В работе рассмотрены решения по интерактивному проектированию инженерной защиты земляного полотна автомобильных дорог, позволяющие реализовывать противокарстовые мероприятия не заранее на всем протяжении опасных и потенциально опасных участков (в запас надежности), а в процессе эксплуатации сооружения локально, в определенных местах, где по данным мониторинга установлены признаки активизации карстово-суффозионных процессов. С этой целью предложено использовать системы распределенного мониторинга на основе волоконно-оптических кабелей-сенсоров, позволяющих получать непрерывные данные измерений по всей длине наблюдаемого участка в автоматическом режиме. В качестве контролируемого параметра приняты локальные оседания поверхности основания земляного полотна как ключевой признак подготовки провалообразования независимо от механизма развития карстово- суффозионных процессов. Чтобы определить возможность использования системы распределенного мониторинга для раннего (до наступления недопустимых деформаций сооружения) обнаружения подготовки провалообразования в конкретных инженерно-геологических условиях введена функция времени от величины локальных оседаний в основании сооружения при условно постоянной скорости растворения карстующегося массива. Установлено, что раннее обнаружение возможно, если полученного значения времени достаточно для подготовки и реализации противокарстовых мероприятий. Для прогнозирования величины оседания предложено использовать методы численного анализа. Применительно к методу конечных элементов даны некоторые рекомендации по моделированию проектной ситуации и определению величины оседания в основании земляного полотна на различных стадиях развития карстово-суффозионных процессов. Для случая, когда система распределенного мониторинга используется в качестве основы интерактивного проектирования противокарстовых мероприятий, разработаны расчетные инструменты по определению оптимальных параметров системы (количества нитей-сенсоров и шага между ними). Рассмотрен пример использования предложенной методики расчетного обоснования.

1. Аникеев А.В., 2017. Провалы и воронки оседания в карстовых районах: механизмы образования, прогноз и оценка риска. Изд-во РУДН, Москва.
2. Готман Н.З., 2015. Расчет карстозащитных фундаментов зданий и сооружений. Вестник ПНИПУ, № 4, с. 19–35.
3. Дмитриев С.А., 2016. Инновационные волоконные технологии для железнодорожного транспорта. Транспорт Российской Федерации, № 1(62), с. 26–27.
4. Ермилов А.Л., 2015. Обнаружение и контроль опасных подвижек грунта с помощью волоконно-оптической системы сигнализации состояния объектов инфраструктуры (ВОСС СОИ). Фотон-Экспресс, № 5(125), с. 10–13.
5. Костарев В.П., 2018.О федеральных нормативах по инженерно-геологическим изысканиям на закарстованных территориях РФ. Электронный журнал «ГеоИнфо». URL: https://www.geoinfo.ru/product/kostarev-vitalij-petrovich/o-federalnyh-normativah-po-inzhenerno-geologicheskimizyskaniyam-na-zakarstovannyh-territoriyah-rf-38932.shtml (дата обращения: 28.07.2020).
6. Крашенинников В.С., 2017. Локальная оценка карстовой опасности с учетом особенностей строения покрывающей толщи. Дис. … канд. геол.-мин. наук, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, Москва.
7. Применение распределeнной волоконно-оптической системы геотехнического мониторинга (ВОС ГТМ) для проведения мониторинга температуры и деформации трубопроводов в районах распространения многолетнемeрзлых грунтов, 2016. Нефть и газ Сибири, № 2(23). URL: http://sib-ngs.ru/journals/article/398 (дата обращения: 10.07.2020).
8. Савин А.Н., Комаров Д.А., Солодянкин М.А., Чугунов Д.А., 2017. Контрольно-оповестительные системы для карстоопасных участков железнодорожного пути. Евразия Вести. URL: http://www.eav.ru/publ1.php?publid=2017-08a22 (дата обращения: 10.07.2020).
9. Самосват В.В., 2020. Современные проблемы обеспечения механической безопасности земляного полотна автомобильных дорог на закарстованных территориях. Сборник научных трудов Дороги и мосты, Вып. 44/2, с. 31–52.
10. Смирнов С.В., Иванов Х.В., 2017. Волоконно-оптические технологии для создания безопасных условий эксплуатации трубопроводных систем в труднодоступных и сложных природно-климатических регионах. Безопасность труда в промышленности, № 2, с. 33–39.
11. Frings J., Walk T., 2011. Distributed fiber optic sensing enhances pipeline safety and security. Oil Gas European Magazine, No. 3, pp. 132–136.
12. Inaudi D., Glisic B., 2007. Distributed fiber optic sensors: Novel tools for the monitoring of large structures. Environmentalearth Sciences, Vol. 25, No. 3, pp. 8–12.
13. Inaudi D., 2017. Distributed fiber optic sensors for sinkhole monitoring and other geotechnical applications. Karst problems in geotechnical engineering, Proceedings of the Conference of Geotechnik Schweiz, Issue 174, Olten, Switzerland, 2017, pp. 81–86.
14. Jiang X., Gao Y., Wu Y., Lei M., 2016. Use of Brillouin optical time domain reflectometry to monitor soil-cave and sinkhole formation. Environmental Earth Sciences, Vol. 75, No. 3, ID 225, https://doi.org/10.1007/s12665-015-5084-1.
15. Minardo A., Catalano E., Coscetta A., Zeni G., Zhang L., Di Maio C., Vassallo R., Coviello R., Macchia G., Picarelli L., Zeni L., 2018. Distributed fiber optic sensors for the monitoring of a tunnel crossing a landslide. Remote Sensing, Vol. 10, No. 8, ID 1291, https://doi.org/10.3390/rs10081291.
16. Motil A., Bergman A., Tur M., 2016. State of the art of Brillouin fiber-optic distributed sensing. Optics and Laser Technology, Vol. 78, pp. 81–103, http://dx.doi.org/10.1016/j.optlastec.2015.09.013.
17. Ravet F., Briffod F., Goy A., Rochat E., 2021. Mitigation of geohazard risk along transportation infrastructures with optical fiber distributed sensing. Journal of Civil Structural Health Monitoring, Vol. 11, No. 4, pp. 967–988, https://doi.org/10.1007/s13349-021-00492-x.
18. Schenato L., 2017. A review of distributed fibre optic sensors for geo-hydrological applications. Applied Sciences, Vol. 7, No. 9, ID 896, https://doi.org/10.3390/app7090896.
19. Schenato L., Palmieri L., Camporese M., Bersan S., Cola S., Pasuto A., Galtarossa A., Salandin P., Simonini P., 2017. Distributed optical fibre sensing for early detection of shallow landslides triggering. Scientific Reports, Vol. 7, No. 1, pp. 1–7, https://doi.org/10.1038/s41598-017-12610-1.
20. Shefchik B., Tomes R., Belli R., 2011. Salt cavern monitoring system for early warning of sinkhole formation. Geotechnical Instrumentation News, December 2011, pp. 30–33.
21. Shi B., Zhang D., Zhu H., Zhang C., Gu K., Sang H., Han H., Sun M., Liu J., 2021. DFOS applications to geo-engineering monitoring. Photonic Sensors, Vol. 11, No. 2, pp. 158–186, https://doi.org/10.1007/s13320-021-0620-y.
22. Soga K., Luo L., 2018. Distributed fiber optics sensors for civil engineering infrastructure sensing. Journal of Structural Integrity and Maintenance, Vol. 3, Issue 1, pp. 1–21, https://doi.org/10.1080/24705314.2018.1426138.
23. Xu J., He J., Zhang L., 2017.Collapse prediction of karst sinkhole via distributed Brillouin optical fiber sensor. Measurement, Vol. 100, pp. 68–71.

САМОСВАТ В.В.*
АО «Институт “Стройпроект”», г. Санкт-Петербург, Россия, samosvat.victor@gmail.com
Адрес: Дунайский пр-кт, д. 13, корп. 2, Литер А, г. Санкт-Петербург, 196246, Россия
Петербургский государственный университет путей сообщения
Императора Александра I, г. Санкт-Петербург, Россия
Адрес: Московский пр-кт, д. 9, г. Санкт-Петербург, 190031, Россия
УТКИН М.М.
АО «Гео Палитра», г. Нижний Новгород, Россия, geokarst@mail.ru
Адрес: ул. Костина, д. 3, г. Нижний Новгород, 603000, Россия

The paper discusses solutions for interactive design of engineering protection of the roads and highways subgrade, which make it possible to implement karst protection measures not in advance on the whole length of dangerous and potentially dangerous sections (with the margin of safety), but during the operation of the structure locally, in a specific place, where, according to monitoring data, are established the signs of karstsuffusion processes activation. For this purpose, it is proposed to use distributed monitoring systems based on fiber-optic sensor cables, that enable to obtain continuous data of measurements along the whole length of the monitored section in automatic mode. As a controlled parameter, local subsidence on the surface of the subgrade soil base is taken as a key sign of the sinkhole preparation, regardless of the karst-suffusion processes mechanism. To determine the possibility of using a distributed monitoring system for early (before the onset of structure unacceptable deformations) detection of the sinkhole preparation in specific geological conditions, a function of time is introduced from the value of local subsidence at the structure soil base at a conditionally constant of the karst massif dissolution rate. Established that early detection is possible if the obtained time value is sufficient for the preparation and implementation of anti-karst measures. To predict the value of subsidence, it is proposed to use the numerical analysis methods. Regarding to the finite element method, some recommendations are given for modeling the design situation and determining the value of subsidence at the subgrade soil base at the different stages of karst-suffusion processes development. For the case when the distributed monitoring system is used as the basis for interactive design of karst protection measures, calculation tools have been developed to determine the optimal parameters of the system (the number of sensor threads and the step between them). An example of implementation of the proposed calculation justification methodology is considered.

1. Anikeev A.V., 2017. Collapses and sinkholes of subsidence in karst areas: mechanisms of formation, predicting and risk estimate. Publishing house of the RUDN, Moscow. (in Russian)
2. Gotman N.Z., 2015. Calculation of buildings and structures karst-protective foundations. PNRPU Bulletin, No. 4, pp. 19–35. (in Russian)
3. Dmitriev S.A., 2016. Innovative fiber technologies for railway transport. Transport of the Russian Federation, No. 1(62), pp. 26–27. (in Russian)
4. Ermilov A.L., 2015. Detection and control of dangerous ground movements using a fiber-optic signaling system for the infrastructure facilities state (FOSS IFS). Foton-Express, No. 5(125), pp. 10–13. (in Russian)
5. Kostarev V.P., 2018. About federal standards for engineering and geological surveys in the karst areas of the Russian Federation. Electronic journal «GeoInfo». URL: https://www.geoinfo.ru/product/kostarev-vitalij-petrovich/o-federalnyh-normativah-po-inzhenerno-geologicheskim-izyskaniyam-nazakarstovannyh-territoriyah-rf-38932.shtml (accessed: 28 July 2020). (in Russian)
6. Krasheninnikov V.S., 2017. Local estimate of karst hazard taking into account the overburden structural features. PhD Thesis, National Research Moscow State University of Civil Engineering, Moscow. (in Russian)
7. The use of a distributed fiber-optic geotechnical monitoring system (DFOGMS) for monitoring the temperature and deformation of pipelines in the areas of permafrost soils distribution, 2016. Oil and Gas of Siberia, No. 2(23). URL: http://sib-ngs.ru/journals/article/398 (accessed: 10 July 2020). (in Russian)
8. Savin A.N., Komarov D.A., Solodyankin M.A., Chugunov D.A., 2017. Control and alert systems for karst-hazardous sections of the railway track. Eurasia Vesti Railway Track. URL: http://www.eav.ru/publ1.php?publid=2017-08a22 (accessed: 10 July 2020). (in Russian)
9. Samosvat V. V., 2020. Modern problems of providing the mechanical safety of the highways and roads subgrade in karst areas. Collection of scientific papers Roads and bridges, Issue 44/2, pp. 31–52. (in Russian)
10. Smirnov S.V., Ivanov Kh.V., 2017. Fiber-optic technologies for creating safe operating conditions of pipeline systems in hard-to-reach and difficult climatic regions. Labor Safety in Industry, No. 2, pp. 33–39. (in Russian)
11. Frings J., Walk T., 2011. Distributed fiber optic sensing enhances pipeline safety and security. Oil Gas European Magazine, No. 3, pp. 132–136.
12. Inaudi D., Glisic B., 2007. Distributed fiber optic sensors: Novel tools for the monitoring of large structures. Environmentalearth Sciences, Vol. 25, No. 3, pp. 8–12.
13. Inaudi D., 2017. Distributed fiber optic sensors for sinkhole monitoring and other geotechnical applications. Karst problems in geotechnical engineering, Proceedings of the Conference of Geotechnik Schweiz, Issue 174, Olten, Switzerland, 2017, pp. 81–86.
14. Jiang X., Gao Y., Wu Y., Lei M., 2016. Use of Brillouin optical time domain reflectometry to monitor soil-cave and sinkhole formation. Environmental Earth Sciences, Vol. 75, No. 3, ID 225, https://doi.org/10.1007/s12665-015-5084-1.
15. Minardo A., Catalano E., Coscetta A., Zeni G., Zhang L., Di Maio C., Vassallo R., Coviello R., Macchia G., Picarelli L., Zeni L., 2018. Distributed fiber optic sensors for the monitoring of a tunnel crossing a landslide. Remote Sensing, Vol. 10, No. 8, ID 1291, https://doi.org/10.3390/rs10081291.
16. Motil A., Bergman A., Tur M., 2016. State of the art of Brillouin fiber-optic distributed sensing. Optics and Laser Technology, Vol. 78, pp. 81–103, http://dx.doi.org/10.1016/j.optlastec.2015.09.013.
17. Ravet F., Briffod F., Goy A., Rochat E., 2021. Mitigation of geohazard risk along transportation infrastructures with optical fiber distributed sensing. Journal of Civil Structural Health Monitoring, Vol. 11, No. 4, pp. 967–988, https://doi.org/10.1007/s13349-021-00492-x.
18. Schenato L., 2017. A review of distributed fibre optic sensors for geo-hydrological applications. Applied Sciences, Vol. 7, No. 9, ID 896, https://doi.org/10.3390/app7090896.
19. Schenato L., Palmieri L., Camporese M., Bersan S., Cola S., Pasuto A., Galtarossa A., Salandin P., Simonini P., 2017. Distributed optical fibre sensing for early detection of shallow landslides triggering. Scientific Reports, Vol. 7, No. 1, pp. 1–7, https://doi.org/10.1038/s41598-017-12610-1.
20. Shefchik B., Tomes R., Belli R., 2011. Salt cavern monitoring system for early warning of sinkhole formation. Geotechnical Instrumentation News, December 2011, pp. 30–33.
21. Shi B., Zhang D., Zhu H., Zhang C., Gu K., Sang H., Han H., Sun M., Liu J., 2021. DFOS applications to geo-engineering monitoring. Photonic Sensors, Vol. 11, No. 2, pp. 158–186, https://doi.org/10.1007/s13320-021-0620-y.
22. Soga K., Luo L., 2018. Distributed fiber optics sensors for civil engineering infrastructure sensing. Journal of Structural Integrity and Maintenance, Vol. 3, Issue 1, pp. 1–21, https://doi.org/10.1080/24705314.2018.1426138.
23. Xu J., He J., Zhang L., 2017.Collapse prediction of karst sinkhole via distributed Brillouin optical fiber sensor. Measurement, Vol. 100, pp. 68–71.

VIKTOR V. SAMOSVAT*
Institute Stroyproekt JSC; Saint Petersburg, Russia; samosvat.victor@gmail.com
Address: Bld. 13, Hse 2, Liter A, Dunaysky Ave, 196246, Saint Petersburg, Russia
Emperor Alexander I Saint Petersburg State Transport University; Saint Petersburg, Russia
Address: Bld. 9, Moskovskiy Ave, 190031, Saint Petersburg, Russia
MIKHAIL M. UTKIN
Geo Palitra JSC; Nizhny Novgorod, Russia; geokarst@mail.ru
Address: Bld. 3, Kostina St., 603000, Nizhny Novgorod, Russia