Применение инновационных технологий при подводном обследовании транспортных сооружений

DOI:

За последние несколько десятилетий в нашей стране и во всем мире был зафиксирован целый ряд крупных аварий и катастроф на транспортных, гидротехнических сооружениях различного назначения: на автодорожных и железнодорожных мостах, причалах, дамбах и т. д. И все эти сооружения объединяет наличие у каждого частей и отдельных элементов конструкций, которые находятся под водой.

Говоря об авариях на мостах, зачастую официальными причинами указывают возникшие на подводных частях сооружений дефек- ты и повреждения, образующиеся вследствие влияния нескольких факторов [1]:

• 1 ) недоброкачественное выполнение строительных работ;

• 2 ) нарушение режима технической эксплуатации;

• 3 ) ошибки, допущенные при проектировании (в том числе недоучет природных условий).

Учитывая данные факты, становится очевидным важность и необходимость проведения периодических обследований и осмотров состояния подводных элементов мостов, благодаря которым стало бы возможно пре- дотвращение значительного количества случившихся в последнее время в России аварий на мостовых сооружениях:

• –    размыв опор моста через реку Киевка в г. Калуга 16 сентября 2013 года. Обвал и повреждение частей конструкций, разрушение ограждений, пешеходных тротуаров, деформации пролетного строения;

• –    обрушение железнодорожного моста через реку Абакан в Аскизском районе республики Хакасия 17 мая 2011 г. вследствие размыва четвертой опоры сооружения и в результате разрушения одного из пролетных строений;

• –    разрушение моста через реку Дарья в Истринском районе Московской области от воздействия обильных паводков 24 мая 2013 г.;

• –    размыв насыпи конуса опоры моста через реку Уруп в районе Армавира 27 мая 2014 г. в результате постоянного воздействия изменяющегося водного потока и обводнения грунта и др.

Инспектирование и мониторинг частей моста, расположенных ниже уровня воды, сведут к минимуму расходы на возможные последующие ремонты и реконструкции сооружения в результате заблаговременного обнаружения дефектов и повреждений, которые потенциально могут вызвать необратимые деформации конструкции моста.

Обследования элементов мостов, находящихся под водой, являются крайне важными мероприятиями по поддержанию высоких эксплуатационных показателей конструкции, которые, в свою очередь, определяют степень устойчивости, долговечности и безопасности работы мостового сооружения.

В нашей стране в настоящее время освещенность проблемы подводных обследований мостов находится на крайне низком уровне. Существует малое количество информации о состоянии подводных элементов мостов. Большинство методик инспектирования частей сооружений под водой устарели, а смена им практически не готовится. За исключением статей авторов [1–11] почти отсутствуют свежие публикации, пособия и наработки, связанные с данной проблемой. Также результаты многих проведенных за последнее время осмотров подводных элементов мостов оставляют целый ряд вопросов по эффективности проведенных мероприятий, в том числе и по их результатам.

В данной работе проводится анализ новейших методик подводного обследования транспортных сооружений, в том числе мостов, при которых применяются инновационные технологии осмотров сооружений, погруженных в воду.

Планирование подводного обследования транспортного сооружения

Эффективность и качество проведения обследования подводных частей мостового сооружения напрямую зависят от грамотного планирования всех процедур и мероприятий, в процессе которых стремятся к высокой производительности обследования, низким затратам и полной безопасности участников осмотра подводных элементов моста.

При планировании подводного обследования руководитель группы не должен полагаться только лишь на проектную документацию: важно проверить количество, размеры и вид всех интересующих подводных элементов моста на местности. Необходимо учитывать:

• –    возраст сооружения;

• –    виды строительных материалов, использованных при строительстве;

• –    геометрические параметры моста, систему, назначение;

• –    особенности смежных построек на реке в виде дамб, плотин, портов;

• –    особенности водотока и его русла (глубина, скорость течения и др.);

• –    архив данных о проведении различного рода мероприятий на мосту;

• –    наличие уже известных дефектов и повреждений, их размеры и характеристики.

Крайне важно предусмотреть возможность появления рисков и осложнений, которые могут повлиять на работу группы по подводному обследованию, использующей специальное оборудование и проборы. Также необходимо принять все возможные меры для сведения к минимуму или устранения возможных рисков, таких как [5; 12]:

• –    изменчивость скорости течения воды в реке;

• –    крайне низкая температура воды в реке;

• –    ограниченная видимость, загрязненность водоема;

• –    наличие скоплений льда и айсбергов;

• –    интенсивное движение судов и других средств передвижения на реке;

• –    наличие находящихся вблизи дамб и плотин, влияющих на водоток;

• –    большое количество растительности и другой органики в воде;

• –    ведущиеся строительные работы на мосту или на других близлежащих объектах и др.

С учетом всех вышеперечисленных факторов происходит выбор методики проведения подводного обследования сооружения. В статьях [1–11] детально освещены методы подводных обследований мостов, при которых инспектирование осуществляют специально подготовленные дайверы с помощью ряда приборов и оборудования. В данной работе рассмотрим применение инновационных технологий обследования подводных частей транспортных сооружений с использованием дистанционно-управляемых аппаратов (ДУА – англ. ROV, Remotely Operated Vehicle), сонар-ных и других устройств.

Использование дистанционноуправляемых аппаратов при подводном обследовании транспортных сооружений

Историческая справка

Первым шагом в понимании любой технологии является понимание необходимости ее существования. В случае с дистанционноуправляемыми аппаратами ответ довольно прост. Другого более удобного, безопасного и экономически целесообразного метода выполнения подводных работ, в том числе и подводных обследований транспортных сооружений, не существует.

До сих пор остается неясным, кто является разработчиком первого ДУА. Как правило, на это звание выделяются два кандидата. Программируемый подводный аппарат (programmed underwater vehicle, PUV) представлял собой торпеду, разработанную компанией Luppis-Whitehead Automobile в Австрии в 1864 г., но первый настоящий ДУА, на- званный POODLE, был разработан в США Дмитрием Ребиковым в 1953 г. [14; 17]. И хотя аппарат был изначально предназначен для археологических исследований и его влияние на историю дистанционно-управляемых аппаратов минимально – это был первый прототип современного ДУА.

К 1974 г. во всем мире было сконструировано 20 аппаратов, 17 из которых финансировали государственные структуры. Вот некоторые из них: ERIC и Telenaute из Франции, PHOCAS из Финляндии, SNURRE из Норвегии, SUB-2, CUTLET из Великобритании, ANGUS 001, 002, 003 из Шотландии, «КРАБ-4000» и «МАНТА» из СССР.

В последующем ДУА стали широко применяться коммерческими фирмами при разработке шельфовых месторождений, а также строительстве и мониторинге буровых сооружений. Стало возможным детальное исследование на большой глубине затонувших кораблей (линкора «Бисмарк», парохода «Титаник», авианосца «Йорктаун» и мн. др.). К примеру, недавно группа исследователей из компании Aurora Trust при осмотре затонувшего в Бискайском заливе корабля обнаружила тысячи бутылок вина, возраст которых оказался равен 2 200 годам. Как выяснили исследователи с помощью аппарата Saab Seaeye Falcon ROV, судно доставляло вино в Римскую колонию Картахена.

На сегодняшний день диапазон решаемых ДУА задач постоянно расширяется, парк аппаратов стремительно растет. Выполнение с помощью них работ по обследованию и мониторингу подводных частей транспортных сооружений по экономическим показателям обходится намного дешевле дорогостоящих водолазных работ. При этом стоит отметить, что первоначальные инвестиции будут достаточно велики. Также стоит обратить внимание на тот факт, что выбор методики подводного обследования каждого сооружения должен быть индивидуальным и, возможно, в конкретном случае целесообразно будет использовать специалистов-дайверов.

Принцип работы дистанционно-управляемых аппаратов

ДУА представляет собой подводный аппарат, который удаленно управляется специ- алистами с борта судна. Аппарат связан с судном кабелем, через который на него поступают сигналы управления и электропитание для функционирования систем ДУА и установленного на нем оборудования, а обратно передаются данные с датчиков и видеоинформация [15].

В настоящее время на рынке доступен широкий ассортимент ДУА, которые классифицируются по типу привода (электрический, гидравлический или электрогидравлический); мощности и количеству движетелей; грузоподъемности; глубине погружения; видам выполняемых работ (наблюдение, обследование, сбор данных, другие подводные работы).

Дистанционно-управляемые аппараты могут быть оснащены целым рядом различных устройств и оборудования, в зависимости от потребностей заказчика и целей подводного обследования сооружения [12]:

• –    впередсмотрящим сонаром, гидролокатором бокового обзора, многолучевым эхолотом, магнитометром, донным профилографом и другими датчиками;

• –    фото- и видеокамерами FullHD;

• –    гидравлическим модулем, используемым для привода различных инструментов;

• –    манипуляторами с различным числом степеней свободы;

• –    электрическими и гидравлическими инструментами: тросорезом (дисковым или типа гидравлических ножниц); щеткой для чистки конструкций и др;

• –    ультразвуковым толщиномером или дефектоскопом;

• –    датчиком катодного потенциала;

• –    склерометром;

• –    лазерным измерителем размеров с возможностью масштабирования видеоизображения;

• –    локатором арматуры;

• –    трассопоисковым комплексом;

• –    инерциальной навигационной системой;

• –    гидроакустической системой позиционирования;

• –    другим специальным оборудованием и датчиками.

Основным преимуществом использования данных аппаратов при подводном обследовании транспортных сооружений по сравнению со специалистами-дайверами являет- ся способность проведения неограниченного количества времени на недоступных для дайвера глубинах. В результате повышается безопасность мероприятий по подводному обследованию. Также ДУА могут использоваться заблаговременно до погружений специалистов-дайверов под воду для сбора важной информации о дефектах и повреждениях конструкций сооружения, об особенностях экосистемы водотока (загрязненности, скоплений техногенного мусора), а также о других возможных рисках и осложнениях, которые могут возникнуть при работе специалистов-дайверов под водой и угрожающие их безопасности.

Дистанционно-управляемые аппараты в РФ

В России существует ряд компаний, конструирующих дистанционно-управляемые аппараты, которые вполне конкурентоспособны на рынке. Однако использование отечественных ДУА при подводном обследовании транспортных сооружений в нашей стране находится на низком уровне, что обусловлено отсутствием заинтересованности в проведении периодических обследований подводных частей сооружений. Соответственно, нет и потребности в ДУА. Также отсутствуют нормативные документы, методики, научные труды, посвященные вопросу использования дистанционноуправляемых аппаратов при подводном обследовании транспортных сооружений (см. рис. 1).

Примеры использования ДУА при подводном обследовании транспортных сооружений

• 1.    В мае 2008 г. на Среднем Западе США выпало большое количество осадков, в значительной мере превышающее норму, что спровоцировало подъем уровня рек и последующие за этим многочисленные наводнения [18]. Наиболее пострадавшим от паводков был штат Айова. Власти всерьез обеспокоились о состоянии мостов, находящихся на территории штата.

• 2.    В 2009 г. было произведено экстренное обследование моста «State Route» через

  

  Рис. 1. ДУА RB-600 российского производства компании «RovBuilder»

  
  
  

  Рис. 2. Изображения подводных частей опор, полученные при использовании сонарных устройств «Kongberg Mesotech», установленных на ДУА

  
  

Из-за усиливающегося течения воды в реке происходит многократное замачивание и разуплотнение грунта засыпки около опор, что может привести к местным и общим размывам и, вследствие этого, к необратимым де- формациям сооружения. При наводнении массы воды несут с собой скопления обломков сооружений и техногенного мусора, которые при столкновении с подводными элементами мостов могут привести к их повреждению. Также при колебаниях уровня воды в реке происходит попеременное смачивание и высыхание поверхности элементов конструкций моста, что ведет к интенсификации коррозийных процессов, обычно имеющих место на сооружениях.

Использование дайверов при обследовании мостовых опор и их фундаментов было исключено. Выход был найден в использовании сонарных устройств, располо- женных на дистанционно-управляемых аппаратах. В результате были получены подводные изображения зон около моста во время пика паводка, а также данные о состоянии опор моста. Далее был проведен анализ информации и моделирование возможных негативных влияний наводнения на конструкцию моста (см. рис. 2).

Было получено подтверждение тому, что ни один мост не потребовал немедленных мер по усилению сооружения, однако было принято решение о проведении дальнейшего мониторинга мостового сооружения.

реку Иллинойс в Центральном Иллинойсе с целью оценки степени повреждения конструкций опор моста в результате столкновения моста с баржей [18]. Так как скорость течения воды в реке на тот момент превышала 3 м/с, а также ввиду значительного количества обломков, скоплений мусора и древесины на интересующем водном участке, было принято решение о проведении подводного обследования с использованием ДУА и установленных на них сонарных устройств.

Полученные детальные изображения конструкций опор моста помогли составить весьма подробную картину состояния подводных элементов моста и последствий от навала баржи на мост. При дальнейших обследованиях моста с привлечением специалистов-дайверов использовалась информация, полученная с помощью ДУА, которая значительно упростила и способствовала увеличению безопасности во время работы водолазов под водой. Отчеты об обследовании были использованы во время судебных разбирательств (см. рис. 3).

Заключение

Проведение периодических подводных обследований каждого транспортного сооружения, конструкции которого находятся в непосредственном контакте с водной средой, существенно повысит уровень безопасности эксплуатации сооружений в нашей стране, и положительно повлияет на их долговечность. Подводное обследование транспортных сооружений позволит существенно снизить затраты на ремонт и восстановительные работы при своевременном обнаружении различного рода дефектов и повреждений.

При проведении обследования подводных частей сооружений резонно использовать доступные на сегодняшний день инновационные технологии в виде дистанционно-управляемых аппаратов, которые могут быть оснащены целым рядом необходимых в конкретном случае устройств и оборудования.

В перспективе необходимо создавать для каждого транспортного сооружения банк данных, который содержал бы информацию о предыдущих обследованиях и результатах мониторинга сооружения. Это позволит проводить анализ текущего состояния транспортного сооружения и кинетики его развития во времени.