IMPROVING THE METHODOLOGY OF GEODETIC SUPPORT FOR THE CONSTRUCTION OF A UNIQUE MULTIFUNCTIONAL SPORTS COMPLEX ‘ROLLING STONES’ IN LIPETSK

Геодезическое сопровождение строительства является обязательной частью комплекса строительно-монтажных работ по возведению уникальных сооружений. Для успешной реализации прогрессивных  решений в области проектирования и строительства, необходимо анализировать и постоянно совершенствовать технологию геодезического сопровождения строительства. Это вызвано тем, что конструктивные особенности многих современных сооружений очень разнообразны и их поведение под действием комплекса различных нагрузок и агрессивного воздействия среды изучено еще не до конца.

Данная статья посвящена совершенствованию методики геодезического сопровождения строительства многофункционального спортивного комплекса «Катящиеся камни», строящегося в г. Липецк.

Строительство объекта началось еще в 2012 году венгерской фирмой Market. Однако, в связи с высокой стоимостью реализации проекта (7 миллиардов рублей), стройка была заморожена. В конце 2017 г. строительство комплекса продолжила фирма ОАО трест «Липецкстрой». В настоящий момент ведется строительство ледовой арены комплекса.

Проект спортивного комплекса представляет собой три стадиона (камня) с куполообразной крышей и является уникальным не только для Липецкой области, но и для всего Черноземья. По всем параметрам спорткомплекс соответствует стандартам качества спортивных сооружений мирового уровня, не имеет аналогов и до сих пор продолжает меняться, в связи с чем, сроки окончания строительства в техзадании не указаны.

Геодезическое сопровождение строительства выполнялось по общепринятой методике, в соответствии с требованиями действующих нормативных документов Ростехнадзора, Госстроя Российской Федерации и технического задания.

При разработке методики геодезического контроля необходимо было учесть, что особенностью объекта, помимо уникальности проекта, является его длительная консервация, следовательно, геодезическое сопровождение строительства должно опираться на надежную геодезическую разбивочную основу (ГРО) к которой проектная документация предъявляет повышенные требования.

Учитывая это, для повышения точности работ было принято решение закреплять геодезическую основу на объекте не стандартным способом, а в виде пунктов принудительного центрирования (рис. 1). Обоснование выбора такой конструкции будет описано ниже.

Рисунок 1 - Пункты ГРО, закрепленные в виде пунктов принудительного центрирования

DOI:10.60797/IRJ.2025.158.116.1

Геодезическая опорная сеть ледовой арены включает в себя разбивочную сеть всей строительной площадки, разбивочную основу ледовой арены, внешнюю разбивочную сеть  разбивочные и монтажные оси.

Внешняя разливочная сеть сооружения представляет собой систему плановых и высотных знаков, закрепляющих разбивочные (главные, основные, монтажные) оси и нивелирные пункты, геометрически связанных между собой и определяющих их координаты Х, У и высоты Н, привязанные к пунктам государственной геодезической сети

В общем виде геодезическая разбивочная основа ледовой арены представлена на рис. 2.

Рисунок 2 - Схема геодезической разбивочной основы ледовой арены спорткомплекса «Катящиеся камни»

DOI:10.60797/IRJ.2025.158.116.2

Чтобы добиться высокой геометрической точности в определении положения пунктов ГРО при создании сети проводились дополнительные линейно-угловые измерения через вспомогательные штативы и закрепленные на них отражателями (рис. 3).

Рисунок 3 - Схема проводимых измерений

DOI:10.60797/IRJ.2025.158.116.3

После обработки результатов многочисленных измерений в расчетно-графическом комплексе CREDO была получена высокоточная линейно-угловая сеть ГРО отвечающая заданным требованиям.

Пункт принудительно центрирования (ППЦ) позволяет быстро и точно установить геодезический прибор строго над центром опорного знака и обходиться без использования  штатива при установке прибора, так как конструкция пункта сама выполняет функцию такого штатива. Геодезический прибор ставится на специальный столик на опорном пункте и закрепляется становым винтом, или же сам столик и становой винт являются одним целым и прибор просто накручивается сверху, что значительно сокращает время на точную установку прибора (рис. 4).

Рисунок 4 - Схема приспособлений для центрирования геодезического прибора на пункте принудительного центрирования

DOI:10.60797/IRJ.2025.158.116.4

Конструкции приспособления для принудительного центрирования могут быть изготовлены в виде металлических труб, различных видов свай, железобетонных колонн и пилонов, и других конструкций, обеспечивающих устойчивость ППЦ (рис. 5).

Рисунок 5 - Схема конструкции ППЦ

DOI:10.60797/IRJ.2025.158.116.5

Глубина заложения ППЦ выбирается в зависимости от типа грунта и глубины его сезонного промерзания для региона работ.

Для усиления устойчивости ППЦ возможно увеличение веса конструкции, изменение глубины его заложения и снабжения пункта якорем. В некоторых случаях для оптимизации и сокращения времени работ в боковую грань конструкции ППЦ, выше поверхности земли рационально закладывать стенные реперы.

3.1.  Ошибка центрирования

На большинстве строительных объектов геодезическая разбивочная основа (ГРО) представляет собой небольшие по площади сети с короткими сторонами. В этих случаях значительное влияние на точность геодезических измерений на всех этапах работ оказывают ошибки центрирования приборов над пунктом ГРО.

Если сравнивать ППЦ с пунктами, где установка прибора над центром выполняется на штативе с использованием нитяного, оптического или лазерного отвеса, то очевидно, что во втором случае на ошибку центрирования будут влиять точность применяемого отвеса, диаметр отверстия, являющегося центром пункта, а также человеческий фактор. Наибольшая же точность установки прибора над центром пункта будет достигнута именно при использовании ППЦ, при условии, что приспособление для центрирования изготовлено с соблюдением размеров, указанных в чертежах, перпендикулярности станового винта столику, а также при соблюдении горизонтальности столика во время сооружения пункта.

3.2.  Преимущества и недостатки использования ППЦ

Положительным фактором является то, что для ППЦ можно пренебречь температурными перепадами в течение дня, что при точных работах приходится учитывать в процессе работы со штативом. Отсутствие штатива на пунктах ГРО исключает возможные проблемы, связанные с температурным расширением ножек штатива в ясную солнечную погоду, и при подтаивании промерзшего грунта под его весом в периоды низких температур. Кроме того, снижается вес оборудования, который необходимо переносить сотрудникам геодезических служб во время перемещения по строительной площадке.

1. Погодные условия. При использовании ППЦ исключается влияние ветра на устойчивость приборов. В зимний период пункт не будет занесён снегом.

2. Количество сотрудников. В сочетании с роботизированными тахеометрами ППЦ делают возможным выполнение некоторых видов работ одним сотрудником. Например, это могут быть вынос в натуру контуров котлованов, разбивка основных осей зданий, съёмка разработок грунта или готовых фундаментов. Таким образом, может быть оптимизировано количество персонала, задействованного в геодезическом сопровождении строительство.

3. Сооружение опознавательного знака. Как правило, на больших строительных площадках требуется сооружение обноски и других специальных конструкций для поиска геодезического пункта на больших расстояниях. При установке ППЦ возможна его покраска в яркий цвет, для  однозначного определения пункта.

В качестве основных недостатков закрепления ГРО в виде ППЦ можно выделить:

1) для удобства работы бывает необходимо параллельно с пунктами ГРО создавать высотную сеть для возможности выполнения работ с использованием нивелиров;

Проблема сводится к минимуму закреплением высотных реперов в стенках (гранях) ППЦ выше уровня земли.

2) необходимость в использовании отражателей со специальным адаптером для возможности их установки на ППЦ, что несколько повышает затраты на геодезическое сопровождение строительства.

Проблема может быть решена внесением изменений в конструкцию приспособления для принудительного центрирования – добавлением углубления под отражатель по центру станового винта.

При производстве высокоточных работ необходимо любыми путями сводить к минимуму возможные погрешности измерений. В таких случаях правильная работа всей измерительной системы играет основную роль.

Как правило, в современных лазерных дальномерах тахеометров используется метод определения расстояний через разность фаз излучаемого и принятого (отраженного) светового луча, хотя встречаются тахеометры с импульсными дальномерами, в которых измеряется время прохождения лучом заданного расстояния. Очевидно, что наиболее точными будут измерения, выполненные на призменный отражатель, который центрирован над измеряемой точкой.

В связи с этим на подобных уникальных объектах, в дополнение к пунктам принудительного центрирования предлагается использовать приземные отражатели различных конструкций.

3.3. Характеристики и особенности использования приземных отражателей при высокоточных измерениях

Призменный отражатель представляет собой прозрачную стеклянную призму, служащую для отражения принятого светового луча строго в обратном направлении. По принципу действия такое устройство можно рассматривать как уголковый отражатель — систему трех взаимно перпендикулярных прямых зеркал, последовательно отражаясь от которых, луч света возвращается в направлении его источника (отражатель обратного действия). 

Отражение луча от внутренних граней стеклянной призмы происходит за счёт эффекта полного внутреннего отражения. Некоторые производители могут дополнительно покрывать скошенные грани призмы светоотражающим материалом.

При измерении расстояния лазерным дальномером помимо состояния и свойств атмосферы, сквозь которую проходит световой луч, необходимо учитывать особенности призменного отражателя и устройства, в котором он закреплён. Выше было показано, что луч света в призме проходит сложный геометрический путь, последовательно отражаясь от трёх внутренних граней. При условии ориентирования отражателя строго вдоль оси визирования, длина этого пути будет постоянна, независимо от того, в какую точку передней грани призмы входит световой луч. На нижеприведённом рисунке рассматривается идеализированная ситуация для двух отражений светового луча (рис. 6).

Рисунок 6 - Упрощенная схема с двумя отражениями и без преломления светового луча, возникающего на границе между воздушной средой и стеклом

DOI:10.60797/IRJ.2025.158.116.6

Из рисунка следует, что при измерении расстояния до точки p, полученный результат необходимо корректировать на глубину призмы d. По факту же, расстояние, пройденное световым лучом от точки p до вершины призмы, будет больше, из-за того, что показатель преломления стекла, из которого изготовлена призма выше, чем у воздуха — ng ≡ 1,52.

Иными словами, свет в призме движется медленнее, чем в воздушной среде, что для измерительной системы тахеометра выглядит как увеличение длины пути. По этой причине, необходима коррекция не на значение глубины призмы d, а на значение оптической длины пути светового луча от передней грани призмы до её вершины. Величина  аддитивной постоянной призмы, определяется по произведению показателя преломления стекла на глубину призмы:

Ka = ng ⋅ d

Конструкция держателя, в котором закрепляется призменный отражатель, также оказывает влияние на результат измерений  и требует последующей корректировки расстояния, если присутствует смещение передней грани призмы от вертикальной оси, проходящей через измеряемую точку (рис. 7).

Рисунок 7 - Определение величины корректировки призменного отражателя

DOI:10.60797/IRJ.2025.158.116.7

Таким образом, расстояние корректируется так:

– вычитается аддитивная постоянная призмы Ka; 

– прибавляется значение смещения передней грани призмы от вертикальной оси e.

Этими поправками определяется постоянная отражателя Кr:

Kr = e – Ka

Значение именно этой постоянной указывается производителями геодезического оборудования на корпусах отражателей

Отдельно стоит выделить призменные отражатели компании Leica Geosystems, для которых производителем указывается не абсолютная постоянная призмы, а так называемая постоянная Leica, которая определяется относительно стандартного отражателя данного производителя GPR1, закреплённого в держателе GPH1. Для такой системы Kr = -34,4 мм, а KLeica = 0.

В случае использования отражателей Leica Geosystems с тахеометрами других производителей, значение абсолютной постоянной возможно рассчитать по следующей формуле:

Kr = KLeica - 34,4.

И в обратной ситуации:

 KLeica = Kr + 34,4.

При необходимости постоянная отражателя может быть уточнена геодезистом непосредственно перед выполнением работ, но это уже тема для отдельного исследования.

3.4. Влияние поворота отражателя

Для получения точных результатов измерений тахеометром, призменный отражатель необходимо ориентировать строго вдоль оси визирования, в противном случае, видимый центр призмы будет смещён в сторону от оси вращения отражателя (рис. 8).

Рисунок 8 - Ориентирование призменного отражателя вдоль оси визирования

DOI:10.60797/IRJ.2025.158.116.8

Возникающее смещение делает невозможным точное наведение по видимому центру — это одинаково работает как для поворота вокруг вертикальной, так и для поворота вокруг горизонтальной оси. Значение ошибки ориентирования на цель может существенно различаться у разных моделей отражателей при одном и том же угле поворота. Уменьшение ошибки ориентирования при повороте отражателя возможно двумя путями. Первый — ориентирование по визирным маркам, закрепляемым на корпусе отражателя (рис. 9).

Рисунок 9 - Ориентирование по визирным маркам, закрепленным на корпусе отражателя

DOI:10.60797/IRJ.2025.158.116.9

Если визирная марка закреплена таким образом, что её вертикальная ось вращения проходит через измеряемую точку, то геодезисту потребуется только совместить сетку нитей зрительной трубы с метками на марке.

Второй путь — это использование отражателей, у которых вертикальная ось вращения расположена как можно ближе к видимому центру. Когда отражатель не ориентирован вдоль оси визирования, такая конструкция обеспечивает смещение видимого центра на минимальные значения. Например, у Leica GRP1 смещение не превышает 1 мм при повороте на угол 40°. В призме, ориентированной строго вдоль оси визирования, длина пути светового луча постоянна и определяется глубиной призмы.

В противном случае длина пути луча в призме также зависит и от угла её поворота — чем угол больше, тем длиннее путь. В воздушной же среде, длина пути светового луча, в зависимости от положения оси вращения призмы, может как увеличиваться, так и уменьшаться. В результате возникает ошибка продольного сдвига — расстояние измеряется неверно.

Если резюмировать изложенное выше, то можно сказать, что точное ориентирование отражателя вдоль оси визирования является необходимым условием для проведения точных измерений при помощи тахеометров. Тем не менее из этого правила есть исключение, которое относится к паразитным отражениям светового луча. При достижении лучом дальномера передней грани призмы, небольшой процент сигнала отражается от её внешней поверхности. И то же самое происходит при достижении лучом внутренней поверхности передней грани.

В обоих случаях паразитные отражения возвращаются к источнику за время, отличное от времени, затраченного лучом на прохождение расстояния до цели и обратно. В результате искажается сигнал, принятый дальномером, что может влиять на точность определения пройденного световым лучом расстояния. Описанный феномен проявляется на коротких дистанциях, при очень точном выравнивании отражателя вдоль оси визирования. Для исключения влияния паразитных отражений на результаты измерений возможно использование устройств, в конструкцию которых изначально заложен небольшой наклон призмы.

Как было упомянуто выше, призменный отражатель может быть закреплён на различных устройствах, в том числе на пунктах принудительного центрирования. Для обеспечения максимальной точности эти устройства, в свою очередь, должны соответствовать определённым требованиям:

– пузырьковые уровни, в случае их наличия, должны быть поверены и, при необходимости, отъюстированы;

– вехи должны быть идеально ровными;

– любой люфт и разболтанность деталей, возникающие в процессе эксплуатации, должны быть устранены.

Целесообразность использования того или иного оборудования должна определяться видом работ и требованиями к точности результатов. Так, для съемочных и разбивочных работ при возведении бетонных конструкций необходимо применять минипризму — отражатель, закреплённый на минивехе с тонким острым наконечником. В случае прокладки полигонометрического хода по трехштативной системе, применяются призменные отражатели, закреплённые на трегерах. Для сопровождения земляных работ могут идеально подойти круговые отражатели. Следует добавить, что знание особенностей эксплуатации оборудования не менее важно, чем понимание работы самого призменного отражателя.

Таким образом, использование призменного отражателя совместно с пунктами принудительного центрирования позволяет надежно обеспечить высокоточные геодезические измерения на любых сложных и уникальных строительных объектах.