях, где магнитные помехи могут снизить точность измерений, основанных на компасе. Гироскопические съемки часто используются для определения начального направления тоннеля или для проверки точности других методов навигации.

Пример: Гироскопическая съемка применялась при строительстве тоннеля под Ла-Маншем (Евротоннель), соединяющего Англию и Францию. Эта технология помогла поддерживать точное направление, несмотря на сложные геологические условия и отсутствие прямых наземных ориентиров.

Современные технологии для подземной навигации

Появление передовых технологий произвело революцию в подземной навигации, обеспечив большую точность, эффективность и автоматизацию. Эти технологии предлагают решения для навигации в сложных геологических условиях, при проходке длинных тоннелей и в сложных городских условиях.

Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС)

Хотя сигналы ГНСС (такие как GPS, ГЛОНАСС, Galileo и BeiDou) не могут проникать сквозь земную поверхность, они играют решающую роль в создании наземных опорных точек, которые затем передаются под землю через вертикальные шахты или другие точки доступа. Эти наземные опорные точки служат основой для подземной геодезической сети.

Пример: Перед началом тоннельных работ для новой линии метро в Токио геодезисты используют приемники ГНСС для создания точной сети опорных точек на поверхности. Затем эти точки передаются под землю для ведения ТПМК и обеспечения точного направления.

Инерциальные навигационные системы (ИНС)

ИНС использует акселерометры и гироскопы для измерения изменений положения и ориентации. Блоки ИНС могут быть установлены на ТПМК или другом проходческом оборудовании для предоставления непрерывных навигационных данных даже в отсутствие внешних ориентиров. ИНС особенно полезна при проходке длинных тоннелей, где доступ к наземным опорным точкам ограничен.

Пример: Во время строительства длинного водопроводного тоннеля в Мельбурне (Австралия) в ТПМК была интегрирована система ИНС для предоставления непрерывных навигационных данных. Это позволило ТПМК поддерживать точное направление, несмотря на отсутствие сигналов GPS под землей и сложные геологические условия.

Системы наведения тоннелепроходческих механизированных комплексов (ТПМК)

Современные ТПМК оснащены сложными системами наведения, которые объединяют различные навигационные технологии, такие как тахеометры, ИНС и лазерное сканирование. Эти системы предоставляют в режиме реального времени информацию о положении, ориентации и курсе ТПМК, позволяя операторам вносить коррективы и поддерживать точное направление.

Пример: В рамках проекта Crossrail в Лондоне использовались передовые системы наведения ТПМК для навигации через сложную сеть существующей подземной инфраструктуры. ТПМК были оснащены лазерными сканерами, которые создавали 3D-модели окружающих тоннелей, позволяя операторам избегать столкновений и поддерживать точное направление.

Лазерное сканирование

Лазерное сканирование, также известное как LiDAR (Light Detection and Ranging), используется для создания детальных 3D-моделей подземной среды. Лазерные сканеры излучают лазерные лучи, которые отражаются от поверхностей, и отраженный свет используется для измерения расстояния и положения сканируемого объекта. Эти 3D-модели могут использоваться для различных целей, включая исполнительную съемку тоннелей, мониторинг деформаций и обнаружение коллизий.

Пример: После завершения строительства новой станции метро в Сеуле (Южная Корея) было использовано лазерное сканирование для создания детальной 3D-модели станции. Эта модель затем была использована для проверки соответствия станции проектной документации и выявления любых потенциальных угроз безопасности.

Метод одновременной локализации и построения карты (SLAM)

SLAM — это метод, используемый роботами для одновременного построения карты окружающей среды и определения своего местоположения на этой карте. Алгоритмы SLAM обычно используют такие датчики, как камеры, лазерные сканеры или ультразвуковые сенсоры. SLAM все чаще используется в подземной навигации для картографирования тоннелей и других подземных пространств в режиме реального времени.

Пример: Исследователи разрабатывают роботизированные системы на основе SLAM для инспекции и картирования заброшенных шахт в Польше. Эти роботы могут перемещаться по темным и опасным шахтным выработкам, создавая подробные 3D-карты, которые можно использовать для оценки устойчивости шахты и выявления потенциальных рисков.

Геофизические методы

Геофизические методы используются для исследования геологического строения недр и выявления потенциальных опасностей, таких как разломы, пустоты или подземные воды. К этим методам относятся сейсморазведка методом отраженных волн, георадиолокация (GPR) и электротомография (ERT). Геофизические изыскания обычно проводятся до начала тоннельных работ для получения ценной информации о грунтовых условиях.

Пример: Перед началом строительства нового железнодорожного тоннеля в Норвегии геофизики провели сейсморазведку методом отраженных волн для картирования геологического строения недр. Исследование выявило зону трещиноватых пород, которая могла представлять риск для строительства тоннеля. На основе этой информации инженеры скорректировали трассу тоннеля, чтобы избежать зоны трещиноватости.

Проблемы подземной навигации

Подземная навигация представляет несколько уникальных проблем:

• Ограниченный доступ к сигналам ГНСС: Земная поверхность блокирует сигналы ГНСС, что затрудняет точное позиционирование под землей.
• Сложные геологические условия: Разнообразие типов грунтов и пород, разломы и подземные воды могут существенно влиять на точность навигационных систем.
• Магнитные помехи: В подземной среде часто присутствуют магнитные поля, которые могут мешать навигации на основе компаса.
• Ограниченная видимость: Темнота и пыль могут затруднить использование оптических геодезических приборов.
• Проблемы со связью: Поддержание надежной связи между наземными и подземными бригадами может быть сложной задачей, особенно в глубоких тоннелях.
• Нормативные требования и стандарты безопасности: Подземное строительство подчиняется строгим нормативным требованиям и стандартам безопасности, которые могут значительно отличаться в разных странах.

Лучшие практики в подземной навигации

Чтобы преодолеть трудности подземной навигации, необходимо следовать лучшим практикам:

• Всесторонние геотехнические изыскания: Проводите тщательные геотехнические изыскания для понимания грунтовых условий и выявления потенциальных опасностей.
• Создание надежной опорной геодезической сети: Создайте плотную и точную сеть опорных геодезических точек как на поверхности, так и под землей.
• Использование резервных навигационных систем: Применяйте несколько навигационных систем для обеспечения избыточности и точности. Например, сочетайте ИНС с измерениями тахеометра.
• Регулярная калибровка и поверка оборудования: Регулярно калибруйте и проверяйте точность всего геодезического и навигационного оборудования.
• Внедрение строгой программы контроля качества: Внедрите строгую программу контроля качества для выявления и исправления ошибок на ранних этапах строительства.
• Надлежащее обучение персонала: Убедитесь, что весь персонал, занимающийся подземной навигацией, должным образом обучен и имеет опыт.
• Соблюдение соответствующих норм и стандартов: Соблюдайте все соответствующие нормативные требования и стандарты безопасности.
• Эффективные протоколы связи: Установите четкие и надежные протоколы связи между наземными и подземными командами.

Мировые примеры успешной подземной навигации

Многочисленные проекты по всему миру демонстрируют успешное применение методов подземной навигации:

• Глубокозалегающая канализационная система Сингапура (DTSS): Этот масштабный проект включает строительство сети глубоких тоннелей для сбора и очистки сточных вод. Точная навигация была критически важна для обеспечения правильной трассировки тоннелей и минимизации воздействия на густонаселенный город наверху.
• Расширение Мадридского метрополитена: Расширение мадридского метро включало строительство новых тоннелей и станций под сложной городской застройкой. Передовые системы наведения ТПМК и лазерное сканирование использовались для навигации среди существующей инфраструктуры и обеспечения минимального воздействия на город.
• Проект Snowy 2.0 (Австралия): Этот проект гидроаккумулирующей электростанции включает соединение двух существующих водохранилищ серией тоннелей. Точная навигация имеет решающее значение для обеспечения точной трассировки тоннелей и максимизации эффективности системы хранения энергии. Проект включает в себя разнообразные навигационные методы, подходящие для сложного рельефа.
• Тоннель Сэйкан в Японии: Один из самых длинных подводных тоннелей в мире, тоннель Сэйкан соединяет острова Хонсю и Хоккайдо. Его успех был обусловлен точной геодезической съемкой и инновационными методами проходки в сложных геологических условиях.

Будущие тенденции в подземной навигации

Сфера подземной навигации постоянно развивается под влиянием технологических достижений и растущего спроса на подземное пространство. Некоторые из ключевых тенденций, формирующих будущее подземной навигации, включают:

• Повышение уровня автоматизации: Растущее использование роботов и автоматизированных систем в подземном строительстве будет стимулировать развитие более совершенных навигационных технологий.
• Искусственный интеллект (ИИ) и машинное обучение (МО): Алгоритмы ИИ и МО будут использоваться для анализа данных с различных датчиков и повышения точности и эффективности навигационных систем.
• Виртуальная и дополненная реальность (VR/AR): Технологии VR и AR будут использоваться для визуализации подземной среды и предоставления указаний строительным бригадам в реальном времени.
• Облачное управление данными: Облачные платформы будут способствовать обмену и управлению навигационными данными, обеспечивая лучшее взаимодействие между участниками проекта.
• Квантовые датчики: Новые технологии квантовых датчиков обещают предоставить еще более точные и надежные навигационные данные, особенно в сложных подземных условиях.

Заключение

Подземная навигация — это критически важная дисциплина, которая обеспечивает безопасное, эффективное и устойчивое использование подземного пространства. От традиционных геодезических методов до передовых технологий — во всем мире используется широкий спектр подходов для преодоления сложностей подземного мира. Понимая проблемы и применяя лучшие практики, инженеры и строители могут раскрыть огромный потенциал подземного пространства и создать более устойчивое будущее.

По мере того как городское население продолжает расти, а пространство на поверхности становится все более ограниченным, важность подземной навигации будет только возрастать. Принимая инновации и сотрудничая, мы можем продолжать расширять границы возможного и создавать более устойчивую и жизнеспособную застроенную среду.