CC BY
53
-------------------------------------------- © А.З. Вартанов, И.В. Ковпак,
Н.Е. Титов, 2009
УДК 550.839
А.З. Вартанов, И.В. Ковпак, Н.Е. Титов
ГЕОКОНТРОЛЬ ПРИ ЩИТОВОЙ ПРОХОДКЕ КОЛЛЕКТОРОВ НЕГЛУБОКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ
Изложен опыт применения методов сейсморазведки и георадиолокации для предварительного контроля породного массива в местах предполагаемой проходки коллекторов. Целью геоконтроля является поиск возможных подземных коммуникаций, артефактов (строительный мусор, плиты и т.п.), неоднородностей породного массива (плывуны, карсты) в области проходки. Описаны достоинства неразрушающих методов контроля по сравнению с прямым методом шурфления. Также на основании опыта аргументирован выбор наиболее предпочтительного метода геоконтроля в контексте данной задачи.
Ключевые слова: коллекторы, сейсморазведка, георадиолокация, геоконтроль.
Семинар № 3
A.Z. Vartanov, I. V. Kovpak, N.E Titov
GEOCONTROLLING FOR SHIELD-DRIVING OF SHALLOW SEWERS
The article reveals experience gained while using the seismic exploration and GPR methods in order to perform preliminary control of the rock mass in the points of the would-be sewer tunneling. The purpose of geocontrolling is locating of the various underground utilities, artefacts (demolition waste, plates etc.), inhomogenities of rock mass (drift- sands, karsts) within the tunneling area. The article describes also the advantages of non-destructive control methods comparing with those of digging pits. Besides, there are presented pro-arguments while choosing the most preferable geocontrolling method within the frameworks of the task.
Key words: collectors, seismic prospecting, georadar-location, the geocontrol.
ТУ процессе строительства коллекторов щитовым способом неотъемлемой частью являются инженерные изыскания по поиску инженерных и геологических объектов затрудняющих проходку. В практике наиболее часто используют прямые методы - бурение или шурфление. Геологический разрез составляется путем интерполяции данных стратиграфических колонок полу-
ченных в результате бурения. Главный недостаток метода состоит в том, что между скважинами может оказаться карст или плывун, которые в результате не будут обнаружены. Также метод не в состоянии обнаружить множественные мелкие и относительно крупные объекты (например, строительный мусор, железобетонные плиты) на трассе будущего коллектора. Коммуникации отыскиваются шурфлением в нескольких точках, с интерполяцией их пространственного положения по трассе. Однако этот метод часто даёт необъективную информацию о строе-нии грунтового массива и расположении коммуникаций -основной проблемой является дискретность и локальность проведённых работ, ограниченных высокой стоимостью шурфления. Даже наличие планов расположения коммуникаций не решает проблему: реальное их расположение часто не совпадает с архивами проектных данных.
Решить эти проблемы можно при помощи методов геоконтроля, в частности георадиолокации и сейсмораз-
ведки. Характерными особенностями геоконтроля являются оперативность проводимых работ и возможность получить недискретные данные о породном массиве. Негативными аспектами методов являются существенная подверженность помеховым факторам и, как следствие, иногда проявляющаяся неточность полученных результатов. Поэтому методы геоконтроля обычно не заменяют, но дополняют прямые методы бурения и шурфления, позволяя экономить время и
Рис. 1. Интерпретированная радарограмма, полученная в процессе георадиолокационной съёмки участка строительства коллектора
средства, а также компенсировать недостатки прямых методов.
Сущность георадиолокационной съёмки состоит в испускании в массив электромагнитной волны (видеоимпульса) радиочастотного диапазона и регистрации её отражений от различных объектов в массиве. Отражение от объекта в массиве возможно только при условии, что электрические свойства объекта контрастны по сравнению с окружающим его массивом. В качестве характеристики электрических свойств используется действительная часть диэлектрической проницаемости, физический смысл которой сводится к коэффициенту замедления скорости распространения электромагнитной волны. Обычно подземные коммуникации (провода под напряжением, трубы водоснабжения, теплотрассы) обеспечивают необходимый контраст свойств и хорошо обнаруживаются в процессе георадиолокационных работ.
Георадар перемещают вдоль линии (профиля) в каждой её точке испуская и принимая электромагнитную волну. Таким образом, получают последовательность принятых электромагнитных волн, составляющих радарограмму (вид радароргаммы можно оценить по рис. 1). Перед съёмкой намечают серию профилей, перпендикулярных предпола-
гаемому расположению ком-муникации (если неизвестно примерное залегание коммуникации, то проходят ряд продольных и поперечных профилей). Таким образом, получают серию радаро-грамм.
Локальные объекты на радарограмме проявляются в виде характерных артефактов - гиперболических осей синфаз-ности (зон гиперболической формы). Если пройти профиль перпендикулярно коммуникации, то она выделится в виде гиперболической осей. Прослеживая эту коммуникацию на соседних перпендикулярных профилях можно убедиться, что это протяжённая коммуникация, а непросто локальный объект. Спецификой метода является сложная интерпретация полученных данных, требующая высокой квалификации специалиста.
Примером георадиолокацинных работ может выступить обследование грунтового массива в районе Складочной улицы перед строительством коллектора. Участок будущей проходки расположен в пойменной части реки, засыпанной техногенными грунтами и, возможно, строительным мусором. В список задач геоконтроля входили оценка состава и однородности насыпных грунтов, а также выделение возможных объектов. Обследование было выполнено георадарным комплексом «ОКО» производства ООО «Логические системы» с антенным блоком АБ-250 с частотой 250 МГц (глубинность до 8 м., разрешающая способность 0,25 м.). Обработка выполнена в программном комплексе GeoScan 32. На рис. 1 представлен вид типичной радарограммы, построенной в GeoScan 32. Радарограммы полученные на других участках давали приблизительно такую же картинку.
На радарограмме можно различить четыре георадиолокационных ком-
плекса. Верхний слой (до 2-х метров) по сравнению с другими слоями относительно однороден. В нём можно проследить несколько границ (обозначены красными линиями). Скорее всего, этот слой имеет песчано-гравийный состав и расслоения в нём связаны с границами различной плотности, возможно образовавшимися в процессе отсыпки и укатывания.
Далее идёт слой с большим количеством локальных объектов и включений. Учитывая, что разрешающая способность антенного блока 0,25 м, можно сказать, что эти объекты имеют размеры не менее 0,25 м. Скорее всего это крупный строительный мусор (куски железобетонных конструкций, арматура и т.д.). Объекты выделены красными кружками.
Ниже, на глубинах 3,4-5,2 м, выделен слой торфяных отложений пойменной части реки и подстилающий его суглинок. Граница торф-суглинок выражена не чётко, что возможно связано с сильным увлажнением грунтов вследствие чего электромагнитный сигнал георадара затухает сильнее обычного и отражение от границы торф-суглинок не доходит до приёмной антенны. В этой части радарограммы можно проследить низкочастотную составляющую, проявляющуюся ниже отметки 75 нс, что говорит в пользу предположения о наличии обводнённых зон в грунте. Косые линии, отмеченные в левой части рада-рограммы это паразитные отражения от надземных объектов не имеющие отношения к волнам, пришедшим из глубины массива.
В целом оценка строения и состава насыпных грунтов согласуется с данными проведённого позже контрольного бурения.
Рис. 2. Интерпретированная радарограмма, полученная в процессе опережающего георадио-локационного сканирования массива при строительстве коллектора от подстанции Марфино
В качестве другого примера геоконтроля можно предложить работы по опережающему георадиолокационному сканированию массива при строительстве кабельного коллектора от подстанции Марфино. Требовалось выявить локальные неоднородности; обнаружить и локализовать коммуникации, секущие трассу строя-щегося коллектора. На рис. 2 представлена типичная радарограмма, полученная при сканировании массива. На радарограмму нанесен профиль строящегося коллектора и схематично обозначены интерпретированные объекты. С помощью георадиолокации удалось обнаружить электрические кабели, различные локальные неметаллические объекты. Также была обнаружена железобетонная плита на глубине 2,5 м. от поверхности.
Сейсмоакустические методы гекон-троля также позволяют получить хорошие результаты при изучении породного массива и выявлении расположения коммуникаций. В грунтовый массив испускается упругая механическая волна
(возбуждение волны производится ударом кувалды по поверхности массива). Скорость распространения волны в массиве зависит от свойств среды: состава пород, пористости, трещиноватости, напряженного состояния. Волна отражается от границы (или от локального объекта) в том случае если присутствует контраст скоростных свойств между объектом и вмещающим массивом. Геологический состав массива обычно обеспечивает эти контрасты. Помимо отражённых волн существует еще целый ряд физических процессов происходящих в массиве. Сформировавшийся отклик массива регистрируется сейсмостанцией и системой датчиков, располагающихся на поверхности массива вдоль профиля. Проанализировав отклик можно судить о его строении массива.
Примером применения сейсморазведки при строительстве коллекторов могут послужить геофизические
работы при устройстве водосточного коллектора в районе улицы Херсонская. Использовалась сейсмостанция «Лакколит 24М» и 24 сейсмоприёмника. На объекте было размечено несколько профилей. На рис. 3 представлен вид типичной сейсмограммы (последовательно расположенные сигналы, зарегистрированные 24-мя датчиками), полученной в результате одного ударного возбуждения.
На рис. 4 представлен полученный в результате обработки сейсмограмм разрез. В результате работ было подтверждено предположение об отсутствии необнаруженных между скважинами объектов. Также результаты прямого метода были подтверждены бурением.
Сравнивая опыт применения описанных выше методов можно сказать, что одним из недостатков сейсморазведки являются методологические проблемы проведения работ. В условиях города большое влияние на результаты влияют шумы и вибрации: влияние оказывает и движение транс
Рис. 3. Вид сейсмограммы
порта и ведение строительных работ (часто в процессе съёмки приходится останавливать строительные работы). Еще одна проблема сейсморазведки - большая длинна волны регистрируемых упругих волн. Это приводит к тому, что можно обнаружить в массиве объекты размерами не менее 1 м, часто разрешающая способность метода оказывается еще ниже. В результате с помощью сейсморазведки трудно определять наличие строительного мусора, локальных объектов, коммуникаций в области строительства коллектора.
Основные проблемы георадиолокации также сводятся к помеховым факторам, однако эти помехи создаются явлениями другой природы - в первую очередь неравномерностью распределения электрических свойств массива. Причиной неравномерности наиболее часто является увлажнение массива - вода создаёт условия для отражения электромагнитной волны, при этом распределение зон увлажнения далеко не всегда совпадает с границами геологических слоёв и объектами которые необходимо обнаружить в массиве. Также зона увлажнения создаёт низкочастотные помехи и «звоны» (незатухающие низкочастотные помехи повышенной амплитуды), подавляющие полезный сигнал, приходящий с глубины. Еще один эффект связан с тем что зона увлажнения может создать градиент электрических свойств в породном массиве, а поскольку для отражения волны необходим контраст электри-
ческих свойств, искомая граница может быть маскирована за счёт зоны увлажнения [1].
Конкретный опыт говорит, что зоны увлажнения в массиве и поверхностная вода могут приводить к тому, что в ряде случаев на радарограмме невозможно выделить подземные ком-муникации, локальные объекты, выделить слои при создании геоподосновы.
Разрешающая способность метода георадиолокации выше, чем у сейсморазведки.
Рис. 4. Геологический разрез, построенный по сейсморазведочным данными
Для антенного блока АБ-250 (рабочая частота 250 МГц) разрешающая способность по глубине составляет 0,25 м. Для антенного блока АБ-1200 (рабочая частота 1200 МГц) - 0,05 м. Однако использование более высоких частот приводит к понижению максимальной глубины, с которой можно получить информацию.
Таким образом, геоконтроль подземного пространства при проходке коллекторов требует использования целого ряда методов (комплексирования), что позволяет минимизировать помеховые факторы, проблемные для отдельных методов. В конечном счёте, использование тех или иных методов или их комплекса определяется конкретной задачей и конкретным объектом.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Изюмов С. В., Дручинин С. В., Вознесенский А. С. Теория и методы георадиолокации: учебное пособие - М. : Горн. кн. : Изд-во МГГУ, 2008 (М.). - 196 с. : ил.
2. Владов М.Л., Старовойтов А.В. Введение в георадиолокацию - М.: изд-во МГУ, 2004. 153 с.
3. Гурвич И.И., Боганик Г.Н. Сейсмическая разведка. "Недра" - М., 1980. 551 С.1ЕШ
— Коротко об авторах
Вартанов А.З. - Председатель Совета Директоров ЗАО «Управляющая Компания «Межрегиональный Союз Строителей», научный руководитель «Института высоких технологий освоения и эксплуатации подземного пространства», кандидат технических наук, [email protected]
Ковпак И.В. - Президент ЗАО «Управляющая Компания «Межрегиональный Союз Строителей», [email protected]
Титов Н.Е. - Управляющий директор «Института высоких технологий освоения и эксплуатации подземного пространства», [email protected]
