CC BY
90
----------------------------------- © Д.Ю. Малеев, В.А. Шабалин,
2009
УДК 550.34:624.19
Д.Ю. Малеев, В.А. Шабалин
ОЦЕНКА СЕЙСМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ ТОННЕЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ МИКРОСЕЙСМ
Т/Т нженерные решения при проектировании в сейсмоопас-
-Ж-Ж ных районах подразумевают количественное описание сейсмического воздействия на объект. Такое описание должно соответствовать способам его дальнейшего использования, например, задание реакции сооружения на сейсмическое воздействие или определение вероятного изменения сейсмической опасности для конкретного сооружения в изучаемом сейсмическом районе.
Транспортные тоннели относятся к наиболее ответственным сооружениям и являются трудоемкими с точки зрения проектирования и строительства. Отказы таких сооружений вследствие техногенных и природных катастроф могут привести к тяжелым экономическим и социальным последствиям [1]. Вместе с тем, при прохождении сейсмических волн смещение грунта на поверхности отличается от смещения на глубине (в тоннелях), с этим, по-видимому, связано отсутствие вполне обоснованной методики расчета сейсмической опасности подземных сооружений. Получение такой методики требует решения важных вопросов, к которым относятся
1. Сопоставление результатов глубинных и поверхностных сейсмических наблюдений в тоннелях.
2. Типизация и распространение на другие тоннели получаемых уравнений, описывающих изменение сейсмической опасности с глубиной.
3. Выбор эффективного способа учета глубины при работах по сейсмическому районированию на вновь строящихся или реконструируемых тоннелях.
Результаты экспериментальных исследований, проведенных на Облученском тоннеле, пересекающем один из массивов Малого
Хингана, и сопоставление их с другими, более ранними данными позволяют рассматривать положительно возможность решения этих вопросов в будущем.
1. Описание объекта исследования
Облученский тоннель будет проходить в северном сбросе грабена, принадлежащего системе Арбунского разлома. Горный массив представляет собой цоколь древней террасы р. Хинган высотой 100 м над уровнем поймы. Глубина заложения тоннеля составляет от 25 до 50 м. Исследуемый массив покрыт маломощной толщей элювиальных отложений в виде щебня и гравийного грунта. Непосредственно под элювиальными отложениями и до глубины заложения тоннеля на разных участках залегают риолиты мелового возраста. По сопротивлению сжатию породы прочные и средней прочности, редко малопрочные. Сейсмичность Облученского тоннеля по ОСР 97С составляет 9 баллов. Указанная сейсмичность отнесена к средним грунтовым условиям при проявлении разрушительных эффектов землетрясения на поверхности.
2. Аппаратура, методика и техника полевых работ
В комплект оборудования входила цифровая 24-битная 3канальная сейсмостанций GSR-24 с высоким динамическим диапазоном (до 132.1 Дб), способная вести запись самостоятельно благодаря встроенному источнику питания, при подключении компьютера работает под управлением программного обеспечения Geo-DAS, позволяет вести непрерывную регистрацию сигнала в частотном диапазоне до 200 Гц, использовалась в качестве опорной станции. Также в комплект входили две 24-битные 8-канальные сейсмостанции «Сейсмолог-8» с динамическим диапазоном 120 Дб, работающие под управлением программного обеспечения «Изыскатель-8/24», позволяющие вести непрерывную запись в диапазоне до 150 Гц; использовались в качестве мобильных станций при записи микросейсм в районе исследуемого тоннеля. Высотная и плановая привязки производились с помощью GPS-навигатора Garmin Vista.
Для регистрации микросейсм использовались 3-компонентные акселерометры Guralp CMG-5T с силовой обратной связью и пределом измерения 1 g и полосой пропускания от 2 до 100 Гц. Схема расстановки сейсмических станций представлена на рис. 1. Место установки опорной станции являлось «эталоном», с известными сейсмическими свойствами, относительно
Рис. 1. Карта-схема района Облученского тоннеля и расстановки сейсмических станций
которого производилось измерение уровня микросейсм на рассматриваемых участках. При проведении профилирования опорная станция располагалась в п. 1 на скальном грунте, представленном слаботрещиноватыми риолитами. Эталонный участок располагался в районе западного портала существующего Облученского тоннеля. Риолиты, на данном участке, имеют скорость распространения продольных волн Ур=2130 м/с, поперечных - Ук=1230 м/с.
Регистрация микросейсм велась одновременно двумя или тремя станциями, при этом одна из них располагалась на «эталонном» грунте, остальные на исследуемом грунте. Длина реализации составляла до 200 мин.
На первом этапе проводилось исследование сейсмических свойств грунтов вдоль оси проектируемого тоннеля. Такая схема расстановки была выбрана с целью оценки трех видов инженерносейсмологических условий по трассе тоннеля: припортального уча-
стка интенсивно выветрелых пород, относительно сохранного участка и зоны тектонического дробления.
На втором этапе исследования проводились с целью оценки изменения интенсивности микросейсм в зависимости от глубины заложения. В данном случае опорная станция располагалась в нише существующего тоннеля, еще две станции располагались на поверхности с превышением 25 и 60 м относительно опорной.
Регистрация велась по трем компонентам - двум горизонтальным (север-юг NE (X) и запад-восток WS ^)) и вертикальной V (2). Причем оси NE используемых акселерометров были ориентированы строго на север, в направлении п. Облучье и железнодорожной станции - основного источника техногенных помех на участке. Ввиду того, что работы проводились в дневное время (интенсивное движение автотранспорта, работа промышленных установок и т.д.) и в условиях пропуска поездов, для оценки микросейс-мического фона не представлялось возможным использовать всю длину реализации, поэтому выбирались фрагменты акселерограмм длиной 10-15 мин., свободные от поездов. Для каждой реализации было рассмотрено до 3-х таких фрагментов, синхронизированных с реализацией на опорной станции. Для анализа отбирались фрагменты с наименьшим уровнем микросейсм.
3. Сейсмическое микрорайонирование тоннеля с помощью высокочастотных микросейсм
Выявлено, что при изменении интенсивности землетрясения на 1 балл ускорение колебаний увеличивается вдвое (при периодах колебаний Т=0.1-0.5 с для землетрясений от 5 до 8 баллов включительно), т.е.
ак=аг2к-1г, (1)
где ак, а, - ускорения движения частиц земной поверхности для землетрясений 1к, 1,■ баллов. Из выражения (1) следует, что при сравнении ускорений на грунтах в точке М и в точке 0 на эталонном грунте приращение балльности
М = 3.31ё А- + 6.6^ (2)
А0 Тм
где Ам, А0, Тм, Т0 - амплитуды и периоды колебаний при землетрясении на грунтах в точках М и 0. Вследствие того, что при определении А1 по микросейсмам могут возникать ошибки, связанные с
техногенными помехами, многие авторы определяли приращение балльности по эмпирическому выражению
Д1 = к 1е Ам, (3)
А0
где коэффициенты К рассчитывались для разных регионов. Так, например, К=2 для Петропавловска-Камчатского, К=1.6 для аймачных центров Монголии. В.И. Джурик [2] дает К=1.6 для района Северо-Муйского тоннеля.
4. Расчет сейсмической опасности по трассе тоннеля
При расчете по акустическим жесткостям по данным полевой сейсморазведки, приращение балльности для грунтов, вмещающих тоннель, составило от +0,05 до +0,3 балла (за эталон выбраны скальные грунты со значениями ^=4000 м/с и р=2,50 г/см3).
На этапе анализа акселерограмм задача состояла в выявлении «спонтанных» микросейсм на фоне техногенных помех. «Спонтанные» микросейсмы представляют собой продольные Р волны, падающие на основании низкоскоростного поверхностного слоя. Другими словами, их источники расположены на глубине, так же как и источники землетрясений. Сравнивать «спонтанные» микро-сейсмы можно в «тихих» местностях, свободных от техногенных вибраций. Если есть источники возбуждения последних, надо исключить их из рассмотрения. Применение к микросейсмическим колебаниям обычных способов фильтрации не может дать удовлетворительных результатов. Как сказано выше, используемая аппаратура позволяет вести непрерывную регистрацию колебаний в диапазоне частот до 100 Гц, однако было бы неправильно использовать для расчета полные спектры микросейсм, так как они давали бы главным образом действие различного рода вибраторов на точки М и 0 (выражение 3). Так, например, преобладающие частоты вибраций грузовых автомобилей имеют порядок от 1 до 3 и от 1015 Гц. Примерно на тех же частотах имеются максимумы в спектрах колебаний, регистрируемых вблизи промышленных установок, приводимых в действие электромоторами. В связи с этим, при предварительной обработке, полученные акселерограммы подвергались фильтрации высокочастотным фильтром с частотой среза 2 Гц. Данная частота соответствует нижнему пределу полосы пропускания используемых акселерометров, и, кроме того, с помощью низкочастотного фильтра выполнялась корректировка дрейфа нуля.
В дальнейшем для расчета приращения балльности по формуле (3) рассматривались микросейсмы в диапазоне 2-10 Гц, для этого выполнялся третьоктавный анализ микроколебаний с измерением их среднеарифметического значения. Анализ приводился с помощью пакета анализа программного комплекса GeoDAS со стандартизованными значениями средней номинальной частоты треть-октавных фильтров: 2.0, 2.2, 2.5, 2.8, 3.2, 3.5, 4.0, 4.5, 5.0, 5.6, 6.3, 7.1, 7.9, 8.9, 10.
Уровень микросейсм измерялся в децибелах и приращение балльности определялось непосредственно разницей на прогнозируемом и эталонном участках. При этом выражение (3) использовалось в виде:
Д = 26 (V + ] (4)
где и,, Ц - уровни микроколебаний на эталонном и прогнозируемом участках соответственно.
На рис. 2 показаны спектры микросейсмических колебаний на трех пунктах наблюдения. Первый спектр (сверху) соответствует микросейсмам на эталонном участке, второй и третий на прогнозируемых участках. На горизонтальной оси в логарифмическом масштабе показаны центральные частоты фильтров, на вертикальной -уровень микросейсм в децибелах (дБа).
Как видно на спектрах, изменение уровня на всех станциях в интервале 2-10 Гц происходит кореллированно. Приведем пример расчета приращения балльности с использованием полученных спектров для средней частоты рассматриваемого диапазона 4.5 Гц. Расчет проводился для компоненты WE, ориентированной в направлении относительно «тихой» местности. Значение амплитуды на эталоне равняется ^=13.75 дБа, на прогнозируемых ^.2=17.95 дБа и и1_3=22.66 дБа. Рассчитанное по формуле (4) приращение балльности относительно эталона для п. 1-2 составляет Д1=0.34, для п. 1-3 - Д1=0.71. Таким образом, сейсмическая опасность п. 1-2 на
0.37 балла ниже, чем п. 1-3. Приращение балльности, полученное по среднему значению для рассматриваемого диапазона частот
Рис. 2. Спектры микросейсмических колебаний записанных одновременно в пунктах 1,1-2 и 1-3 (сверху вниз)
составляет для п. 1-2 - AI=0.24 балла, для п. 1-3 - AI=0.62 балла. Разность в оценках сейсмической опасности в данном случае составила AI=0.38 балла.
Аналогичные расчеты, проведенные между эталонным участком в п. 1 и п. 1-1, расположенным в относительно сохранной зоне над тоннелем показали приращение балльности AI=0.21 на частоте 4 Гц и AI=0.22 для всего диапазона.
4. Расчет сейсмической опасности с глубиной
Изменение приращений балльности за счет изменения глубины заложения тоннеля, рассчитано по формуле взятой из научной литературы [2]
A1 = 1,1 - е°’016(3°-h), (5)
где h - глубина заложения тоннеля, м.
Выражение (5) было получено для другого горного массива при регистрации слабых землетрясений и взрывов, поэтому в ходе наших экспериментальных исследований предстояло подтвердить (или опровергнуть) адекватность применимости этой формулы для массива проектируемого Облученского тоннеля. Кроме того, в качестве источника колебаний предполагалось использовать микро-сейсмы.
Экспериментальные исследования проводились по следующей схеме. Опорная станция располагалась внутри существующего тоннеля, вторая станция на поверхности, на высоте 25 м относительно опорной, третья станция также на поверхности, на высоте 60 м относительно опорной станции.
Регистрация микросейсм и обработка акселерограмм проводились аналогично исследованиям вдоль продольной оси тоннеля, для того же интервала частот. Спектры микросейсм представлены на рисунке 3.
В результате анализа спектров выявлены следующие закономерности. Отношение амплитуд микроколебаний на отметке 60 м (п. 2-2) по отношению к амплитудам в тоннеле (п. 2) составляет в среднем 1.59. Отношение амплитуд микроколебаний на отметке 25 м (п. 2-1) по отношению к амплитудам в тоннеле (п. 2) составляет в среднем 1.05. Таким образом, при увеличении глубины до 25 м изменения амплитуды колебаний практически не происходит. Дальнейшее увеличение глубины до 60 м приводит к уменьшению сейс-
мической опасности на 0.32 балла. Расчет, выполненный для глубины 60 м по выражению (5),
Peak: -3.35 dBa at 20.0 Hz
Peak: -5.58 c/Ba at 15.8 Hz
Peak: -6.11 c/Ba at 15.8 Hz
File: NOISE7_H25M.TXT D.it.i ty|>e: Teizband Filtered: 13 octave bands, base 10, RMS Amplitude
Peak: -4.89 dBa at 12.6 Hz
>~ea, :■ yZ*i- f >■,
Peak: -5.05 dBa at 15.8 Hz
S -72l=.................\.......................I..................
1 .0
File: NOISE7 H60M.TXT D.na tyi>&: Terzband Filtered: 1 3 octave bands, base 10. RMS Amplitude
Peak: -5.00 dBa at 20.0 Hz
Peak: -6.78 dBa af 63.1 Hz
Рис. 3. Спектры микросейсмических колебаний записанных одновременно в пунктах 2, 2-1 и 2-2 (сверху вниз)
дал уменьшение сейсмической опасности на 0.48 балла. Таким образом, установлено, что уменьшение сейсмической опасности, связанной с увеличение глубины заложения для данного массива происходит несколько медленнее, чем по выражению (5). Эмпирический коэффициент 1.1 уменьшается до 0.94, однако вид зависимости и остальные коэффициенты остаются прежними.
Результаты экспериментальных исследований позволяют сделать следующие основные выводы.
1. Выявлена хорошая сходимость средних оценок приращения сейсмической опасности по стандартному методу акустических жесткостей и по спонтанным микросейсмам.
2. Зависимости сейсмической опасности от глубины заложения, полученные для разных тоннелей и от разных источников колебаний - взрывы и слабые землетрясения против спонтанных мик-росейсм - имеют одинаковый вид и отличаются в незначительных деталях, что позволяет использовать последние для сейсмического микрорайонирования подземных сооружений по глубине.
3. Микросейсмические колебания в интервале частот 2-10 Гц являются ценным средством сейсмического микрорайонирования и могут быть использованы как самостоятельно, так и в сочетании с другими способами.
--------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. СНиП 32-04-97 Тоннели железнодорожные и автодорожные.
2. Геология и сейсмичность зоны БАМ. Инженерная геология и инженерная
сейсмология / О.В. Павлов, В.И. Джурик, А.Ф. Дренов и др. - Новосибирск: Наука, 1985. ЕШ ' '
— Коротко об авторах ---------------------------------------------
Малеев Д.Ю. - кандидат геолого-минералогических наук, доцент, Шабалин В.А. - преподаватель,
Дальневосточный государственный университет путей сообщения, г. Хабаровск.
E-mail: [email protected] E-mail: [email protected]
