CC BY
50
----------------------------------------------- © А.Ю. Бауков, 2005
УДК 622:624.191:550.83 А.Ю. Бауков
ОПЫТ КОМПЛЕКСНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ПРИ ОБСЛЕДОВАНИИ ПОДЗЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ И ПАМЯТНИКОВ КУЛЬТУРЫ г. МОСКВЫ
Семинар № 2
~П настоящее время при выполнении ремонтно-восстанови-
тельных и реставрационных работ объектов городского строительства или различных памятников архитектуры, культуры и истории обязательной предварительной процедурой является проведение по возможности наиболее полного контроля состояния такого сооружения. Как правило, обследование объектов производится комплексом различных методов, начиная от визуального обследования и классических разрушающих методов, заканчивая методами неразрушающего контроля, число и конкретный характер которых зависит от решаемых задач контроля и технических возможностей организаций, выполняющих такие работы.
В отличие от разрушающих методов неразрушающие методы контроля позволяют выявлять в конструкциях различного вида скрытые дефекты, а также определять или уточнять внутреннюю структуру обследуемого объекта. При решении таких задач наилучшими возможностями, в частности оперативностью и проникающей способностью в самых различных диапазонах глубин, характеризуются геофизические методы. К наиболее часто применяемым при неразрушающем контроле указанного класса объектов можно отнести сейсмические методы, методы высокочастотного электромагнитного зондирования (георадар) и виброакусти-ческий методы.
При решении ряда конкретных задач неразрушающего контроля, например, при выявлении скрытых приповерхностных вертикальных трещин, или при оценке пространственной неоднородности объекта, указанные геофизические методы используются в комплексе с традиционным методом неразрушающего контроля -ультразвуковым. Кроме того при наличии в исследуемых конструкциях металлических фрагментов в комплексе с геофизическими методами применяются индукционные неразрушающие методы, позволяющие выявлять внутри конструкций также металлические элементы и оценивать их характеристики (размеры, степень корродируемости и т.п.). Наиболее широко применяются геофизические методы при обследовании памятников культуры, так как в этом случае, как нигде, основным требованием к неразрушающему контролю является соблюдение не только полной целостности обследуемой конструкции, но и часто целостности ее свободной поверхности.
Сложность проведения контроля в производственных условиях, необходимость определения с достаточной точностью при производстве контроля различных физических параметров и характеристик сооружений, необходимость оперативности проведения контроля с учетом большого объема исследований обуславливает применение геофизических методов с их адаптацией к конкретным усло-
Вертикальный скоростной разрез, построенный по результатам сейсмического просвечивания
Вертикальный разрез в величинах предела прочности на сжатие
1300 -1200 -1100 1000 900
1800 700 600 500 400 300 200
Рис. 1. Результаты сейсмического просвечивания конструкций резервуара
виям контроля строительных объектов и памятников культуры.
С другой стороны, возможность использования таких методов при комплексном неразрушающем контроле указанных типов объектов предполагает наличие специализированной измерительной аппаратуры, а также соответствующих методик проведения натурных съемок.
Ниже приведены результаты комплексного неразрушающего контроля поземных объектов городского строительства и памятников культуры г. Москвы с применением ряда геофизических методов, выполненного на базе лаборатории диагностики ЗАО «Триада-Холдинг» в 2004 г.
Так при контроле подземных сооружений городского строительства, например заглубленных резервуаров питьевой воды, коллекторов различного назначения, подвальных помещений, необходимо определение прочностных характеристик бетонных конструкций, степени изменения упругих свойств бетона, качества арматуры, состава бетона, степени сохранности швов, наличия внутренних дефектов железобетонных конструкций, в частности зон внутренних расслоений в многослойных конструкциях, а также качества связи между железобетонной обделкой и окружающими объект горными породами, т.е.
наличия полостей непосредственно за обделкой сооружения.
Особенностью проведения контроля в таких объектах является значительная их протяженность (до нескольких километров), поэтому оценка прочностных характеристик и степени их изменчивости в пределах всего исследуемого участка производится с использованием сейсмического высокочастотного метода. При этом применяется методика линейного профилирования на фланговой системе при ударном возбуждении с десятикратным накоплением. Длина профиля варьируется от первых метров до первых десятков метров. Шаг измерения от 1 до 2 м. При сейсмических съемках используется 24 канальная переносная цифровая сейсмостанция «Диоген».
По результатам съемок строятся годографы первых вступлений сейсмоимпульса и с использованием программы «Surfer» - карта распределения изолиний скоростей продольных волн. Пример таких карт, полученных при обследовании резервуара чистой воды Восточной водопроводной станции, представлен на рис. 1. По годографам и картам на исследованной площади днища выделяются зоны аномальной прочности. В пределах данных зон оценивается динамическая прочность бетонных конструкций Ra и путем сравнения ее со средней прочностью вдоль всей конструкции и с проектной прочностью на основе методов математической статистики оценива-
Рис. 2. Спектрограммы и осциллограммы виб-роакустических импульсов
ется степень неоднородности прочностных свойств конструкции вдоль ее простирания. При этом значения динамической прочности сравниваются с прочностью, определяемой по выборочной методике склерометрическим методом с помощью молотков БЮ^ЫМГОТ швейцарской фирмы «Proceq».
Выявление зон с возможными полостями под днищем сооружения, а также участков с внутренними расслоениями четырехслойной конструкции днища производилось с использованием виброакусти-ческого метода. Методика съемок, измерительная аппаратура и способы интерпретации данного метода описаны в [1]. Измерения производились по методике площадной съемки вдоль линейных профилей. Расстояние между профилями составляло 3 м. Шаг точек возбуждения - 1,5 м. По результатам съемок на компьютере в каждой точке получали спектрограмму виброакустическо-го импульса (рис. 2), все спектрограммы анализировались, и по специальным программам на плане исследуемого участка строились зоны расположения возможных полостей и
Рис. 3. Карта дефектности днища резервуара, полученная в результате виброакустических исследований
внутренних дефектов конструкции. Пример построения карты дефектности днища представлен на рис. 3.
При обследованиях памятников культуры (церквей, музеев, старинных особняков и зданий и т.п.) одной из основных задач неразрушающего контроля является изучение внутреннего строения стен, перекрытий, полов и оснований исследуемого сооружения, так как в большинстве случаев не сохранились чертежи или другая проектная документация объекта. Причем особенностью изучения таких конструкций является значительное разнообразие материалов, из которых выполнены конкретные подлежащие контролю фрагменты памятника.
Другой важнейшей особенностью проведения обследований данных объектов является особенно бережное отношение к ним, о чем уже упоминалось выше. В качестве иллюстрации к данному положе-
нию можно привести пример исследования внутреннего строения стен и купола Благовещенского Собора в Московском Кремле, выполненные в ноябре-декабре 2004 г., когда во время проведения контроля могли быть повреждены бесценные фрески 16 столетия.
В связи с указанными особенностями выбор методов неразрушающего контроля при обследованиях памятников культуры определяется не только техническими задачами контроля и методическими условиями исследований (односторонний или двусторонний доступ; качество исследуемой поверхности - шероховатость и т.д.; длина доступной поверхности; затухание волн в материале и т.п.), но и возрастом и художественной или культурной ценностью, а также степенью сохранности объекта. Данные обстоятельства зачастую значительно сужают диапазон возможных методов, которыми можно пользоваться при контроле, а значит весьма сильно усложняют решение поставленных задач.
По указанным выше причинам при неразрушающем контроле памятников культуры наиболее часто применяют следующие методы: метод радиолокационного зондирования (георадар); ультразвуковой метод и сейсмический метод. Ограничениями при применении ультразвукового метода контроля является достаточно малая глубинность исследований при одностороннем доступе к объекту и необходимость использования акустической смазки. К факторам, сужающим круг применения сейсмического метода относятся: необходимость ударного
возбуждения, что категорически запрещено при исследовании ветхих участков памятника, а также требования достаточной протяженности поверхности, на которой производится сейсмическое профилирование, что весьма часто невозможно выполнить в условиях старшзжнзипос^рвиклаиболее перспективным при исследовании памятников культуры является метод георадара, характеризующийся возможностью применения
при одностороннем доступе к исследуемой поверхности, значительной проникающей способностью (до нескольких метров в зависимости от электромагнитных свойств исследуемой конструкции), хорошей разрешающей способностью, изменяющейся при использовании сменных приемнопередающих антенн с различными собственными частотами, и отсутствием необходимости применения промежуточных сред, в частности смазки, при проведении электромагнитных съемок. Кроме того отличительной особенностью электромагнитной локации является возможность уверенного выделения в исследуемой конструкции элементов с хорошей электрической проводимостью, например, металлических элементов, обводненных полостей и т.п. На основании измеренных фазовых скоростей электромагнитных волн и взаимосвязи их значений с диэлектрической проницаемостью среды с использованием данного метода можно определять тип материала, слагающего исследуемый объект. К достоинствам данного метода относится также простота проведения георадарных съемок и оперативное получение информации об объекте в виде электромагнитных волновых трасс, на которых четко выделяются электрические неоднородности [2].
В качестве примера применения геофизических методов при неразрушающем контроле памятников культуры приведем результаты обследования перекрытий здания ГМИИ им. Пушкина в г. Москве. Задачей данных исследований являлось изучение внутреннего строения перекрытий. Здание музея построено в 1912 году. Техническая документация на указанные конструкции объекта отсутствует. Поэтому ни внутреннее строение перекрытий, ни типы материалов, из которых они изготовлены были неизвестны. По причине исторической и культурной ценности объекта, а также отсутствия оценки степени его сохранности применение разрушающих методов контроля, в частности кернового бурения, категорически исключалось.
В данных условиях единственно приемлемым методом неразрушающего контроля был выбран георадиолокационный метод. Исследования перекрытий с использованием данного метода производилось георадаром «ОКО» с электромагнитными антеннами с собственной частотой 1700 МГц и 700 МГц.
Измерения выполнялись по системе взаимно перпендикулярных профилей. В результате на каждом участке съемок наблюдалось полное перекрытие фронтов отраженных электромагнитных волн.
В качестве иллюстрации полученных результатов на рис. 4 и рис. 5 приведены радиограммы при корреляционной обработке радиоволнового поля в процессе ра-
Рис. 4 Георадиолокационный разрез перекрытия 1-го этажа здания ГМИИ им. А.С. Пушкина. На профиле отчетливо видны дифрагирующие отражения от металлических балок
Рис. 5. Георадиолокационный разрез перекрытия 1-го этажа здания ГМИИ им. А.С. Пушкина. На профиле четко выделяются горизонтальные границы перекрытия
диолокационного зондирования различных перекрытий музея.
Так на радиограмме рис. 4 четко выделяются металлические несущие конструкции в верхней части перекрытия, а также его промежуточные слои. Характерной особенностью конструкции данного перекрытия является также наличие воздушного пространства в нижней части перекрытия, что также уверенно обнаруживается на плоскости радиограммы в виде соответствующих групп зон синфазности.
На рис. 5 видно, что помимо тонкой структуры внутреннего строения перекрытия, четко выделяются несущие горизонтальные конструкции, очерченные на радиограмме соответствующим контуром.
Приведенные примеры комплексного использования геофизических и традиционных методов неразрушающего контроля позволяют сделать выводы о перспективности применения различных геофизических методов для исследований не только подземных сооружений городского строительства, но и памятников культуры, а также о необходимости расширения круга других геофизических методов для решения указанных задач и совершенствования методик применения данных методов применительно к специфическим условиям таких объектов.
1. Бауков Ю.Н., Чумичев А.М., Бауков А.Ю.
Особенности применения вбироакусти-ческого метода при контроле многослойных покрытий, обделок и закрепного пространства в подземных выработках. // Горный информационный бюллетень, МГГУ, 2002, №3.
2. Рубан А.Д., Бауков Ю.Н., Шкуратник В.Л. Горная геофизика. Высокочастотные электромагнитные методы. Учебное пособие - М.: МГГУ, 2002.
— Коротко об авторах ---------------------------------------------
Бауков А.Ю. - аспирант, Московский государственный горный университет.
-------------------------------------------------- © М. Д. Молев, 2005
УДК 53.082:622.83 М.Д. Молев
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ КООРДИНАТ ЗАБОЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ СКВАЖИНЫ В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД
Семинар № 2
~П Восточном Донбассе, начиная с -Щ-З 1994 г., проводится реструктуризация угольной отрасли, характерной чертой которой является массовое закрытие неперспективных угольных шахт. Принятие оптимальных управленческих решений по ликвидации предприятий возможно только при наличии всестороннего научно-технического сопровождения. Как показывает опыт проведения горнотехнических работ, для регулирования гидрогеологического режима в углепородном
массиве достаточно часто требуется пробурить водоперепускные скважины с дневной поверхности в горную выработку или между двумя подземными выработками. При производстве буровых работ нередко забои скважин отклоняются от проектных координат, что связано с неоднородностью строения геологической среды и недостаточным уровнем контроля за направлением бурения. Для нахождения «потерянных» скважин приходится дополнительные горные работы.
