Ежедневно подземные тоннели метро и железнодорожные пути перевозят десятки миллионов человек, и любая неисправность инфраструктуры может обернуться катастрофой с человеческими жертвами и экономическими потерями. Метрополитены распространились по всему миру: по данным на 2025 год, в 204 городах 65 стран действует 917 линий метро. Многие тоннели эксплуатируются десятилетиями, а некоторые — более века, что приводит к старению конструкций, накоплению повреждений и росту риска аварий. Без непрерывного мониторинга и своевременного выявления дефектов возрастает вероятность инцидентов — от протечек и деформаций до обрушений.
Статистика аварий и примеры инцидентов:
Пожар в «Бакинском метро» (1995 г.): крупнейшая техногенная катастрофа в истории метрополитенов произошла в Баку, где из-за неисправного кабеля и скопления газов вспыхнул пожар. Погибли 289 человек, сотни пострадали; причинами трагедии были устаревшее советское оборудование и неудовлетворительное состояние тоннеля.
Пожар в тоннеле «Монблан» (1999 г.): в автомобильном тоннеле через Альпы возгорание грузовика привело к гибели 39 человек. После этого случая были проведены масштабные модернизации систем безопасности тоннеля.
Обрушение тоннеля «Сасаго» в Японии (2012 г.): в дорожном тоннеле упало ~110 м подвесного вентиляционного перекрытия, погубив 9 человек. Расследование показало износ и недостаточный контроль анкерных болтов: визуальные осмотры велись регулярно, но более глубокие проверки не проводились со времени открытия тоннеля в 1977 году.
Крупнейшая авария в «Московском метро» (2014 г.): сход поезда с рельсов на перегоне «Парк Победы» — «Славянский бульвар» унёс жизни 24 пассажиров. Эта катастрофа, вызванная дефектом путевой инфраструктуры, подчеркнула необходимость усиленного контроля состояния путей и тоннелей столичной подземки.
Размывы и протечки в тоннелях: инфильтрация грунтовых вод и нарушения гидроизоляции могут приводить к затоплениям и деформациям. Например, на участке московского метро «Царицыно» — «Орехово» сразу после ввода в эксплуатацию (1984 г.) произошёл прорыв воды, затопивший путь и потребовавший месячного ремонта. В 2001 году там же внешнее давление воды повредило чугунную обделку тоннеля, и с тех пор регулярно проводятся работы по заморозке грунта и усилению тюбингов, при одновременном ограничении скорости поездов на аварийном перегоне.
Приведённые инциденты демонстрируют высокую цену промедления в выявлении дефектов. Они мотивировали отрасль к внедрению современных систем мониторинга, способных круглосуточно и автоматически отслеживать состояние тоннелей и метрополитена, предупреждая аварийные ситуации. В последние годы по всему миру реализуются проекты по автоматизированному непрерывному мониторингу, позволяющие своевременно обнаруживать опасные отклонения в состоянии конструкций и обеспечивать проактивное обслуживание инфраструктуры.
Мировые практики автоматизированного мониторинга
Во многих странах внедряются системы непрерывного мониторинга тоннелей и объектов метро, доказавшие свою эффективность в повышении безопасности эксплуатации. Международное исследование 26 метрополитенов показало, что во всём мире активно используются технологии автоматического контроля состояния путей, энергетических сетей и тоннелей для выявления предпосылок отказов и перехода к техобслуживанию по фактическому состоянию. Автоматизированный мониторинг обеспечивает ряд ощутимых преимуществ: повышение надёжности (за счёт учащения измерений и лучшего знания состояния объектов), оптимизацию регламентов техобслуживания без ущерба безопасности, снижение затрат (благодаря предупреждению аварий и более эффективному планированию работ) и улучшение безопасности персонала (меньше необходимости проводить замеры в опасной зоне). Кроме того, автоматизированный мониторинг тоннелей, при проходке под плотной или исторической застройкой, включает в себя целый комплекс автоматизированных измерений состояния зданий и сооружений на поверхности, для оценки влияния выполняемых работ и предотвращения разрушений и повреждений.
https://sixense-group.com.au/sector/tunnels
В Великобритании, при строительстве лондонской линии Crossrail (Elizabeth Line) был развёрнут беспрецедентный мониторинговый комплекс, включающий в себя не только мониторинг за состоянием строящегося тоннеля, но и непрерывные наблюдения за состоянием исторической городской застройки на поверхности. В ходе прокладки 42 км тоннелей под центром Лондона контролировалась устойчивость более 2000 сооружений на поверхности с помощью автоматических геодезических систем (призмы с электронными тахеометрами) и спутниковой радиоинтерферометрии. Специальные роботизированные тахеометры Leica TM30 (37 шт.) были установлены на стационарных опорах и круглосуточно отслеживали положение ~50 отражателей, расположенных на зданиях, с частотой 20–30 минут. Одновременно в грунте и конструкциях тоннеля были размещены тысячи датчиков: экстензометры для контроля послойных осадок, инклинометры для контроля горизонтальных смещений, датчики порового давления, автоматические щелемеры и датчики деформации.
Благодаря этой системе, инженеры в реальном времени отслеживали малейшие подвижки грунта и деформации зданий, что позволило успешно предотвратить повреждения при проходке тоннелей под историческим центром. В итоге проект был завершён без серьёзных инцидентов, несмотря на сложные условия плотной городской застройки.
В США, при сооружении автомобильного тоннеля SR 99 в Сиэтле (диаметром 17,5 м, под историческим районом города), была реализована одна из самых масштабных систем мониторинга в мире. Международная компания Sixense (Soldata) установила около 4000 датчиков различных типов, объединённых в единую сеть. В их числе: экстензометры для измерения послойных осадок, инклинометры для контроля смещений грунта, датчики порового давления, акселерометры и датчики деформаций для контроля динамических и статических нагрузок на конструкции, а также интерферометрические радары для площадного контроля деформаций.
http://geokon.com.ru/primenenie?utm_medium=organic&utm_source
Мониторинг охватывал как сам тоннель и щит «Берта», так и все уязвимые сооружения на поверхности вдоль трассы проходки. Данные поступали в режиме 24/7 на облачный портал, где автоматически анализировались на предмет превышения пороговых значений. По свидетельству руководителя проекта, такая система не могла гарантировать полного отсутствия аварий, но позволяла мгновенно реагировать на изменяющуюся обстановку и предотвращать развитие повреждений. В результате, несмотря на трудные геологические условия (неустойчивые водонасыщенные грунты), тоннель был построен благополучно, а любые возникавшие просадки грунта были своевременно компенсированы.
Страны Азии также активно внедряют автоматизированный мониторинг в метрополитенах и тоннелях. В Японии после случаев обрушения и землетрясений применяется комплексный мониторинг тоннелей: устанавливаются высокочувствительные акселерометры, реагирующие на сейсмические воздействия (системы раннего обнаружения землетрясений), тензодатчики на крепи для контроля напряжений, системы протечек для обнаружения проникновения воды. Большое внимание уделяется регулярной инструментальной диагностике: трагедия в тоннеле «Сасаго» показала, что одних визуальных осмотров недостаточно.
В Китае и Юго-Восточной Азии современные линии метро изначально проектируются с интегрированными системами мониторинга. Например, в Гонконге и Сингапуре применяются оптоволоконные сенсоры, встроенные в железобетонные обделки тоннелей, которые непрерывно измеряют деформации и температуру по всей длине сооружения. Локальное изменение температуры может указывать на возможные протечки. Оптоволоконные датчики на базе решёток Брэгга способны с высокой точностью фиксировать возникновение микротрещин и распределённых деформаций в конструкции, оставаясь стабильными на протяжении длительной эксплуатации и не подверженными электромагнитным помехам. Кроме того, во многих азиатских мегаполисах развёрнуты облачные платформы для сбора данных со всех датчиков тоннеля и объектов метро: так операционные центры метрополитенов могут в режиме реального времени видеть картину технического состояния всей системы и оперативно реагировать на отклонения. В ряде проектов (например, в Шэньчжэне, Китае) внедряются технологии «умного метро»: IoT-датчики по всей инфраструктуре, беспроводная передача данных, большие данные и машинное обучение для прогнозирования отказов оборудования.
Таким образом, мировой опыт демонстрирует, что сочетание современных датчиков, сетевых технологий и алгоритмов анализа позволяет существенно повысить безопасность тоннелей и метрополитенов.
Основные методы мониторинга и применяемое оборудование
Автоматизированный мониторинг опирается на широкий спектр датчиков, установленных на конструкциях тоннеля, в грунте и на подвижном составе. К основным относятся: инклинометры (наклономеры) — измеряют угловые отклонения и крен конструкций, позволяют фиксировать малые изгибы или боковые смещения тоннельной обделки; скважинные инклинометры — измеряют горизонтальные смещения грунтов, сигнализируя о возможных деформациях окружающего грунта; экстензометры — отслеживают взаимные перемещения грунта (по длине скважины) относительно устья скважины, располагаемом на обделке тоннеля; гидронивелиры (датчики осадки) — отслеживают вертикальные перемещения (просадки) туннеля по длине, особенно актуально в процессе выполнения строительных работ или откачке грунтовых вод; тензодатчики (датчики деформации) — датчики деформаций в арматуре и бетоне, на элементах обделки (бетонные тюбинги, металлические балки) для непрерывного измерения деформаций (тензодатчики позволяют выявлять рост нагрузок до необратимого разрушения); автоматические щелемеры — измеряют раскрытие трещин, стыков, деформационных швов, а также любых конструкций относительно друг друга; лазерные дальномеры — для контроля сходимости стенок тоннеля; акселерометры и датчики вибрации — фиксируют динамические воздействия: вибрации от движения поездов, строительно-монтажных работ или сейсмические толчки. Вибромониторинг важен как для оценки воздействий на окружающую застройку, так и для контроля состояния крепи (резкое изменение спектра вибраций может указывать на появление трещины или расслоение материала). В практике мониторинга тоннелей используются высокочувствительные сейсмодатчики, способные улавливать как низкочастотные колебания грунта, так и высокочастотные вибрации от оборудования. Например, в России для таких целей применяются 4-канальные станции Svantek SV 258 PRO с удалённой передачей данных; пьезометры и датчики влажности — служат для контроля за фильтрацией воды и поровым давлением воды вокруг тоннеля. Данное оборудование может регистрировать утечки воды через обделку или отказ дренажных систем.
Распределённые оптоволоконные датчики — новейшая технология, где чувствительным элементом является само оптическое волокно. Такие сенсоры могут измерять деформации, температуру, давление вдоль протяжённого участка тоннеля. Также широкое распространение получили оптические датчики различных типов с решётками Брэгга. Визуально это всё те же классические датчики, но их главные преимущества — отсутствие электропитания на датчике, невосприимчивость к электромагнитным помехам, высокая чувствительность и возможность мультиплексирования (десятки и сотни точек измерения на одном волокне).
Лазерное 3D-сканирование: хотя лазерный сканер не является «датчиком», постоянно установленным в тоннеле, периодическое наземное лазерное сканирование — мощный инструмент мониторинга геометрии тоннеля. Современные лазерные 3D-сканеры (например, Leica RTC360) за минуты создают миллионы точек облака, фиксируя профиль и очертание тоннеля с миллиметровой точностью. Сравнивая сканы, выполненные в разное время, можно выявлять прогрессирующие деформации обделки, провисы свода, износ облицовки и другие дефекты.
https://www.laserinst.com/news/tunnelsurveyingimproved2021?utm_medium=organic&utm_source=yandexsmartcamera
В отличие от традиционных геодезических методов (нивелир, теодолит), требующих долгих ручных измерений и хорошего освещения, лазерное сканирование полностью автоматизируемо и очень быстро даёт насыщенные данные о всей поверхности тоннеля. Уже в 2010-х годах российские инженеры разработали методики регулярной лазерной съёмки тоннелей для отслеживания их деформаций. Этот метод отлично дополняет стационарные сенсоры, а сканирование можно проводить, например, раз в год или после чрезвычайных событий, чтобы получить полную картину состояния конструкции.
Сбор данных и платформы
Каждый датчик или группа датчиков оснащается модулями передачи данных (проводными или беспроводными): это могут быть промышленные 3G/4G модемы, Wi-Fi/Bluetooth модули, радиопередатчики или подключение к медным или оптоволоконным линиям. Данные с датчиков стекаются на облачные или физические серверы, а далее на диспетчерские пункты или пульты операторов. Специализированное программное обеспечение для мониторинга позволяет ответственным инженерам просматривать показания датчиков в реальном времени из любой точки, имея доступ в Интернет. Такие платформы обеспечивают: визуализацию текущих параметров (графики, эпюры, цветовая индикация состояния на схеме); хранение и обработку больших данных (включая фильтрацию, статистику, тренды); управление удалёнными приборами (например, изменение частоты опроса); рассылку автоматических оповещений о превышении заданных пределов. Особое внимание уделяется последнему пункту: система аварийного оповещения запрограммирована на мгновенную реакцию при превышении предельных значений. Инженеры задают пороговые значения для каждого контролируемого параметра (виброускорения, осадки, ширины раскрытия трещин и т. д.), опираясь на нормативы или проектные допуски. При выходе измерения за пределы допустимого, система автоматически рассылает сообщения (по SMS, email и пр.) ответственным лицам и руководству, позволяя принять срочные меры. Например, при резком увеличении вибрации или просадки можно немедленно приостановить движение поездов и провести обследование, предотвратив аварию.
Роль искусственного интеллекта (ИИ) и аналитики: с накоплением больших массивов данных мониторинга всё большее применение находят алгоритмы аналитики данных, машинного обучения и элементы искусственного интеллекта. ИИ-модели способны обнаруживать скрытые корреляции и ранние предвестники неисправностей, которые трудно выделить вручную. Например, нейронные сети могут обучаться по историческим данным датчиков распознавать характерные «подписи» — виброакустические шумы или комбинации микродеформаций, предшествующие образованию трещины. На основе этого они формируют системы прогнозирования отказов, выдавая предупреждения задолго до того, как параметр превысит жёсткий порог. Это позволяет планировать профилактический ремонт именно там, где он реально нужен, оптимизируя расходы. Ещё один тренд — создание «цифровых двойников» тоннелей и станций. Цифровой двойник — это компьютерная модель сооружения, обновляемая в реальном времени на основе данных датчиков. Например, в модели учитываются текущие напряжения в тюбингах, динамические нагрузки от поездов, температура и влажность, измеренные датчиками. Такой двойник способен имитировать развитие процессов, позволяя инженерам проигрывать различные сценарии (например, реакцию конструкции на изменение нагрузки или затопление) и заблаговременно отрабатывать меры реагирования. По сути, сочетание ИИ и цифровых моделей выводит мониторинг на новый уровень: от простого контроля параметров — к интеллектуальной системе поддержки решений, которая не только сигнализирует об отклонениях, но и подсказывает оптимальные превентивные действия. В перспективе подобные системы станут неотъемлемой частью инфраструктуры «умного города», обеспечивая максимально безопасную и бесперебойную работу тоннелей и метрополитенов.
Опыт автоматизированного мониторинга в России
https://vestnik.cstroy.ru/jour/article/view/337/0?utm_medium=organic&utm_source
В Российской Федерации вопросам мониторинга тоннелей и объектов метро традиционно уделяется большое внимание, особенно в связи с суровыми грунтовыми условиями и протяжённостью эксплуатируемых линий. Сформирована нормативная база: действуют стандарты и руководства, регламентирующие технический мониторинг. Так, ГОСТ Р 57208–2016 устанавливает требования к оценке технического состояния тоннелей и метрополитенов в эксплуатации, включая порядок обследований и мониторинга. В нём указано, что контроль безопасности должен осуществляться как в процессе строительства, так и регулярно в период эксплуатации, путём плановых обследований и (при необходимости) организации непрерывного мониторинга. Отдельные документы посвящены именно мониторинговым системам: например, «Методическое руководство по комплексному горно-экологическому мониторингу при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей, 2009 г.» (согласовано Ростехнадзором) вводит понятие комплексного горно-геодинамического мониторинга тоннелей на всех этапах их жизненного цикла. Согласно этому руководству, каждый транспортный тоннель должен быть оборудован системой наблюдений за опасными природными и техногенными процессами, включающей: подсистему измерений (постоянных или периодических), систему критериев безопасности (допустимые значения деформаций и пр.), систему оповещения и систему реагирования (план мероприятий). Создание и обеспечение работы такой системы возлагается на организацию, эксплуатирующую тоннель. Таким образом, нормативно закреплено, что автоматизированный мониторинг — не разовая инициатива, а неотъемлемая часть эксплуатации тоннелей в РФ.
Практические примеры: В крупных городах России, прежде всего в Москве и Санкт-Петербурге, системы мониторинга тоннелей уже внедрены и продолжают развиваться. «Московский метрополитен» как самостоятельная структура использует различные технические средства для отслеживания состояния подземных тоннелей и станций. В частности, действуют системы геодезического мониторинга за деформациями тоннелей (периодическая инструментальная съёмка), а также установлены стационарные датчики на ряде наиболее уязвимых участков. Для контроля вибрационного воздействия от поездов на здания и сооружения вблизи мелкого заложения применяются виброакустические датчики, они же позволяют отслеживать аномальную вибрацию путевых конструкций, указывая на дефекты (например, просадку пути или разбалтывание крепежа). На ряде станций «Московского метрополитена» при проходке и постоянной эксплуатации применяют датчики порового давления и гидростатические нивелиры.
Разрабатываются проекты по оборудованию линий метрополитена оптоволоконными сенсорными сетями, использующими уже проложенные волоконно-оптические линии связи метро для размещения датчиков деформации.Такие системы могут охватывать большие протяжённости тоннелей при минимальных затратах на установку. Важным направлением является создание интегрированных центров мониторинга (Data-центров) метрополитена, куда сходится информация от всех датчиков, систем энергообеспечения, вентиляции и пр. Например, в Москве в рамках программы «Умный город» планируется внедрение централизованной платформы, позволяющей диспетчерам видеть в едином интерфейсе показания инженерных датчиков по всей сети метро и железнодорожных тоннелей.
Отдельно стоит отметить опыт мониторинга в ходе строительства новых тоннелей и реконструкции существующих. При возведении новых участков метро рядом с эксплуатируемыми линиями в обязательном порядке разворачиваются автоматизированные системы контроля за состоянием действующих тоннелей. Так, при строительстве одного из тоннелей метро в 2018–2019 гг. в зоне влияния гидротехнического сооружения (шлюза) была реализована система непрерывного мониторинга, разработанная ООО «НИЦ Тоннельной ассоциации» совместно с АО «Гипроречтранс». В течение всего периода проходки старый тоннель-шлюз находился под надзором: были установлены четыре высокочувствительные вибрационные станции (польского производства Svantek) для контроля сейсмовибраций грунта и конструкции шлюза, а также система мониторинга осадок на базе, гидростатических нивелиров. Все приборы объединялись через контроллеры с выходом в Интернет. Данные поступали на веб-сервис, где их могли в реальном времени наблюдать инженеры заказчика и надзорные органы. Система была настроена на автоматическое оповещение: при превышении допустимых уровней виброускорения или осадки немедленно рассылались предупреждения ответственным лицам. Этот проект успешно доказал эффективность автоматического мониторинга: тоннели метро были построены без повреждений существующего шлюза, а сам шлюз оставался в работоспособном состоянии благодаря круглосуточному контролю параметров его конструкции. Подобные практики теперь стандартны и при расширении московского метро (например, на Большой кольцевой линии при сближении с действующими тоннелями), и при строительстве новых подземных переходов в Петербурге.
Проблемы и вызовы
Несмотря на очевидные преимущества, внедрение автоматизированного мониторинга в России сталкивается с рядом технических и организационных вызовов.
Во-первых, это финансирование и экономика проектов: оснащение одного тоннельного перегона сотнями датчиков, прокладка кабельных линий, создание серверной инфраструктуры требует значительных инвестиций. Не все эксплуатирующие организации обладают достаточным бюджетом, особенно в регионах. Однако тенденция такова, что затраты окупаются снижением аварийности и расходов на ремонт, поэтому постепенно экономическая эффективность подтверждается на практике.
Во-вторых, суровые условия эксплуатации: в тоннелях метро повышенная влажность, возможны протечки, температура может значительно колебаться, присутствуют электромагнитные помехи от контактного рельса. Это предъявляет высокие требования к надёжности датчиков и коммуникационного оборудования. Например, обычная электроника может коррозировать или выходить из строя, поэтому часто применяются герметичные датчики в оболочке из нержавеющей стали, а для передачи данных — оптоволоконные или радиоканалы, не подверженные помехам.
В-третьих, кадровый вопрос: необходимы специалисты, способные не только установить такую систему, но и интерпретировать огромные объёмы данных. Обучение персонала метрополитенов работе с новыми цифровыми платформами — задача, требующая времени. Наконец, важен вопрос интеграции мониторинга с эксплуатацией: уведомления о превышении пороговых значений должны оперативно приводить к управленческим решениям (замедлить движение, закрыть участок на ремонт и т. д.). Для этого нужны регламенты действий при превышениях, и не всегда они сразу совершенны — приходится накапливать опыт, отрабатывать взаимодействие между службой мониторинга и эксплуатационными подразделениями. Тем не менее, российский опыт показывает, что эти трудности преодолимы. При поддержке профильных научных организаций и с участием частных инжиниринговых фирм, новые технологии мониторинга внедряются всё шире, повышая безопасность отечественной транспортной инфраструктуры.
Заключение
Автоматизированный непрерывный мониторинг тоннелей и метрополитенов из категории технических новшеств постепенно превращается в необходимый стандарт эксплуатации. Опыт разных стран, в том числе России, убедительно демонстрирует, что вложения в системы мониторинга окупаются многократно, предотвращая аварии и продлевая срок службы дорогих подземных сооружений. Технический прогресс предоставил в распоряжение инженеров целый арсенал надёжных датчиков и устройств (от инклинометров и тензодатчиков до оптоволоконных линий и лазерных сканеров), а также мощные инструменты анализа данных. Их объединение в единые интеллектуальные комплексы мониторинга позволяет в режиме реального времени «держать руку на пульсе» состояния каждого тоннеля.
В перспективе технологии мониторинга будут только совершенствоваться. Развитие концепции цифрового двойника и предиктивной аналитики приведёт к тому, что инфраструктура будет не просто фиксировать факт отклонения, а заранее предупреждать о зарождающихся проблемах и рекомендовать оптимальные профилактические меры. Например, анализ вибраций и деформаций сможет с высокой точностью предсказывать местоположение потенциальной утечки или зарождение трещины, и обслуживающий персонал проведёт ремонт в удобное время, не доводя до аварии. Кроме того, ожидается более тесная интеграция мониторинга с системами управления движением и диспетчеризации: при опасных отклонениях автоматика сможет напрямую снижать скорость поездов или останавливать их, обеспечивая мгновенную реакцию ещё до вмешательства человека.
Внедрение тотального мониторинга способствует переходу от планово-предупредительного обслуживания (по жёсткому графику) к обслуживанию по состоянию, когда ремонт производится именно там и тогда, где это нужно по показаниям датчиков. Это повысит рациональность использования ресурсов и минимизирует простои. Не менее важно и то, что растёт безопасность: современные датчики и алгоритмы позволяют исключить «внезапные» аварии — практически любой серьёзной неисправности будут предшествовать зафиксированные и распознанные отклонения, о которых система заблаговременно предупредит персонал.
Таким образом, автоматизированный непрерывный мониторинг становится ключевым элементом эксплуатации тоннелей и метрополитенов в XXI веке. Его развитие идёт рука об руку с общей цифровизацией инфраструктуры и концепцией «умного города». Можно уверенно прогнозировать, что через несколько лет новые тоннели будут вводиться в строй уже полностью напичканными датчиками, а старые — активно дооснащаться системами мониторинга при капитальных ремонтах, как это сейчас происходит с речной транспортной инфраструктурой. Это откроет новую эру в эксплуатации подземных сооружений, где человеческая жизнь и безопасность будут надёжно защищены технологиями. Инженерное сообщество, в свою очередь, получит бесценные данные для научного анализа, что позволит совершенствовать проектные решения и методы строительства тоннелей будущего. Автоматизированный мониторинг — не дань моде, а залог того, что катастрофы вроде бакинского пожара 1995 года или обрушения тоннеля останутся в прошлом, уступив место предсказуемой и управляемой эксплуатации транспортных тоннелей во имя комфорта и безопасности общества.
