Мониторинг подземного пространства вперед забоя методом электромагнитного импульсного сверхширокополосного зондирования на примере строящихся тоннелей в Сочи Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Подземное строительство

------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

Научно-технический и производственный журнал

УДК 624.1

К.П. БЕЗРОДНЫЙ, д-р техн. наук, заместитель генерального директора по НИР, ОАО НИПИИ«Ленметрогипротранс»; В.Б. БОЛТИНЦЕВ, канд. техн. наук, заместитель генерального директора по НИР, В.Н. ИЛЬЯХИН, гл. инженер, С.В. АНДРИАНОВ, инженер-геофизик, ЗАО НПФ «Геодизонд» (Санкт-Петербург)

Мониторинг подземного пространства вперед забоя методом электромагнитного импульсного сверхширокополосного зондирования на примере строящихся тоннелей в Сочи

Приведены научные направления, способствующие развитию метода электромагнитного импульсного (ЭМИ) сверхширокополосного (СШП) зондирования. На примере строящихся тоннелей в Сочи показаны результаты мониторинга геологической ситуации вперед забоя.

Ключевые слова: сверхширокополосное зондирование, метод Винера-Хопфа, дрейфовые диоды, яма Брюстера, ампертура.

В течение последних сорока лет для решения задач проходки горных выработок все чаще привлекается георадиолокация (активно разрабатывается в США, Франции, Швеции, России и др.) - технология, использующая при изучении подземного пространства принципы радиолокации.

Метод электромагнитного импульсного сверхширокополосного зондирования как один из методов георадиолокации нашел применение в инженерной геологии и строительной индустрии, в частности в тоннелестроении, мостостроении, при строительстве метро и т. д. С его помощью с 1996 г. ведется обследование горного массива вперед забоя строящихся тоннелей.

Увеличение глубины исследований за счет увеличения амплитуды излучаемого сигнала стало реальным после разработки генераторов на дрейфовых диодах с резким восстановлением обратного напряжения (ДДРВ), выполненной в 1986 г. И.В. Греховым, В.М. Ефановым и др. [1], а

также работы по микрополосковым антеннам [2]. Пиковая амплитуда тока в таких приборах может достигать 800 А [3].

В тоннелестроении от инженерной геологии требуют идентификации слоистой структуры подземного пространства. Эта задача является существенно некорректной [4], поскольку качество интерпретации наблюдаемых сигналов зависит от большого числа факторов - количества слоев, геометрических параметров и состава каждого слоя подземного пространства, причем с неизвестными электрофизическими свойствами. Решению таких задач способствовали работы Г.А. Арчи и В.Н. Дахнова о связи сопротивления с пористостью и водонасыщенностью (с проницаемостью песков для растворов с разной минерализацией); А.Д. Фролова, Л.Д. Семинихиной - о предельной концентрации KCl и NaCl в поровых растворах, характеризующих электропроводность грунта в МГц-диапазоне частот [5]. Они впервые позволили выявить в районе ча-

Наименование тоннеля Способ проходки Общая длина тоннеля, м Пройдено на 1.09.2010 г., м; (Юж. пор.+Сев. пор.) Количество прогнозов/ измерений

Ж/д тоннель № 1 Комбинированный 2484,34 2119,8 (1464+655,8) 48/279

А/д тоннель № 1 Комбинированный 2292,68 1443 (1330+113) 35/209

Штольня № 1 Щит 1 2337,4 2337,4 85/407

Ж/д тоннель № 2 Комбинированный 105 105 4/22

А/д тоннель № 2 Комбинированный 4134 123,4 5/33

Ж/д тоннель № 3 Щит 2 4073,89 135 5/26

А/д тоннель № 3 Щит 3 1372 720,5 (440+280,5) 20/117

Штольня № 3 Щит 4 4073,8 505,4 21/93

Ж/д тоннель № 4 БВР 448,71 373,5 9/52

Ж/д тоннель № 5 Щит 5 2901 1107,7 41/130

Штольня № 5 Щит 6 2863,6 2863,6 102/354

Ж/д тоннель № 6 Комбинированный 470,16 362,4 (337,1+25.3) 12/67

Итого: 27556,58 12196,7 346/1789

40

122010

Научно-технический и производственный журнал

ЖИЛИЩНОЕ

Л

Подземное строительство

Рис. 1. Вид режущей части ротора горно-проходческого щита Herrenkneht 10690 с открытым технологическим отверстием для ЭМИ СШП измерений

стот ~ 10 МГц сильную низкочастотную дисперсию диэлектрической проницаемости жидких растворов, наличие которой ранее лишь предполагалась.

Метод ЭМИ СШП зондирования основан на решении обратной задачи методом Винера-Хопфа и реализуется комплексом [1], имеющим в своем составе:

- набор излучающих генераторов наносекундных импульсов, изготовленных по технологии ДДРВ и имеющих фронты импульсов 0,5 нс; 1 нс; 3 нс при длительности ~ 10 нс; пиковую амплитуду импульса напряжения от 1 кВ до 6,3 кВ; пиковую амплитуду тока 20-120 А. Перечисленные характеристики генераторов измерены в полосе 0-20 ГГц;

- метрологически аттестованные в полосе частот 40-1200 МГц передающие антенны и приемные антенно-фидерные устройства (АФУ), для которых согласование со средой определялось через производные функций Ханкеля по трем составляющим ее аргумента: радиусу кривизны поверхности антенны, волновому числу для заданного диапазона длин волн и коэффициенту преломления электромагнитной волны для слоя. В результате этого для реализации «ямы Брюстера» получены: волновое сопротивление среды (~ 91,4 Ом) в требуемом диапазоне частот и угол падения излучаемой волны (~ 68о-74о) при коэффициенте стоячей волны по напряжению (КСВН) передающих антенн, измеренном относительно сухого бетона ~ 2,25 и КСВН приемных АФУ 1,86;

- приемно-регистрирующий блок с высокой помехозащищенностью для записи принимаемых сигналов ~ 20 мВ-100 В в полевых условиях.

Многоканальность системы (2-, 4- канала) позволяет решить проблему идентификации - задачу определения числа слоев, участвующих в формировании отраженного сигнала. Весь комплекс полевой аппаратуры питается от постоянного напряжения 12 В. Суммарная потребляемая мощность не более 150 Вт. Вес комплекса порядка 15 кг.

Применение комплекса вперед забоя строящихся выработок позволяет решать следующие задачи мониторинга инженерно-геологического пространства:

- определение числа слоев, участвующих в разрезе (ли-тологическое расчленение разреза);

- прогноз тектонического и гидрологического состояния горного массива;

- контроль качества инъекционного закрепления [1].

Экспериментально установлено, что метод позволяет

производить ЭМИ СШП измерения через лед, воду, чугун-

Рис. 2. Пример проведения ЭМИ СШП измерений вперед забоя

ные и железобетонные тюбинги обделки тоннелей и дифференцировать геологические слои до глубины порядка 130 м (пиковую амплитуду импульса напряжения 6,3 кВ, пиковую амплитуду тока 120 А). Точность определения положения слоев менее 1,5% от истинной глубины их залегания.

Проект будущей трассы предусматривает строительство в едином техническом коридоре железной и автомобильной дорог протяженностью ~ 49 км. На данном направлении ведется строительство шести тоннельных комплексов, включающих шесть железнодорожных тоннелей протяженностью 11096 м; три автодорожных тоннеля протяженностью 6867,4 м; три сервисно-эвакуационные штольни протяженностью 9833,4 м.

Мониторинг подземного пространства вперед забоя в строящихся тоннелях в Сочи как инженерно-геологического пространства имеет ряд характерных особенностей:

- различные способы проходки тоннелей и штолен и, как следствие, разная оперативность в предоставлении прогноза развития ситуации вперед забоя;

- сопровождение выработок с осложняющими факторами: разной нарушенностью горной породы впереди забоя; сезонными обильными дождями, меняющими водоприток в выработках; переменной величиной пригруза забоя в силу изменения твердости горных пород;

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Глубина, м

Рис. 3. График взаимной корреляционной функции и импульсной характеристики точки зондирования, выполненной на сбойке тоннеля

12'2010

41

M

Прогнозное положение участков нарушенных и водонасыщенных пород на трассе штольни железнодорожного тоннеля N° 1 мещенной (автомобильной и железной) дороге Адлер - горно-климатический курорт «Альпика-Сервис» со стороны южного портала

по данным ЭМИ СШП зондирования. Этап 46 Масштаб 1:100

Условные обозначения

Разрез по линии 1-1 ^3-3

ПК 1АУЗАО(Н ОЗ.Ю. 12:40>_

тз-з

т

28 м

—(27,9 м

- точка ЭМИ СШП зондирования Тектонически нарушенные породы - среднетрещиноватые

- интенсивно трещиноватые

- прогнозные участки обводненных пород

- прогнозные участки

- 27,9 м карстовых пустот

- известняки, мергели

Разрез по линии 2-2

ПК l6jrit.Ofll.OHO ■ 13.40]

(Литологический состав пород указан в соответствии с информацией, представленной заказчиком)

27,9 м

Н 27,8 м Схема расположения точек ЭМИ СШП зондирования на забое штольни железнодорожного тоннеля № 1 ПК 163+36

] 28 м

ПК

05,9 м

M M

О

Рис. 4. Результаты выполненных измерений в штольне № 1 (щит — Lovât RME 232 SE)

Си s

Научно-технический и производственный журнал

Подземное строительство

- несоизмеримость площади выработки с площадью, доступной для проведения измерений (характерна для проходки щитом, рис. 1).

В таблице приведены основные способы проходки, определяющие состав ЭМИ СШП комплекса в части антенн и длину интервала обследования. Комбинированная проходка (комбайн и способ «Буровзрывных работ» - БВР) позволяет использовать всю площадь забоя для проведения измерений, что делает прогноз более точным (рис. 1).

При проходке (см. табл.) задействованы следующие способы: комбинированный - комбайн + БВР; щит 1 -Lovat RME 232 SE; щит 2 - Lovat SELI RM 394 DS; щит 3 - Herrenkneht 13210 HART; щит 4 - Lovat SELI RM 243 DS; щит 5 - Herrenkneht 10690; щит 6 - Lovat RME 167 SE. Скорость проходки в среднем составляет 265-300 м/мес.

Основной практической задачей при идентификации подповерхностных структур является определение глубины залегания слоя или объекта, которую находят по формуле:

C'At,, R = c-At/(2^),

где И - расстояние до объекта; с - скорость света; М - задержка зондирующего сигнала; е3ф - эффективное значение диэлектрической проницаемости. При ЭМИ СШП зондировании задача нахождения еэф решается следующим образом. Для расстояния до появления известного слоя (рис. 3) измерения выполнялись со стороны северного портала второго железнодорожного тоннеля. На глубине 12,6 м отмечается положение южного портала, записываются сигналы

одного частотного диапазона, и относительно них решается уравнение Винера-Хопфа [6], при этом максимальный скачок импульсной характеристики берется за отметку, соответствующую известному перепаду высот (расстоянию до появления известного слоя - 12,6 м для рис. 3). После несложных вычислений ^еэф = 4,01 для влажного забоя.

Применение горно-проходческого щита усложняет проведение ЭМИ СШП измерений: максимальный размер технологического отверстия (0,4x0,4 м) определяет апертуру используемых антенн (рис. 2) и направление измерений, куда дается прогноз, при этом длина интервала зондирования не превышает 28 м (для комбайна и БВР - 42 м). Для проведения многоточечных измерений используется поворот щита.

На рис. 4 в качестве примера геофизического прогноза геологических условий впереди забоя строящейся горной выработки приведен этап 46 обследования участка трассы штольни тоннельного комплекса № 1 (железнодорожный тоннель № 1, автодорожный тоннель № 1 и штольня № 1), совмещенной (автомобильной и железной) дороги Адлер - горно-климатический курорт «Альпика-Сервис» от ПК 163+36 до ПК 163+64. В результате обследования были выделены интервалы трассы, на которых прогнозировались осложняющие проходку условия, а именно: участки сред-нетрещиноватых пород, прослои обводненных геологических разностей и карстовые полости между - ПК 163+40,5 - ПК 163+41,5 и ПК 163+56,7 - ПК 163+58.

Исполнительная геологическая документация, составленная геологической службой строительного участка по результатам проходки горной выработки, указала на нали-

ЗАО НПФ «Геодизонд», 198013, С.-Петербург

Г Е О П ИЗ О Н О Тел./факс: (812) 571-0230, 571-7806

Ь-Маи: geolog@geodizond.ra, http://www.geodizond.ra

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.

122010

43

Подземное строительство

Ц M .1

Научно-технический и производственный журнал

чие секущей зоны раздробленной породы между ПК 163+56 - ПК 163+59, что соотносилось с ожидаемой в этой позиции карстовой полостью; на увеличенную трещиноватость на участке от ПК 163+37 до ПК 163+40 и карстовую полость, развитую по трещине в районе ПК 163+40,5, что полностью соответствует ранее заявленному прогнозу. Породы на участке характеризовались как слабообводненные.

Таким образом, прогнозная геофизическая информация на участок обследования от ПК 163+36 до ПК 163+64 соответствует данным горнопроходческих работ. Приведенный пример свидетельствует об оперативности и эффективности использования метода ЭМИ СШП зондирования при выявлении неблагоприятных условий в процессе строительства горных выработок.

Список литературы

Безродный К.П., Болтинцев В.Б., Ильяхин В.Н., Шумков В.А., Андрианов С.В. Геофизическое обследование инъекционного закрепления заобделочного пространства методом электромагнитного импульсного сверхширокополосного зондирования / // Жилищное строительство. 2010. № 5. С. 39-44.

Грехов И.В., Месяц Г.А. Полупроводниковые наносе-кундные диоды для размыкания больших токов // Успехи физических наук. 1985. Т. 175. № 7. С. 735-744. Панченко Б.А., Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. М.: Радиосвязь, 1986. 144 с.

Адамар Ж. Lectures on Cauchy's problem. New York. 1923. Фролов А.Д. Электрические и упругие свойства мерзлых пород и льдов. Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН, 2005. 607 с. Патент РФ № 2144682. Способ радиолокационного зондирования геологического разреза / Болтинцев В.Б.; заявитель и патентообладатель Болтинцев В.Б. // Опубл. 20.01.2000. БИ. № 2.

2.

12-15

апреля

Ml CiltИТАЛИИ РОВ» ИНАЯ ШСТАВКА

г.УФА

ДВОРЕЦ СПОРТА ул. Р.Зоргйг 41

ВСЁ для

СТРОИТЕЛЬСТВА и РЕМОНТА-2011

=с M

■

ЩЬЦ mi II^H

XV КШН ПИНАН СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ ВЬКТАВМ

КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ОТОПЛЕНИЕ •ОД0СНАБЖЕНИЕ-2011

ОРГКГгГЛ il Т L 1 ОС [! Iш ч KpCHtp V и Г.Т Li И м Ч il и* нпмприня"

Тгя. fr;ivrV-rtr--.'--Ml1 ■), ¡531B0Ï, E-IMil ll.rir, ■ 1> кирШ.ГЧ, , I II

Оргашнивр

MVK'

|495) т-ЗД-Э! www.mvlc.ru

Л ¿1-1 ~7 февраля 201 1 г.

ЗЦ «Сокольники», 4 павильон

ПРИГЛАСИТЕЛЬНЫЙ

БИЛЕТ

1А

гаэвэша

......

■ Пграитппьтэе cilyipyflnFi^HH^tt -Ст1>ЗИГЕПКНЩЯ и пцдьймну-

' Те^НЛЛГГНН [7ТрОИТ1РП(.ГЛН(1

- и Пр/нтт^АпПвктныа - ......... .

стаг»иьге здЕгние транспортной течиц*.э

материалы

OPZMF1 РАБОТЫ ВЫСТАВКИ

КЙМОЛ — Vbxuûti 10.00-1 S CO -^0-OÎK2G11 ВОИШ

ДЕЙСТВИТЕЛЕН НА ОДНО ЛИЦО — НЕ ДЛЯ ПРОДАЖИ — ОБЯЗАТЕЛЬНАЯ РЕГИСТРАЦИЯ

.................-X....................................................Х-.............

3

44

122010