CC BY
14Подземное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
УДК 624 : 621.396.96
К..П. БЕЗРОДНЫЙ, д-р техн. наук, зам. генерального директора по НИР, ОАО НИПИИ«ЛенМетроГипроТранс»; В.Б. БОЛТИНЦЕВ, канд. техн. наук, зам. генерального директора по НИР, В.Н. ИЛЬЯХИН, гл. инженер, ЗАО НПФ «Геодизонд» (Санкт-Петербург)
Оценка обводненности горной выработки по данным электромагнитного импульсного сверхширокополосного зондирования
Приведено теоретическое и практическое обоснование возможности оценки обводненности горной выработки по данным электромагнитного импульсного сверхширокополосного зондирования. На примере конкретного тоннеля представлено сравнение прогноза и фактического материала проходки.
Ключевые слова: обводненность, релаксационный спектр, коэффициент отражения антенны.
Для получения оперативных данных о состоянии горного массива впереди забоя активно применяется аппаратура и методики георадиолокационных изысканий. Как разновидность георадиолокации метод электромагнитного импульсного сверхширокополосного (ЭМИ СШП) зондирования все чаще привлекается для оценки обводненности и трещино-ватости горной выработки. Применяемая для этого схема: зондирование вперед забоя; излучаемый сигнал без несущей частоты; амплитуда импульсов ~104 В; импульсный ток ~100 А; приемник - многоканальная сверхширокополосная информационно-измерительная система с большим динамическим диапазоном входного сигнала (1 мВ - 100 В); антенны - нерегулярные микрополосковые линии передачи, согласованные со средой по волновому сопротивлению [1] в метровом (м-) и дециметровом (дм-) диапазонах длин волн. Такая схема значительно увеличила глубину проник-
Рис. 1. Общий вид комплекса
новения полезного сигнала в подстилающую среду. Совершенствование методов обработки измерений [2], учет данных метрологического обеспечения измерительных возможностей комплекса, а также накопленная за годы работ широкая практическая база интерпретации полученных сигналов позволяют давать оперативный и достаточно точный прогноз геологических условий на трассах строящихся горных выработок.
Безопасность эксплуатации, малые размеры и вес аппаратуры делают данный метод весьма доступным: весь комплекс полевой аппаратуры питается от 12 В постоянного напряжения; суммарная потребляемая мощность не более 150 Вт; вес комплекса не превышает 15 кг. Общий вид комплекса представлен на рис. 1.
Существенным неблагоприятным фактором при проходке тоннеля является обводненность горного массива: пересечение горизонтов воды значительно усложняет горно-проходческие работы; создается угроза затопления выработки; повышается риск обвала горных пород. В связи с этим становится особенно востребованной прогнозная информация о предполагаемом расположении водоносных слоев, предоставляемая по данным метода ЭМИ СШП зондирования.
Ыу, Гц)
Рис. 2. Частотная зависимость tg8 воды (1—4) и водного раствора МаС1 с проводимостью 100мкСм/см (5) по данным: 1-[6]; 2 —[8]; 3 -[5]; 4 - [9]
Научно-технический и производственный журнал
Подземное строительство
0,4 0,38 0,36 0,34 0,32 0,3 0,28 0,26 0,24 0,22 0,2 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300
Рис. 3. Зависимость коэффициента отражения 1Я1 от частоты антенн метрового (красная) и дециметрового (зеленая) диапазонов длин волн (шаг по частоте 0,5 МГц)
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48
Рис. 4. Фурье-преобразование сигнала, снятого с водной поверхности р. Невы, антенной [1] метрового диапазона в разных точках (расстояние ~30м, шаг по частоте 1,25 МГц)
0,11 0,1 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48
Рис. 5. Фурье-преобразование сигнала, снятого в горной выработке тоннеля № 1 (ПК 157+67) в г. Сочи, антенной [1] метрового диапазона в разных точках (расстояние ~8 м, шаг по частоте 1,25 МГц)
Общим критерием диэлектрических спектров (А.Р. Хип-пель, 1954 г.) - синоним «релаксационные спектры» - является то, что диэлектрическая проницаемость может оставаться постоянной или падать с возрастанием частоты, тогда как тангенс угла диэлектрических потерь ^дб) как функция частоты может и возрастать и падать.
При прохождении электромагнитного импульса через среду наибольшим изменениям подвержена жидкая фаза среды [3, 4], поэтому в сильных импульсных электромагнитных полях стало возможным выявление воды в природных средах с различным минеральным скелетом. Это особенно важно для пористых грунтов. В этом случае проводимость, определяющая их электрические свойства, является ионной (низкочастотной). На рис. 2 показана частотная зависимость 1д^дб) воды [5, 6, 8] и водного раствора NaCl с проводимостью 100 мкСм/см [9]. Из данных рис. 2 следует, что нижняя (по частоте) точка минимума функции 1д^дб) имеет значение ~25 МГц - частотный предел, к которому стремится функция при повышении концентрации солей в воде. Анализ данных по этому вопросу [5, 6, 8, 9] позволяет обоснованно говорить как о наличии низкочастотной диэлектрической дисперсии, так и о ее смещении при наличии водного раствора NaCl в область более высоких частот.
Водный раствор солей в грунтах можно рассматривать как систему, состоящую из объемной воды, воды в гидрат-ных оболочках и ионных форм разного состава. Объемная вода в растворе имеет структуру, сходную с чистой водой; размытый переходный слой на границе между гидратной оболочкой и объемной водой отсутствует. Полагается, что концентрационная граница, выше которой объемная вода в растворе отсутствует, в первом приближении соответствует максимуму удельной электропроводности раствора. Подобное представление о структуре водных растворов предлагается в [7]. В [9] установлено, что в водных растворах неэлектролитов наблюдается рост времени диэлектрической релаксации: экстремумы в частотной зависимости tgб смещаются в область более низких частот, так как в сетке водородных связей раствора происходит уменьшение вращательной подвижности молекул по сравнению с чистой водой.
Очевидно, что для выявления таких частотных особенностей обводненного горного массива необходимы антенны со специфическими характеристиками. В [1] представлена антенна бегущей волны, состоящая из связанных неоднородных несимметричных микрополосковых линий, т. е. представляет собой нерегулярную микрополосковую линию передачи. Из графика зависимости коэффициента отражения от частоты антенн [1] м- (красная) и дм- (зеленая) диапазонов длин волн, измеренных для обеих антенн (рис. 3) на сухом бетоне (е = 5-6, ст « 10-8 См/м), следует, что обе антенны имеют ^|<0,2 в диапазоне частот 0,3-200 МГц, т. е. такие антенны способны регистрировать сигналы в частотном диапазоне, характеризующем проявление в породе повышенной водонасыщенности ~25 МГц.
Для проверки возможности получения оценки обводненности горных пород при строительстве подземных выработок была проведена серия экспериментов. Первая серия состояла в прямых измерениях с водной поверхности р. Невы. Результаты Фурье-преобразования сигнала, снятого с водной поверхности, антенной [1] м-диапазона в разных точках (расстояние ~30 м, шаг по частоте 1,25 МГц) приведены на рис. 4; экстремум спектра сигнала соответствует значению 25 МГц по частоте. Вторая серия состояла
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Прогноз геологической ситуации по данным ЭМИ СШП зондирования
ПК 49+29 - ПК 49+99
А) На всем участке многочисленные мощные зоны сильнотрещиноватой породы («тектонические нарушения»). Б) Водонасыщенные породы установлены на участке ПК 49+48 - ПК 49+65.
ПК 50+11 - ПК 50+81 А) Сильнотрещиноватые породы на участках ПК 50+19 -ПК 50+33 и ПК50+60 - ПК 50+72. На остальных участках породы слаботрещиноватые. Б) Влажные породы на участке ПК 50+30 - ПК 50+47.
ПК 50+96 - ПК 51+66 А) Породы слаботрещиноватые. Единичные маломощные (мощностью до 1 м) зоны сильнотрещиноватой породы на участке ПК 51+00 - ПК 51+32. Б) Влажные породы - эпизодические на участке ПК 51+40 -ПК 51+60.
ПК 53+20 - ПК 53+90 А) На участках ПК 53+20 -ПК 53+40 в 3,5 м ниже свода тоннеля выявлены редкие маломощные зоны сильнотрещиноватой породы. Такая же степень трещиноватости породы установлена на участке ПК 53+60 - ПК 53+80 только в правой верхней части тоннеля, что может быть отнесено к полого падающей тектонической трещине. Б) Влажные, водонасыщенные породы не установлены.
ПК 54+09 - ПК 54+79 А) Породы слаботрещиноватые. Сильнотрещиноватые породы в левой половине тоннеля на участке ПК 54+10 - ПК 54+28. Б) Влажные и водонасыщенные породы на участке ПК 54+36 -ПК 54+56.
ПК 55+11 - ПК 55+81 А) Мощные зоны - от 5 до 25 м -сильнотрещиноватой породы практически на всем обследованном участке. Б) Локальные фрагменты (мощностью от 2 до 4 м) влажной породы.
Факт (приводится по данным исполнительной документации ООО «Дальтоннельстрой»)
А) Порода сильнотрещиноватая, система трещин различная.
Б) Влажная порода на участке ПК 49+29 - ПК 49+44, капеж и слабые течи на участке ПК 49+44 - ПК 49+55.
А) Порода трещиноватая и слаботрещиноватая. Б) Влажная порода на участке ПК 50+35 - ПК 50+42
А) Порода трещиноватая и слаботрещиноватая. Б) Порода влажная на участке ПК 51+26 - ПК 51+66.
А) Порода монолитная. Отмечаются отдельные пологие трещины.
Б) Влажность пород, капеж и течи отсутствуют.
А) Породы слаботрещиноватые. Б) Влажные породы, капеж и слабые течи на участке ПК 54+12 - ПК 54+ 67.
А) Сильнотрещиноватые и трещиноватые породы. Тектонические зоны мощностью 0,51,5 м ограничивают блоки сильнотрещиноватых пород.
Б) Капеж и течи на участке ПК 55+50 - ПК 55+ 80, преимущественно в своде.
-си? I ' - а
. - ^ Г / . I '
9" ' ТЯГ $
■Г,-о р * ' I ' Гъ'.о , ' Л; ' - Я-
1 Ш 2 И 3 И 4
□
5
7
в измерениях в горной выработке (тоннель № 1, ПК 157+67) г. Сочи. Результаты Фурье-преобразования сигнала, снятого в горной выработке тоннеля № 1 (ПК 157+67), антенной [1] м-диапазона в разных точках (расстояние ~8 м, шаг по частоте 1,25 МГц), приведены на рис. 5; экстремум спектра сигнала соответствует значению 25,6 МГц по частоте.
В качестве наиболее представительных работ по геофизическому контролю за состоянием горного массива следует отметить наблюдения методом ЭМИ СШП зондирования при строительстве железнодорожных тоннелей: Большого Петлевого на перегоне Туапсе-Армавир и тоннеля № 1 вблизи п. Магри на перегоне Туапсе-Адлер СевероКавказской железной дороги; Лагар-Аульского тоннеля на перегоне Облучье-Известковая Дальневосточной железной дороги.
Геофизические исследования горных пород на трассах тоннелей методом ЭМИ СШП зондирования представляют
Рис. 6. Фрагмент графического сопоставления прогнозных данных ЭМИ СШП обследования и результатов фактической проходки между ПК 55+11 — ПК 55+81 в разрезе Лагар-Аульского железнодорожного тоннеля: 1 — литотуфы и туфобрекчии риолитовых порфиров; 2 - маломощные жильные породы основного состава; 3 — тектонические нарушения; 4 — тоннель; 5 — порода влажная или напитанная водой; 6 — тектонические нарушения по данным ЭМИ СШП зондирования; 7 — трещиноватые влажные породы по данным ЭМИ СШП зондирования
собой горизонтальные измерения на вертикальной поверхности забоев выработок в фиксированных пунктах размещения измерительных антенн комплекса (рис. 3). При этом «лучи» зондирования ориентируются вдоль проектной оси тоннеля. На каждом забое выполняются, как правило, пять геофизических измерений, при этом три точки зондирования располагаются в приподошвенной части забоя, а две
- в верхней (сводовой) части. Указанная схема измерений позволяет по результатам последующего анализа геофизических данных составить представительные горизонтальные разрезы, отражающие особенности геологического строения массива на горизонте строящейся горной выработки (рис. 5).
Работы проводятся поэтапно. Этапность геофизических исследований определяется предельной эффективной глубиной ЭМИ СШП измерения, колеблющейся в пределах 70 м. То есть по истечении проходки предыдущих 68-70 м трассы тоннеля, на которые давался прогноз инженерно-геологических условий, выполняется очередной этап геофизического обследования, обеспечивающий прогнозную оценку аналогичных условий горного массива для проходки следующих 70 м. Результаты сопоставления ЭМИ СШП зондирования и фактических данных горных работ при проходке Лагар-Аульского железнодорожного тоннеля ДВЖД представлены в таблице.
Представленные сравнения результатов опережающего ЭМИ СШП зондирования и последующей проходки свидетельствуют о довольно высокой их сходимости. Это в первую очередь касается участков тоннеля между пикетами: ПК 49+29 - ПК 49+9; ПК 55+11 - ПК 55+81 (рис. 5); ПК 53+20 - ПК 53+90; ПК 54+09 - ПК 54+79.
Сверка исполнительной документации горно-проходческих работ и итоговых материалов геофизического прогноза инженерно-геологических и гидрогеологических условий впереди забоев по трассе строящегося тоннеля № 1 вблизи п. Магри на перегоне Туапсе-Адлер, выполненного методом ЭМИ СШП зондирования, выявила следующие результаты:
- прогнозные границы между геологическими разностями с различными прочностными характеристиками
Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Подземное строительство
были достоверно выделены в разрезах горного массива в результате геофизических исследований на этапах I, III, VII, что подтверждено зарисовкой развернутой выработки, выполненной по результатам проходки;
- зоны нарушенных пород, выделенные по данным ЭМИ СШП зондирования на этапах обследования I-III, VI, VII, в целом подтвердились последующей проходкой, что дает основание говорить об удовлетворительной сходимости прогнозных и фактических данных проходческих работ;
- прогнозные интервалы влажных пород в разрезе массива были указаны достоверно и в целом согласуются с гидрогеологической характеристикой пород при проходке тоннеля. Определенные расхождения данных прогноза и проходки обусловлены различными метеоусловиями на момент времени проведения геофизических измерений и последующих горно-проходческих работ (задержка проходки относительно проведенных измерений ~ 3 сут и более).
Представленное в таблице сравнение данных фактической проходки тоннеля № 1 и опережающего геофизического обследования на участке трассы между ПК 50+38.2 -ПК 52+60 и между ПК 54+56.0 - ПК 55+68 позволяют говорить об эффективности использования ЭМИ СШП зондирования в качестве метода, сопровождающего строительство горных выработок, при решении вопросов, связанных с прогнозной оценкой инженерно-геологических и гидрогеологических условий на трассах строящихся тоннелей, что способствует безопасному ведению горно-проходческих работ.
Список литературы
1. Свидетельство на полезную модель № 28289. РФ 7 H 01 Q 7/00. Антенна для подповерхностного зондирования / В.Б. Болтинцев. Заявитель и патентообладатель ЗАО НПФ «Геодизонд». № 2002126446/20. Заявл. 07.10.2002. Опубл. 10.03.2003. Бюл. № 7. 2003.
2. Болтинцев В.Б., Лютынский И.Ю., Чапчай А.А. Обработка результатов измерений на основе информационного подхода к выбору гипотезы о виде их закона распределения // Проблемы машиностроения и автоматизации. 1990. № 3(33). С. 67-68.
3. Потапов А.А. Диэлектрические свойства воды и протонно-активный механизм поляризации // Журнал общей химии. 1993. Т. 63. в. 7. С. 1461-1471.
4. Stillinger F. h. Low Frequency Dielectric Properties of Liquid and Solid Water // Liquid State of Water. North - Holland Publishig Company. 1982. Рр. 341-430.
5. Тонконогов М.П., Векслер В.А., Биржанов К.Ж. Диэлектрическая релаксация в водных растворах и суспензиях // Изв. вузов. Физика. 1975. № 2. С. 81-84.
6. Ахадов Я.Ю. Диэлектрические свойства чистых жидкостей. М.: Изд-во стандартов. 1972. 412 с.
7. Лилеев А.С., Лященко А.К., Борина А.Ф. Диэлектрические релаксации в водных растворах сульфата аммония // Журн. неорг. химии. 1997. Т. 42. № 6, С. 1039-1043.
8. Хиппель А.Р. Диэлектрики и их применение. М.: Гос-энергоиздат, 1959. 336 с.
9. Семихина Л. П. Возможности диэлектрического метода для анализа состояния водных систем после физических воздействий // Вестник ТюмГУ. 2000. № 2. С. 39-43.
ГеПСИВОИС Тел./факс: (812) 571-0230, 571-7806
г л ■ i.......... :«-|и:г.чм - : ,!..■■
E-Mail: geolog@geodizond.ru, 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.
Научно-технический и производственный журнал
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ ВЫСТАВКА О
ЕвроСтроиЭкспо - 2011 ноября 2011г.
международный выставочный ЦЕНТР
«нрання, ннев, Ьпонлсскон пв-т, 1&
м "ЛовпСвцАжнав"
■ Промышленное и жилищное строительство
* Архитектура и ремонт
* Строительный технологии, материалы и конструкции
* Те я и ик Эр оборудование, инструмент для строительных и ремонтных работ
* Климатическое оборудование, источники отопления и торя чего водоснабжения, сантехника
* Интеллектуальные технологии автоматизации жилья
* Элементы и предметы интерьера и декора
(ИИкИШш ППЩПИИ
НШ ■ ——■
у ^__Щ
шшгз ШШ&
ЧI "йш епкплла ..
- - - "
