CC BY
15--------- ц п шц ы п е
СТРОИТЕЛЬСТВО
Расчет конструкций
УДК 624 + 621.396.96
К.П. БЕЗРОДНЫЙ, д-р техн. наук, зам. ген. директора по НИР, ОАО НИПИИ «Ленметрогипротранс»; В.Б. БОЛТИНЦЕВ, канд. техн. наук, зам. ген. директора по НИР, В.Н. ИЛЬЯХИН, гл. инженер, В.А. ШУМКОВ, инженер-геофизик, С.В. АНДРИАНОВ, инженер-геофизик, ЗАО НПФ «Геодизонд» (Санкт-Петербург)
Геофизическое обследование инъекционного закрепления заобделочного пространства методом электромагнитного импульсного сверхширокополосного зондирования
Приведен состав аппаратуры и результаты применения метода электромагнитного импульсного сверхширокополосного (ЭМИ СШП) зондирования, проводимого с целью контроля качества работ по закреплению грунтов.
Ключевые слова: инъекционное закрепление, геофизическое обследование, обделка, разуплотненный грунт, тампонажный раствор.
Контроль качества инъекционного закрепления, как правило, осуществляется бурением контрольных скважин, ультразвуковыми исследованиями, сейсмоакустическим прозвучиванием. Для последних необходимо бурение двух параллельных шпуров с последующей герметизацией. Сейсмоакустические исследования обнаруживают дефекты размером не более половины длины используемой упругой волны. В силу этого в последнее время активно применяется аппаратура и методики георадиолокационных исследований.
Научно-технические основы метода и состав комплекса ЭМИ СШП зондирования. В данной работе представлена схема зондирования подстилающей среды без несущей частоты с большим током - схема ЭМИ СШП георадиолокации. Используемый в такой схеме генератор [1] разработан в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе (Санкт-Петербург). Применение импульсов с амплиту-
Рис. 1. Общий вид комплекса
дой ~104 В, токами —100 А приводит к созданию приемных сверхширокополосных информационно-измерительных систем (ИИС) с большим динамическим диапазоном входного сигнала (1 мВ-100 В) и микрополосковыми антеннами, в которых становится возможным согласование со средой по волновому сопротивлению [2].
Данная схема имеет следующие особенности: широкая полоса принимаемых частот (0-500 МГц), малая длительность излучаемого импульса (Тфронта < 1 нс) и большой динамический диапазон системы (~ 117 дБ) обеспечивают высокую разрешающую способность по глубине и точность измерения расстояния до объекта обследования 1,5%, что способствует выделению объекта из фоновых помех; узкая диаграмма направленности антенной системы (~7о в Е-плоскости и ~11о в Н-плоскости) дает возможность получать информацию не только об объекте в целом, но и о его элементах.
-г-С^СО'^ЮСОГ-СОаэО-'-С^СО'^Ю у ^ ^^ ^ ^ ^
Рис. 2. Распределение поля (напряженность) излученного видеоимпульса враскрыве (плоскость XY) передающей антенны
Рис.3. Вид импульса генератора на осциллографе при амплитуде выходного сигнала 1640 В (длительность фронта импульса 1 нс, длительность импульса 3,5 нс)
Указанные значения определены метрологически. Стоимость аппаратных средств, безопасность эксплуатации, малые размеры и вес аппаратуры делают данный метод достаточно доступным. Весь комплекс полевой аппаратуры (рис. 1) питается от постоянного напряжения 12 В. Суммарная потребляемая мощность не более 150 Вт. Вес комплекса не превышает 15 кг.
Выбор сильноточной схемы генерации излучаемых сигналов определяет как технические особенности георадара (схему согласования антенн с подстилающей средой; применяемый вид (системотехнику) построения приеморегист-рирующей аппаратуры; протокол обмена аппаратуры с компьютером), так и особенности, используемые при идентификации. Так, системы со слаботочной схемой генерации излучаемых сигналов (GPR или PRS) используют электродинамические свойства объекта, а при идентификации результатов ЭМИ СШП зондирования, помимо электродина-
мических, используются электрофизические свойства объекта (наличие двух и более релаксаторов Дебая; взаимодействие проводимости и вязкости; наличие анизотропии электропроводности среды и т. д.).
Экспериментально установлено [3], что структура сигналов ЭМИ СШП зондирования существенно отличается от традиционных моделей модулированных квазимонохроматических сигналов, в основном с гауссовской огибающей: распределение поля (напряженность) излученного видеоимпульса в раскрыве передающей антенны представляет собой дифференциал от формы импульса (рис. 2); передний и задний фронты излучаемого видеоимпульса несимметричны (рис. 3); расстояния между точками пересечения нуля огибающей принимаемого сигнала неравны (рис. 4, 5); частотный спектр отраженного сигнала имеет дискретный характер независимо от фронта и длительности импульса (рис. 6).
На рис. 2 представлен вид импульса генератора на экране осциллографа TRM8105 (полоса ~16 ГГц) с использованием аттенюатора BARTH (полоса ~26 ГГц). На рис. 4, 5 представлены результаты измерений, выполненных на бетонной плотине Бурейской ГЭС (Амурская обл.). Эти сигналы рассматриваются как эталонный класс сигналов, характерный для бетонных поверхностей.
Процесс измерения в одной точке зондирования занимает несколько секунд. В результате измерения в одной точке зондирования (ТЗ) дневной поверхности можно построить инженерно-геологическую колонку конкретного пункта наблюдения. Для получения протяженного разреза необходимо произвести несколько измерений с определенным расстоянием между точками на линии данного разреза.
Для метода ЭМИ СШП зондирования увеличение глубины проникновения полезного сигнала в подстилающую среду и высокая точность измерений отраженного сигнала определяются следующими факторами: стабильностью параметров генераторов [1]; многоканальностью ИИС приема отраженных сигналов большой амплитуды [4]; согласованием
Рис.4. Отраженный сигнал, принятый на бетонной плотине Бурейской ГЭС приемной антенной дециметрового (дм-) диапазона
Рис.5. Отраженный сигнал, принятый на бетонной плотине Бурейской ГЭС приемной антенной метрового (м-) диапазона
Расчет конструкций
I
Бетон Пус-
закрепи- то
тельного та кольца
Грунты
220 260 300 Глубина, см
Рис. 7. Графики АКФ и ВКФ ГРЛ-сигналов в точке зондирования № 26, выполненные на закрепительном кольце № 17: в интервале 50—80 см выделяется пустота
Рис. 6. Вейвлет-разложение сигнала, полученного с помощью антенны м-диапазона на бетонной плотине Бурейской ГЭС
приемопередающих антенн с подстилающей средой по волновому сопротивлению [2]; совершенствованием методов обработки измерений [5]; учетом данных метрологического обеспечения измерительных возможностей комплекса.
Современные способы литологического расчленения подстилающей среды базируются на двух методах - построении годографа и его модификациях (синфазность и т. д.) и моделировании волнового поля. Основные приемы анализа и преобразования сигналов по данным GPR (PRS) для выделения полезных волн на фоне «помеха + шум приемника» и улучшения отображения особенностей реального разреза на радарограмме последовательно включают коррекцию сигнала, его фильтрацию и повышение разрешающей способности. Из методов моделирования наиболее широко применяют метод конечных разностей во временной области и поглощающих граничных условий в виде конечно-разностной схемы Мура второго рода (FDTD).
Комплекс, реализующий метод ЭМИ СШП зондирования, включает:
- излучающий генератор, изготовленный по технологии дрейфовых диодов с резким восстановлением обратного напряжения (ДДРВ). Фронты импульсов: 0,5 нс; 1 нс; 3 нс при длительности порядка 10 нс; max амплитуды импульса 6,3 кВ. Перечисленные характеристики генератора преци-зионно измерены в полосе частот 0-16 ГГц;
- метрологически аттестованные в полосе частот 80-1250 МГц приемные и передающие антенны, для которых согласование со средой определяется за счет реализации так называемой «ямы Брюстера» для микрополоско-вых и рупорных антенн [3]. Это позволяет получить коэффициент прохождения волны порядка 0,6 (коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВн), измеренный относительно сухого бетона, меньше 3,05 в указанном диапазоне частот);
- приемное устройство в виде ИИС со стробоскопическим преобразованием сигнала в реальном масштабе времени,
I
20
FV"
60
100
140
180
220
260 300 Глубина, см
Бетон Тампо- Грунты: в интервале от 120 до 180 см - зона закрепи- нажный разуплотненного грунта(средняя тельного раствор степень нарушенное™)
кольца
Рис. 8. Графики АКФ и ВКФ ГРЛ-сигналов в точке зондирования № 4 на закрепительном кольце № 15: в интервале 120—180 см отмечается разуплотнение в грунтах средней степени нарушеннос-ти (значения амплитуд ~0,01—0,001 отн. ед.)
1 h\- л 1 к 1
ДА Л N V V Yyv
Г ( — S
20
60
140
180
Бетон Зона закрепи- интенсив-тельного ного кольца разуплотнения
Грунты
220 260 300 Глубина, см
Рис. 9. Графики АКФ и ВКФ ГРЛ-сигналов в точке зондирования № 17 на закрепительном кольце № 12: в интервале 50—100 см наблюдается интенсивное разуплотнение (значения амплитуды менее 0,001 отн. ед.)
3
2
0
Рис. 10. Поперечные сечения закрепительных колец № 69, № 21 эскалаторного тоннеля станции метро «Обводный канал»
обладающее высокой помехозащищенностью и обеспечивающее запись принимаемых сигналов в полевых условиях.
Базис для вейвлет-разложения сигнала - DOG-вейвлет. Частотный спектр отраженного сигнала имеет ярко выраженный дискретный характер в области 50 МГц и ниже (рис. 6).
В методике идентификации образов для ЭМИ СШП зондирования [4] при решении обратной задачи использовано уравнение Винера-Хопфа. Применение существующих методов его решения позволило упростить задачу обнаружения пространственной неоднородности слоя и создать методику извлечения информации из результатов измерений в одной точке, что заметно расширило возможности инженерно-геологических изысканий [3].
Геофизическое обследование заобделочного пространства. Участок, на котором выполнялось геофизическое обследование, находится на территории строящейся станции метрополитена «Обводный канал» в Санкт-Петербурге. Угол наклона проходки предполагает большую подвижность инъектируемого материала, находящегося в пространстве между горным массивом и обделкой тоннеля.
ЭМИ СШП измерения проводились с внутренней поверхности железобетонных колец по периметру обделки. Было обследовано 47 колец.
На каждом кольце выполнялось 5-15 измерений в зависимости от возможности доступа к внутренней поверхности конструкций для установки на них измерительных антенн. Точки ЭМИ СШП зондирования располагались на каждом блоке кольца.
По результатам измерений изменяющейся во времени напряженности электромагнитного поля, зарегистрированной в каждой точке ЭМИ СШП зондирования на две антенны с разными частотными диапазонами, и их последующей компьютерной обработки формируются геофизические материалы, основу которых составляют автокорреляционные (АКФ) и взаимные корреляционные (ВКФ) функции, представленные в виде георадиолокационных портретов подповерхностных структур.
Главными интерпретационными критериями для выявления нарушенных разностей являлись следующие идентификационные признаки АКФ и ВКФ георадиолокационных (ГРЛ) сигналов:
- для обнаружения пустот в заобделочном пространстве: фрагменты АКФ и ВКФ ГРЛ-сигналов, находящиеся в противофазе. На рис. 7 приведен пример выделения пустоты в заобделочном пространстве закрепительного кольца;
- для выявления разуплотненных разностей: выделялись интервалы сигналов, в пределах которых значения амплитуды АКФ и ВКФ стремятся к нулю. Нарушения в инженерно-геологических структурах дифференцировались
Рис. 11. Деление кольца на сегменты
--------- цпшцыпе
СТРОИТЕЛЬСТВО
Расчет конструкций
Рис. 12. Количество измерений, проведенных по сегментам Рис. 13. Количество выявленных пустот
как «разуплотнения средней степени» (рис. 8) и «интенсивные разуплотнения» (рис. 9).
По результатам интерпретации геофизических данных были построены поперечные сечения тоннеля, на которых представлена информация о пустотах и нарушениях в инженерно-геологических структурах в интервале глубин исследований 0-3 м, при этом за отметку «0» принята внутренняя поверхность колец. На рис. 10 представлены поперечные сечения закрепительных колец № 69 (слева) и № 21 (справа), которые условно можно отнести к сечениям с «плохим» и «хорошим» результатами инъекционного закрепления заобделочного пространства. За контуром колец показаны выявленные нарушения в структуре инженерно-геологических разностей.
Анализ инженерно-геофизической информации. С целью определения наиболее проблемных мест в заобде-
лочном пространстве на участках монтажа обделки наклонного хода от первого закрепительного кольца до восемьдесят первого был выполнен обобщенный анализ инженерно-геофизической информации, полученной по данным ЭМИ СШП измерений. Оценка производилась по условным сегментам, занимающим одинаковую позицию на каждом обследованном кольце (рис. 11).
На рис. 12 показано количество измерений, проведенных на каждом сегменте для всех колец. Далее определялось процентное отношение количества выявленных нарушений с количеством проведенных измерений в каждом из сегментов (рис. 13-15).
К наиболее проблемным участкам были отнесены те, на которых отношение количества выявленных нарушений к количеству проведенных измерений превышало 10%. Основное внимание акцентировалось на участках
■ ЬТЧ1й*ПРйМаСЯСТВ1ВЛЛЯ »ерял закригос акцеовереве авцЕСтвА ЗАО НПФ «Геодизонд», 198013, С.-Петербург
ГЕ О А И З О Н О Тел./факс: (812) 571-0230, 571-7806
геэЬяэкческОЁ еи ста т.-полное зоислроаакке
Е-Маи: geolog@geodizond.ra, ш1р://\¥\¥\¥.geodizond.ru
Научно-производственная фирма «Геодизонд» выполняет следующие виды геофизических изысканий:
□ Оценка состояния грунтов в основаниях зданий и сооружений
□ Проведение геофизических исследований при строительстве автодорожных и железнодорожных тоннелей, мостов, мостовых переходов, коллекторов и т. д.:
■ геологическое картирование слоев; выявление карстовых полостей и пустот в породах, слагающих основания железнодорожных полотен; выявление водоносных слоев; опережающее геолого-геофизическое обследование горных пород впереди забоев тоннелей - выявление тектонических нарушений; выявление водонасыщенных структур; обследование состояния выработки за элементами обделки
□ Обнаружение дефектов в сложных гидротехнических сооружениях (плотинах, пирсах, береговых укреплениях и т. п.), в фундаментах зданий и мостовых переходов, в сваях и других бетонных конструкциях:
■ георадиолокационное обследование бетонных и железобетонных конструкций с целью обнаружения скрытых нарушений сплошности бетона (трещин и трещинных зон, рыхлых неоднородностей);
■ определение мест возможного дренажа воды через бетонное или земляное тело плотины;
■ георадиолокационное обследование придонных отложений и геологических разностей, слагающих дно водоемов, с плавательных средств
□ Обнаружение и прослеживание трубопроводов, проложенных в грунтах или по дну водоемов
□ Определение расположения подземных инженерных сооружений и коммуникаций
□ Поиск археологических объектов
□ Поиск месторождений полезных ископаемых (твердых, жидких, газообразных)
□ Определение и оконтуривание зон загрязнения окружающей среды нефтью, нефтепродуктами и т. д.
рм
еа
в ег
12 10 8 6 4 2
ше к
9,1
7,7
4,7
2,9
6,8
2,6
11,4
6,1 5,4 Л
Я
1,6 л
III IV V VI VII VIII IX X XI XII Сегменты
Рис. 14. Количество выявленных интенсивных разуплотнений
5 £
2 £ зе
О 5
25 20 15 10
5
ш I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Сегменты
Рис. 15. Количество выявленных разуплотнений средней степени
пустот. По всей видимости, в эти интервалы проектного контура закрепления тампонажный раствор не проник. Самыми неблагоприятными сегментами обделки в этом отношении (по частоте «встречаемости» пустот) следует считать сегменты II, VI, VII, VIII и X (рис. 11). Помимо пустот в заобделочном пространстве к проблемным относятся участки интенсивно разуплотненных инженерно-геологических разностей, пористость в которых может достигать 50% от их общего объема. Очевидно, это разуплотненные участки, представленные грунтами, обрушившимися из коренного массива после монтажа кольца до нагнетания тампонажного раствора и в процессе его нагнетания. Наиболее частое проявление зон интенсивного разуплотнения отмечается в сегменте VIII, где процент «встречаемости» данных нарушений составляет 11,4%; близок к 10%-ному уровню «встречаемости» и сегмент VII - 9,1% (рис. 14).
Участки со средней степенью разуплотнения инженерно-геологических разностей (пористость среды колеблется в пределах 15-20% от объема) отмечаются во всех сегментах колец, но в сегментах II, IV, VI, IX, XII соотношение количества выявленных разуплотнений и количества проведенных измерений превышает 10% (рис. 15).
Контроль качества инъекционного закрепления грунтов в заобделочном наклонном пространстве представляет серьезную проблему даже для георадиолокации, требующей для непрерывного сканирования гладкой поверхности, исключающей строительный мусор.
Маломощный сигнал системы типа PRS (GPR) не позволяет работать с незастывшим бетоном большой толщины из-за высокого затухания сигнала в нем. Решать такие задачи можно с помощью систем ЭМИ СШП зондирования, отказавшись от сканирования в пользу точечного зондирования.
За наклонной цилиндрической бетонной поверхностью эти системы показали места нахождения наиболее проблем-
ных участков - пустоты и разуплотненные инженерно-геологические разности. Разрыв по времени между проведением измерений и предоставлением геофизических материалов заказчику составлял 4-6 час.
Список литературы
1. Грехов И.В., Ефанов В.М., Кардо-Сысоев А.Ф., Шенде-рей С.В. Мощный полупроводниковый генератор нано-секундных импульсов // Приборы и техника эксперимента. 1986. № 1. С. 93-94.
2. Свидетельство на полезную модель № 28289. РФ 7 Н 01 Q 7/00. Антенна для подповерхностного зондирования / Болтинцев В.Б. № 2002126446/20. Заявл. 07.10.02. Опубл. 10.03.03. Бюл. № 7.
3. Болтинцев В.Б., Ильяхин В.Н., Черемисин А.А., Безродный К.П., Нагорный С.Я. Применение метода электромагнитного импульсного сверхширокополосного зондирования при инженерно-геологических изысканиях // Инженерная геология. 2006. № 2. С. 72-76.
4. Пат. № 2144682 РФ 7 G 01 S 13/02. Способ радиолокационного зондирования геологического разреза / Бол-тинцев В.Б. № 99104111/09. Заявл. 01.03.1999. Опубл. 20.01.2000. Бюл. № 2.
5. Болтинцев В.Б., Лютынский И.Ю., Чапчай А.А. Применение вариационных задач для компенсации динамической погрешности информационно-измерительного комплекса // Проблемы машиностроения и автоматизации. 1990. № 6(36). С. 36-40.
20-22 о ¿Ж®^
октября ! Ж» ЛИПЕЦК О ^
15-я специализированная выставка
СТРОИТЕЛЬСТВО. АРХИТЕКТУРА. ДИЗАЙН.
Место проведения:
ВТЦЖОНТИНЕНТ"
(г. Липецк, ул. БалмочныхД5)
Организаторы: администрация Липецкой области
ОАО "МВЦ "Липецк-Экспо"
По всем вопросам обращаться: Тел./факс:(4742)22-70-76,22-72-76 expo@lipetsk.ru
2
0
