CC BY
58
© К.А. Дорохин, О.В. Бойко, 2013
УДК 624.131.543
К.А. Дорохин, О.В. Бойко
ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПОЛЗНЕВЫХ ПРОЦЕССОВ НА УЧАСТКАХ РАЗМЕЩЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ТОННЕЛЕЙ
Описана существующая проблема анализа и оценки развития оползневых процессов. Для решения задачи оценки геодинамического состояния, и дальнейшего анализа устойчивости массива, успешно зарекомендовал себя метод КМПВ сейсморазведки, при анализе результатов которого, можно не только контролировать изменения в состоянии оползневого склона, но и оценивать опасность его сдвижения. Ключевые слова: геодинамическое состояние, сейсморазведка, метод КМПВ, продольная волна №р), оползневый склон, скорость волны, ослабленные породы.
Известно, что железные дороги Северного Кавказа на большей своей протяженности расположены на побережье Черного моря в сложных геологических, климатических и гидрогеологических условиях, благоприятствующих возникновению оползней, обвалов и селей. ОАО НИПИИ «Ленметрогипротранс» при строительстве и реконструкции транспортных тоннелей Северо-Кавказской железной дороги выполняет комплекс работ по горно-экологическому мониторингу [1]. Составной частью мониторинга являются геофизические исследования методами сейморазведки и электроразведки, которые показали свою эффективность при решении различных задач инженерной геологии, в том числе при изучении оползневых процессов [2, 3, 4].
По результатам выполненных геофизических и комплекса прямых методов по горно-экологическому мониторингу, оценивается состояние оползневых склонов и в случаях проявления их современной активности, принимаются меры по укреплению склонов, работы по защите конструкций тоннеля и этим повысить безопасность работы железной дороги.
Известны случаи, когда, сохранявший долгое время устойчивое состояние массив, вдруг приобретает движение с последующими разрушительными последствиями [5, 6]. Более того, нередки ситуации, когда сконструированные подпорные стенки не обеспечивают, или обеспечивают лишь временную защиту от развития оползневых процессов и его разрушающего воздействия на транспортные сооружения. Основным дестабилизирующим фактором в активизации и развитии оползневых процессов являются сильное обводнение массива пород, в периоды сезонов (весна и осень) затяжных дождей, в результате происходит значительное утяжеление оползневой толщи, и падение сопротивления сдвигу в слое песчано-глинистой породы служащей своеобразной смазкой на контакте массы оползневого тела с коренной породой (плоскости скольжения).
Геофизические методы при изучении оползневых склонов позволяют получать данные о строении и физико-механических свойствах толщи пород, слагающих тело оползня и коренной основы, а путем повторных
Рис. 1. План-схема участка мониторинга, оползневый склон н расположение сейсмических профилей
наблюдений отслеживать их изменения для прогнозной оценки его устойчивости.
Рассмотрим пример выполнения геофизических работ при горноэкологическом мониторинге оползневого склона в районе побережья г. Сочи на участке железной дороги с двумя тоннелями, проходящими большей частью в коренных породах. Работы выполнялись с целью контроля состояния конструкций тоннелей и вмещающего его горного массива, а также состояния оползневого склона над тоннелями.
Сейсмические профили были расположены таким образом, чтобы перекрыть оползневые участки и максимально покрыть всю трассу тоннелей с учетом возможности проведения
работ по условиям прокладки сейсмических кос, расстановки сейсмо-приемников и возбуждений сейсмических колебаний на склоне со сложным рельефом заросшим кустарником и реликтовым лесом природоохранной зоны г. Сочи (рис. 1).
Методика полевых исследований и обработки полученных материалов являлась стандартной и одинаковой для всех циклов наблюдений. Сейс-моразведочные работы проводились с помощью 24х канальной сейсмостан-ции типа МСС-1, по методике непрерывного сейсмопрофилирования методом преломленных и рефрагиро-ванных волн по системе «встречных» и «нагоняющих» годографов. Измерения проводилось с шагом между сейсмо-приемниками (велосиметрами) 5 м.
Рис. 2. Томографический разрез выполненный в 4 квартале 2011 года ( внизу обозначена 30 м зона, выделенная по распределению скоростей продольных волн, зона разуплотнения)
При проведении работ использовалась 10™ точечная система наблюдений с возбуждением колебаний ударным способом.
Регистрация велась на открытом канале с частотой оцифровки 2,0 кГц, для усиления полезного сигнала использовалось накопление.
На стадии первичной обработки, с помощью «прикладного» программного обеспечения сейсмостанции, снимались времена первых вступлений (Р), возникающих в массиве горных пород. Проводилась увязка взаимных времен прослеженных волн.
Дальнейшая обработка полученных материалов производилась с использованием пакета программ сейсмической томографии. Результатами обработки являлись скоростные разрезы по Р волне.
В ходе всего периода мониторинга за исследуемым массивом, были выделены результаты, полученные в периоды: 4 квартала 2010 года, 1 квартала 2011 года и 2 квартала 2011 года. В течении этих периодов, была зафиксирована тенденция ослабления прочностных свойств породы, по результатам применяемого сейсмического метода, и как следствие, визуально было зафиксировано сползание верхней части массива, с образованием значительной зоны отрыва на склоне (рис. 6).
В инженерной сейсморазведке при изучении зоны малых скоростей в верхней части разреза, как правило, приходится иметь дело со скоростью распространения продольной волны (Ур), первые вступления которой на сейсмограммах, в отличие от поперечных волн, выделяются значительно точнее. Поэтому, в данной работе рассматриваются томографические разрезы построенные только по Р-волнам.
На сейсмотомографическом разрезе (рис. 2), полученном по данным работ в 4 квартале 2010 года отчетливо отображаются зоны «влияния тоннеля» северную часть и южную часть - см. схему расположения профиля (рис. 1).
На полученном сейсмотомографи-ческом разрезе можно выделить 3 скоростных слоя:
Первый слой - слой рыхлых грунтов, который характеризуется скоростями Ур ~ 0,3 - 1,4 км/с. Этот слой, по данным бурения, представлен почвенно-растительным слоем с подстилающими его глинистыми либо песчанистыми грунтами. Мощность слоя составляет примерно 5-7 м с увеличением мощности в зонах тектонических нарушений до 10 м и более.
Рис. 3. Портальная стенка с пригружной плитой на откосе
Второй слой - слой выветрелых ослабленных коренных пород. Этот слой характеризуется скоростями продольных волн Ур ~ 1,6 - 2,6 км/с.
По данным бурения этот слой представлен аргиллитами, низкой и очень низкой прочности с тонкими прослоями алевролитов и мергелей. Мощность слоя составляет порядка 8 - 10 м, также с увеличением до 15 и более в зонах тектонических нарушений.
Третий слой - непосредственно вблизи тоннелей, фиксируются породы, характеризующиеся Ур ~ 2,8 -3,2 км/с, вероятно, высокие скорости здесь связаны с влиянием обделки тоннеля и зоны заобделочного иньектиро-вания скрепляющими растворами.
На участке исследований выявлена зона тектонических нарушений, свя-
занная в верхней части разреза с нарушением целостности массива пород на контакте песчаников с аргиллитами.
Выявленная тектоническая зона, пересекает трассу тоннеля в его центральной части на интервале ПК 40 — ПК 70 (рис. 2). Здесь скоростные изолинии соседних областей «обрываются» за счет сильного ослабления сейсмических колебаний в породах зоны тектонических нарушений. Породы, затронутые тектоническими процессами, сильно разрушены и являются неустойчивыми, хорошо впитывают воду и легко деформируются. Вероятно, в оползнеобразовании участвуют в основном разрушенные на контакте с песчаниками аргиллиты.
В феврале 2011 года был проведен очередной цикл измерений. К этому периоду в рамках проекта строительства 2-го однопутного железнодорожного тоннеля в исследуемом массиве были возведены портальные стенки (рис. 3) , такой конструкции, что бы пригрузить зоны выемки порталов на момент проходки. Тогда же начались работы по возведению подпорной стенки у подножья склона.
Рис. 4. Томографический разрез, полученный в 1-м квартале 2011 г. (выделенная зона разуплотнения)
Рис. 5. Фотография места отрыва оползня 14 апреля 2011 года
По результатам проведенных работ был получен следующий томографический разрез. Сейсмотомографический разрез показан на рис. 5.
Анализируя полученные данные можно отметить, что в результате строительных работ по сооружению пригруза массива склона в районе порталов, скорости в выветрелых коренных породах несколько возросли, , скорее всего, это связано с увеличившимся давлением на породу вблизи зоны пригруза.
В центральной части сейсмотомо-графического разреза (рис. 4) от ПК 40 до ПК 75 отмечено разуплотнение в зоне тектонического нарушения, выявленной в октябре 2010 года по сильному затуханию сейсмических волн. Как видно из томографического разреза, полученного в феврале 2011 года зона разуплотнения в центре участка, заметно увеличилась в размерах.
По результатам проведенного анализа результатов сейсморазведочных работ в феврале 2011 г., заказчику было выдано заключение о неблагоприятной динамике развития ситуации в центральной части исследуемого массива.
В последующий период времени, приблизительно через месяц, в зоне выделенной раннее как «неблагоприятная» зона разуплотнения, в период с 5 по 14 апреля произошла подвиж-
ка грунта с образованием зоны отрыва, которая была зафиксирована в отчетах ОАО «Ёенметрогипротранс» и зафиксирована на фото (рис. 5).
Кроме сейсморазведочных работ, как отмечалось ранее, при мониторинговых геофизических работах на склоне выполнялись электроразведочные работы. Так, по данным регистрации естественного электромагнитного излучения (ЕЭМИ), проведенной 5 апреля 2011 года съемки ЕЭМИ на исследуемом склоне в центральной части тоннеля, также, была зафиксирована высокая геодинамическая активность оползневого склона. И непосредственно перед образованием отрыва, на склоне по профилю наблюдений ЕЭМИ были зафиксированы всплески ЕЭМИ по параметру Ам.
В следующем цикле измерений, выполненном в мае 2011 года, через 2 недели после зафиксированной подвижки на склоне с образованием отрыва, был получен сейсмотомогра-фический разрез (см. рис. 6).
По полученным результатам майского цикла сейсморазведочных работ можно отметить следующее:
На участке залегания песчаников, в районе секущего тоннель в центральной части тектонического нарушения в результате произошедшего смещения оползня, размеры зоны пониженных скоростей сократились с 38 м до 25 м, то есть в полтора раза, что видно на сейсмотомографическом разрезе (рис. 6). Кроме того, скоростные изолинии заметно сместились в сторону коренных пород, что косвенно указывает на то, что оползневые процессы захватывают глубинные уровни разреза. Изменениям подвергаются породы нижней части разреза, которые раньше были более монолитными и прочными.
Рис. 6. Томографический разрез полученный в 2-м квартале 2011 г. (выделенная зона разуплотнения 25 м)
Небольшое увеличение скоростей по контуру тектонической зоны, могло быть результатом восстановления относительно устойчивого состояния оползня, которое произошло на данном участке сдвижения оползневых масс, после их остановки (торможения) подпорной стенкой.
Таким образом, несмотря на относительно небольшой период выполнения мониторинга состояния оползневого склона на данной модели, по данным геофизических, в основном
сейсморазведочных работ, была отмечена тенденция, на основе которой можно не только контролировать изменения в состоянии оползневого склона, но и оценивать опасность его сдвижения. Кроме того, приведенный пример наглядно показывает взаимосвязь устойчивости склона с изменениями скоростей сейсмических волн: уменьшение скоростей свидетельствует об активизации оползневых процессов, а увеличение - о стабилизации склона.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Методическое руководство по комплексному горно-экологическому мониторингу при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей. - М.: УРАН ИПКОН РАН, НИПИИ «Ёенметрогипрот-ранс», 2009. -68 с.
2. Горяинов H.H., Боголюбов А.Н., Варламов Н.В., Матвеев B.C., Никитин В.Н., Скворцов А.Г. Изучение оползней геофизическими методами. - М.: Недра, 1987. - 157 с.
3. Скворцов А.Г., Дроздов Д.С., Садур-тдинов М.Р., Царев А.М., Гусаков И.О., Чернятин А.Г. Сейсмические методы изучения оползней. /Материалы конференции
«Инженерная и рудная геофизика - 2008». http://www.econf.info /Geomodel - 2008/.
4. Турсунметов P.A., Нуртаев Б.С. Опыт комплексирования электромагнитных методов при изучении оползневых массивов. /Материалы конференции «Инженерная и рудная геофизика - 2008». http://www. econf.info /Geomodel - 2008/.
5. Гинзбург Л. К. Противооползневые удерживающие конструкции. - М.: Стройиз-дат, 1979. - 80 с.
6. Оползни. Исследование и укрепление. Под ред. Р. Шустера и Р. Кризека. Пер. с англ. - М.: Мир, 1981. - 368 с. S3S
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Дорохин Кирилл Александрович — научный сотрудник, d.k_a@mail.ru, Бойко Олег Владимирович — старший научный сотрудник, bo1ko@yandex.ru, Научно-Исследовательскоий отдел Научно-исследовательского, проектно-изыскательского института «Ёенметрогипротранс».
