Мониторинг железнодорожных тоннелей: 3D-сканер FARO справится за несколько минут

Контроль безопасности тоннелей с помощью технологии 3D-сканирования FARO | Трудности и задачи, возникающие при дефектовке тоннелей | Как 3D-сканер FARO повышает эффективность выявления дефектов тоннелей

Железнодорожный транспорт – один из основных способов перемещения, чему способствует его пропускная способность, пригодность к эксплуатации в любых погодных условиях, высокая скорость обслуживания и низкие выбросы в окружающую среду.

Эта отрасль может получить максимальную выгоду от применения технологии 3D-сканирования. 3D-сканеры обеспечивают ускорение производственного процесса, повышение эффективности и безопасности, оптимизацию моделей эксплуатации транспорта и оборудования при решении задач контроля геометрии и обратного проектирования в различных сферах – от производства и ремонта деталей и запчастей подвижного состава до мониторинга железнодорожных сооружений.

Проиллюстрируем преимущества 3D-сканирования на примере проекта китайской компании Guangzhou South High-Speed Railway Surveying Technology Co., Ltd. (South High-Speed Railway), которая проводит геодезические работы для выявления деформаций конструкций высокоскоростных железных дорог, подземных железных дорог, тоннелей, подпорных стен и откосов насыпи, а также поставляет сверхточные приборы для анализа шахт, отводов, трубопроводов и других объектов. Одна из основных задач компании – поиск передовых технологий, оборудования и ПО для геодезических измерений.   

Контроль безопасности тоннелей с помощью технологии 3D-сканирования FARO

При выработке тоннеля методом бурения или подрывания неизбежна чрезмерная или недостаточная выработка. Особую важность при этом имеет начальная обделка и ее толщина. Несвоевременное решение проблем с обделкой приводит не только к повышению стоимости строительства, но и к снижению качества и эксплуатационной безопасности всего тоннеля. В построенный тоннель будет просачиваться вода, в его обделке будут возникать трещины, а его конструкция будет ослабевать. Это обусловлено рядом факторов: геологическими условиями, ухудшением характеристик материалов, колебаниями и т.д. Так, выявление угроз эксплуатационной безопасности стало неотъемлемой частью строительства тоннеля.

Слева: участок строительства тоннеля. Справа: просачивание воды

Специфика строительства тоннелей подразумевает непрерывную работу на этапе выработки. Ее нельзя приостановить на длительный срок, и проведение геодезических измерений в тоннеле становится большой проблемой. У компании South High-Speed Railway имеется как стационарный лазерный 3D-сканер для применения в неблагоприятных условиях, так и система обнаружения дефектов тоннеля, перемещающаяся по путям. В основе системы – лазерный 3D-сканер FARO для анализа тоннелей метрополитена и высокоскоростных подземных железных дорог на этапах эксплуатации и технического обслуживания.

Закажите бесплатное тестовое 3D-сканирование

South High-Speed Railway помогла множеству клиентов, в число которых входят метрополитены Шэньчжэня, Гуанчжоу и Пекина, исследовать тоннели на наличие дефектов. В ходе этих исследований демонстрировался научный экологически рациональный подход к контролю эксплуатационной безопасности.

Компания, имеющая стабильные позиции и большой опыт в железнодорожной отрасли, продолжает использовать дефектоскопию железнодорожных путей. «Исследование и разработка оборудования для дефектоскопии путей начались в 2008 году. В 2018 году, после десяти лет изучения и развития технологии, в нашей компании открылся отдел мониторинга», – говорит менеджер Ли Чжунли. В 2018 году South High-Speed Railway приобрела два лазерных 3D-сканера FARO – Focus S350 и Focus M70 – и запустила мобильную систему выявления дефектов тоннелей на базе FARO Focus S350. Система автономна и работает в режиме реального времени. Кроме того, для ее работы требуется меньше исходных данных. Система выполняет сбор данных облака точек тоннеля и передает данные, необходимые для выявления дефектов, что значительно повышает эффективность работы.

Трудности и задачи, возникающие при дефектовке тоннелей

«Выявление недостаточной или чрезмерной выработки тоннеля – трудная задача. Специалисты по проведению геодезических работ могут попасть на объект только на этапе строительства. Учитывая меры безопасности и специфику строительства, у персонала нет возможности оставаться на объекте длительное время», – отмечает Ли Чжунли. На этапе выработки и начальной обделки стены тоннеля чрезвычайно неустойчивы. Кроме того, есть риск падения камней. Слабая освещенность объекта, недостаточная вентиляция, запыленный воздух, неровная дорога и темные траншеи делают условия работы по-настоящему суровыми.

Слева: кольцевой ортофотоснимок. Справа: выявление чрезмерной или недостаточной выработки

До использования лазерных 3D-сканеров для выявления недостаточной или чрезмерной выработки геодезистам приходилось рассчитывать только на свой опыт и тахеометры. Как правило, осадка грунта и гребни выявляются «на глаз», а для проведения поперечного обследования очевидных раздувов используется тахеометр. Тем не менее у этих методов есть ограничения. Получить точные фактические данные «на глаз» невозможно. Кроме того, специалисты могут ошибиться. И хотя точные данные можно получить при помощи тахеометра, количество выбранных точек будет ограничено, а интервал участков – увеличен. Результаты геодезических работ не соответствуют фактическому состоянию объекта.

Как 3D-сканер FARO повышает эффективность выявления дефектов тоннелей

Специалисты компании South High-Speed Railway используют лазерные 3D-сканеры FARO для обнаружения дефектов на этапах строительства, эксплуатации и обслуживания тоннеля. Для вычисления необходимого количества бетона на этапе строительства используется метод анализа чрезмерной и недостаточной выработки и сравнения данных облака точек. На этапе эксплуатации и технического обслуживания применяется метод выявления деформаций тоннеля и вычисления диаметра схождения пластов, благодаря чему можно получить фактические данные, необходимые для безопасного движения поездов.

Скорость 3D-сканера FARO очень высока (до 976 тысяч точек в секунду) – сканирование внутренней стенки тоннеля занимает всего несколько минут

Как правило, к моменту анализа тоннеля линия фактического пути еще не проложена. Лазерный 3D-сканер устанавливается в туннеле и сканирует сегмент, требующий анализа чрезмерной или недостаточной выработки. Параллельно при помощи тахеометра выполняется сбор координат сферического призменного зеркала. Затем эти координаты преобразуются в абсолютные координаты. После сбора данных облако точек и модель тоннеля с абсолютными координатами импортируются в ПО для трехмерного мониторинга. Затем можно провести анализ тоннеля на предмет чрезмерной/недостаточной выработки и вычислить необходимое количество бетона, что позволит получить показатели безопасности для строительства тоннеля.

Скорость 3D-сканера FARO очень высока (до 976 тысяч точек в секунду) – сканирование внутренней стенки тоннеля занимает всего несколько минут. Такая скорость повышает эффективность работы и дает возможность максимально восстановить в модели внутренние стенки тоннеля, что позволяет использовать все полученные сведения и экономить время и средства. Максимальное расстояние сканирования в тоннеле достигает 100 м, что делает Focus 70 превосходным решением для сканирования на этапе выработки. «Сканирование занимает от трех до пяти минут», – утверждает Ли.

Тележка с 3D-сканером FARO для проведения геодезических измерений в эксплуатации

Для выявления дефектов тоннеля на этапе эксплуатации и обслуживания используется мобильная система на основе технологии лазерного 3D-сканирования FARO. Технология мобильного сканирования сокращает время сбора данных по сравнению с традиционной технологией стационарного сканирования, при этом данные не нужно объединять. Технология подходит для тоннелей, приостановка работы которых в ходе эксплуатации и обслуживания возможна лишь на короткий срок. Скорость системы составляет 1,4 км/ч, она работает автономно на расстоянии до 180 м, а для ее эксплуатации достаточно двух-трех человек. Относительная точность данных облака точек может достигать 3 мм. Поскольку анализ и обработка таких данных выполняются в ПО, можно получить результаты поперечного анализа и вычислений диаметра схождения пластов и участка подъема над уровнем грунта, а также ортофотоснимок структуры тоннеля.

В настоящий момент компания South High-Speed Railway работает совместно с центром контроля качества строительства в городе Шеньчжэнь над выявлением дефектов на участке «Аэропорт Баоан» дороги «Гуанчжоу-Дунгуань-Шэньчжэнь». Для анализа используется мобильная тележка для геодезических измерений на базе технологии FARO. Центр контроля качества строительства в городе Шеньчжэнь оказывает техническую поддержку отделу административному управлению строительства в части соблюдения норм и контроля качества строительных проектов, а также сотрудничает с муниципальными организациями по контролю качества.

По словам специалиста геотехнического отдела центра контроля строительства в городе Шеньчжэнь, тележка для сканирования значительно повысила эффективность анализа. Говоря о дальнейшей модернизации, он сообщил, что компания продолжит анализировать влияние уклона на постоянную скорость и повысит точность мобильного сканирования, что позволит оптимизировать результаты. 

Компания South High Speed Railway продолжает исследовать технологические инновации и совершенствовать решения для выявления дефектов конструкций, чтобы предлагать клиентам системы, которые полностью удовлетворят их требованиям. Благодаря цифровизации, стандартизации, сбору информации о 3D-сканировании тоннелей и многолетнему опыту South High-Speed Railway рассчитывает в полной мере задействовать свои разработки в области геодезического измерения тоннелей и стандартизировать процесс их трехмерного мониторинга.

Статья опубликована 07.07.2020 , обновлена 31.01.2023